超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發油的工藝優化

金建忠

(浙江樹人大學生物與環境工程學院，浙江 杭州 310015)

超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發油的工藝優化

金建忠

(浙江樹人大學生物與環境工程學院，浙江 杭州 310015)

目的：采用超臨界CO2流體萃取技術萃取紫蘇葉揮發油，優化萃取工藝。方法：以紫蘇葉揮發油得率為指標，通過單因素試驗和正交試驗考察萃取溫度、萃取壓力、CO2流量、萃取時間4個因素對紫蘇葉揮發油的超臨界CO2流體萃取的影響。結果：萃取壓力20MPa、萃取溫度35℃、CO2流量為10kg/h的條件下萃取150min為最佳工藝。結論：超臨界CO2流體萃取技術萃取紫蘇葉揮發油得率達3.2%。

紫蘇；超臨界CO2萃??；揮發油

紫蘇學名Perilla frutescens (L.) Britt.，古名荏，又名白蘇、赤蘇、紅蘇、香蘇、黑蘇、白紫蘇葉、青蘇、野蘇、蘇麻、蘇草、唐紫蘇葉、桂芢、皺葉蘇等，屬唇形科一年生草本植物，具有特異芳香，是衛生部首批頒布的既是食品又是藥品的60種中藥之一[1-2]。紫蘇原產于我國，在我國種植已有兩千多年歷史，如今主要分布于東南亞。現代藥理研究表明紫蘇具有降血壓、降血脂、抑制血小板凝集、抗血栓、抗衰老、減肥、抗過敏性炎癥、增強學習記憶、預防癌變和抑制腫瘤細胞轉移等功能[3-5]。

紫蘇葉的揮發油是其重要的藥理活性成分[6-9]。紫蘇葉揮發油的傳統提取法為水蒸氣蒸餾法，有關水蒸氣蒸餾法提取紫蘇葉揮發油及其化學成分研究有多篇文獻報道[10-15]。但紫蘇葉的有效成分中有些低沸點、易氧化物質，在水蒸氣蒸餾提取時會發生變化和損失，使精油的品質下降。且揮發油得率也很低(約0.4%)。因而迫切需要一種新的有效提取紫蘇葉揮發油的手段，使傳統的中藥生產工藝得到改進，實現中藥生產的現代化。

超臨界CO2萃取技術具有流程簡單、步驟少、節能、傳質速率快、穿透能力強、萃取效率高、操作溫度低，作為一種環保型的綠色分離技術現已成為獲得高品質精油的有效手段之一[16-21]。本實驗對超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發油工藝進行了研究，以揮發油得率為考察指標，研究了萃取壓力、萃取溫度、CO2流量和萃取時間對揮發油得率的影響，以期確定超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發油的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫蘇葉 杭州中藥飲片廠；CO2氣體(純度≥99.0%)杭州民星工貿有限公司。

無水氯化鈉、無水硫酸鈉 上海虹光化工廠。

1.2 儀器與設備

HL-0.5/50MPaⅢA型超臨界流體(CO2)萃取裝置 杭州華黎泵業有限公司；揮發油提取器 安徽千秋玻璃儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 水蒸氣蒸餾法

稱取100g紫蘇葉粉末，于揮發油提取器中進行水蒸氣蒸餾，提取5h，收集上層油狀物，加10g無水氯化鈉至飽和，分出大部分水后加無水硫酸鈉干燥，得到紫蘇葉揮發油，根據下式計算紫蘇葉揮發油得率。

1.3.2 超臨界CO2萃取流程

稱取100g紫蘇葉粉末裝入萃取釜，待制冷裝置與萃取釜和分離釜加溫裝置正常工作后，打開壓縮泵加壓到所需壓力，調整CO2流量，循環萃取。萃取時固定分離壓力5.0MPa、分離溫度50℃。

根據經驗及相關文獻設置各個單因素試驗的參數值，根據單因素試驗的結果設計正交試驗的因素、水平，并對所得最佳工藝進行驗證實驗。

2 結果與分析

2.1 水蒸氣蒸餾法

水蒸氣蒸餾法得到紫蘇葉揮發油0.42g，得率僅0.42%。

2.2 超臨界CO2萃取條件的單因素試驗

2.2.1 萃取壓力單因素試驗

在萃取溫度45℃、CO2流量10kg/h，萃取時間120min條件下，進行不同壓力條件下的萃取實驗，結果見圖1a。萃取壓力對得率的影響相當顯著，隨著壓力的增大，揮發油得率升高，當壓力處于20～22MPa范圍內時，萃取率增加緩慢。當壓力超過23MPa后，揮發油得率明顯下降，該實驗結果與理論有沖突，原因不明。在試驗過程中還發現隨著壓力的增大，揮發油顏色也變深。因此，萃取壓力選擇20MPa。

2.2.2 萃取溫度單因素試驗

在萃取壓力20MPa、CO2流量10kg/h、萃取時間120min條件下考察不同溫度對紫蘇葉揮發油得率的影響，結果見圖1 b。隨著溫度的增加，得率增大，當萃取溫度超過35℃后，得率下降，所以在萃取溫度為3 5℃時，得率最高。

2.2.3 CO2流量單因素試驗

在萃取壓力20MPa、萃取溫度35℃、萃取時間120min條件下，考察不同CO2流量對紫蘇葉揮發油得率的影響，結果見圖1c。隨著CO2流量的增加，揮發油得率增大，而后得率呈減少趨勢?？紤]到CO2流量增大會導致CO2消耗增加和其他生產成本的增加，且不利于分離器中萃取物與CO2的分離，因此選擇CO2的流量以10kg/h為佳。

2.2.4 萃取時間單因素試驗

在萃取壓力20MPa、萃取溫度35℃、CO2流量10kg/h條件下，考察萃取時間對紫蘇葉揮發油得率的影響，結果見圖1 d。隨著時間的增加，揮發油得率也隨之增加，但當時間大于100min之后，得率基本不變，而且時間增加也會增加能耗，因此萃取時間選擇100min為宜。

圖1 不同萃取條件對揮發油得率的影響Fig.1 Effects of different extraction conditions on extraction rate of volatile oil

2.3 超臨界CO2萃取條件的正交試驗

為了全面考察超臨界CO2萃取各因素的影響，在單因素試驗的基礎上設計了正交試驗。固定分離壓力5.0MPa、分離溫度50℃，考察萃取壓力、萃取溫度、CO2流量和萃取時間對紫蘇葉揮發油得率的影響，經過綜合考慮確立提取的最佳條件，考察因素及具體水平點見表1。選用L9(34)正交表，正交試驗結果見表2。

表1 正交試驗設計的因素水平Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

表2 正交試驗結果及分析Table 2 Orthogonal array design experimental results and range analysis

表2表明，超臨界CO2萃取法提取條件對紫蘇葉揮發油得率影響程度的大小順序為CO2流量＞萃取溫度＞萃取時間＞萃取壓力，A2B2C2D3為最佳值，即最佳條件為壓力20MPa、溫度35℃、流量10kg/h、時間150min。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis of othogonal array design experimental results

由表3可知，影響因素CO2流量和萃取溫度的F值大于F0.05(2,2)，對實驗結果有顯著影響，與極差分析結果一致。

2.4 驗證實驗

固定分離壓力5.0MPa、分離溫度50℃，用此最佳條件重復萃取紫蘇葉3次，揮發油得率分別為3.3%、3.2%和3.2%，平均得率為3.2%。此提取條件與正交試驗任意組對比，大于所有提取率，驗證了所確定條件為最佳工藝條件。

3 結 論

以超臨界CO2為萃取劑，對紫蘇葉揮發油的超臨界流體萃取工藝進行了實驗研究。首先通過單因素試驗初步考察了各萃取條件對萃取效果的影響，并進行了正交試驗，由此確定了超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發油的最佳的工藝條件。實驗表明最佳工藝條件為萃取壓力20MPa、萃取溫度35℃、CO2流量10kg/h、萃取時間2h，在此條件下紫蘇葉揮發油得率可達3.2%。實驗結果證明超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發油的萃取效率遠高于水蒸氣蒸餾法(0.42%)。

[1] 余華. 對紫蘇資源開發利用的研究[J]. 四川食品與發酵, 2001, 36 (3): 32-34.

[2] 張洪, 黃建韶, 趙東海. 紫蘇營養成分的研究[J]. 食品與機械, 2006, 22(2): 41-43.

[3] 趙德義, 徐愛遐, 張博勇, 等. 紫蘇籽油的成分與生理功能的研究[J].河南科技大學學報, 2004, 24(2): 47-50.

[4] 顧文娟, 朱陳玨, 張建梅. 紫蘇的藥理作用研究進展[J]. 黑龍江畜牧獸醫, 2006(8): 26-28.

[5] 王玉萍, 楊峻山, 趙楊景, 等. 紫蘇類中藥化學和藥理的研究概況[J].中國藥學雜志, 2003, 38(4): 250-253.

[6] 郭群群, 杜桂彩, 李榮貴. 紫蘇揮發油抗菌活性研究[J]. 食品工業科技, 2003, 24(9): 25-27.

[7] 劉小琴, 萬福珠, 鄭世玲. 紫蘇揮發油抑制皮膚癬菌及的作用[J]. 天然產物研究與開發, 2001, 13(5): 39-41.

[8] 王永奇, 王威, 梁文波, 等. 紫蘇油抗過敏炎癥的研究[J]. 中草藥, 2001, 32(1): 83-85.

[9] 郭群群, 杜桂彩, 李榮貴. 紫蘇揮發油抗菌活性研究[J]. 食品工業科技, 2003, 24(9): 25-27.

[10] 楊詠潔, 權伍榮. 紫蘇葉揮發油提取工藝的研究[J]. 延邊大學農學學報, 2009, 31(4): 266-270.

[11] 凌育趙. 二種方法提取紫蘇揮發油的氣相色譜-質譜比較[J]. 中國調味品, 2008(11): 18-20.

[12] 雷殷. 中藥紫蘇葉揮發油的提取與氣相色譜分析[D]. 長春: 吉林大學, 2006.

[13] 孫建忠, 于寒松, 王玉華. 長白山紫蘇揮發油與醇提物化學成分比較研究[J]. 中藥材, 2008, 31(11): 1652-1655.

[14] 林碩, 邵平, 馬新. 紫蘇揮發油化學成分GC-MS分析及抑菌評價研究[J]. 核農學報, 2009, 23(3): 477-481.

[15] 吳周和, 吳傳茂, 徐燕. 紫蘇葉精油化學成分分析研究[J]. 氨基酸和生物資源, 2003, 25(2): 18-20.

[16] 李巧玲, 王亞昆. 超臨界流體萃取技術的研究進展[J]. 華北工學院學報, 1998, 19(3): 238-240.

[17] 劉瑞源, 謝楊, 游文瑋. 超臨界二氧化碳萃取中草藥有效成分的研究進展[J]. 廣東化工, 2002, 2(4): 25-27.

[18] 李衛民, 金波. 中藥現代化與超臨界流體萃取技術[M]. 北京: 中國醫藥科技出版社, 2002: 104-140.

[19] 李斌, 韓凌, 彭華松, 等. 石菖蒲揮發油的超臨界CO2萃取工藝研究[J]. 化學世界, 2005, 46(4): 213-222.

[20] 葛發歡, 李瑩, 謝健鳴, 等. 超臨界CO2從柴胡中萃取揮發油及其皂甙的研究[J]. 中國中藥雜志, 2000, 25(3): 149-153.

[21] 林濤, 夏遠景, 孟庭宇, 等. 超臨界CO2萃取辣椒油實驗研究[J]. 應用化工, 2005, 34(9): 156-258.

Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Fluid Extraction Process for Volatile Oil from Perilla frutescens Leaves

JIN Jian-zhong
(College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015, China)

The objective of this study was to optimize the supercritical fluid CO2 extraction of volatile oil from Perilla frutescens leaves. Single factor and orthogonal design methods were used to investigate the effects of pressure, temperature, extraction time and CO2 flow rate on extraction rate of volatile oil. Pressure of 20 MPa, temperature of 35 ℃, CO2 flow rate of 10 kg/h and extraction time of 150 min were found optimum. Under the optimal extraction conditions, the extraction rate of volatile oil was up to 3.2%.

Perilla frutescens；supercritical fluid CO2 extraction；volatile oil

R284.2

A

1002-6630(2011)06-0124-03

2010-06-24

金建忠(1962—)，男，教授，本科，研究方向為天然產物化學。E-mail：hzjjz@163.com