亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油的工藝優(yōu)化

王 靖，張志旭

（1.湖南農業(yè)大學園藝園林學院，湖南 長沙 410128；2.國家中醫(yī)藥管理局亞健康干預技術實驗室，湖南 長沙 410128；3.湖南省植物功能成分利用協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128）

亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油的工藝優(yōu)化

王 靖1,2,3，張志旭1,2,3

（1.湖南農業(yè)大學園藝園林學院，湖南 長沙 410128；2.國家中醫(yī)藥管理局亞健康干預技術實驗室，湖南 長沙 410128；3.湖南省植物功能成分利用協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128）

以丁香為材料，對亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油成分的工藝進行了優(yōu)化，并采用GC-MS法對比分析了超臨界CO2萃取法與亞臨界丁烷萃取法獲得的丁香揮發(fā)油成分。結果表明：亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油的最佳工藝條件為萃取時間60 min，萃取溫度40℃，萃取次數(shù)3次，在此條件下丁香揮發(fā)油的得率為18.65%，與超臨界CO2萃取（SCF）得到的丁香揮發(fā)油相比得率相當，主要成分及含量差異小。這表明亞臨界丁烷適用于丁香揮發(fā)油的高效萃取。

亞臨界丁烷萃取；丁香；超臨界CO2萃取；氣相色譜-質譜分析法（GC-MS法）

丁香[Syzygium aromaticum(L.)Merr.Et Perry]為桃金娘科植物。其干燥花蕊是一種藥食兩用的中藥，味辛、性溫，具有溫中降逆、溫腎助陽等功效[1]。據(jù)報道，丁香揮發(fā)油含量較高，達15%～20%；其主要成分為丁香酚、石竹烯、丁香烯、乙酸丁香酚酯等。研究表明，這些成分具有抗菌、消炎、抗氧化等作用[2]。目前，丁香揮發(fā)油提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法等傳統(tǒng)方法以及近年來發(fā)展起來的超臨界提取法、微波提取法等[3]；其中，超臨界CO2萃取法具提取率高、活性成分保留完好等特點，因而被廣泛使用[4-7]。

亞臨界丁烷萃取法是一種新型的萃取技術。隨著該技術在食品加工領域的應用，亞臨界丁烷也被列入食品加工助劑名單。該溶劑為非極性溶劑，適用于提取極性較低的物質，尤其適用于脂溶性成分萃取。與超臨界萃取技術類似，亞臨界萃取技術也具有萃取率高、活性物質損失少等特點，且成本較低，可工業(yè)化的程度較高，因此具有廣闊的應用前景[8]。目前，在食品行業(yè)關于亞臨界丁烷的報道多為萃取不同種子的油脂如石榴籽油、牡丹籽油、茶籽油等，而采用亞臨界丁烷提取揮發(fā)油的報道較少。因此，研究以丁香為材料，對亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油成分的工藝進行了優(yōu)化，并采用GC-MS法對比分析了超臨界CO2萃取法與亞臨界丁烷萃取法獲得的丁香揮發(fā)油成分，以期為亞臨界丁烷萃取工藝的推廣應用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試丁香購買自青春康健藥材公司，產地為廣西。

試驗主要試劑有正己烷（色譜純）、甲醇（色譜純）等（國藥集團化學試劑有限公司）。

試驗主要儀器與設備有6850型色譜儀（美國Agilent公司）、5975C型質譜儀（含Agilent化學工作站，美國Agilent公司）、PL403電子天平（Mettler Toledo公司）、HA231—50—06型超臨界萃取設備（江蘇南通華安超臨界萃取有限公司）、CBE-50+1L型亞臨界萃取設備（河南省亞臨界生物技術有限公司）、ZN—400A型高速中藥粉碎機（中南制藥機械廠）和30目分樣篩（長沙市思科儀器）。

1.2 試驗方法

1.2.1 亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油的工藝流程 丁香粉碎過30目篩→稱重→萃取釜裝料→密封→萃取釜抽真空→液態(tài)丁烷進入萃取釜與丁香混合→升溫到預定萃取條件→亞臨界狀態(tài)下萃取→分離釜抽真空→萃取液進入分離釜→減壓分離→丁香揮發(fā)油。

1.2.2 亞臨界丁烷萃取法提取丁香揮發(fā)油的工藝優(yōu)化（1）單因素試驗設計：分別考察不同萃取時間（30、45、60、75、90 min）、不同溫度（30、35、40、45、50℃）以及不同萃取次數(shù)（1、2、3、4次）對丁香揮發(fā)油得率的影響。固定提取條件為提取時間60 min，提取溫度40℃，提取次數(shù)1次，每次萃取丁香100 g，料液比為1︰2。（2）正交試驗設計：據(jù)參考文獻[9]，影響丁烷萃取效率的主要因素有萃取時間、萃取溫度和萃取次數(shù)3因素，在單因素試驗的基礎上，每個因素選取3個水平進行L9（33）正交試驗，以揮發(fā)油的提取率為參考指標，因素水平見表1。

表1 亞臨界丁烷萃取法提取丁香揮發(fā)油的L9（33）正交試驗因素水平

1.2.3 超臨界CO2萃取丁香揮發(fā)油的工藝參數(shù) 依據(jù)參照文獻[8]，超臨界CO2萃取時間2 h，萃取壓力15 MPa，萃取溫度45℃，分離壓力4.5 MPa，分離溫度55℃。

1.2.4 氣相色譜質譜檢測條件 將獲得的丁香揮發(fā)油稀釋1 000倍溶于正己烷，過0.45 μm膜；進樣口溫度280℃（99.999%He），流速1 mL /min，進樣量1 μL；分流比10︰1。EI離子源，電子能量70 eV，離子源溫度250℃；溶劑延遲3 min，質量掃描范圍（35～455 m/z）。色譜柱為毛細管柱hp-5MS（30 m×250 μm×0.25 μm）；升溫程序為初始溫度50℃，以5℃/min 升溫至160℃，保持10 min，再以20℃/ min升溫至180℃，保持2 min。

2 結果與分析

2.1 亞臨界丁烷萃取法提取丁香揮發(fā)油的單因素試驗結果

2.1.1 萃取時間對丁香揮發(fā)油得率的影響 由圖1可知，隨著萃取時間的延長，丁香揮發(fā)油得率逐漸增加；當萃取時間超過60 min時，丁香揮發(fā)油得率基本不變，說明此時揮發(fā)油在溶劑中已經達到傳質動態(tài)平衡，若繼續(xù)延長萃取時間不僅無法促進揮發(fā)油進一步浸出，而且會降低生產效率，增加生產成本[10]。

圖1 不同萃取時間處理丁香揮發(fā)油得率的比較

2.1.2 萃取溫度對丁香揮發(fā)油得率的影響 由圖2可知，隨著萃取溫度的增加，丁香揮發(fā)油得率逐漸增加，主要是因為亞臨界狀態(tài)下溫度越高，體系內傳質阻力越小，揮發(fā)油在溶劑中的擴散速度越快[9]；當萃取溫度≥40℃時，丁香揮發(fā)油得率基本維持不變；繼續(xù)提升溫度，丁香揮發(fā)油得率不再升高，主要是因為溫度過高，丁烷的密度減小，粘度下降，揮發(fā)油的萃取能力也隨之下降[10]。

圖2 不同萃取溫度處理丁香揮發(fā)油得率的比較

2.1.3 萃取次數(shù)對丁香揮發(fā)油得率的影響 亞臨界狀態(tài)下萃取丁香揮發(fā)油是一個打破傳質動態(tài)平衡的過程，丁香內外成分濃度差越大，揮發(fā)油向丁烷傳質過程的推動力越大，浸出越完全，因此多次萃取有利于揮發(fā)油的溶出[9-10]。從圖3中可以看出，在萃取時間為60 min、萃取溫度為40℃的條件下，當萃取次數(shù)為3次時，萃取率最高，而4次萃取后出油率未見增加。這說明經過3次萃取，丁香中的揮發(fā)油已萃取完全。

圖3 不同萃取次數(shù)處理丁香揮發(fā)油得率的比較

2.2 亞臨界丁烷萃取法提取丁香揮發(fā)油的正交試驗結果

由表2可知，萃取丁香揮發(fā)油的最佳組合為A2B2C3，即萃取時間為60 min，萃取溫度為40℃，萃取次數(shù)為3次；從3個因素的極差可以看出丁烷萃取次數(shù)（7.53）對揮發(fā)油得率的影響最顯著, 其次是萃取溫度（2.12），而萃取時間（1.81）對揮發(fā)油得率的影響最小。

表2 亞臨界提取丁香揮發(fā)油工藝L9（33）正交試驗設計結果

2.3 亞臨界丁烷萃取與超臨界CO2萃取的差異

從丁香揮發(fā)油的得率來看，亞臨界丁烷萃取法和超臨界CO2萃取法的得率分別為18.65%和17.89%，差異較小。應用GC-MS 技術對采用亞臨界丁烷萃取法和超臨界CO2萃取法獲得的丁香萃取物的化學成分進行了分析，共鑒定出6種主要成分，如圖4和圖5所示，這6種成分分別為丁香酚、α-蓽澄茄油烯、1-石竹烯、丁香烯、乙酸丁香酚酯和氧化石竹烯。

圖4 超臨界二氧化碳萃取丁香揮發(fā)性成分總離子流圖

圖5 亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)性成分總離子流圖

應用峰面積歸一化法確定了各成分的相對含量，結果見表3。從表3中可以看出，兩種萃取方法所得產物的化學組成一致，主要成分的相對含量相差不大，主要活性成分丁香酚、1-石竹烯和乙酸丁香酚酯的相對百分含量之和都超過了98%。研究表明，以上3種成分是丁香揮發(fā)油具有抗菌、消炎、鎮(zhèn)痛及清除氧自由基作用的主要活性成分[11-13]。因此，亞臨界丁烷萃取所得的丁香揮發(fā)油與超臨界CO2萃取法獲得的質量相當。

表3 不同方法萃取丁香揮發(fā)性成分的相對含量比較（%）

3 結果與討論

采用正交法對亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油的條件進行了優(yōu)化，得出萃取次數(shù)對丁香揮發(fā)油得率取響最大，萃取的最佳工藝為萃取時間60 min、萃取溫度40℃、萃取次數(shù)3次，在此條件下丁香揮發(fā)油的得率為18.65%。用GC-MS分析了亞臨界丁烷萃取的揮發(fā)油主要成分，結果表明，與超臨界CO2萃取法相比，兩者揮發(fā)油的得率以及主要化學成分的含量基本相同。這主要是因為，兩種方法使用的溶劑對分子量較小和非極性的有機化合物分子都有較強的親和力，且萃取都是在低溫無氧條件中進行，很好地保存了其活性成分。兩種萃取法得到的丁香揮發(fā)油差異小，說明亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油具有高產量、高效益和高品質的特點；而且與超臨界CO2萃取法相比，還具有設備成本投入低，壓力小等優(yōu)勢[14-15]。

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（責任編輯：成 平）

Sub-criticalFluidExtractionofVolatilefromSyzygium aromaticum(L.)Merr.EtPerry

WANG Jing1,2,3，ZHANG Zhi-xu1,2,3
（1. College of Horticulture and Gardening, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, PRC; 2. State Key Laboratory of Subhealth Intervene Technology, Changsha 410128, PRC; 3. Hunan Collaborative Innovation for Utilization of Botanical Functional Ingredients, Changsha 410128, PRC）

The volatile components in Syzygium aromaticum(L.)Merr.Et Perry was efficient extraction using Sub-critical butane. The extraction temperature, extraction time and extraction times was optimized. Syzygium aromaticum(L.)Merr.Et Perry volatile component was analyzed by GC-MS. The results showed that the optimal conditions were extraction temperature 40℃, extraction time 60 min, 3 times. Under this condition, the rate of extraction of Syzygium aromaticum(L.)Merr. Et Perry volatile was 18.65%, compared with Extraction by supercritical CO2fluid, the Main components of the Syzygium aromaticum(L.)Merr.Et Perry volatile was similar and the extraction rate has minor differences. It was indicated that sub-critical butane could be used to extract Syzygium aromaticum(L.)Merr. Et Perry volatile.

sub-critical fluid extraction; Syzygium aromaticum(L.)Merr.Et Perry; supercritical CO2fluid extraction; gas chromatographymass spectrometry (GC-MS)

TS224.4

A

1006-060X（2017）05-0087-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.005.025

2017-03-24

國家科技支撐計劃（2012BAD33B11）

王 靖（1987-），男，湖南長沙市人，碩士研究生，研究方向：植物資源與工程。

張志旭