超臨界CO2提取葛縷子精油及其成分分析

龐 敏 崔秀明

(1. 上海杉達學院，上海 200120；2. 華寶香精股份有限公司，上海 201800)

葛縷子(CarumcarviL.)又稱藏茴香，具有特色香味，其籽中精油含量為3%～6%[1]，具有抑菌[2-3]、抗氧化[4-5]、抗腫瘤[6]、助消化[7]等作用，可作為天然防腐劑和抗氧化劑。目前，有關葛縷子精油的提取方法主要有傳統的水蒸氣蒸餾提取[8]、超聲波輔助—鹽析—蒸餾法[9-11]、微波輔助蒸餾提取[12]，這類方法效率偏低，長時間的高溫操作會導致熱敏性成分分解和損失，此外也有學者[13]采用索式提取等以溶劑浸提為基礎的提取方法，這類方法得到的精油成分較復雜、得率較低、有溶劑殘留。由于天然產物的獨特性質以及人類對環境健康的要求日益嚴格，超臨界CO2提取技術逐漸受到重視，CO2不易燃，無毒無味，且無殘留，近年來被應用于山茶油[14]、牡丹籽油[15]、蠶蛹油脂[16]、蘋果多酚[17]的提取中。文章擬對超臨界CO2提取葛縷子精油的工藝進行優化，通過氣相色譜—質譜(GC-MS)對葛縷子精油成分進行分析，并與同時蒸餾萃取法對比，為葛縷子的深度開發和精準加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

葛縷子籽粒：產地西藏；

無水乙醚：分析純，國藥集團上海有限公司；

正己烷：色譜純，國藥集團上海有限公司；

CO2氣體：純度99.9%，上海婁氧氣體灌裝有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

離心機：SL-16型，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；

超臨界提取系統：SFE500型，美國Thar科技公司；

氣相色譜質譜聯用儀：7890A-5975C型，美國安捷倫公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 超臨界CO2法提取葛縷子精油工藝流程

葛縷子籽?！?5 ℃干燥5 h→粉碎過40目篩→超臨界CO2提取→解壓放料→4 000 r/min離心15 min→精油

1.2.2 超臨界提取單因素試驗

(1) 提取壓力：固定提取釜溫度50 ℃，分離釜溫度40 ℃，分離釜壓力0.4 MPa，二氧化碳流速15 g/min，提取時間60 min，考察提取壓力(17，20，25，30，35 MPa)對葛縷子精油得率的影響。

(2) 提取溫度：固定分離釜壓力0.4 MPa，提取壓力30 MPa， 二氧化碳流速15 g/min，提取時間60 min，分離釜溫度40 ℃，考察提取溫度(40，45，50，55，60 ℃)對葛縷子精油得率的影響。

(3) CO2流速：固定提取時間60 min，提取壓力30 MPa，分離釜壓力0.4 MPa，提取溫度50 ℃，分離釜溫度40 ℃，考察CO2流速(10，15，20，25，30 g/min)對葛縷子精油得率的影響。

(4) 提取時間：固定提取壓力30 MPa，提取溫度50 ℃，分離釜溫度40 ℃，分離釜壓力0.4 MPa，CO2流速15 g/min，考察提取時間(30，60，90，120 min)對葛縷子精油得率的影響。

1.2.3 正交試驗 在單因素試驗基礎上，選擇提取釜溫度、提取釜壓力、CO2流速、提取時間4個因素進行正交試驗，以精油得率為評價指標，確定提取工藝。

1.2.4 同時蒸餾萃取法提取葛縷子精油 按1.2.1粉粹過篩，取30 g樣品置于同時蒸餾萃取儀一端的蒸餾燒瓶中，按料液比(m葛縷子∶V蒸餾水)1∶10 (g/mL)加蒸餾水，加熱至沸騰；按料液比(m葛縷子∶V乙醚)1∶4 (g/mL)加入無水乙醚，置于同時蒸餾萃取儀的另一端，60 ℃水浴加熱，萃取210 min，將萃取液用無水硫酸鈉干燥后旋轉蒸發濃縮，得葛縷子精油。

1.2.5 葛縷子精油GC-MS分析

(1) 葛縷子精油前處理：參照文獻[18]。

(2) GC-MS分析色譜柱條件：DB-5MS (60 m×0.25 mm×0.25 μm)；進樣口溫度250 ℃，載氣為高純氦氣，流速為1.0 mL/min，進樣量1 μL。質譜條件：EI離子源，電子能量70 eV，質量掃描范圍33～450 amu，四極桿溫度150 ℃，離子源溫度230 ℃。

1.3 葛縷子精油得率計算

按式(1)計算葛縷子精油得率。

(1)

式中：

w——葛縷子精油得率，%；

w1——葛縷子精油質量，g；

w2——葛縷子原料質量，g。

1.4 數據處理

數據均為3次重復試驗的平均值，并采用Excel 2019軟件進行數據處理和繪圖；GC-MS分析采用NIST2005譜庫進行檢索，采用峰面積歸一化法計算各組分的質量分數。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 提取壓力對葛縷子精油得率的影響 由圖1可知，精油得率隨提取壓力的增大呈升高趨勢，提取壓力升高，二氧化碳密度逐漸增大，對物質的溶解能力增強，故精油得率逐漸增大。當提取壓力為35 MPa時，精油得率與30 MPa的無顯著增加，且考慮到設備要求及生產成本，故選擇提取壓力為30 MPa。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.2 提取溫度對葛縷子精油得率的影響 由圖2可知，提取溫度升高，精油得率先升高后降低，由于提取溫度對二氧化碳溶解目標物質的影響較為復雜，提取溫度升高，精油在超臨界流體中的溶解度增大，另一方面，等壓條件下，提取溫度升高，二氧化碳密度降低，溶解能力降低，這兩種相反的影響導致一定壓力下，精油溶解度與提取溫度間的關系曲線會出現一個極值點[19]，為滿足得到較高的精油得率，故選擇提取溫度為50 ℃。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.3 CO2流速對葛縷子精油得率的影響 由圖3可知，隨著CO2流速的增加，精油得率先升高后逐漸平穩，由于CO2流速的大小正比于液料比，流速較小時，CO2流體中已溶出的精油濃度與顆粒內的濃度相差不大，故顆粒內的目標物質難以溶出，所以CO2流速增大，意味著液料比增加，精油得率會逐漸增加，當CO2流速>15 g/min時，繼續增大CO2流速并未明顯提高精油得率，考慮到工藝成本，選擇CO2流速為15 g/min。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.4 提取時間對葛縷子精油得率的影響 由圖4可知，隨著提取時間的延長，精油得率先升高后逐漸穩定，這是因為提取時間短，二氧化碳與葛縷子顆粒不能深度接觸，難以滲入顆粒內部，90 min后，精油大部分已被提取出來，提取時間延長至120 min時，精油得率與90 min時無顯著提高，故選擇提取時間為90 min。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2 正交試驗

在單因素試驗基礎上選擇提取溫度、提取壓力、CO2流速和提取時間4個因素進行正交試驗，正交試驗因素水平見表1，試驗結果及分析見表2。

表1 正交試驗因素水平表

由表2可知，各因素對葛縷子精油得率影響的主次順序為提取壓力>提取溫度>CO2流速>提取時間。綜合各因素作用，得到超臨界CO2提取葛縷子精油的最適工藝條件為提取釜溫度50 ℃，提取釜壓力30 MPa，二氧化碳流速20 g/min，提取時間90 min。

表2 超臨界CO2提取正交試驗結果

根據最適提取工藝進行3次平行實驗，計算得到精油的平均得率為4.79%，均高于單因素組和正交試驗組的精油得率，故可確定該組合為最適提取工藝條件。

2.3 與同時蒸餾萃取比較

由表3可知，超臨界CO2提取葛縷子精油的得率高于同時蒸餾萃取的，并且提取時間縮短，這是因為超臨界技術通過提高壓力和溫度，使CO2達到超臨界流體狀態，快速擴散并能充分溶解分子中的精油成分，從而提高精油得率。

表3 不同提取方法的比較

2.4 葛縷子精油成分GC-MS分析

由表4可知，超臨界CO2法制備的精油中揮發性成分種類更多，質量分數>0.01%的有22種，同時蒸餾萃取法的為14種。兩種方法制備的葛縷子精油中主要成分均為D-檸檬烯和香芹酮，超臨界CO2法中二者占精油成分總質量的97.61%，同時蒸餾萃取中二者占精油成分總質量的92.12%。與超臨界CO2法相比，同時蒸餾萃取法制備的精油中有12種揮發性成分含量均存在不同程度的下降，可能是由于制備過程中存在的熱處理導致了揮發性成分的分解與損失，由此推斷，超臨界CO2法比同時蒸餾萃取法更適合葛縷子精油的提取。

表4 葛縷子精油成分GC-MS分析

葛縷子精油中的D-檸檬烯具有新鮮橙子香氣及檸檬樣香氣，可作為修飾劑用于食用香精配方[20]，此外還具有抑菌[21]、抗腫瘤[22]作用，也是合成萜醇類物質的基礎原料。香芹酮具有清涼和特有的芳香甜味，有抑菌作用，也可抑制馬鈴薯發芽[23]；α-蒎烯和β-蒎烯為同分異構體，二者均存在于多種天然精油中，α-蒎烯具有松木和松節油香氣[24]，感官閾值很低，香氣明顯，微量可用于調配薰衣草、香葉等日用香精和肉豆蔻、柑橘等食用香精，也可用于合成松油醇、香葉醇、芳樟醇等一些檀香型香料；β-蒎烯與α-蒎烯類似，也具有松木和樹脂樣香氣。β-水芹烯具有柑橘和胡椒香氣[25]，可用于調配柑橘、辛香等香型的食用香精，β-羅勒烯具有花香、藥草香和甜香[26]，檸檬醛具有濃郁的檸檬香氣，這些不同成分的協同作用使葛縷子精油具有清甜香型和良好的抗菌活性，可用于醫藥、農藥[27-28]、食品添加劑和精細化工領域，具有較好前景。

3 結論

以葛縷子籽粒為原料，采用正交試驗設計對超臨界CO2提取葛縷子精油的工藝條件進行了優化。結果表明，超臨界CO2提取葛縷子精油的最佳工藝條件為提取釜溫度50 ℃，分離釜溫度40 ℃，提取釜壓力30 MPa，分離釜壓力0.4 MPa，二氧化碳流速20 g/min，提取時間90 min，此條件下精油得率為4.79%，與同時蒸餾萃取法相比，其精油得率提高，說明此方法能使CO2達到超臨界流體狀態，快速擴散到樣品顆粒中并充分溶解精油成分，具有提取時間短、無溶劑殘留的優點，可避免長時間高溫條件下導致的活性物質分解，是一種較為理想的制取葛縷子精油的方法。

經GC-MS分析發現，與同時蒸餾萃取法相比，超臨界CO2法制備的葛縷子精油中所含揮發性成分含量高，種類豐富，主要成分為烯烴類和酮類化合物，其中質量分數最高的是D-檸檬烯(50.96%)，其次為香芹酮(46.65%)。不同成分的協同作用使葛縷子精油具有特色清甜香味和抑菌活性，在此基礎上可將葛縷子精油進一步分離提純，將各組分按其功效用途應用到風味食品、日化加工、醫藥和農藥等產品中，以擴展葛縷子精油精準加工的途徑和范圍。