全 文 ：收稿日期:2008-12-10;　修订日期:2009-03-16
基金项目:华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室项目
(No.KF0701)
作者简介:陈　赟(1976-),男(汉族),江西抚州人 ,现任华南理工大学化
学与化工学院讲师 ,博士学位 ,主要从事中药提取分离技术 、制药及化工
过程开发工作.
正交设计优选超临界二氧化碳
萃取荆芥穗有效成分的研究
陈　赟 ,李建明
(华南理工大学化学与化工学院 ,广东 广州　510640)
摘要:目的 研究超临界二氧化碳萃取荆芥穗有效成分的最佳工艺条件。方法 单因素实验的基础上 , 采用正交实验研究
萃取温度 、萃取压力 、二氧化碳流量 、提取时间对超临界流体萃取的有效成分得率影响。 结果 各因素对提取率的影响次
序为:时间影响最大 ,萃取压力次之 ,萃取温度最小。优化后的工艺参数为:萃取压力 20 MPa, 萃取温度 50℃, 提取时间
90 min, 二氧化碳流量 40 L/h。结论 该法简便 , 选择性高 , 高效可行。
关键词:超临界二氧化碳萃取;　荆芥穗
中图分类号:R284.2　　文献标识码:B　　文章编号:1008-0805(2009)10-2603-02
　　荆芥穗为唇形科植物荆芥 SchizonepetatenuifoliaBriq的干燥
地上部分。其干燥花穗即为药材荆芥穗。荆芥生用解表 、散风 、
透疹 , 用于治疗感冒 、头痛 、麻疹不透 、荨麻疹初期 、疮疖;炒炭止
血 、治便血 、崩漏。荆芥穗效同荆芥 ,其芳香气烈 , 祛风发汗作用
较全草强烈 [ 1] 。现代药理研究表明荆芥穗显示出明显的抗补体
作用 , 其主要成分胡薄荷酮具有抗炎作用 , 薄荷酮具有镇痛作
用 [ 2] 。
超临界二氧化碳流体进行中草药有效成分的提取是近些年
发展迅速的提取新技术 [ 3 , 4] 。该技术是通过改变二氧化碳的温
度和压力使之处于超临界状态 ,利用二氧化碳在此状态下对有机
物的溶解度差异来实现对有机物的提取分离过程。超临界二氧
化碳对有效成分提取具有溶解度大 ,传质速率高 , 提取温度低 ,流
程简单 , 溶剂可循环使用 ,对环境友好等优点 ,是一种理想的分离
方法。据文献检索 , 到目前为止尚没有使用超临界二氧化碳流体
提取荆芥穗中有效成分的技术研究。本实验对该过程的工艺条
件优化进行了较细致的研究。
1　仪器与材料
荆芥穗(购于济南建联中药店);二氧化碳(纯度 >99.9%,
杭州飞翔气体有限公司)。
HA220-50-06型超临界萃取装置(江苏省南通市华安超
临界萃取有限公司);DFY-400型摇摆式高速中药粉碎机(温岭
市大德中药机械有限公司)。
2　方法
2.1　实验流程 超临界萃取实验装置(见图 1),主要包括冷冻系
统 、萃取系统和二级分离系统。
将粉碎后的荆芥穗(200 ～ 900目)装入 1L萃取釜中 , 设定实
验所需萃取温度 、分离釜 I温度为 50℃、分离釜 II温度为 30℃。
从钢瓶出来的二氧化碳经冷凝后通过柱塞泵升压 ,在预定的温度
和压力下药材与超临界二氧化碳充分接触进行传质过程。分别
调节阀门使萃取釜达到设定压力 ,再进一步逐一调节阀门使分离
釜 I压力达到 10 MPa, 分离釜 II压力达到 5 MPa。整个实验条件
调节过程在 10min内设置好 , 并且实验运行过程中系统较为稳
定。溶解了有效成分的超临界二氧化碳通过降压阀进行逐级降
压 , 萃取物分别在分离釜Ⅰ和分离釜Ⅱ接收。二氧化碳通过柱塞
泵又再次循环进入萃取釜反复使用。
通过预实验研究发现 ,分离釜 I得到的都是脂肪酸等大分子
化合物 ,分离釜 II为实验研究需要的有效成分。以单位药材所
得到的有效成分质量计算有效成分得率。
图 1　超临界萃取实验流程图
2.2　超临界二氧化碳萃取实验设计 单因素研究萃取温度(35 ～
60℃)、萃取压力(12 ～ 30 MPa)、二氧化碳流量(16 ～ 50L/h)、提
取时间(0～ 100min)基础上 , 从实验过程的稳定性出发 , 选择主
要因素萃取压力(A)、萃取温度(B)、提取时间(C)3个因素 , 设
计 3因素 3水平正交实验 , 以有效成分得率为考察指标 , 优化过
程工艺 。
3　结果
3.1　萃取压力的影响 压力是超临界萃取中的重要工作参数。
从图 2可看到 , 压力为 12 ～ 20 MPa之间时 ,荆芥穗有效成分的萃
取率随压力的升高而增大 , 开始增加较为明显 , 这是因为在一定
温度下随着萃取压力的升高 , 二氧化碳密度增大 , 从而使溶解能
力也增加 ,萃取率也相应提高。但压力超过 20MPa后 , 萃取率反
而下降 ,可能是由于二氧化碳压力越高 , 传质速度越慢 ,扩散系数
也随之减少 , 不利于进一步的提取。同时 , 从经济角度来看 ,高压
会增加设备投资和操作费用 ,因而压力也并非越大越好。
图 2　萃取压力对有效成分收率的影响
3.2　萃取温度的选择 当增加温度时 , 一方面流体的传质速率增
加 , 降低了溶质内聚能 , 有利于有效成分从药材中脱附 ,但是温度
升高导致流体密度会相应下降 , 溶解力下降 , 不利于萃取。 图 3
则反映了温度变化两种影响因素竞争对有效成分得率的影响情
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LISHIZHENMEDICINEANDMATERIAMEDICARESEARCH 2009VOL.20NO.10 时珍国医国药 2009年第 20卷第 10期
况。有效成分得率在实验范围内一般随萃取温度增加先增大后
减少。
图 3　萃取温度对有效成分收率的影响
3.3　二氧化碳流量的影响 二氧化碳流量是由泵的频率决定的 ,
它们之间的关系是增函数关系而非正比关系。 二氧化碳流量越
大 , 说明萃取釜中溶剂超临界二氧化碳的更新速度越快。 CO2流
量对萃取率的影响主要有两个方面:一是 CO2流量增加 , 相当于
萃取剂与被萃取物有较大比值 , 传质速度加快 , 有利于被萃取物
从物料中向超临界流体中扩散 , 从而提高萃取率;二是 CO
2
流量
增加 , 超临界 CO
2
的停留时间减少 , CO
2
未达到萃取平衡 , 与物料
接触不充分以及在此流量下被萃取物来不及在解析中析出就被
冲回萃取釜而使萃取率不大。结果见图 4。在萃取温度 45℃,萃
取压力 16MPa, 萃取时间 100 min情况下 , 随着 CO
2
流量的增加
荆芥穗油萃取率开始增大 , 当其流量为 40 L/h时达到最大值 ,
之后随着 CO2流量增加 ,荆芥穗油萃取率降低。由于实验过程中
调节二氧化碳流量对系统稳定性有影响 ,因此之后的正交实验均
在最佳流量 40L/h条件下进行。
图 4　二氧化碳流量对有效成分收率的影响
3.4　提取时间的影响 每次实验分别在 10, 20, 40, 60, 80, 90, 100
min取样 1次 ,一般前 4 ～ 5次取样已经获得较多的萃取物 , 之后
萃取物量较少。随着时间增加萃取量增加 ,并且在实验初始 10
min增加较快 , 原因是初始药材中荆芥穗油含量高 , 与溶剂超临
界二氧化碳中油浓度之间梯度大 ,传质效果好。之后两相之间浓
度梯度逐渐降低 , 提取速度下降。 80 ～ 100 min增加趋缓。
图 5　提取时间对有效成分收率的影响
3.5　超临界二氧化碳提取有效成分的工艺优化 在单因素实验
基础上 ,进行 L9(34)正交实验。实验结果与分析见表 1 ～ 2。 由
表 2可以看出提取时间是该工艺过程中极为显著性因素。综合
因素水平的极差分析 ,影响超临界二氧化碳萃取荆芥穗有效成分
收率大小先后次序为:提取时间 >萃取压力 >萃取温度。为了获
得较高的有效成分得率 ,本研究过程中最佳的工艺参数组合为:
萃取压力 20 MPa,萃取温度 50℃, 提取时间 90 min,二氧化碳流
量 40L/h,分离釜 I压力 10 MPa, 分离釜 I温度 50℃, 分离釜 II
压力 5 MPa, 分离釜 I温度 30°C。在该实验条件下重复实验两
次 , 平均有效成分得率为 6.28%。
表 1　超临界二氧化碳萃取有效成分的正交实验结果与计算
实验号
A
萃取压力
p/MPa
B
萃取温度
T/℃
C
提取时间
t/min D(误差) 萃取率(%)
1 12 35 30 1 1.68
2 12 50 60 2 2.60
3 12 60 90 3 3.01
4 20 35 60 3 4.14
5 20 50 90 1 6.31
6 20 60 30 2 2.17
7 30 35 90 2 4.64
8 30 50 30 3 3.38
9 30 60 60 1 3.29
K1 7.30 10.46 7.24 11.28K2 12.62 12.30 10.03 9.42K3 11.32 8.47 13.97 10.54K12 53.232 109.495 52.360 127.238K22 159.365 151.290 100.641 88.736K
3
2 128.052 71.775 195.105 111.007
表 2　方差分析
方差来源 偏差平方和 自由度 均方 F值
A 5.140 2 2.570 8.797
B 2.444 2 1.222 4.182
C 7.626 2 3.813 13.051
D 0.584 2 0.292 0.037
4　结论
超临界二氧化碳萃取荆芥穗有效成分过程中 ,萃取温度和萃
取压力增加 , 有效成分得率先增加后减少 , 合适的二氧化碳流量
有利于传质 ,得率随提取时间的延长逐渐升高。正交实验结果表
明 , 各因素对有效成分得率的影响次序为:提取时间 >萃取压力
>萃取温度。
通过正交实验得到优化后的工艺参数组合为:萃取压力 20
MPa, 萃取温度 50℃, 提取时间 90 min, 二氧化碳流量 40 L/h, 分
离釜 I压力 10 MPa,分离釜 I温度 50℃, 分离釜 II压力 5MPa, 分
离釜 II温度 30℃。
参考文献:
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药材手册 [ M] .北京:人民卫生出版社, 1989:450.
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