全 文 ：收稿日期:2011-08-02
作者简介:吴燕(1986-) ，女，在读硕士研究生，主要从事现代医药生物工程研究。
* 通讯作者:葛发欢，Tel:13825151042，E-mail:gefahuan@ 163. com。
响应曲面法优化无患子油超临界 CO2 萃取
工艺研究及其成分分析
吴 燕1，3，肖新玉2，3，葛发欢1，2，3*
(1. 中山大学，广东 广州 510275;2. 广州中医药大学，广东 广州 510405;3. 中药提取分离过程现代化国
家工程研究中心，广东 广州 510240)
摘要 目的:研究无患子油超临界 CO2 萃取工艺及其成分分析。方法:以无患子为材料，采用响应曲面法优化
无患子油超临界 CO2 萃取工艺，并采用 GC-MS对无患子油成分进行分析。结果:建立了一个能较好预测萃取结果
的数学模型，并根据该方程对无患子油的超临界萃取工艺参数进行了优选。确定了无患子油超临界 CO2 萃取最佳
工艺为:萃取压力 30 MPa，萃取温度40 ℃，分离Ⅰ压力 14 MPa、温度45 ℃，分离Ⅱ压力 6 MPa、温度40 ℃，萃取时间
60 min，得率为 17. 58%;并对无患子油进行了 GC-MS分析，鉴定了 22 种成分，其中不饱和脂肪酸含量为 86. 59%。
结论:优化后的工艺合理可行，操作简单，可用于无患子油的提取。
关键词 无患子油;超临界 CO2 萃取;响应曲面法;气质联用
中图分类号:R284. 2 文献标识码:A 文章编号:1001-4454(2012)02-0300-04
Optimization for Supercritical CO2 Extraction with Response Surface
Methodology and Component Analysis of Sapindus mukorossi Oil
WU Yan1，3，XIAO Xin-yu2，3，GE Fa-huan1，2，3
(1. Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China;2. Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine，Guangzhou 510405，
China;3. National Engineering Research Center for Modernization of Extraction and Separation Process of TCM，Guangzhou 510240，
China)
Abstract Objective:To study the extraction conditions of Sapindus mukorossi oil by Supercritical CO2 Extraction and identify its
components. Methods:Optimized SFE-CO2 Extraction by Response Surface Methodology and used GC-MS to analysie Sapindus mukoros-
si oil compounds. Results:Established the model of an equation for the extraction rate of Sapindus mukorossi oil by Supercritical CO2
Extraction，and the optimal parameters for the Supercritical CO2 Extraction determined by the equation were:the extraction pressure was
30 MPa，temperature was 40 ℃;The separationⅠ pressure was 14 MPa，temperature was 45 ℃;The separationⅡ pressure was 6
MPa，temperature was 40 ℃;The extraction time was 60 min and the extraction rate of Sapindus mukorossi oil of 17. 58% . 22 main
compounds of Sapindus mukorossi oil extracted by supercritical CO2 were identified by GC-MS，unsaturated fatty acids were 86. 59% .
Conclusion:This process is reliable，safe and with simple operation，and can be used for the extraction of Sapindus mukorossi oil.
Key words Sapindus mukorossi oil;Supercritical CO2 Extraction;Response Surface Methodology;GC-MS
无患子又称肥皂树或油珠子，为无患子科无患
子属植物无患树 Sapindus mukorossi Gaertn. 的种子，
在东南亚各国、我国淮河以南各省及台湾均有分
布〔1〕。无患子具有清热、祛痰、消积、杀虫的功效，
用于治疗喉痹肿痛、咳喘、食滞、白带、疳积、疮痹、肿
毒。以无患子皂苷为原料的各种天然环保洗涤用品
受到了极大的关注，除了假种皮中含有皂苷外，无患
子的种仁中还含有脂肪、蛋白质，种仁油还可用于制
作高级润肤剂和润滑油〔2〕。但是，目前人们主要是
利用无患子的假种皮，绝大部分种仁都未得到有效
利用而被丢弃。因此，很有必要加强对无患子的开
发利用研究，实现无患子资源的综合利用，避免造成
大量资源浪费。目前国内外极少关于无患子油(种
仁油)的研究报道，为此，本文对无患子超临界萃取
工艺及其成分进行研究。
1 仪器和材料
1L 超临界 CO2 萃取装置，型号 HA221-50-06
型，自行设计，由南通华安超临界萃取有限公司制
造;摇摆式高速中药粉碎机 DFY-500 型，浙江温岭
市林大机械有限公司;安捷伦 GC6890 /5973MSD 气
质联用仪，美国 Agilent 公司;电子天平，BS200s-
WEI，德国 Sartorius;无患子药材经笔者鉴定为无患
子科无患子属植物无患树 Sapindus mukorossi Gaertn
的种子，经去壳减压干燥后粉碎备用;CO2 购自广州
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DOI:10.13863/j.issn1001-4454.2012.02.039
氮肥厂，质量分数 ＞ 99. 9%;实验用试剂均为分析
纯，色谱用试剂均为色谱纯。
2 方法和结果
2. 1 响应曲面法优化超临界 CO2 萃取无患子油工
艺
2. 1. 1 响应曲面工艺优化设计:采用 Box-Bebnken
试验设计，以萃取压力、萃取温度及分离Ⅰ压力 3 个
影响因素为自变量，每个因素取 3 个水平，以 － 1、0、
+ 1 编码，以无患子油得率为响应值，考察以上三种
因素对萃取工艺的影响，试验因素水平及编码设计
见表 1。
表 1 Box-Behnken设计试验因素水平及编码
自变量 代码
编码水平
－ 1 0 + 1
萃取压力 /MPa A 25 30 35
萃取温度 /℃ B 35 45 55
分离Ⅰ压力 /MPa C 6 10 14
2. 1. 2 超临界 CO2 萃取无患子油工艺:称取一定
量经粉碎后无患子置 1 L 萃取釜中萃取，分离Ⅱ压
力和温度固定为 6 MPa和40 ℃。对萃取釜、分离釜
Ⅰ、分离釜Ⅱ分别进行加热，并对冷机制冷，按响应
曲面试验设计确定的萃取温度、分离Ⅰ温度、分离Ⅱ
温度进行升温，当达到设定值，开启 CO2 钢瓶，通过
高压泵对系统进行加压，当萃取压力、分离Ⅰ、分离
Ⅱ压力达到设定值，关闭 CO2 气瓶，开始循环，并保
持恒温恒压。循环萃取，萃取结束后，在分离Ⅰ出料
口出料，得无患子油，称重，按下式计算得率。
得率 = 无患子油质量
无患子投料质量
× 100%
2. 2 无患子油的 GC-MS分析
2. 2. 1 样品甲酯化〔3〕:取工艺萃取得到无患子油
约 0. 5 g置于 15 mL试管中，加入 0. 5 mol /L氢氧化
钾-甲醇溶液 2 mL，水浴皂化 30 min，加入 15% BF3-
甲醇溶液 2 mL，水浴 6 min，放冷，加入正己烷 2 mL，
再加入饱和氯化钠 2 mL，摇匀，等分层清晰，取上清
液作为气相色谱分析试样。
2. 2. 2 GC-MS 分析条件:色谱柱为安捷伦 HP-
5MS毛细管柱(30 m ×0. 25 mm ×0. 25 μm) ;程序升
温:起始温度60 ℃，保持 3 min，以升温速度5 ℃ /
min，达到150 ℃后保持 5 min;再以升温速度1 ℃ /
min，达到220 ℃后保持 10 min;分流进样，分流比
20∶ 1;进样口温度220 ℃。MS条件:EI离子源，电子
能量 70 eV，离子源温度230 ℃;四极杆温度150 ℃;
GC-MS接口温度280 ℃;扫描范围 m/z 30 ～ 550。
2. 2. 3 GC-MS分析:取甲酯化后样品 1 μL，进行
GC-MS分析，峰面积归一化法定量。
3 结果与分析
3. 1 响应曲面法优化超临界 CO2 萃取无患子油工
艺及其分析
3. 1. 1 试验结果:响应曲面试验结果见表 2。表 2
共 15 个试验点，其中 12 个为析因点，3 个为零点，
析因点为自变量取值萃取压力(A)、萃取温度(B)
和分离Ⅰ压力(C)所构成的顶点，零点为区域的中
心点，其中零点试验重复 3 次，用以估算试验误差。
表 2 响应曲面试验设计及结果表
实验号
A:萃取
压力
/MPa
B:萃取
温度
/℃
C:分离Ⅰ
压力
/MPa
R1:得率 /%
实验值 预测值
1 30 35 6 13. 4637 13. 6576
2 25 35 10 11. 3507 11. 2206
3 25 45 14 15. 6545 15. 7037
4 35 55 10 11. 6237 11. 7538
5 30 45 10 14. 9552 14. 6875
6 35 35 10 12. 9727 12. 8280
7 35 45 14 16. 5710 16. 6348
8 30 55 14 16. 8313 16. 6374
9 30 55 6 14. 4288 14. 3480
10 25 55 10 11. 6137 11. 7583
11 35 45 6 3. 3063 13. 2571
12 25 45 6 12. 6492 12. 5853
13 30 35 14 17. 7835 17. 8643
14 30 45 10 14. 2900 14. 6875
15 30 45 10 14. 8172 14. 6875
3. 1. 2 模型的建立及显著性分析:利用 Design Ex-
pert7. 0 软件对表 2 试验数据进行二次回归拟合，得
无患子油得率(R1)对萃取压力(A)、萃取温度(B)
和分离Ⅰ压力(C)二次多项回归模型方程为:
Rl = － 82. 43247 + 5. 06505A + 1. 12028B －
1. 39852C － 8. 05983 × 10 －3 AB + 3. 24167 × 10 －3 AC
－ 0. 011983BC － 0. 077577A2 － 8. 57849 × 10 －3 B2 +
0. 11233C2
对该模型进行显著性检验，结果见表 3，实验选
用的模型 P值 ＜ 0. 0001 具有显著性，失拟项不显著
(P = 0. 7298 ＞ 0. 05) ，说明模型是合适的，有意义
的;复相关系数 R2adj = 0. 9785，说明该模型能解释
97. 85% 响应值的变化，因而该模型的拟合程度比
较好，试验误差小，可以用此模型来分析和预测无患
子油的提取工艺结果。
·103·Journal of Chinese Medicinal Materials 第 35 卷第 2 期 2012 年 2 月
表 3 回归模型方差分析
来源 平方和 自由度 均方 F值 P值
模型 54. 76 9 6. 08 71. 84 ＜ 0. 0001
A 1. 28 1 1. 28 15. 17 0. 0115
B 0. 14 1 0. 14 1. 70 0. 2492
C 21. 10 1 21. 10 249. 14 ＜ 0. 0001
AB 0. 65 1 0. 65 7. 67 0. 0394
AC 0. 017 1 0. 017 0. 20 0. 6745
BC 0. 92 1 0. 92 10. 85 0. 0216
A2 13. 89 1 13. 89 163. 99 ＜ 0. 0001
B2 2. 72 1 2. 72 32. 08 0. 0024
C2 11. 93 1 11. 93 140. 82 ＜ 0. 0001
残差 0. 42 5 0. 085
失拟 0. 18 3 0. 059 0. 48 0. 7298
误差 0. 25 2 0. 12
综合 55. 18007 14
校正系数 R2 = 0. 9923 R2adj = 0. 9785
3. 1. 3 超临界 CO2 萃取工艺各因素对加强指数影
响的曲面分析结果:利用 Design-Expert7. 1. 6 软件对
数据进行处理得到曲面分析结果见图 1 ～ 3。从回
归方程各项方差的进一步检验也可看出，一次项中
影响显著因素为 A、C，二次项中 A、C 的偏回归系数
达极显著水平。在所选的各因素水平范围内，按照
对结果的影响排序:C ＞ A ＞ B，即 分离Ⅰ压力 ＞萃
取压力 ＞萃取温度。3 个因素中，萃取压力与萃取温
度和萃取温度与分离Ⅰ压力之间具显著的交互作用，
而萃取压力与分离Ⅰ压力之间交互作用并不明显。
3. 1. 4 超临界 CO2 萃取工艺条件优化结果:采用
程序 Design-Expert 7. 1. 6 软件对方程 R1 求解，得到
超临界 CO2 萃取无患子油的最优工艺为:萃取压力
32. 04 MPa，萃取温度40. 42 ℃，分离Ⅰ压力 13. 83
MPa、温度50 ℃，分离Ⅱ压力 6 MPa、温度45 ℃，理
论得率 R1 为 17. 9273%。
3. 1. 5 验证试验结果:对工艺所得到的优化条件
进行微调:萃取压力 30 MPa，萃取温度40 ℃，分离
Ⅰ压力 14 MPa、温度45 ℃，分离Ⅱ压力 6 MPa、温度
45 ℃。采取上述优化提取条件进行无患子油提取，
实际测得无患子油平均得率为 17. 58%，与理论值
相接近，所以基于响应曲面法所得的优化提取工艺
参数准确可靠。
图 1 萃取压力(A)和萃取温度(B)对得率影响的曲面和等高线图
图 2 萃取压力(A)和分离Ⅰ压力(C)对得率影响的曲面和等高线图
·203· Journal of Chinese Medicinal Materials 第 35 卷第 2 期 2012 年 2 月
图 3 萃取温度(B)和分离Ⅰ压力(C)对得率影响的曲面和等高线图
表 4 无患子油成分分析
编号 化合物名称 相对含量 /%
1 异构十二烷 0. 01
2 硫酸二乙酯 0. 06
3 1，3-二甲基金刚烷 0. 01
4 肉豆蔻酸 0. 03
5 十五烷酸 0. 01
6 棕榈油酸 0. 23
7 棕榈酸 5. 31
8 15-甲基-11-十六烯酸 0. 05
9 十七烷酸 0. 03
10 亚油酸 2. 12
11 油酸 62. 36
12 顺-11-十八烯酸 1. 25
13 硬脂酸 1. 27
14 十九酸 0. 02
15 (1，13-十四烷二)烯 0. 03
16 顺-11-二十烯酸 19. 97
17 花生酸 5. 12
18 二十一烷酸 0. 05
19 芥酸 0. 60
20 2-辛基-十六烷酸 0. 03
21 山嵛酸 0. 89
22 木蜡酸 0. 23
3. 2 无患子油的 GC-MS 分析结果 对最佳工艺
得到的无患子油成分进行 GC-MS分析，鉴定了无患
子油中的 22 种成分，结果见表 4。其中不饱和脂肪
酸含量达 86. 59%，相对含量较高 的 有 油 酸
(62. 36%)、顺-11-二十烯酸(19. 97%)、棕榈酸
(5. 31%)等成分。
4 讨论
4. 1 用响应曲面法建立了超临界 CO2 萃取无患子
油数学模型，从模型直观图能获得工艺参数大概的
取值范围，有利于工艺参数选择和优化。
4. 2 无患子油萃取响应方程的回归分析和验证试
验表明此方法合理可行。响应曲面法获得超临界
CO2 萃取无患子油的最优工艺参数:萃取压力 30
MPa，温度40 ℃;分离Ⅰ压力 14 MPa，温度45 ℃;分
离Ⅱ压力 6 MPa，温度40 ℃，平均得率为 17. 58%。
4. 3 对无患子油进行了 GC-MS 分析，鉴定了其中
22 种成分，并用峰面积归一化法确定了其相对含
量。主要成分为脂肪酸，其中不饱和脂肪酸含量达
86. 59%，相对含量较高的有油酸(62. 36%)、顺-11-
二十烯酸(19. 97%)、棕榈酸(5. 31%)等成分。
参 考 文 献
［1］中国植物志编辑委员会 . 中国植物志［M］. 第四十七
卷 . 第一册 . 北京:科学出版社，1998.
［2］罗艳，刘梅 . 开发木本油料植物作为生物柴油原料的研
究［J］.中国生物工程杂志，2007，27(7) :68-74.
［3］董福英，程传格，刘建华，等 . 白果中脂肪酸的 GC-MS
分析［J］.分析测试学，1999，18(5) :72-73.
·303·Journal of Chinese Medicinal Materials 第 35 卷第 2 期 2012 年 2 月