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单因素和正交试验法优选柠檬草油超临界CO_2萃取条件



全 文 :DOI:CNKI:46-1049/R.20111223.1229.018
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/46.1049.R.20111223.1229.018.html
[收稿日期]2011-12-08  [修回日期]2011-12-20  网络出版时间:2011-12-23 12:29
[基金项目]海南省教育厅高等学校科学研究资助性项目(Hjkj2010-36)
[作者简介]王勇(1982-),男,湖北洪湖人,实验师,硕士,电话:0898-31350773,电子信箱:wangyong1982_2004@yahoo.com.cn。
单因素和正交试验法优选柠檬草油超临界CO2萃取条件
王 勇,赖伟勇,魏 娜,靳德军
(海南医学院药学院,海南 海口 571101)
  [摘要]目的:优化柠檬草油超临界CO2 萃取的工艺条件。方法:以柠檬草油的萃取得率及萃取物中柠
檬醛的含量为评价指标,采用单因素和正交试验法,对药材粉碎粒度、萃取压力、萃取温度和萃取时间等
因素进行考察,筛选柠檬草油的最佳提取工艺。结果:柠檬草油最佳提取工艺条件为:药材粉碎后过20
目筛,萃取压力为15MPa,萃取温度为45℃,萃取时间为90min。结论:超临界CO2 萃取法提取柠檬
草油具有提取时间短、产率高、工艺条件较稳定等特点。
[关键词]柠檬草油;单因素试验;正交试验;超临界流体萃取
[中图分类号]R2 [文献标识码]A [文章编号]1007-1237(2012)03-0305-03
Extraction technology optimization of lemongrass oil from Cymbopogoni citrati Herba with
CO2-SFE by single-factor test and orthogonal experiment
WANG Yong,LAI Wei-yong,Wei Na,JIN De-jun
(School of Pharmaceutical Sciences,Hainan Medical University,Haikou571101,China)
[Foundation Project]:Supported by Higher School Scientific Research Funded Project of Hainan Provincial Education
Department(Hjkj2010-36)
[Author]:WANG Yong (1982-),Male,Experimentalist,M.M.,Tel:(0898)31350773,E-mail:
wangyong1982_2004@yahoo.com.cn.
Received:2011-12-08  Revised:2011-12-20  JHMC,2012;18(3):305-307
View from specialist:It is creative,and of certain scientific and educational value.
[ABSTRACT]Objective:To optimize the extraction process of lemongrass oil from the herb of Cym-
bopogon citratus with CO2-supercritical fluid extraction(SFE).Methods:Considering the factors of parti-
cle size,extraction pressure,temperature and time,the extraction process was screened with the percent-
age of extraction yield and the content of citral in the extract as evaluation indexes in the single-factor test
and orthogonal experiments.Results:The optimal CO2-SFE conditions for the lemongrass oil was that the
crude drug was powdered and passed 20mesh sieve,the extraction pressure was 15MPa,the extraction
temperature was 45℃and the extraction time was 90min.Conclusions:CO2-SFE has the advantages of
less extraction time,higher extraction yield and more stable extraction conditions.
[KEY WORDS]Lemongrass oil;Citral;Single-factor test;Orthogonal experiments;Supercritical flu-
id extraction;Gas chromatography
  柠檬草为禾本科香茅属植物香茅cymbopogon
citratus(DC.)Stapf的干燥全草,又名柠檬香茅。
在我国主要分布在广东、海南、福建、广西、云南等省
区,种植面积可达数千亩。柠檬草1年可收割3~4
503
海南医学院学报 2012,18(3)
Journal of Hainan Medical University 
DOI:10.13210/j.cnki.jhmu.2012.03.008
次,具有浓郁的柠檬香气,是重要的调味香料。其茎
叶可直接作为调味香料或药用,亦可提取植物精油。
柠檬草精油是海南重要的出口原料。其中的主要成
分为柠檬醛(香叶醛和橙花醛混合物),不仅适用于
调配食用香精,同时还是合成紫罗兰酮、甲基紫罗兰
酮、维生素A和E的重要原料[1]。目前国内外提取
柠檬草精油多采用水蒸气蒸馏法,但该法温度高,出
油率低,产品质量不太稳定。采用超临界CO2 流体
萃取技术提取柠檬草精油能保证有效成分的稳定
性、所得精油提取物能保留药材原味。在前期实验
中,本课题组以柠檬草油得率为考察指标,对柠檬草
油的提取工艺进行了初步研究[2]。本实验以柠檬草
油的萃取得率及萃取物中柠檬醛的含量为指标,采
用单因素和正交试验法筛选柠檬草油超临界CO2
的最佳提取工艺。
1 仪器和试药
HL-2L/50Mpa-ⅡAQ型超临界萃取装置(杭州
华黎泵业有限公司),岛津GC-14C毛细管气相色谱
仪,2010色谱数据工作站,氢火焰离子化检测器
(FID),FA-1104电子天平(德国赛多利斯有限公
司),岛津AUW220D电子分析天平。
柠檬草药材购于海南凤生香草园,经海南医学
院药学院中药鉴定学教研室曾念开博士鉴定为禾本
科香茅属植物香茅的干燥全草(柠檬香茅),CO2(食
用级,海南佳腾化工气体有限公司),高纯氮气(纯
度:99.999%,海南佳腾化工气体有限公司),柠檬
醛对照品(东京化成工业株式会社,批号,含量>
98%),环己酮(广州化学试剂厂,含量>99.5%),无
水乙醇(分析纯,广州化学试剂厂),无水硫酸钠(分
析纯,天津市大茂化学试剂厂)。
2 方法与结果
2.1 超临界CO2 流体萃取柠檬草油
取柠檬草药材,低温干燥后粉碎。准确称取
200g药材粉末于萃取釜中,对冷凝器中CO2 进行
降温,同时对萃取釜和分离釜进行加热,待系统达到
设定的温度后,对系统进行加压,达到设定的压力后
调节CO2 流量至30kg/h,开始进行循环萃取,保持
恒温恒压,达到规定时间后,从分离釜1、2出料口收
集柠檬草油。所得萃取物除去水分后精密称重,计
算萃取得率。
2.2 超临界萃取物中柠檬醛含量测定方法
2.2.1 气相色谱分析条件 SE-54石英毛细管柱
(0.25mm ×30m,0.25μm );检测器:FID;进样
口温度:230℃;检测器温度:250℃;程序升温条
件:以50℃为起始温度,先以5℃/min升温至
80℃,再以3℃/min升温至110℃,最后以12℃/
min升温至230℃,保持14min;分流比为50∶1。
2.2.2 样品测定 取柠檬草超临界萃取物,加无水
乙醇定容至10mL,精密吸取1.0mL置10mL量
瓶中,精密加入1.0mL 环己酮内标物(10.368
mg/mL)后,再加入无水乙醇稀释至刻度,摇匀,作
为供试品溶液。在“2.2.1”色谱条件下进行分析,用
内标对比法计算柠檬草超临界萃取物中柠檬醛的含
量。
2.3 单因素试验
按“2.1”萃取方法,分别调整柠檬草粉碎粒度为
10、20、40目,萃取压力为8、12、16和20MPa,萃取
温度为35℃、45℃、55℃、60℃,萃取时间为60、90、
120、180min,进行单因素试验。
2.3.1 药材粉碎粒度的影响  从表1可以看出,
在CO2 流量为30kg/h,萃取压力为15MPa,萃取
温度为45℃,萃取时间为120min条件下,药材粒
度为20目时,柠檬草油的萃取得率和柠檬醛的含量
均高于药材粒度为10目时的萃取得率和柠檬醛含
量。当药材粉碎粒度为40目时,柠檬草油的萃取得
率和柠檬醛的含量均明显降低,可能因为药材粉碎
过细柠檬醛损失较大造成。因此,药材粉碎粒度应
选定为过20目筛。
表1 药材粉碎粒度的影响
药材粉碎粒度
(目)
萃取得率
(%)
柠檬醛含量
(mg/g)
10  1.652  0.84
20  2.215  0.90
40  1.220  0.65
2.3.2 萃取压力的影响 从表2可以看出,在药材
粉碎粒度为20目,萃取时间为120min,萃取温度
为45℃,萃取压力从8MPa增加到16MPa时,柠
檬草油的萃取得率及柠檬醛的含量增加较多,柠檬
草油颜色逐渐加深。但当萃取压力增至20MPa
后,萃取得率及柠檬醛的含量开始减少。因此,萃取
压力应选定为16MPa左右为宜。
表2 萃取压力对结果的影响
萃取压力
(MPa)
萃取得率
(%)
柠檬醛含量
(mg/g)
8  0.861  0.44
12  1.354  0.88
16  2.226  1.05
20  1.658  0.85
2.3.3 萃取温度的影响 从表3可以看出,在萃取
压力为16Mpa,萃取时间为120min条件下,随着
温度升高柠檬草油萃取得率及柠檬醛含量相应增
加。当温度达到55℃以后,柠檬草油萃取得率及柠
檬醛的含量降低。因此萃取温度选在45℃为宜。
603  海南医学院学报 Vol.18No.3Mar.2012
表3 萃取温度对结果的影响
萃取温度
(℃)
萃取得率
(%)
柠檬醛含量
(mg/g)
35  1.250  0.68
45  2.324  1.06
55  1.729  0.89
65  1.654  0.85
2.3.4萃取时间的影响 从表4可以看出,在萃取
压力为16MPa,萃取温度为45℃ 时,随着萃取时
间增加,柠檬草油萃取得率及柠檬醛含量明显增加,
但当萃取90min后,萃取得率及柠檬醛含量增加缓
慢。因此,萃取时间应选择90min左右为宜。
表4 萃取时间对结果的影响
萃取时间
(min)
萃取得率
(%)
柠檬醛含量
(mg/g)
60  1.825  0.93
90  2.254  1.13
120  2.302  1.15
180  2.325  1.18
2.4 正交试验设计
选取萃取压力、萃取温度和萃取时间3个因素,
以柠檬草油萃取得率和柠檬醛含量为指标,选用
L9(34)正交表进行正交试验。水平因素见表5。
表5 超临界萃取因素水平表
水平
A萃取压力
(MPa)
B萃取温度
(℃)
C萃取时间
(min)
1  10  35  60
2  15  45  90
3  20  55  120
2.4.1 综合评分方法 权重分配柠檬草油萃取得
率占0.3,柠檬醛含量占0.7。具体计算方法为9个
样品中,每一个样品的萃取得率或柠檬醛含量除以
9个样品中萃取得率或柠檬醛的含量的最大值,然
后乘以权重系数,得到萃取得率或柠檬醛含量在该
样本中的综合评分值的贡献值,同一样品的萃取得
率和柠檬醛含量贡献值之和即为该样品的综合评
分。
2.4.2正交试验结果 对综合评分结果进行直观分
析和方差分析,结果见表6和表7。
由表6极差分析结果可知,各因素对结果的影
响因素为A>C>B,即萃取压力>萃取时间>萃取
温度,应选A2B2C2 为最佳提取方案。从表7方差
分析可知,A(萃取压力)在试验中为显著性影响因
素,其次为萃取时间,萃取温度对结果的影响在3个
因素中为最小。
表6 柠檬草超临界萃取工艺正交试验及结果
No. A  B  C  D
萃取
得率
(%)
柠檬醛
含量
(mg/g)
综合
评分
1  1  1  1  1  0.965  0.38 0.363 6
2  1  2  2  2  1.250  0.65 0.569 6
3  1  3  3  3  0.895  0.68 0.542 0
4  2  1  2  3  2.295  1.08 0.975 0
5  2  2  3  1  2.246  1.12 0.993 6
6  2  3  1  2  1.691  0.95 0.814 8
7  3  1  3  2  1.369  0.82 0.691 5
8  3  2  1  3  1.667  0.92 0.792 9
9  3  3  2  1  1.647  0.95 0.809 0
K1/3 0.492 0.677 0.657 0.722
K2/3 0.928 0.785 0.785 0.692
K3/3 0.764 0.722 0.742 0.770
R  0.436 0.108 0.128 0.078
表7 综合评分方差分析表
因素
离差平方和
(SS)
自由度(f) F  P
A  0.291  2  32.333 <0.05
B  0.018  2  2.000 >0.05
C  0.025  2  2.778 >0.05
D(误差) 0.01  2  1.000
注:F0.0 5(2,2)=19.00
2.5 验证试验
根据正交试验结果对A2B2C2 提取工艺条件重
复3次试验,以验证该工艺的合理性和稳定性,结
果,柠檬草油的平均得率为2.25%,柠檬醛的含量
为1.12%,结果无显著性差异,证明该工艺稳定。
因此确定超临界萃取柠檬草油的条件为药材粉碎后
过20目筛,萃取压力为15MPa,萃取温度为45℃,
萃取时间为90min。
3 讨论
药材粉碎的粒度对萃取得率和柠檬醛的含量有
重要影响。一般来讲,药材颗粒越细,溶质从原料向
超临界流体传输的路径越短,与超临界流体接触的
表面积越大,萃取进行得越快,越完全。但粒度也不
易太细,过细的粉末会造成萃取釜出口过滤网堵塞,
同时挥发性成分柠檬醛在粉碎过细时也易造成较大
损失,因此药材不宜粉碎太细。
萃取压力是影响柠檬草油萃取率和柠檬醛含量
的重要因素。萃取温度一定时,压力增加,液体的密
度增大,密度的增加将引起溶解度的提高。当萃取
压力为10MPa时,柠檬草油为淡黄色透明油状物;
当萃取压力为15MPa时,柠檬草油为黄棕色油状
物;当萃取压力大于15MPa时,柠檬草油为灰绿色
粘稠膏状物,而不呈油状物,这是因为当萃取压力过
高时,柠檬草中的叶绿素、蜡及树脂等物质被大量萃
取出来,因此,在柠檬草油的超临界萃取过程中,萃
取压力不宜过高。
(下转第309页)
703王勇等.单因素和正交试验法优选柠檬草油超临界CO2萃取条件 
茶微量元素的研究未见报道。本试验采用微波消解
技术并借助于电感耦合等离子体原子发射光谱法
(inductively coupled plasms-atomic emission spec-
trometry,ICP-AES)对山地五月茶微量元素的含量
进行了测定,现报道如下。
1 材料与方法
1.1 药材
山地五月茶地上部分采自海南省万宁市兴隆
县,经海南医学院中药学教研室曾念开老师鉴定。
1.2 试剂与仪器
1.2.1 试剂 硝酸、盐酸、过氧化氢均为优级纯;实
验用水为去离子水。
1.2.2 仪器 美国IRIS IntrepidⅡ型全谱直读等
离子体发射光谱仪;美国 MARS5型密闭微波消解
系统;上海 DHG-9240A型电热鼓风干燥箱;德国
BS210S型电子天平。
1.2.3 ICP工作条件 功率1 150W,RF高频发
生器27.12MHz,氩雾气流量为0.5L/min,泵速为
100r/min。
1.3 山地五月茶微量元素的含量测定
准确称取山地五月茶地上部分粉末0.5g,放入
消解罐中,用少量去离子水浸润,加入1.5mL 30%
过氧化氢进行预消解。待反应平稳后,加入10mL
反王水消解液,充分混匀,进行微波消解29min后
取出冷却至室温,将溶液转移至50mL容量瓶中,
用去离子水定容,待测。
2 结果
按照实验条件和方法测定了山地五月茶微量元
素的含量,检测出18种微量元素,其中Si的含量最
高,为3 820.0000μg/g,Se的含量最低,为0.115 2
μg/g,其他微量元素含量处于两者之间,见表1。
表1 山地五月茶微量元素含量 (μg/g)
元素 含量 元素 含量
砷(As) 1.256 0 铬(Cr) 29.230 0
硼(B) 49.300 0 铜(Cu) 5.630 0
钡(Ba) 30.870 0 铁(Fe) 215.300 0
镉(Cd) 0.125 0 锌(Zn) 21.550 0
铈(Ce) 0.836 4 锶(Sr) 91.930 0
钴(Co) 0.140 3 钛(Ti) 18.300 0
锰(Mn) 169.500 0 钒(V) 0.480 4
镍(Ni) 7.232 0 铅(Pb) 3.665 0
硅(Si) 3 820.000 0 硒(Se) 0.115 2
3 讨论
微量元素是构成机体内各种酶、激素、维生素等
物质的重要部分,参与体内各种生化反应,具有高度
的生物活性,对维护机体正常代谢及生命活动至关
重要。如Si是在骨与软骨的形成中不可缺少的元
素;当Si缺乏时,可引起发育迟缓、骨质异常、关节
炎等;Fe维持正常的造血功能和免疫功能、抗脂质
过氧化、促进肝脏解毒等,当铁缺乏时,会引起贫血、
胸腺萎缩、皮肤过敏反应降低,阴虚、阳虚;Mn在糖
代谢、脂类代谢和蛋白质、DNA、RNA等合成中发
挥重要作用,缺 Mn会引起发育迟缓、多动、动脉硬
化[5];Sr是人体骨骼和牙齿的组成部分,在肠内与
钠竞争吸收部位,使人体降低对钠的吸收,有利于防
治心血管病、高血压等病症,Sr还与神经和肌肉的
兴奋有关,缺乏Sr时容易出现骨质疏松、龋齿、白
发、心血管等疾病;Cr主要通过形成GTF增强胰岛
素发挥作用,Cr缺乏引起葡萄糖耐量降低,使胰岛
素的效力降低,可引起糖、脂及蛋白质代谢障碍[6]。
本试验检测结果表明,山地五月茶中含有多种
对人体有益的微量元素,以Si、Fe、Mn、Sr、Cr、Zn的
含量 最 高,分 别 为 3 820.000 0、215.300 0、
169.500 0、91.930 0、29.230 0、21.550 0μg/g。由
此可见,山地五月茶所含有丰富的微量元素与其食
少泄泻、津伤口渴、跌打损伤、痈肿疮毒的功效可能
有一定的相关性,具有较高的药用价值。
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(责任编辑 李晶
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪

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参考文献
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(责任编辑 唐娟)
903周丹等.山地五月茶微量元素含量的测定