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超临界CO_2萃取崖柏精油的研究



全 文 :基金项目:国家林业局948项目(编号:2012-4-17)
作者简介:王亚琦(1990—),男,中南林业科技大学在读硕士研究生。
E-mail:wyq0920@qq.com
通讯作者:黄卫文
收稿日期:2014-09-15
第31卷第3期
2 0 1 5年5月
Vol.31,No.3
May.2 0 1 5
DOI:10.13652/j.issn.1003-5788.2015.03.041
超临界CO2萃取崖柏精油的研究
Research on supercritical CO2extraction of Thuja sutchuenensis essential oil
王亚琦1
WANG Ya-qi1
 
陈奕洪2
CHEN Yi-hong2
 
黄卫文1,3
HUANG Wei-wen1,3
 
莫启武4
MO Qi-wu4
 
周 洁1
ZHOU Jie1
(1.中南林业科技大学食品科学与工程学院,湖南 长沙 410004;2.广东江门市藏寿天然艺术品有限公司,
广东 江门 529000;3.稻谷及副产物深加工国家工程实验室,湖南 长沙 410004;
4.国家轻工业香料化妆品洗涤用品质量监督检测广州站,广东 广州 510075)
(1.Central South University of Forestry and Technology,Changsha,Hunan410004,China;
2.Guangdong Jiangmen City Cang Shou Natural Art Ware Co.Ltd.,Jiangmen,Guangdong529000,China;
3.National Engineering Laboratory for Rice and By-product Deep Processing,Changsha,Hunan410004,China;
4.Guangzhou Station for Supervision and Inspection of National Light Industry Spices Cosmetics
Cleaning Products Quality,Guangzhou,Guangdong510075,China)
摘要:采用超临界CO2萃取法提取崖柏精油,通过正交试验
对提取工艺进行优化,用 GC—MS定性定量分析检测崖柏
精油成分。结果表明,影响崖柏精油提取率的主要因素顺序
为萃取压力、萃取温度、动态萃取时间;优化后的工艺条件
为:物料装料系数0.68,萃取压力20MPa,萃取温度50℃,
动态萃取时间60min,静态萃取时间30min,该条件下崖柏
精油提取率为7.20%~7.31%。崖柏精油中共鉴定出28种
化学成分,主要为萜烯类合化物,其中罗汉柏烯、α-雪松醇和
花侧柏烯含量较高,其相对质量分数分别为45.50%,25
.72%,7.11%。
关键词:崖柏;精油;超临界CO2萃取;GC—MS
Abstract:Supercritical CO2extraction method was applied to essen-
tial oil fromThuja sutchuenensis in the present study.The composi-
tion of the essential oil was identified by GC-MS.The extraction
conditions were optimized by orthogonal tests.Results:The main
factors influencing the extraction yield are extraction pressure,ex-
traction temperature and extraction dynamic time.The Optimization
of process:filing coefficient was 0.68,the extraction pressure and
temperature were 20MPa and 50℃,dynamic time was 60min and
static time was 30 min.The essential oil extraction rate were 7
.20%~7.31%under this condition.28components were identified
in the Thuja sutchuenensis,primarily terpene compounds containing
Thujopsene,α-cedrol and cuparene,accounting for 45.5%,25.41%
and 7.11%,respectively.
Keywords:Thuja sutchuenensis essential oil;supercritical CO2;ex-
traction;GC-MS
崖柏(Thuja sutchuenensis)为柏科(cupressaceae)崖柏属
(thuja)常绿乔木,是一类起源于恐龙时代的“活化石”[1]。经
研究[2-4]发现,崖柏的根、茎、叶中含有罗汉柏烯、α-蒎烯、柠
檬烯等萜类化合物,这些萜类化合物脂溶性佳,分子小,具有
抗菌、抗氧化、抗肿瘤、降血压、驱虫、抗炎、利尿、祛痰、健身
强体的功效。从崖柏中提取的崖柏精油亦含有上述许多有
益成分,可应用于医疗保健、食品工业、果蔬保鲜、日用化妆
品等领域[5]。超临界CO2流体萃取方法应用于植物精油的
提取,具有萃取速度快、效率高,产品分离流程简单且应用广
等优点[6,7]。由于崖柏资源的稀有,尚未见用超临界CO2萃
取崖柏精油的报道,近年来,已进行了崖柏的人工种植试验,
并获得成功,为对崖柏的研究开发提供了条件[8,9]。本研究
拟采用超临界CO2流体萃取法从崖柏中提取精油,通过单因
素试验和正交试验确定最佳的萃取工艺条件,并采用 GC—
MC对该工艺获得的崖柏精油进行成分分析和鉴定,为崖柏
扩大种植及其开发利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
崖柏(根部)切片:5mm×5mm×0.2mm,广东江门市
藏寿天然艺术品有限公司;
二氧化碳:纯度≥99.9%,长沙中益气体有限公司;
二氯甲烷:色谱纯,上海化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
超临界CO2萃取装置:DY120-50-02型,江苏南通华安
571
超临界萃取有限公司;
气相色谱-质谱联用仪:QP2010Ultra型,日本岛津公
司。
1.3 方法
1.3.1 工艺流程
崖柏根切片→超临界CO2萃取(CO2钢瓶→冷却系统→
高压泵→萃取釜→分离釜)→收集精油
1.3.2 工艺方法 准确称取150.0g崖柏切片装入2L的
超临界CO2萃取釜中,启动设备,调节萃取釜和分离釜的温
度、压力及CO2流量进行循环萃取,萃取一定时间后从分离
釜中收集萃出物,准确测定所得精油的体积和质量,置于4
℃密封保存并计算崖柏精油的提取率。
1.3.3 崖柏精油得率 按式(1)计算:
崖柏精油得率 =
萃取所得崖柏精油质量
崖柏样品质量 ×100%
(1)
1.3.4 装料系数计算 本试验所用小试装置萃取釜容积为
2L,测定出2L的萃取釜中装满崖柏切片的总重量为220g。
装料系数按式(2)计算:
装料系数=
崖柏切片萃取量
萃取釜最大装入量
(2)
1.3.5 单因素试验设计
(1)物料装料系数:称取150.0g崖柏切片,固定萃取压
力20MPa、萃取温度45℃、分离压力8MPa、分离温度50
℃、CO2流速1.5L/min、静态萃取时间30min、动态萃取时
间50min条件下,研究物料装料系数(0.3,0.4,0.5,0.6,0
.7,0.8,0.9)对崖柏精油提取率的影响。
(2)萃取压力:称取150.0g崖柏切片,固定萃取温度45
℃、分离压力8MPa、分离温度50℃、CO2流速1.5L/min、
静态萃取时间30min、动态萃取时间50min条件下,研究萃
取压力(10,15,20,25,30,35MPa)对崖柏精油提取率的影
响。
(3)萃取温度:称取150.0g崖柏切片,固定萃取压力20
MPa、分 离 压 力 8 MPa、分 离 温 度 50 ℃、CO2 流 速 1
.5L/min、静态萃取时间30min、动态萃取时间为50min条
件下,研究萃取温度(35,40,45,50,55,60℃)对崖柏精油提
取率的影响。
(4)静态萃取时间:称取150.0g崖柏切片,固定萃取压
力20MPa、萃取温度45℃、分离压力8MPa、分离温度50
℃、CO2流速1.5L/min、动态萃取时间50min条件下,研究
静态萃取时间(10,20,30,40,50min)对崖柏精油提取率的
影响。
(5)动态萃取时间:称取150.0g崖柏切片,固定萃取压
力20MPa、萃取温度45℃、分离压力8MPa、分离温度50
℃、CO2流速1.5L/min、静态萃取时间30min条件下,研究
动态萃取时间(10,30,50,70,90min)对崖柏精油提取率的
影响。
1.3.6 正交试验 在单因素试验的基础上,选取萃取压力、
萃取温度以及动态萃取时间进行3因素3水平L9(33)正交
试验,优化崖柏精油的萃取工艺条件。
1.3.7 精油分析方法 所得到最佳工艺的崖柏精油用二氯
甲烷稀释10倍,过0.22μm有机滤膜后进行GC—MC鉴定
分析。
(1)气相色谱条件:Rtx-5MS(30 m×0.25 mm×0
.25μm)色谱柱,进样量1μL,分流比100︰1,进样口温度
260℃,流速1mL/min,载气为高纯氦气。程序升温:初始
温度90℃(保持5min),以3℃/min速度升至220℃(保持
5min),再以10℃/min升至250℃。
(2)质谱条件:EI电离源,电离电压70eV,离子源温度
230℃,四级杆温度150℃,传输线温度250℃,标准调谐,
SCAN质量扫描,溶剂延迟5min,扫描范围35~600amu。
(3)成分解析:GC—MS分析,获得精油的总离子流色
谱图(TIC),利用NIST05质谱数据检索标准谱库解析成分,
对所得的谱图进行检索,相似度大于85%作为结构确认依
据,以峰面积归一法计算各组分相对质量分数。
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果与分析
2.1.1 物料装料系数对崖柏精油萃取率的影响 超临界
CO2流体萃取的过程中,在不同的温度和压力下,萃取物料
可能会发生不同程度膨胀等现象,如果物料装量过满,容易
造成堵塞,物料装量过少会直接影响萃取的收率。由图1可
知,装料系数过小,提取率较低,主要因为萃取物料过少,剩
余空间大与CO2流体偏流,且萃取总量过小,管道损失较大。
随着装料系数的增大提取率也增大,在0.6~0.8时有较大
的提取率,最后考虑提取率和安全性,选择装料系数为0.68
(150g)做后续的试验。
图1 崖柏切片装料系数对崖柏精油提取率的影响
Figure 1 Effect of filing coefficient on Thuja sutchuen-
ensis essential oil extraction rate
2.1.2 萃取压力对崖柏精油提取率的影响 由图2可知,
随着萃取压力增大,萃取率也增加,主要因为压力增大,超临
界流体密度随之增大,从而萃取物在流体中的溶解度增大,
当萃取压力达到20MPa时萃取量最大。随后萃取压力继续
增加,崖柏精油的萃取率逐渐降低,可能是因为萃取压力增
671
提取与活性   2015年第3期
图2 萃取压力对崖柏精油提取率的影响
Figure 2 Effect of extraction pressure on Thuja sutchuen-
ensis essential oil extraction rate
高后,CO2流体的密度必然变得更大,而CO2流体的扩散性
能会相应地减弱,从而造成两相接触传质速率的降低。同时
在实际生产过程中,萃取压力太高会使成本变高,同样存在
安全隐患,所以初步选择20MPa为宜。
2.1.3 萃取温度对崖柏精油提取率的影响 由图3可知,
崖柏精油提取率先随温度升高而增加,50℃达到最大,温度
继续升高,崖柏精油萃取率反而降低。温度升高,一方面溶
质萃取精油在CO2流体的热运动速度加快,相应的溶剂蒸气
压增大,使得溶解度增大,另一方面,温度继续升高,CO2流
体密度变小,萃取物在CO2流体中的溶解度也相应减少,而
且过高温度也会导致胶体浸出影响细胞壁的通透性导致精
油难以带出,所以综合考虑选择50℃为宜。
图3 萃取温度对崖柏精油提取率的影响
Figure 3 Effect of extraction temperature on Thuja
sutchuenensis essential oil extraction rate
2.1.4 静态萃取时间对提取率的影响 由图4可知,随着
静态萃取时间的变化,萃取率变化不明显,可能是因为崖柏
细胞壁的通透性较好,在30min有最大的萃取率,最后静态
萃取时间选择30min为宜。
2.1.5 动态萃取时间对崖柏精油提取率的影响 由图5可
知,崖柏精油萃取率随动态萃取时间的延长而提高,动态萃
取时间在10~50min时,萃取率增加明显,在50min时达最
大值,之后提取率无明显变化,从提取率和节能低耗方面考
虑选择50min为最佳动态萃取时间。
图4 静态萃取时间对崖柏精油提取率的影响
Figure 4 Effect of static time on Thuja sutchuenensis
essential oil extraction rate
图5 动态萃取时间对崖柏精油提取率的影响
Figure 5 Effect of dynamic time on Thuja sutchuenensis
essential oil extraction rate
2.2 崖柏精油提取工艺优化
2.2.1 正交试验结果与分析 根据单因素试验结果,萃取
压力、萃取温度、动态萃取时间对崖柏精油的提取率有较大
影响,设计L9(33)正交试验,进一步考察各因素对精油提取
率的影响,优化提取工艺,试验因素与水平见表1。
表1 因素水平设计表
Table 1 Factors and levels of orthogonal test
水平 A萃取压力/MPa B萃取温度/℃ C动态萃取时间/min
1  15  45  40
2  20  50  50
3  25  55  60
  由表2可知,各因素对提取率影响程度依次为:A>B>
C,即:萃取压力>萃取温度>动态萃取时间。最佳提取条件
为A2B2C3,即萃取压力20MPa,萃取温度50℃,动态萃取
时间60min。根据表3方差分析萃取压力显著,其他两个因
素不显著。
2.2.2 验证实验 崖柏精油的提取在最佳工艺条件下,重
复5次进行验证,提取率分别为7.23%,7.29%,7.31%,7
.20%,7.25%,平均提取率为7.26%,标准偏差为0.044 5,
RSD为0.006 1,表明此试验有良好的重现性。
771
第31卷第3期 王亚琦等:超临界CO2萃取崖柏精油的研究  
表2 L9(33)正交试验结果
Table 2 Results of L9(33)orthogonal test
试验号 A  B  C 提取率/%
1  1  1  1  5.69
2  1  2  2  5.92
3  1  3  3  5.82
4  2  1  2  6.52
5  2  2  3  7.22
6  2  3  1  6.32
7  3  1  3  6.41
8  3  2  1  6.39
9  3  3  2  6.12
K1

5.81  6.21  6.13
K2 6.69  6.51  6.19
K3 6.31  6.09  6.48
R  0.88  0.42  0.35
表3 正交试验结果方差分析
Table 3 Analysis of variance of orthogonal test
方差来源 离差平方和 自由度 均方(MS) F值 Sig.
A  1.160  2  0.583  43.341  0.023
B  0.286  2  0.143  10.675  0.086
C  0.213  2  0.107  7.974  0.111
D  0.002 7  2  0.013  1.000
误差E

0.03  2
总和T  1.67  8
 F0.01(1,2)=99;F0.05(1,2)=19。
2.3 崖柏精油GC—MS分析
由表4可知,最佳工艺条件下用超临界CO2萃取的崖柏
精油经GC—MS分析鉴定出的28种化学成分中,以萜烯类
化合物为主,其中罗汉柏烯、α-雪松醇和花侧柏烯的含量较
高,其相对质量分数分别为45.50%,25.72%,7.11%。
3 结论
采用超临界CO2萃取可有效提取崖柏精油,提取率高于
普通水蒸气蒸馏法,且缩短了萃取时间,具有低耗、高效、无
污染等优点。本研究对超临界 CO2萃取崖柏精油中单因素
条件(物料装料系数、萃取压力、萃取温度、静态萃取时间、动
态萃取时间)进行探究,并通过正交试验对萃取率有较大影
响的3个因素(萃取压力、萃取温度、动态萃取时间)进行工
艺优化,结果表明最佳提取工艺为:物料装料系数0.68,萃取
压力20MPa,萃取温度50℃,动态萃取时间60min,静态萃
表4 崖柏精油GC—MS分析结果
Table 4 Analytic results of GC—MS of Thuja
sutchuenensis essential oil
序号 名称
相对质量
分数/%
序号 名称
相对质量
分数/%

9-亚甲 基-3-氧
双环{5.3.0}
十二-2-酮
0.28
2 异长叶烯 0.38
3 长叶蒎烯 0.29
4 α-柏木萜 3.00
5 γ-衣兰油烯 1.50
6 罗汉柏烯 45.50
7 松油烯 0.36
8 律草烯 0.16
9 α-古芸烯 0.19
10
新异 长 叶 烯,
8,9-二氢
0.63
11 大牛儿烯 0.04
12 α-姜黄烯 0.12
13 β-花柏烯 0.65
14 花侧柏烯 7.11
15 α-花柏烯 0.70
16 β-金合欢烯 0.13
17 β-雪松烯 1.07
18 莰烯 0.10
19 环长叶烯 0.13
20 喇叭烯 2.27
21 α-雪松醇 25.72
22 花侧柏醇 2.31
23 γ-姜黄烯 0.80
24
白菖油萜环氧
化物
0.83
25 花侧柏烯醇 0.20
26 α-红没药醇 1.62
27 香橙烯 2.63
28 环氧白菖烯 1.40
取时间30min,此工艺条件下崖柏精油提取率为7.20%~
7.31%。
参考文献
1 XiangQiao-ping,Farjon A,Li Zhen-yu,et al.Thuja sutchuenen-
sis:a rediscovered species of the Cupressaceae[J].Botanical
Journal of the Linnean Society,2002,139(3):305~310.
2 Bakkali F,Averbeck S,Averbeck D,et al.Biological effects of
essential oils[J].Food Chem.Toxicol.,2008,46(2):446~
475.
3 Burt S A.Antibacterial activity of essential oils:potential appli-
cations in food[D].Thesis:Utrecht University,2007.
4 Gaysinsky S,Weiss J.Aromatic and spice plants:uses in food
safety[J].Stewart Post Harvest Rev.,2007,3(2):1~9.
5 李松,吴光斌,陈发河.超临界萃取琯溪蜜柚精油工艺优化及组
分分析[J].食品与机械,2013,29(1):113~117.
6 梁健钦,杨焕琪,熊万娜,等.超临界CO2萃取砂糖桔叶挥发油
及其GC—MS分析[J].食品与机械,2010,26(3):28~34.
7 王祥福.崖柏群落生态学[D].北京:中国林业科学研究院,
2008.
8 郑群明,吴楚材,谭益民,等.崖柏乙醇提取物抑菌作用的初步
研究[J].中南林业科技大学学报,2011,31(4):66~69.
9 吴章文,吴楚材,陈奕洪,等.8种柏科植物的精气成分及其生
理功效分析[J].中南林业科技大学学报,2010,30(10):1~8.
871
提取与活性   2015年第3期