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Extraction of lobetyolin from codonopsis with supercritical CO2

超临界流体萃取党参中党参炔苷的研究


目的:党参炔苷是党参中开发一条绿色快速的工艺路线,提取党参中的重要的有效成分之一党参炔苷(lobetyolin)。方法:本实验对党参中党参炔苷的超临界CO2萃取工艺进行了研究。采用中心实验设计结合响应曲面法考察了压力、温度、萃取时间和夹带剂用量等因素对党参炔苷得率的影响及其交互作用。结果:确定了夹带剂用量是关键因素,在动态夹带剂乙醇流速为1 mL·min-1,常压CO2流速为2 L·min-1,30 MPa,60 ℃下条件下萃取100 min,党参炔苷得率为0078 6 mg·g-1,优于传统超声萃取法。结论:采用带夹带剂的超临界流体萃取党参中党参炔苷是可行的。

To develop a green and rapid method for extraction of lobetyolin from C pilosula.  Method: Extraction of lobetyolin from C pilosula with supercritical carbon dioxide in the presence of  ethanol was studied. The effects of pressure, temperature, volume of cosolvent and extraction time on efficiency and their interactive relationships were discussed, based on central composite design and response surface methodology (RSM).  Result: The key effect factor was volume of cosolvent. The extraction yield of lobetyolin was 0078 6 mg·g-1  when C pilosula (40 60 mesh) was extracted at 30 MPa, 60 ℃ and 2 L·min-1 (as CO2 in normal pressure and temperature) for 100 minutes with supercritical CO2 and  1 mL·min-1 ethanol as dynamic cosolvent.   Conclusion: This result is better than that obtained from traditional method. Therefore, the optimized process is valuable for extraction of lobetyolin from C pilosula.


全 文 :超临界流体萃取党参中党参炔苷的研究
刘同举,李淑芬,闵 江,包小妹
(天津大学 化工学院 教育部绿色合成与转化重点实验室,天津 300072)
[摘要] 目的:党参炔苷是党参中开发一条绿色快速的工艺路线,提取党参中的重要的有效成分之一党参炔苷(lobetyo
lin)。方法:本实验对党参中党参炔苷的超临界CO2萃取工艺进行了研究。采用中心实验设计结合响应曲面法考察了压力、
温度、萃取时间和夹带剂用量等因素对党参炔苷得率的影响及其交互作用。结果:确定了夹带剂用量是关键因素,在动态夹
带剂乙醇流速为1mL·min-1,常压CO2流速为2L·min
-1,30MPa,60℃下条件下萃取100min,党参炔苷得率为00786mg
·g-1,优于传统超声萃取法。结论:采用带夹带剂的超临界流体萃取党参中党参炔苷是可行的。
[关键词] 超临界萃取;党参;党参炔苷;响应曲面法;中药
[收稿日期] 20080818
[通信作者] 李淑芬,教授,博士生导师,Tel:(022)87894252,E
mail:Shfli@tju.edu.cn
  党参为桔梗科植物党参Codonopsispilosula及其
同属多种植物的干燥根。具有补中益气、健脾益肺
之功效,主治脾肺虚弱,气短心悸,食少便溏,虚喘咳
嗽,内热消渴等证[1]。党参炔苷(lobetyolin)是党参
中重要的有效成分之一[24],其结构式如图1所示,
党参炔苷对乙醇造成的胃黏膜损伤有很好的保护作
用[2],在2005年版《中国药典》中新增了党参炔苷
为特征性成分用以鉴定党参。
图1 党参炔苷结构式
  目前对中药党参的研究多集中在其药理作用和
成分分析方面[24],对新型提取工艺研究较少[5]。
超临界CO2萃取作为一种新型的绿色化学技术具有
萃取、分离一次完成,萃取效率高,活性成分保留完
好,无溶剂残留等优点,在食品和医药领域得到迅猛
发展[67]。本研究采用超临界流体萃取技术提取党
参中的党参炔苷,采用中心试验设计(CCD)或称旋
转设计和二次响应曲面法,系统考察温度、压力、夹
带剂用量、和萃取时间对萃取结果的影响及其相互
作用,并进一步结合单因素实验优化提取工艺。
响应曲面法(RSM)[8]将多因子试验中因素与
试验结果(响应值)的关系用多项式近似。把因子
与试验结果的关系函数化,依次可对函数进行面分
析,定量地分析各因素及其交互作用对响应值的影
响,并用响应面图和等高线图将其形象地表示出来。
1 仪器和试剂
党参(产地甘肃,亳州饮片有限责任公司,产品
编号610290306)。党参炔苷对照品(纯度98%,天
津一方科技有限公司)。CO2(纯度9995%,北京氦
普北分气体工业公司)。天津市大茂试剂公司,其
中甲醇、乙腈为色谱纯,其他试剂为分析纯。超临界
萃取仪 Speed(美国 AppliedSeparation公司);高压
液相色谱 LabAlianceseriesⅢ(美国科学系统公
司);色谱柱AgilentTCC18柱(46mm×200mm,5
μm)(美国 Agilent公司);数控超声波清洗器 KQ
200DF(昆山超声仪器有限公司)。
2 方法与结果
2.1 党参的超临界萃取实验步骤
装料:本实验采用32mL萃取柱,内径与高度分
别为144mm,195mm,两端封头内有孔径5μm的
过滤片防止原料夹带。每次装入为8g粉碎粒度为
40~60目中药党参原料和适量夹带剂,并在两端放
入脱脂棉填充富裕空间。
实验流程简述:从钢瓶出来的 CO2经冷却槽冷
却后通过高压泵升至设定压力(最大压力69MPa,
精度为±01MPa)然后与夹带剂混合,在空气浴恒
温箱加热到设定温度(精度为 ±1℃)后,达到超临
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界状态或近临界状态。超临界流体进入萃取柱将党
参中的有效成分萃取出来。当溶解了萃取物的超临
界流体离开萃取柱,通过节流膨胀变为常压气体后,
溶解能力丧失,萃取物析出被收集到接收瓶中,常压
CO2通过流量计计量后排出。
2.2 党参炔苷的HPLC分析方法
2.2.1 标准曲线的绘制 本实验采用与文献[2]
相同的色谱条件分析测定党参炔苷的含量,流动相
乙腈水(体积比28∶72);流速1mL·min-1;检测波
长267nm,进样量20μL。用甲醇为溶剂,使用党参
炔苷对照品分别配制溶度为 02,01,008,006,
004g·L-1的对照品液。得标准曲线方程 Y=
1499×107X+3780,r=09928。
2.2.2 党参炔苷含量的测定 将超临界流体萃取
所得的萃取液减压旋转蒸干溶剂,浸膏用甲醇溶解
并定量到 10mL,用微孔滤器(045μm)过滤,用
2.3.1法检测其中党参炔苷含量X(g·L-1),乘以稀
释用的溶剂量除以所用原料量即为党参炔苷得率 Y
(mg·g-1)。
Y=提取出来的党参炔苷量/mg实验所用的党参原料量/g
2.2.3 党参原料中的党参炔苷测定[4] 精密称取
党参A样品05g,置锥形瓶中,依次精密加入无水
乙醇10,8,8mL,分别超声提取25,15,10min,并过
滤。用 2.2.2方法检测其中党参炔苷含量为
00728mg·g-1。各提取方法的回收率计算:
回收率=提取出来的党参炔苷量/mg原料中的党参原料量/mg×100%
3 结果和讨论
3.1 不同夹带剂的影响
由图1可知党参炔苷结构为聚乙炔醇通过糖苷
键与1分子葡萄糖组成的化合物,具有一定的极性,
前期实验证明纯超临界CO2萃取不能将党参炔苷提
取出来。由文献[3]可知党参炔苷是由党参的乙醇
提取物中的正丁醇萃取部位中提取分离出来的,不
同极性和溶解性能的溶剂对党参炔苷有不同的作
用,本实验分别加入8mL无水乙醇
#
醋酸乙酯和
80%乙醇和正丁醇作为静态夹带剂,在30MPa和
65℃的条件下萃取2h,考察这几种不同夹带剂对
萃取效果的影响,结果党参炔苷得率分别为0045,
0021,0037,0015mg·g-1。
3.2 响应曲面法优化超临界萃取条件。
中心组合实验设计和响应曲面法是一种把回归
和正交结合在一起的实验设计和统计分析方法,可
以以较少的实验次数获得更为科学、充分、有用的信
息,并能将变量间的相互关系以回归方程的形式进
行数量化,而响应面图和等高线图则可将变量间的
交互作用形象地动态化表示出来。本研究使用 De
signExpert软件进行实验设计和统计分析,采用中
心实验设计和二次响应曲面法,以党参炔苷得率为
指标,系统考察温度、压力、夹带剂用量、和萃取时间
等因素对萃取结果的影响及各因素间的相互作用。
本试验采用 4因素 3水平的中心试验设计
(CCD)进行工艺优化。将各考察因子(真实值)作
为自变量进行编码,-1,0,+1依次代表低、中、高
水平,再增加+2,-2两个水平作为特征值,以保证
各因素在试验设计中的可旋转性,具体编码见表1。
表1 因素水平及编码
水平及编码
因素
温度/℃ 压力/MPa 时间/h夹带剂量/mL
未编码项 a b c d
编码项 A B C D
-2 40 15 05 4
-1 50 20 1 6
0 60 25 15 8
1 70 30 2 10
2 80 35 25 12
  注:编码值与真实值的关系为A=(a-60)/10,B=(b-25)/5,
C=(c-15)/05,D=(d-8)/2。
  采用中心试验设计进行二次曲面回归的试验设
计表见表2。
  采用超临界流体萃取党参炔苷的实验结果见表
3。利用 DesignExpert软件对表3结果进行多元回
归拟合,得到响应值党参炔苷得率对各自变量的模
型为:
Y×103=49-006×A+3510×B+067×
C+940×D-249×AB-084×AC-103×AD-
094×BC+093×BD-1171×CD-243×A2-
289×B2-102×C2-164×D2,式中 Y为党参炔
苷的预测值,A,B,C,D分别为各自变量的编码值。
由表2可知,模型P=00154<005,信噪比为
6857>4,说明模型是显著的。失拟项的 P=0855
2远大于005,说明失拟项是不显著的,且这种不显
著有85%的机会是误差造成的。以上结果说明该
模型结果是可靠的。压力项的 P接近于005,说明
压力只有5%的可能是不显著的。夹带剂用量 P<
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   表2 CCD试验设计及结果
温度
/℃
压力
/MPa
时间
/h
夹带剂量
/mL
党参炔苷得率
/mg·g-1
50 20 1 6 00211
70 20 1 6 00346
50 30 1 6 00334
70 30 1 6 00340
50 20 2 6 00251
70 20 2 6 00366
50 30 2 6 00389
70 30 2 6 00263
50 20 1 10 00529
70 20 1 10 00415
50 30 1 10 00522
70 30 1 10 00608
50 20 2 10 00396
70 20 2 10 00508
50 30 2 10 00570
70 30 2 10 00450
40 25 15 8 00426
80 25 15 8 00372
60 15 15 8 00283
60 35 15 8 00477
60 25 05 8 00386
60 25 25 8 00524
60 25 15 4 00240
60 25 15 12 00620
60 25 15 8 00447
60 25 15 8 00419
60 25 15 8 00486
60 25 15 8 00685
60 25 15 8 00412
60 25 15 8 00488
  注:表中各自变量均使用真实值而非编码值。
表3 对党参炔苷得率的二次多项式方差分析表
变异源 平方和 自由度 均方 F P
模型 298E03 14 213E04 324 00154
AT 884E08 1 884E08 000 09712
BP 296E04 1 296E04 449 00511
Ct 109E05 1 109E05 017 06891
Dv 212E03 1 212E03 3229 <00001
AB 996E05 1 996E05 151 02375
AC 112E05 1 112E05 017 06858
AD 173E05 1 173E05 026 06157
BC 143E05 1 143E05 022 06476
BD 140E05 1 140E05 021 06511
CD 219E05 1 219E05 033 05721
A2 162E04 1 162E04 247 01371
B2 231E04 1 231E04 350 00808
C2 290E05 1 290E05 044 05169
D2 742E05 1 742E05 113 03051
残项 987E04 15 658E05    
失拟项 478E04 10 478E05 047 08552
误差项 509E04 5 102E04    
总合 397E03 29      
图2 夹带剂用量和时间对党参炔苷得率的响应图
图3 温度压力对党参炔苷得率的等高线
00001,说明该因素极为显著。
由图2可见,夹带剂用量提高可以显著提高党
参炔苷得率,而且夹带剂用量高时,较短的萃取时间
就使响应值达到最高点,说明提高夹带剂用量不但
可以提高党参炔苷得率还加快萃取速度,是各因素
中的关键因素。由图3可知,在保持其他2条件不
变的情况下,党参炔苷得率并不随温度压力的增加
而线性增大,而是有一个最佳条件区域,即温度
55~60℃,压力30MPa附近这个条件范围,炔苷得
率最高。
3.3 带动态夹带剂的超临界萃取党参炔苷的研究
实验范围内所得的最高党参炔苷得率为00620
与用超声法测的原料中含量00728相比,回收率为
85%,说明党参中的党参炔苷并未萃取完全。考虑到
夹带剂对超临界萃取党参炔苷的显著影响,通过动态
加入方式,进一步加大夹带剂的加入量。在30MPa、
60℃、常压 CO2流速为 2L·min
-1条件下分别以
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05,075,1mL·min-1流速动态加入无水乙醇夹带
剂,所得党参炔苷得率萃取时间图见图4。
图4 动态加入夹带剂时党参炔苷得率萃取时间图
由图4可见,前80min内党参炔苷已经基本被
萃出,之后变化很小。在该实验条件下,夹带剂比例
较高(05mL·min-1的夹带剂与常压CO2流速为2L
·min-1换算得到夹带剂质量百分比在10%左右),
已经不能与超临界流体完全互溶。萃取过程是含夹
带剂的超临界混合流体与高压乙醇两者共同作用的
结果。由图可见,05mL·min-1萃取速度较慢收率
较低,075mL·min-1与1mL·min-1二者差别不大。
05mL·min-1时夹带剂含量还不算太高,萃取过程
还是由超临界流体萃取主导;而075mL·min-1与1
mL·min-1时则是由高压乙醇萃取主导。
将40~60目的中药党参在动态夹带剂乙醇流
速为1mL·min-1,CO2流速为2L·min
-1,30MPa,
60℃下萃取100min,党参炔苷得率为00786,超
  
过由超声法测得的原料中含量00728,说明带夹带
剂的超临界萃取法较超声萃取更为完全。
4 结论
本实验采用中心实验设计和二次响应曲面法,
系统考察温度、压力、夹带剂用量和时间对萃取结果
的影响及其相互作用,确定了夹带剂用量是提高党
参炔苷生产效率最有效的控制因素。然后利用单因
素实验进一步优化了含动态夹带剂的党参炔苷超临
界萃取工艺。中药党参在动态夹带剂乙醇流速为1
mL·min-1,CO2流速为2L·min
-1,30MPa,60℃
下萃取100min,党参炔苷得率为00786,优于传统
超声萃取法。
[参考文献]
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ExtractionoflobetyolinfromcodonopsiswithsupercriticalCO2
LIUTongju,LIShufen,MINJiang,BAOXiaomei
(KeyLaboratoryforGreenChemicalTechnologyofStateEducationMinistry,Schoolof
ChemicalEngineeringandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)
  [Abstract] Objective:TodevelopagreenandrapidmethodforextractionoflobetyolinfromCpilosula.Method:Extractionof
lobetyolinfromCpilosulawithsupercriticalcarbondioxideinthepresenceofethanolwasstudied.Theefectsofpressure,temperature,
volumeofcosolventandextractiontimeoneficiencyandtheirinteractiverelationshipswerediscussed,basedoncentralcompositedesign
andresponsesurfacemethodology(RSM).Result:Thekeyefectfactorwasvolumeofcosolvent.Theextractionyieldoflobetyolinwas
00786mg·g-1whenCpilosula(4060mesh)wasextractedat30MPa,60℃ and2L·min-1(asCO2innormalpressureandtem
perature)for100minuteswithsupercriticalCO2and1mL·min
-1ethanolasdynamiccosolvent.Conclusion:Thisresultisbeterthan
thatobtainedfromtraditionalmethod.Therefore,theoptimizedprocessisvaluableforextractionoflobetyolinfromCpilosula.
[Keywords] supercriticalfluidextract;Codonopsispilosula;lobetyolin;responsesurfacemethodology;traditionalChinese
medicine
[责任编辑 周 驰]
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