超臨界CO2萃取崖柏精油的研究

王亞琦 陳奕洪 黃衛文，3 莫啟武 周 潔（.中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 000；.廣東江門市藏壽天然藝術品有限公司，廣東 江門 59000；3.稻谷及副產物深加工國家工程實驗室，湖南 長沙 000；.國家輕工業香料化妝品洗滌用品質量監督檢測廣州站，廣東 廣州 50075）

崖柏（Thuja sutchuenensis）為柏科（cupressaceae）崖柏屬（thuja）常綠喬木，是一類起源于恐龍時代的“活化石”［1］。經研究［2－4］發現，崖柏的根、莖、葉中含有羅漢柏烯、α－蒎烯、檸檬烯等萜類化合物，這些萜類化合物脂溶性佳，分子小，具有抗菌、抗氧化、抗腫瘤、降血壓、驅蟲、抗炎、利尿、祛痰、健身強體的功效。從崖柏中提取的崖柏精油亦含有上述許多有益成分，可應用于醫療保健、食品工業、果蔬保鮮、日用化妝品等領域［5］。超臨界CO2流體萃取方法應用于植物精油的提取，具有萃取速度快、效率高，產品分離流程簡單且應用廣等優點［6，7］。由于崖柏資源的稀有，尚未見用超臨界CO2萃取崖柏精油的報道，近年來，已進行了崖柏的人工種植試驗，并獲得成功，為對崖柏的研究開發提供了條件［8，9］。本研究擬采用超臨界CO2流體萃取法從崖柏中提取精油，通過單因素試驗和正交試驗確定最佳的萃取工藝條件，并采用GC—MC對該工藝獲得的崖柏精油進行成分分析和鑒定，為崖柏擴大種植及其開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

崖柏（根部）切片：5mm×5mm×0.2mm，廣東江門市藏壽天然藝術品有限公司；

二氧化碳：純度≥99.9%，長沙中益氣體有限公司；

二氯甲烷：色譜純，上?；瘜W試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

超臨界CO2萃取裝置：DY120－50－02型，江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；

氣相色譜－質譜聯用儀：QP2010Ultra型，日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

崖柏根切片→超臨界CO2萃?。–O2鋼瓶→冷卻系統→高壓泵→萃取釜→分離釜）→收集精油

1.3.2 工藝方法 準確稱取150.0g崖柏切片裝入2L的超臨界CO2萃取釜中，啟動設備，調節萃取釜和分離釜的溫度、壓力及CO2流量進行循環萃取，萃取一定時間后從分離釜中收集萃出物，準確測定所得精油的體積和質量，置于4℃密封保存并計算崖柏精油的提取率。

1.3.3 崖柏精油得率 按式（1）計算：

1.3.4 裝料系數計算 本試驗所用小試裝置萃取釜容積為2L，測定出2L的萃取釜中裝滿崖柏切片的總重量為220g。裝料系數按式（2）計算：

1.3.5 單因素試驗設計

（1）物料裝料系數：稱取150.0g崖柏切片，固定萃取壓力20MPa、萃取溫度45℃、分離壓力8MPa、分離溫度50℃、CO2流速1.5L/min、靜態萃取時間30min、動態萃取時間50min條件下，研究物料裝料系數（0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9）對崖柏精油提取率的影響。

（2）萃取壓力：稱取150.0g崖柏切片，固定萃取溫度45℃、分離壓力8MPa、分離溫度50℃、CO2流速1.5L/min、靜態萃取時間30min、動態萃取時間50min條件下，研究萃取壓力（10，15，20，25，30，35MPa）對崖柏精油提取率的影響。

（3）萃取溫度：稱取150.0g崖柏切片，固定萃取壓力20 MPa、分 離 壓 力 8MPa、分 離 溫 度50 ℃、CO2流 速1.5L/min、靜態萃取時間30min、動態萃取時間為50min條件下，研究萃取溫度（35，40，45，50，55，60 ℃）對崖柏精油提取率的影響。

（4）靜態萃取時間：稱取150.0g崖柏切片，固定萃取壓力20MPa、萃取溫度45℃、分離壓力8MPa、分離溫度50℃、CO2流速1.5L/min、動態萃取時間50min條件下，研究靜態萃取時間（10，20，30，40，50min）對崖柏精油提取率的影響。

（5）動態萃取時間：稱取150.0g崖柏切片，固定萃取壓力20MPa、萃取溫度45℃、分離壓力8MPa、分離溫度50℃、CO2流速1.5L/min、靜態萃取時間30min條件下，研究動態萃取時間（10，30，50，70，90min）對崖柏精油提取率的影響。

1.3.6 正交試驗 在單因素試驗的基礎上，選取萃取壓力、萃取溫度以及動態萃取時間進行3因素3水平L9（33）正交試驗，優化崖柏精油的萃取工藝條件。

1.3.7 精油分析方法 所得到最佳工藝的崖柏精油用二氯甲烷稀釋10倍，過0.22μm有機濾膜后進行GC—MC鑒定分析。

（1）氣相色譜條件：Rtx－5MS（30m×0.25mm×0.25μm）色譜柱，進樣量1μL，分流比100︰1，進樣口溫度260℃，流速1mL/min，載氣為高純氦氣。程序升溫：初始溫度90℃（保持5min），以3℃/min速度升至220℃（保持5min），再以10℃/min升至250℃。

（2）質譜條件：EI電離源，電離電壓70eV，離子源溫度230℃，四級桿溫度150℃，傳輸線溫度250℃，標準調諧，SCAN質量掃描，溶劑延遲5min，掃描范圍35～600amu。

（3）成分解析：GC—MS分析，獲得精油的總離子流色譜圖（TIC），利用NIST05質譜數據檢索標準譜庫解析成分，對所得的譜圖進行檢索，相似度大于85%作為結構確認依據，以峰面積歸一法計算各組分相對質量分數。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 物料裝料系數對崖柏精油萃取率的影響 超臨界CO2流體萃取的過程中，在不同的溫度和壓力下，萃取物料可能會發生不同程度膨脹等現象，如果物料裝量過滿，容易造成堵塞，物料裝量過少會直接影響萃取的收率。由圖1可知，裝料系數過小，提取率較低，主要因為萃取物料過少，剩余空間大與CO2流體偏流，且萃取總量過小，管道損失較大。隨著裝料系數的增大提取率也增大，在0.6～0.8時有較大的提取率，最后考慮提取率和安全性，選擇裝料系數為0.68（150g）做后續的試驗。

圖1 崖柏切片裝料系數對崖柏精油提取率的影響Figure 1 Effect of filling coefficient on Thuja sutchuenensis essential oil extraction rate

2.1.2 萃取壓力對崖柏精油提取率的影響 由圖2可知，隨著萃取壓力增大，萃取率也增加，主要因為壓力增大，超臨界流體密度隨之增大，從而萃取物在流體中的溶解度增大，當萃取壓力達到20MPa時萃取量最大。隨后萃取壓力繼續增加，崖柏精油的萃取率逐漸降低，可能是因為萃取壓力增高后，CO2流體的密度必然變得更大，而CO2流體的擴散性能會相應地減弱，從而造成兩相接觸傳質速率的降低。同時在實際生產過程中，萃取壓力太高會使成本變高，同樣存在安全隱患，所以初步選擇20MPa為宜。

圖2 萃取壓力對崖柏精油提取率的影響Figure 2 Effect of extraction pressure on Thuja sutchuenensis essential oil extraction rate

2.1.3 萃取溫度對崖柏精油提取率的影響 由圖3可知，崖柏精油提取率先隨溫度升高而增加，50℃達到最大，溫度繼續升高，崖柏精油萃取率反而降低。溫度升高，一方面溶質萃取精油在CO2流體的熱運動速度加快，相應的溶劑蒸氣壓增大，使得溶解度增大，另一方面，溫度繼續升高，CO2流體密度變小，萃取物在CO2流體中的溶解度也相應減少，而且過高溫度也會導致膠體浸出影響細胞壁的通透性導致精油難以帶出，所以綜合考慮選擇50℃為宜。

圖3 萃取溫度對崖柏精油提取率的影響Figure 3 Effect of extraction temperature on Thuja sutchuenensis essential oil extraction rate

2.1.4 靜態萃取時間對提取率的影響 由圖4可知，隨著靜態萃取時間的變化，萃取率變化不明顯，可能是因為崖柏細胞壁的通透性較好，在30min有最大的萃取率，最后靜態萃取時間選擇30min為宜。

2.1.5 動態萃取時間對崖柏精油提取率的影響 由圖5可知，崖柏精油萃取率隨動態萃取時間的延長而提高，動態萃取時間在10～50min時，萃取率增加明顯，在50min時達最大值，之后提取率無明顯變化，從提取率和節能低耗方面考慮選擇50min為最佳動態萃取時間。

圖4 靜態萃取時間對崖柏精油提取率的影響Figure 4 Effect of static time on Thuja sutchuenensis essential oil extraction rate

圖5 動態萃取時間對崖柏精油提取率的影響Figure 5 Effect of dynamic time on Thuja sutchuenensis essential oil extraction rate

2.2 崖柏精油提取工藝優化

2.2.1 正交試驗結果與分析 根據單因素試驗結果，萃取壓力、萃取溫度、動態萃取時間對崖柏精油的提取率有較大影響，設計L9（33）正交試驗，進一步考察各因素對精油提取率的影響，優化提取工藝，試驗因素與水平見表1。

表1 因素水平設計表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

由表2可知，各因素對提取率影響程度依次為：A＞B＞C，即：萃取壓力＞萃取溫度＞動態萃取時間。最佳提取條件為A2B2C3，即萃取壓力20MPa，萃取溫度50℃，動態萃取時間60min。根據表3方差分析萃取壓力顯著，其他兩個因素不顯著。

2.2.2 驗證實驗 崖柏精油的提取在最佳工藝條件下，重復5次進行驗證，提取率分別為7.23%，7.29%，7.31%，7.20%，7.25%，平均提取率為7.26%，標準偏差為0.044 5，RSD為0.006 1，表明此試驗有良好的重現性。

表2 L9（33）正交試驗結果Table 2 Results of L9（33）orthogonal test

表3 正交試驗結果方差分析Table 3 Analysis of variance of orthogonal test

表3 正交試驗結果方差分析Table 3 Analysis of variance of orthogonal test

F0.01（1，2）＝99；F0.05（1，2）＝19。

方差來源 離差平方和 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誤差E 0.03 2總和T 1.67 8

2.3 崖柏精油GC—MS分析

由表4可知，最佳工藝條件下用超臨界CO2萃取的崖柏精油經GC—MS分析鑒定出的28種化學成分中，以萜烯類化合物為主，其中羅漢柏烯、α－雪松醇和花側柏烯的含量較高，其相對質量分數分別為45.50%，25.72%，7.11%。

3 結論

采用超臨界CO2萃取可有效提取崖柏精油，提取率高于普通水蒸氣蒸餾法，且縮短了萃取時間，具有低耗、高效、無污染等優點。本研究對超臨界CO2萃取崖柏精油中單因素條件（物料裝料系數、萃取壓力、萃取溫度、靜態萃取時間、動態萃取時間）進行探究，并通過正交試驗對萃取率有較大影響的3個因素（萃取壓力、萃取溫度、動態萃取時間）進行工藝優化，結果表明最佳提取工藝為：物料裝料系數0.68，萃取壓力20MPa，萃取溫度50℃，動態萃取時間60min，靜態萃取時間30min，此工藝條件下崖柏精油提取率為7.20%～7.31%。

表4 崖柏精油GC—MS分析結果Table 4 Analytic results of GC—MS of Thujasutchuenensis essential oil

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