超临界二氧化碳法提取青皮挥发油的实验工艺研究

德州学院化学系2012届材料化学专业毕业论文1超临界二氧化碳法提取青皮挥发油的实验工艺研究刘鹏远（德州学院化学系山东德州253023）摘要：本文用超临界CO2法萃取青皮挥发油，以挥发油得率为考察指标，探讨萃取压力、萃取温度、萃取时间三因素在不同条件下对青皮挥发油得率的影响。采用正交实验对超临界CO2萃取青皮挥发油的最佳工艺条件进行优选。最佳工艺为:萃取压力25MPa，萃取温度35℃，萃取时间1.5h。关键词：超临界流体萃取；挥发油；正交试验；青皮1引言1.1概述1.1.1青皮青皮系芸香科植物橘是常绿小乔木或灌木，高约3米；枝柔弱，通常有刺，叶互生，革质，披针形至卵状披针形，在长江以南各省区广泛栽培，主产于广东、广西、福建、湖南、云南南部亦有栽培。好生于土壤疏松、湿润、肥沃的立地；河岸溪畔、平原、丘陵、四旁均可生长。适生于温暖湿润之气候环境中，为中国著名果品之一。5~6月间收集自落的幼果，晒干，习称“个青皮”，主产于江西、四川、湖南、浙江、广西和广东等地；7~8月间采收未成熟的果实，在果皮上纵剖成四瓣至基部，除尽瓤瓣，晒干，习称“四花青皮”，主产于四川、广西、贵州、广东、福建和云南等地[1]。中药中的青皮为干燥幼果或未成熟果实的果皮。原药材清水浸泡，洗净捞出，闷润8~12小时，至内外湿度一致时，切0.15cm薄片，晒干。饮片呈类圆形片状，切面黄白色，内有瓤囊。本品性味苦、辛，微温，为中医常用理气药，归肝、胆、胃经[2]。《本草经解》记载青皮“入足厥阴肝经、手太阴肺经、手少阴心经”，辛散温通，苦泄下行，主入肝经，适于肝气结滞，又入胃经兼能消积化滞。医书记载，青皮“主气滞，下食，破积结及膈气（《本草图经》）”、“破坚癖，散滞气，治左胁肝经积气（《珍珠囊》）”、“消乳肿，疏肝胆，泻肺气，治胸膈气逆，胸痛，小腹疝痛（《本草纲目》）”，具疏肝理气、散结消痰、消积化滞、和降胃气、行气止痛之功效。中医用煎剂内服主治胸胁胃脘胀痛，肝郁气滞，疝德州学院化学系2012届材料化学专业毕业论文2气、食积、乳肿、乳核、乳痈、久疟癖块等症，是一种药用广泛又经济的中药[1-3]。1.1.3挥发油挥发油又称精油、香精油或芳香油，是存在于植物体中的一类在常温下具有挥发性、可随水蒸气蒸馏而与水不相混溶的油状液体的总称。大多数具有芳香气味，是一类植物次生代谢物质，也是中草药中的重要有效成分。青皮挥发油中含d-柠檬烯、对－伞花烃、芳樟醇、α-蒎烯、β-蒎烯、α-萜品醇、月桂烯、柠檬醛、α-萜品烯等9种化学成分[4]。挥发油是青皮主要的活性成分之一。青皮挥发油具有良好的药理作用，如抗肿瘤活性，祛痰、促进呼吸道黏膜分泌增加的作用；青皮挥发油中的d-柠檬烯能促使括约肌松弛，降低胆内压，起到缓解胆结石和胆囊炎症状的作用[5]。1.1.4超临界流体萃取法SFE是国内外发展较快的一种新型提取分离技术。它是利用超临界流体在临界点附近温度或压力的微小变化会引起流体溶解能力产生较大变化而实现萃取分离的，CO2临界温度(31.26℃)和临界压力(7.2MPa)相对较低，且无毒、不燃、价廉，是一种理想的萃取剂，近十几年来已在精细化工、食品和医药等方面广泛应用，并与GC、IR、LC、GC-MS等联用形成有效的分析技术[1-3]。且因其操作温度低、系统密闭、选择分离效果好、提取率高、无有机溶剂残留、提取时间短等特点，在天然产物有效成分的提取分离方面显示出一定的优势，尤其适合于热敏性、易氧化的挥发性成分、脂溶性成分及小分子量物质的萃取分离。目前，英国、美国、日本等国家均已建成用于提取天然香料的SFE-CO2工业装置，用于生产植物精油、油树脂以及食品香料等[6]。植物挥发油成分在超临界CO2流体中具有良好的溶解性能，是一类最适合应用此技术提取的天然活性成分。1.1.5正交法对于单因素或两因素试验，因其因素少，试验的设计、实施与分析都比较简单。但在实际工作中，常常需要同时考察3个或3个以上的试验因素，若进行全面试验，则试验的规模将很大，往往因试验条件的限制而难于实施。正交试验设计就是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法。正交试验设计是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。它是由试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验的，通过对这部分试验德州学院化学系2012届材料化学专业毕业论文3结果的分析了解全面试验的情况，找出最优的水平组合。正交试验设计的基本特点是：用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况。正因为正交试验是用部分试验来代替全面试验的，它不可能像全面试验那样对各因素效应、交互作用一一分析；当交互作用存在时，有可能出现交互作用的混杂。虽然正交试验设计有上述不足，但它能通过部分试验找到最优水平组合，因而很受实际工作者青睐。采用正交实验法对超临界CO2萃取中药青皮挥发油的最佳工艺条件进行优选。以挥发油得率为考察指标，探讨了萃取压力、萃取温度、萃取时间三因素在不同水平下对青皮挥发油得率的影响。1.2国内外研究现状和发展趋势青皮是一种药用广泛又经济的中药，有着良好的开发前景。青皮主含挥发油及黄酮苷类化合物，其中挥发油是中草药中一类常见的重要有效成分，具有多种生理活性。目前，国内外有关青皮的研究工作多集中于青皮药材的炮制工艺、青皮中黄酮类化合物的提纯及化学成分分析、青皮的药理药效作用及临床应用研究等方面，而对于青皮挥发性成分的研究深度不够，以往的成分分析中仅是以传统的水蒸气蒸馏提取为主，未见对其提取工艺条件进行的优选以及不同提取方法之间的比较分析，所得化学成分种类有限，从而限制了其它方面研究的开展。因此有必要通过研究建立简单、高效的青皮挥发油提取工艺，以便应用于工业化生产，对其挥发油的化学成分也应做进一步的分析鉴定。目前国际上提取青皮挥发油的方法除传统的冷压榨法、吸收法、水蒸气蒸馏法、有机溶剂浸提法以外，超临界流体萃取技术、同时蒸馏-萃取法、固相微萃取法、酶辅助提取法等新型提取分离技术也多有应用，常见的方法主要有以下几种。1.2.1水蒸气蒸馏法水蒸气蒸馏法是提取植物挥发油的传统方法[7-8]，为《中华人民共和国药典》2005年版收录方法。它是将药材粉碎后，加水浸泡，采用特制的挥发油提取装置直接加热蒸馏或者通入水蒸气，使挥发油随导入的蒸气一同馏出，有时挥发油因含较多水溶性化合物而形成乳浊液，可将初次馏出液再蒸馏，盐析后用低沸点有机溶剂萃取即得。此法设备简单、成本低廉、操作简便，产量大，为工业生产中的常用方法，但由于系统开放，温度较高，故而除得到原存于生药中的化学成分德州学院化学系2012届材料化学专业毕业论文4外，还可能含有少量蒸馏过程中产生的挥发性分解产物[9]。1.2.2有机溶剂提取法用石油醚（30~60℃）、乙醚等低沸点有机溶剂连续回流提取或冷浸提取，提取液经蒸馏或减压蒸馏除去溶剂，可得粗品，以适量乙醇提纯即可得净油，也可将粗品再经水蒸气蒸馏而纯化。此法药材成分不易发生变化，但成本较高，不宜于工业化生产，现多用于实验室研究[10]。1.2.3同时蒸馏-萃取法同时蒸馏-萃取法是将水蒸气蒸馏与有机溶剂萃取合二为一，样品与萃取溶剂同时加热[11]，可把mg/L级的挥发性成分从脂质或水质介质中浓缩数千倍，用样量少，操作简单，避免了蒸馏法提取挥发油时的器壁吸附损失及微量转移的困难。1.2.4超临界流体萃取法SFE是国内外发展较快的一种新型提取分离技术。它是利用超临界流体在临界点附近温度或压力的微小变化会引起流体溶解能力产生较大变化而实现萃取分离的。1.2.5其他方法除上述几种常见的提取方法外，学者们还在不断探索其他新兴技术在中药有效成分研究中的应用：微波辐射法，超声波辅助提取法，固相微萃取法等技术在天然挥发油提取领域的应用工艺已经相当纯熟。1.3本文的研究意义及目的青皮主含挥发油及黄酮苷类化合物，其中挥发油是中草药中一类常见的重要有效成分，具有多种生理活性，如抗肿瘤活性，祛痰、促进呼吸道黏膜分泌增加的作用；青皮挥发油中的d-柠檬烯能促使括约肌松弛，降低胆内压，起到缓解胆结石和胆囊炎症状的作用[5]。目前，国内外有关于青皮挥发性成分的研究深度不够，以往的成分分析中仅是以传统的水蒸气蒸馏提取为主，从而限制了其它方面研究的开展。因此通过研究建立简单、高效的青皮挥发油提取工艺，应用于工业化生产，对医药事业具有深远的意义。本文是通过SFE-CO2法萃取青皮挥发油，以挥发油得率为指标，根据影响SFE-CO2的因素探讨了萃取压力、萃取温度及萃取时间对青皮挥发油萃取结果的德州学院化学系2012届材料化学专业毕业论文5影响，得出超临界二氧化碳萃取法提取青皮挥发油的最佳工艺，对工艺参数对于青皮挥发油提取的影响力有一个清楚的认识，从而为青皮挥发油的提取和应用领域的研究提供有利的实验依据，这不仅有利于青皮挥发油领域的科学研究和深化认识，也是青皮挥发油工业化、规模化生产的科学保证。2实验过程2.1实验材料及仪器2.1.1原料青皮生品，购自山东省德州市德城区大学路颐寿药店，产地广西省，经鉴定为药典收载品种。2.1.2试剂蒸馏水；CO2为食品级（纯度99.95%）。2.1.3仪器粉碎机（型号：YF30B），南京国明机械科技有限公司；电子天平（型号：AL204），梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；超临界流体萃取装置（型号：HA221-50-03（015）），南通市华安超临界萃取有限公司。2.2提取原理青皮的挥发油是一种与水不相溶的有机液体，是一种复杂的混合物，所含的化学成分较多可经超临界二氧化碳萃取法提取，其化学成分主要为橙皮苷、柚皮芸香苷、新橙皮苷、柚皮苷、川陈皮素和脱氧肾上腺素，（即辛福林）等黄酮类化合物。超临界萃取即超临界流体在超临界状态下的萃取过程。由于超临界流体的密度接近液体，而扩散系数和粘度则接近气体，因而不仅具有与液体溶剂相当的萃取能力，而且具有接近气体的优良传质效果。这些性质使得超临界流体具有液体相似的溶解度，具有与气体相似的传质性能。压力、温度等工艺条件的改变对超临界流体的密度变化较大。超临界萃取技术就是利用超临界流体的这种溶解度增强的性质，通过调节温度或和压力在高于临界温度和临界压力的条件下，从目标物中萃取有效成分。当改变温度或和压力时，溶解在超临界流体中的有效成分立即与气态的超临界流体分离，以达到提取德州学院化学系2012届材料化学专业毕业论文6目标成分的目的。2.3实验方法2.3.1实验步骤（1）精密称取粉碎至一定目数的青皮药粉10.00g，均匀地填置在装料筒中，将装料筒装入萃取釜内，密封、旋紧。（2）开启设备总电源以及制冷机开关，对贮罐进行冷却。打开温度控制开关，分别设定萃取釜、分离釜的温度。（4）当温度达到预定温度的±1℃时，打开CO2钢瓶送气，并开启高压泵，分别对萃取釜、分离釜进行加压。（5）待压力达到预定压力的±1MPa后，开始循环萃取。调解相应阀门，维持相关压力在设定值，使整个系统在设定的条件下稳定运行。（6）当设定参数均达到要求后，开始计时。（7）萃取一定时间后，用锥形瓶收集分离釜中的提取物，除去水分称其质量，计算得率，冷藏备用。（8）依次关闭各个电源和相应阀门，放空萃取釜中的CO2，卸料。青皮挥发油SFE-CO2萃取得率计算公式为：%1001mmy，式中y为挥发油得率，％；m为原料质量，g；m1为分离釜提取物质量，g。2.3.2提取工艺SFE-CO2萃取工艺流程为[12]：CO2钢瓶→冷冻系统→高压泵→萃取釜→分离釜→冷冻系统（循环）2.4超临界提取青皮挥发油的单因素试验影响SFE-CO2萃取的因素有：萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流量、分离压力、分离温度、物料粉碎度、夹带剂的类型等，其中萃取压力、萃取温度、及萃取时间、CO2流量为影响较大的因素，决定了萃取的可行性。保持其他参数不变，通过改变某一参数来测定其对生姜挥发油萃取的影响。2.4.1萃取压力的选择CO2的临界压力为7.38MPa，高于此压力才是超临界流体，而萃取适宜的压德州学院化学系2012届材料化学专业毕业论文7力在15MPa~35MP