響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超臨界CO2萃取人參揮發(fā)油的工藝

崔麗麗，逄世峰，李亞麗，鄭培和，趙 卉，王英平（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130112）

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超臨界CO2萃取人參揮發(fā)油的工藝

崔麗麗，逄世峰，李亞麗，鄭培和，趙 卉，王英平*
（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130112）

以生曬參為原料，響應(yīng)面分析法優(yōu)化超臨界CO2提取揮發(fā)油的工藝。采用自動(dòng)質(zhì)譜退卷積定性系統(tǒng)和保留指數(shù)方法對(duì)揮發(fā)油化學(xué)成分定性。結(jié)果表明：最佳工藝條件為萃取壓力38 MPa、萃取溫度55 ℃、靜態(tài)萃取時(shí)間2 h、動(dòng)態(tài)萃取時(shí)間1 h，此條件下?lián)]發(fā)油提取率達(dá)1.12%。氣相色譜-質(zhì)譜法結(jié)果顯示分離出35 個(gè)色譜峰，鑒定出29 種化學(xué)成分，相對(duì)含量占揮發(fā)性物質(zhì)的96.69%。

人參揮發(fā)油；超臨界；響應(yīng)面試驗(yàn)；自動(dòng)質(zhì)譜退卷積定性系統(tǒng)；保留指數(shù)

揮發(fā)油是中藥中一類(lèi)重要的活性物質(zhì)，具有抗腫瘤、抗病毒、殺蟲(chóng)、降壓、消炎、平喘、止咳等多種藥理作用[1]。人參揮發(fā)油含量較低，具有人參的特殊香味，主要成分為倍半萜烯，約占40%，其次為含氧化合物及長(zhǎng)鏈烷烴類(lèi)[2]。目前傳統(tǒng)的人參揮發(fā)油提取方法為水蒸氣蒸餾、超聲波提取、索氏提取[2]等，不僅提取率低，而且由于溫度高、受熱時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致有效成分的破壞或分解。如今超臨界萃取技術(shù)提取天然中草藥有效成分的研究廣泛引起人們的關(guān)注，主要集中在活性多糖、揮發(fā)油、皂苷、生物堿、黃酮類(lèi)、醌類(lèi)等多種物質(zhì)的提取研究[3]。超臨界CO2萃取應(yīng)用于中藥領(lǐng)域與傳統(tǒng)方法比較，具有萃取速率快、分離工藝簡(jiǎn)單、萃取溫度低、保護(hù)熱敏性物質(zhì)、萃取物無(wú)有機(jī)溶劑污染，且成分保留全等優(yōu)點(diǎn)[4-8]。傳統(tǒng)方法提取揮發(fā)油的收率較低，因此本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行人參揮發(fā)油的超臨界CO2萃取工藝研究，采用響應(yīng)面分析法對(duì)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，氣相色譜-質(zhì)譜（gaschromatography-mass spectrometry，GC-MS）測(cè)定人參揮發(fā)性成分[9-11]，利用軟件自帶自動(dòng)質(zhì)譜退卷積定性系統(tǒng)（automated mass spectral deconvolution and identification system，AMDIS）[12-16]，結(jié)合保留指數(shù)（retention index，RI）方法對(duì)揮發(fā)油化學(xué)成分定性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生曬參產(chǎn)地吉林省撫松縣，粉粹過(guò)200 目篩，粉碎后放置1 a。

正構(gòu)烷烴混合對(duì)照品（C9～C30） 美國(guó)Sigma公司；正己烷、無(wú)水硫酸鈉均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

超臨界CO2流體萃取儀 美國(guó)通用分離公司；7890A-5975C型GC-MS儀 美國(guó)安捷倫公司。

1.3 方法

1.3.1 揮發(fā)油提取的單因素試驗(yàn)

分別以萃取壓力（15、20、30、40 MPa）、萃取溫度（25、35、40、45、55 ℃）、靜態(tài)萃取時(shí)間（0.5、1、2、3 h）為單因素，固定動(dòng)態(tài)萃取1 h，考察各因素對(duì)人參揮發(fā)油提取率的影響。

1.3.2 超臨界CO2萃取工藝響應(yīng)面優(yōu)化

影響揮發(fā)油提取率的因素有萃取壓力、萃取溫度、CO2流量、萃取時(shí)間等[17]。應(yīng)用Design-Expert軟件，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，選擇影響揮發(fā)油提取率的主要因素萃取壓力、萃取溫度、靜態(tài)萃取時(shí)間作為自變量，以人參揮發(fā)油提取率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，因素與水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平Table 1 Factors and levels used in response surface design

1.3.3 揮發(fā)油成分分析

1.3.3.1 GC-MS條件

GC條件：HP-5MS石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；程序升溫條件：初始溫度40 ℃，保持5 min，以5 ℃/min升至200 ℃，再以10 ℃/min升至280 ℃，保持5 min；進(jìn)樣口溫度250 ℃，載氣為高純He（純度99.999 9%），柱流量1.0 mL/min，進(jìn)樣量1.0 μL，分流比20∶1。

MS條件：電子電離源，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，接口溫度250℃，溶劑延遲時(shí)間3 min，質(zhì)量掃描范圍m/z 30～550 u。

1.3.3.2 定性與定量

采用AMDIS進(jìn)行自動(dòng)質(zhì)譜退卷積處理，計(jì)算目標(biāo)成分的保留指數(shù)（retention index，RI）與已有參考文獻(xiàn)的保留指數(shù)（RI*）對(duì)比進(jìn)行定性鑒定；相對(duì)面積百分比定量。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

圖1 各因素對(duì)提取率影響的單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Effects of extraction conditions on the yield of ginseng volatile oil analyzed by single factors experiments

選擇萃取壓力40 MPa、萃取溫度40 ℃、靜態(tài)萃取1 h后動(dòng)態(tài)萃取1 h為初始條件，分別進(jìn)行超臨界萃取單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。萃取壓力為15、20、30、40 MPa時(shí)，提取率分別為0.44%、0.62%、0.74%、0.86%，壓力增大，流體密度增大，溶劑的溶解度隨之增大，提取率隨萃取壓力增加而升高；萃取溫度為25、35、40、45、55 ℃時(shí)，提取率分別為0.43%、0.64%、0.71%、0.85%、0.91%，升高溫度降低流體密度，增加了溶質(zhì)蒸汽壓，在臨界溫度以上的低溫區(qū)時(shí)，溫度升高溶質(zhì)蒸汽壓增加不多，萃取量少，而溫度進(jìn)一步升高時(shí)溶質(zhì)蒸汽壓增加快，揮發(fā)度高，提取率未減少反而有增大，萃取溫度升高，提取率增加；萃取時(shí)間為靜態(tài)0.5、1、2、3 h，動(dòng)態(tài)1 h時(shí)，提取率分別為0.23%、0.64%、0.87%、0.99%，靜態(tài)萃取時(shí)間越長(zhǎng)，提取率越高，物質(zhì)萃取充分。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 回歸方程建立

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Results of response surface experiments

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)方案，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，并采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行多元回歸擬合，得到生曬參揮發(fā)油提取率對(duì)萃取壓力、萃取溫度、靜態(tài)萃取時(shí)間的二次多項(xiàng)回歸方程為：Y=1.03－0.016A＋0.14B－0.034C－0.058AB＋0.086AC＋0.056BC－0.19A2－0.051B2－0.10C2。

該方程中各項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值的大小直接反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度，系數(shù)的正、負(fù)反映了影響的方向。由于該方程的二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值，可以推斷方程代表的拋物面開(kāi)口向下，因而具有極大值點(diǎn)，可以進(jìn)行優(yōu)化分析。由方程的一次項(xiàng)系數(shù)可以得出，影響生曬參揮發(fā)油提取率因素的主次順序?yàn)椋狠腿囟龋眷o態(tài)萃取時(shí)間＞萃取壓力。

2.2.2 回歸方程方差分析

由表3可知，方程的模型P＜0.05，是顯著的，說(shuō)明模型有意義；R2Adj=0.931 0，說(shuō)明該模型能解釋93.10%響應(yīng)值的變化；相關(guān)系數(shù)R2=0.975 4，說(shuō)明該模型擬合程度較好，試驗(yàn)誤差小，試驗(yàn)方法可靠，能夠很好地描述試驗(yàn)結(jié)果，使用該方程代替真實(shí)的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析可行。因此該模型可以用于對(duì)生曬參揮發(fā)油提取率進(jìn)行分析。由表3可知，一次項(xiàng)B對(duì)模型的影響極為顯著。交互項(xiàng)AB、AC影響顯著，二次項(xiàng)A2、C2影響極顯著。

表3 回歸模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)Table 3 Analysis of variance of regression model

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用Design-Expert 8.0.6軟件分析回歸模型，得出生曬參揮發(fā)油最佳提取工藝參數(shù)為靜態(tài)萃取時(shí)間2.02 h、萃取溫度55 ℃、萃取壓力38.05 MPa，在萃取壓力38 MPa、萃取溫度55 ℃、靜態(tài)萃取2 h、動(dòng)態(tài)萃取1 h的工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以原料質(zhì)量計(jì)算，所得揮發(fā)油提取率為1.12%。

2.3 揮發(fā)油成分分析

吉林省生曬參超臨界CO2提取的揮發(fā)油中共檢出35 種化學(xué)成分，鑒定出其中的29 種化學(xué)成分（表4），相對(duì)含量占96.69%，其中含烷烴、醛、醇、酮、脂肪酸及酯等脂肪族化合物，桉油烯醇、藍(lán)桉醇、愈創(chuàng)木烯等倍半萜類(lèi)物質(zhì)。棕櫚酸甲酯相對(duì)含量（39.86%）最高，人參揮發(fā)油特有的倍半萜類(lèi)物質(zhì)中桉油烯醇相對(duì)含量（2.67%）最高；本次實(shí)驗(yàn)提取出人參新萜醇、人參炔醇相對(duì)含量分別為0.365%和0.159%。

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)的提取方法揮發(fā)油提取率普遍較低，加熱回流法提取率在0.1%～0.3%[18-19]，水蒸氣蒸餾收率在0.3%～0.5%[20]，超聲法提取率為0.05%[21]，沙氏提取器收率為0.12%[22]，只有索氏提取器回流的收率稍高，為0.96%[23]。本實(shí)驗(yàn)采用超臨界CO2方法提取生曬參揮發(fā)油，通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化了提取工藝。應(yīng)用GC-MS結(jié)合AMDIS和RI鑒定其化學(xué)成分組成。結(jié)果表明，在萃取壓力38 MPa、萃取溫度55 ℃、靜態(tài)萃取2 h、動(dòng)態(tài)萃取1 h的工藝條件下，超臨界萃取法操作簡(jiǎn)便，提取率可達(dá)1.12%。從揮發(fā)油中分離出35 種化學(xué)成分，鑒定出其中的29 種，相對(duì)含量占揮發(fā)性物質(zhì)的96.69%。

表4 人參揮發(fā)油成分分析結(jié)果Table 4 Analytical results of main components of volatile oil from ginseng roots

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Optimization of Supercritical-CO2Fluid Extraction of Essential oil from Panax ginseng Roots by Response Surface Methodology

CUI Lili, PANG Shifeng, LI Yali, ZHENG Peihe, ZHAO Hui, WANG Yingping*
(Institute of Special Wild Economic Animal and Plant Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130112, China)

The supercritical-CO2fluid extraction conditions of volatile oil from dried raw ginseng were optimized by response surface methodology. Chemic al constituents of the essential oil were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) combined with automated mass spectral deconvolution and identification system (AMDIS) based on retention index. The optimal extraction conditions were determined as follows: extraction pressure, 38 MPa; extraction temperature, 55 ℃; static extraction time, 2 h and dynamic extraction, 1 h, under which, the maximum oil yield of 1.12% was obtained. A total of 35 chromatographic peaks were separated from the essential oil of ginseng roots, 29 of which were identified, accounting for 96.69% of the total peak area.

ginseng essential oil; supercritical fluid extraction; response surface methodology; automated mass spectral deconvolution and identification system (AMDIS); retention index

10.7506/spkx1002-6630-201604010

TS224.3

A

1002-6630（2016）04-0058-04

崔麗麗, 逄世峰, 李亞麗, 等. 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超臨界CO2萃取人參揮發(fā)油的工藝[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(4): 58-61.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201604010. http://www.spkx.net.cn

CUI Lili, PANG Shifeng, LI Yali, et al. Optimization of supercritical-CO2fluid extraction for essential oil from Panax ginseng roots by response surface methodology[J]. Food Science, 2016, 37(4): 58-61. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201604010. http://www.spkx.net.cn

2015-05-25

吉林市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201452005）；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（CAAS-ASTIP-2014-ISAPS）

崔麗麗（1984—），女，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)橹兴幉牟『Ψ乐渭百|(zhì)量評(píng)價(jià)。E-mail：cbscui@126.com

*通信作者：王英平（1967—），男，研究員，博士，研究方向?yàn)樗幱弥参镔Y源與評(píng)價(jià)。E-mail：jingpingw@126.com