超临界CO2提取葛缕子精油及其成分分析

庞 敏 崔秀明

(1. 上海杉达学院，上海 200120；2. 华宝香精股份有限公司，上海 201800)

葛缕子(CarumcarviL.)又称藏茴香，具有特色香味，其籽中精油含量为3%～6%[1]，具有抑菌[2-3]、抗氧化[4-5]、抗肿瘤[6]、助消化[7]等作用，可作为天然防腐剂和抗氧化剂。目前，有关葛缕子精油的提取方法主要有传统的水蒸气蒸馏提取[8]、超声波辅助—盐析—蒸馏法[9-11]、微波辅助蒸馏提取[12]，这类方法效率偏低，长时间的高温操作会导致热敏性成分分解和损失，此外也有学者[13]采用索式提取等以溶剂浸提为基础的提取方法，这类方法得到的精油成分较复杂、得率较低、有溶剂残留。由于天然产物的独特性质以及人类对环境健康的要求日益严格，超临界CO2提取技术逐渐受到重视，CO2不易燃，无毒无味，且无残留，近年来被应用于山茶油[14]、牡丹籽油[15]、蚕蛹油脂[16]、苹果多酚[17]的提取中。文章拟对超临界CO2提取葛缕子精油的工艺进行优化，通过气相色谱—质谱(GC-MS)对葛缕子精油成分进行分析，并与同时蒸馏萃取法对比，为葛缕子的深度开发和精准加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

葛缕子籽粒：产地西藏；

无水乙醚：分析纯，国药集团上海有限公司；

正己烷：色谱纯，国药集团上海有限公司；

CO2气体：纯度99.9%，上海娄氧气体灌装有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

离心机：SL-16型，赛默飞世尔科技(中国)有限公司；

超临界提取系统：SFE500型，美国Thar科技公司；

气相色谱质谱联用仪：7890A-5975C型，美国安捷伦公司。

1.2 试验方法

1.2.1 超临界CO2法提取葛缕子精油工艺流程

葛缕子籽粒→45 ℃干燥5 h→粉碎过40目筛→超临界CO2提取→解压放料→4 000 r/min离心15 min→精油

1.2.2 超临界提取单因素试验

(1) 提取压力：固定提取釜温度50 ℃，分离釜温度40 ℃，分离釜压力0.4 MPa，二氧化碳流速15 g/min，提取时间60 min，考察提取压力(17，20，25，30，35 MPa)对葛缕子精油得率的影响。

(2) 提取温度：固定分离釜压力0.4 MPa，提取压力30 MPa， 二氧化碳流速15 g/min，提取时间60 min，分离釜温度40 ℃，考察提取温度(40，45，50，55，60 ℃)对葛缕子精油得率的影响。

(3) CO2流速：固定提取时间60 min，提取压力30 MPa，分离釜压力0.4 MPa，提取温度50 ℃，分离釜温度40 ℃，考察CO2流速(10，15，20，25，30 g/min)对葛缕子精油得率的影响。

(4) 提取时间：固定提取压力30 MPa，提取温度50 ℃，分离釜温度40 ℃，分离釜压力0.4 MPa，CO2流速15 g/min，考察提取时间(30，60，90，120 min)对葛缕子精油得率的影响。

1.2.3 正交试验 在单因素试验基础上，选择提取釜温度、提取釜压力、CO2流速、提取时间4个因素进行正交试验，以精油得率为评价指标，确定提取工艺。

1.2.4 同时蒸馏萃取法提取葛缕子精油 按1.2.1粉粹过筛，取30 g样品置于同时蒸馏萃取仪一端的蒸馏烧瓶中，按料液比(m葛缕子∶V蒸馏水)1∶10 (g/mL)加蒸馏水，加热至沸腾；按料液比(m葛缕子∶V乙醚)1∶4 (g/mL)加入无水乙醚，置于同时蒸馏萃取仪的另一端，60 ℃水浴加热，萃取210 min，将萃取液用无水硫酸钠干燥后旋转蒸发浓缩，得葛缕子精油。

1.2.5 葛缕子精油GC-MS分析

(1) 葛缕子精油前处理：参照文献[18]。

(2) GC-MS分析色谱柱条件：DB-5MS (60 m×0.25 mm×0.25 μm)；进样口温度250 ℃，载气为高纯氦气，流速为1.0 mL/min，进样量1 μL。质谱条件：EI离子源，电子能量70 eV，质量扫描范围33～450 amu，四极杆温度150 ℃，离子源温度230 ℃。

1.3 葛缕子精油得率计算

按式(1)计算葛缕子精油得率。

(1)

式中：

w——葛缕子精油得率，%；

w1——葛缕子精油质量，g；

w2——葛缕子原料质量，g。

1.4 数据处理

数据均为3次重复试验的平均值，并采用Excel 2019软件进行数据处理和绘图；GC-MS分析采用NIST2005谱库进行检索，采用峰面积归一化法计算各组分的质量分数。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 提取压力对葛缕子精油得率的影响 由图1可知，精油得率随提取压力的增大呈升高趋势，提取压力升高，二氧化碳密度逐渐增大，对物质的溶解能力增强，故精油得率逐渐增大。当提取压力为35 MPa时，精油得率与30 MPa的无显著增加，且考虑到设备要求及生产成本，故选择提取压力为30 MPa。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.1.2 提取温度对葛缕子精油得率的影响 由图2可知，提取温度升高，精油得率先升高后降低，由于提取温度对二氧化碳溶解目标物质的影响较为复杂，提取温度升高，精油在超临界流体中的溶解度增大，另一方面，等压条件下，提取温度升高，二氧化碳密度降低，溶解能力降低，这两种相反的影响导致一定压力下，精油溶解度与提取温度间的关系曲线会出现一个极值点[19]，为满足得到较高的精油得率，故选择提取温度为50 ℃。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.1.3 CO2流速对葛缕子精油得率的影响 由图3可知，随着CO2流速的增加，精油得率先升高后逐渐平稳，由于CO2流速的大小正比于液料比，流速较小时，CO2流体中已溶出的精油浓度与颗粒内的浓度相差不大，故颗粒内的目标物质难以溶出，所以CO2流速增大，意味着液料比增加，精油得率会逐渐增加，当CO2流速>15 g/min时，继续增大CO2流速并未明显提高精油得率，考虑到工艺成本，选择CO2流速为15 g/min。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.1.4 提取时间对葛缕子精油得率的影响 由图4可知，随着提取时间的延长，精油得率先升高后逐渐稳定，这是因为提取时间短，二氧化碳与葛缕子颗粒不能深度接触，难以渗入颗粒内部，90 min后，精油大部分已被提取出来，提取时间延长至120 min时，精油得率与90 min时无显著提高，故选择提取时间为90 min。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.2 正交试验

在单因素试验基础上选择提取温度、提取压力、CO2流速和提取时间4个因素进行正交试验，正交试验因素水平见表1，试验结果及分析见表2。

表1 正交试验因素水平表

由表2可知，各因素对葛缕子精油得率影响的主次顺序为提取压力>提取温度>CO2流速>提取时间。综合各因素作用，得到超临界CO2提取葛缕子精油的最适工艺条件为提取釜温度50 ℃，提取釜压力30 MPa，二氧化碳流速20 g/min，提取时间90 min。

表2 超临界CO2提取正交试验结果

根据最适提取工艺进行3次平行实验，计算得到精油的平均得率为4.79%，均高于单因素组和正交试验组的精油得率，故可确定该组合为最适提取工艺条件。

2.3 与同时蒸馏萃取比较

由表3可知，超临界CO2提取葛缕子精油的得率高于同时蒸馏萃取的，并且提取时间缩短，这是因为超临界技术通过提高压力和温度，使CO2达到超临界流体状态，快速扩散并能充分溶解分子中的精油成分，从而提高精油得率。

表3 不同提取方法的比较

2.4 葛缕子精油成分GC-MS分析

由表4可知，超临界CO2法制备的精油中挥发性成分种类更多，质量分数>0.01%的有22种，同时蒸馏萃取法的为14种。两种方法制备的葛缕子精油中主要成分均为D-柠檬烯和香芹酮，超临界CO2法中二者占精油成分总质量的97.61%，同时蒸馏萃取中二者占精油成分总质量的92.12%。与超临界CO2法相比，同时蒸馏萃取法制备的精油中有12种挥发性成分含量均存在不同程度的下降，可能是由于制备过程中存在的热处理导致了挥发性成分的分解与损失，由此推断，超临界CO2法比同时蒸馏萃取法更适合葛缕子精油的提取。

表4 葛缕子精油成分GC-MS分析

葛缕子精油中的D-柠檬烯具有新鲜橙子香气及柠檬样香气，可作为修饰剂用于食用香精配方[20]，此外还具有抑菌[21]、抗肿瘤[22]作用，也是合成萜醇类物质的基础原料。香芹酮具有清凉和特有的芳香甜味，有抑菌作用，也可抑制马铃薯发芽[23]；α-蒎烯和β-蒎烯为同分异构体，二者均存在于多种天然精油中，α-蒎烯具有松木和松节油香气[24]，感官阈值很低，香气明显，微量可用于调配薰衣草、香叶等日用香精和肉豆蔻、柑橘等食用香精，也可用于合成松油醇、香叶醇、芳樟醇等一些檀香型香料；β-蒎烯与α-蒎烯类似，也具有松木和树脂样香气。β-水芹烯具有柑橘和胡椒香气[25]，可用于调配柑橘、辛香等香型的食用香精，β-罗勒烯具有花香、药草香和甜香[26]，柠檬醛具有浓郁的柠檬香气，这些不同成分的协同作用使葛缕子精油具有清甜香型和良好的抗菌活性，可用于医药、农药[27-28]、食品添加剂和精细化工领域，具有较好前景。

3 结论

以葛缕子籽粒为原料，采用正交试验设计对超临界CO2提取葛缕子精油的工艺条件进行了优化。结果表明，超临界CO2提取葛缕子精油的最佳工艺条件为提取釜温度50 ℃，分离釜温度40 ℃，提取釜压力30 MPa，分离釜压力0.4 MPa，二氧化碳流速20 g/min，提取时间90 min，此条件下精油得率为4.79%，与同时蒸馏萃取法相比，其精油得率提高，说明此方法能使CO2达到超临界流体状态，快速扩散到样品颗粒中并充分溶解精油成分，具有提取时间短、无溶剂残留的优点，可避免长时间高温条件下导致的活性物质分解，是一种较为理想的制取葛缕子精油的方法。

经GC-MS分析发现，与同时蒸馏萃取法相比，超临界CO2法制备的葛缕子精油中所含挥发性成分含量高，种类丰富，主要成分为烯烃类和酮类化合物，其中质量分数最高的是D-柠檬烯(50.96%)，其次为香芹酮(46.65%)。不同成分的协同作用使葛缕子精油具有特色清甜香味和抑菌活性，在此基础上可将葛缕子精油进一步分离提纯，将各组分按其功效用途应用到风味食品、日化加工、医药和农药等产品中，以扩展葛缕子精油精准加工的途径和范围。