崔麗麗，逄世峰，李亞麗，鄭培和，趙 卉，王英平（中國農業(yè)科學院特產研究所，吉林 長春 130112）

響應面試驗優(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*
（中國農業(yè)科學院特產研究所，吉林 長春 130112）

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

人參揮發(fā)油；超臨界；響應面試驗；自動質譜退卷積定性系統(tǒng)；保留指數(shù)

揮發(fā)油是中藥中一類重要的活性物質，具有抗腫瘤、抗病毒、殺蟲、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鏈烷烴類[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、受熱時間長，會導致有效成分的破壞或分解。如今超臨界萃取技術提取天然中草藥有效成分的研究廣泛引起人們的關注，主要集中在活性多糖、揮發(fā)油、皂苷、生物堿、黃酮類、醌類等多種物質的提取研究[3]。超臨界CO2萃取應用于中藥領域與傳統(tǒng)方法比較，具有萃取速率快、分離工藝簡單、萃取溫度低、保護熱敏性物質、萃取物無有機溶劑污染，且成分保留全等優(yōu)點[4-8]。傳統(tǒng)方法提取揮發(fā)油的收率較低，因此本實驗進行人參揮發(fā)油的超臨界CO2萃取工藝研究，采用響應面分析法對工藝條件進行優(yōu)化，氣相色譜-質譜（gaschromatography-mass spectrometry，GC-MS）測定人參揮發(fā)性成分[9-11]，利用軟件自帶自動質譜退卷積定性系統(tǒng)（automated mass spectral deconvolution and identification system，AMDIS）[12-16]，結合保留指數(shù)（retention index，RI）方法對揮發(fā)油化學成分定性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生曬參產地吉林省撫松縣，粉粹過200 目篩，粉碎后放置1 a。

正構烷烴混合對照品（C9～C30） 美國Sigma公司；正己烷、無水硫酸鈉均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

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

1.3 方法

1.3.1 揮發(fā)油提取的單因素試驗

分別以萃取壓力（15、20、30、40 MPa）、萃取溫度（25、35、40、45、55 ℃）、靜態(tài)萃取時間（0.5、1、2、3 h）為單因素，固定動態(tài)萃取1 h，考察各因素對人參揮發(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、萃取時間等[17]。應用Design-Expert軟件，根據(jù)Box-Behnken設計原理，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)萃取時間作為自變量，以人參揮發(fā)油提取率為響應值設計響應面試驗，因素與水平見表1。

表1 響應面分析因素與水平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；進樣口溫度250 ℃，載氣為高純He（純度99.999 9%），柱流量1.0 mL/min，進樣量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℃，溶劑延遲時間3 min，質量掃描范圍m/z 30～550 u。

1.3.3.2 定性與定量

采用AMDIS進行自動質譜退卷積處理，計算目標成分的保留指數(shù)（retention index，RI）與已有參考文獻的保留指數(shù)（RI*）對比進行定性鑒定；相對面積百分比定量。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

圖1 各因素對提取率影響的單因素試驗結果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后動態(tài)萃取1 h為初始條件，分別進行超臨界萃取單因素試驗，結果如圖1所示。萃取壓力為15、20、30、40 MPa時，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，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，增加了溶質蒸汽壓，在臨界溫度以上的低溫區(qū)時，溫度升高溶質蒸汽壓增加不多，萃取量少，而溫度進一步升高時溶質蒸汽壓增加快，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；萃取時間為靜態(tài)0.5、1、2、3 h，動態(tài)1 h時，提取率分別為0.23%、0.64%、0.87%、0.99%，靜態(tài)萃取時間越長，提取率越高，物質萃取充分。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 回歸方程建立

表2 響應面試驗設計方案及結果Table 2 Results of response surface experiments

根據(jù)單因素試驗結果，采用Box-Behnken設計方案，所得試驗數(shù)據(jù)如表2所示，并采用Design-Expert 8.0.6軟件進行多元回歸擬合，得到生曬參揮發(fā)油提取率對萃取壓力、萃取溫度、靜態(tài)萃取時間的二次多項回歸方程為：Y=1.03－0.016A＋0.14B－0.034C－0.058AB＋0.086AC＋0.056BC－0.19A2－0.051B2－0.10C2。

該方程中各項系數(shù)絕對值的大小直接反映各因素對響應值的影響程度，系數(shù)的正、負反映了影響的方向。由于該方程的二次項系數(shù)均為負值，可以推斷方程代表的拋物面開口向下，因而具有極大值點，可以進行優(yōu)化分析。由方程的一次項系數(shù)可以得出，影響生曬參揮發(fā)油提取率因素的主次順序為：萃取溫度＞靜態(tài)萃取時間＞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，說明模型有意義；R2Adj=0.931 0，說明該模型能解釋93.10%響應值的變化；相關系數(shù)R2=0.975 4，說明該模型擬合程度較好，試驗誤差小，試驗方法可靠，能夠很好地描述試驗結果，使用該方程代替真實的試驗點進行分析可行。因此該模型可以用于對生曬參揮發(fā)油提取率進行分析。由表3可知，一次項B對模型的影響極為顯著。交互項AB、AC影響顯著，二次項A2、C2影響極顯著。

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

2.2.3 驗證實驗結果

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、動態(tài)萃取1 h的工藝條件下進行驗證實驗，以原料質量計算，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 種化學成分，鑒定出其中的29 種化學成分（表4），相對含量占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、藍桉醇、愈創(chuàng)木烯等倍半萜類物質。棕櫚酸甲酯相對含量（39.86%）最高，人參揮發(fā)油特有的倍半萜類物質中桉油烯醇相對含量（2.67%）最高；本次實驗提取出人參新萜醇、人參炔醇相對含量分別為0.365%和0.159%。

3 結 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]。本實驗采用超臨界CO2方法提取生曬參揮發(fā)油，通過響應面法優(yōu)化了提取工藝。應用GC-MS結合AMDIS和RI鑒定其化學成分組成。結果表明，在萃取壓力38 MPa、萃取溫度55 ℃、靜態(tài)萃取2 h、動態(tài)萃取1 h的工藝條件下，超臨界萃取法操作簡便，提取率可達1.12%。從揮發(fā)油中分離出35 種化學成分，鑒定出其中的29 種，相對含量占揮發(fā)性物質的96.69%。

表4 人參揮發(fā)油成分分析結果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. 響應面試驗優(yōu)化超臨界CO2萃取人參揮發(fā)油的工藝[J]. 食品科學, 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

吉林市科技計劃項目（201452005）；中國農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程項目（CAAS-ASTIP-2014-ISAPS）

崔麗麗（1984—），女，助理研究員，碩士，研究方向為中藥材病害防治及質量評價。E-mail：cbscui@126.com

*通信作者：王英平（1967—），男，研究員，博士，研究方向為藥用植物資源與評價。E-mail：jingpingw@126.com