CO2流体超临界精制天然冰片的研究

崔 琳, 陈茜文*, 何洪城

(1.中南林业科技大学材料科学与工程学院, 湖南 长沙 410004； 2.湖南省林业科学院, 湖南 长沙 410004)

CO2流体超临界精制天然冰片的研究

崔 琳1, 陈茜文1*, 何洪城2

(1.中南林业科技大学材料科学与工程学院, 湖南 长沙 410004； 2.湖南省林业科学院, 湖南 长沙 410004)

以天然冰片结晶母液中的冰片残片为原料，采用CO2流体超临界法精制天然冰片。结果表明：在萃取压力11MPa、温度40℃、CO2流量25L/h、萃取时间20min的工艺条件下，天然冰片的纯度和得率都较佳。经气相色谱检测结晶产品的纯度可达96.66%。

天然冰片； 超临界CO2； 精制工艺

天然冰片(d-Borneol),又称右旋龙脑、梅片，俗名莰醇。分子式为C10H18O， 白色半透明晶体, 呈强烈松树香、樟脑气息和薄荷脑气味,能升华[1]。熔点208℃(消旋体)，沸点212℃，闪点65.6℃。不溶于水，溶于乙醇、乙醚和氯仿。冰片广泛用于配制迷迭香、熏衣草型香精，并用于中药和中国墨中。据《中药大辞典》记载，该品通诸窍、散郁火、去翳明目、消肿止痛，还有开窍醒神、消热解毒、消炎止痛、化腐生肌、祛风化痰、抗癌治癌等药用功能[2-3]。

天然冰片存于樟树(Cinnamomumcamphora)5个化学类型的鲜叶挥发油中[1]，鲜树叶中挥发油含量为1.2%～1.9%[4]。利用水蒸汽蒸馏法可得到龙脑与樟脑的混合物结晶产品，结晶产品中龙脑的含量在84%左右，樟脑含量为14%，其余为挥发油；采用粗提工艺的天然冰片不能达到《中国药典》2010版规定要求[5-6]，需要通过精制来提高天然冰片纯度。罗忠生等[7]采用升华法提纯，但因天然冰片与樟脑分子量比较接近，升华温度相差不大，采用升华法提纯效果不理想；而且升华温度较高(200℃左右)，如有操作不当，容易引起烧焦，从而影响了该产业的发展。现在普遍采用的是溶剂结晶法提纯天然冰片[8-9]，效果理想，天然冰片纯度可达96%以上，符合药典的规定，但是得率在65%以下，母液中存有35%左右的冰片残片无法分离。何洪城等[8-10]采用循环溶剂重结晶方法使其纯度达到95%以上，得率也有所提高。超临界CO2萃取技术是一种新型的萃取分离技术，具有步骤简单、选择分离效果好、产物无溶剂残留、有利于热敏性物质的萃取等优点，广泛用于食品工业、医药工业、香料工业的萃取[11-14]，也作为催化剂用于反应[15]。为了将母液中的冰片残片进一步回收利用，本研究采用超临界CO2萃取技术分离冰片残片中的樟脑和龙脑，为天然冰片分离纯化和超临界的应用提供一条新的途径。

1 材料与方法

1.1 仪器和药品

Clarus 500气相色谱仪(Pekin Elmer)；HA121 — 50 — 01型超临界萃取装置(江苏南通华安超临界实业有限公司)；PB403 — N电子天平 (Mettler-Toledo Group)。

无水乙醇(天津市大茂化学试剂厂)；二氧化碳气体(纯度99.9%)；溶剂结晶母液中回收的冰片残片(其中龙脑65.17%、樟脑34.83%，湖南新晃龙脑厂提供)。

1.2 试验方法

1.2.1 超临界CO2精制方法 称取32g冰片残片，装入萃取釜中，调节所选定的温度、压力和CO2的流量，保持恒温恒压进行萃取分离，达到时间后，从萃取釜取出龙脑和分离Ⅰ釜得到樟脑，分别保存，计算得率；用气相色谱仪检测龙脑的纯度。

1.2.2 天然冰片结晶纯度检测 气相色谱分析条件：DB — 5色谱柱(30m×250μm×0.25mm)；程序升温，80℃恒温2min，以3℃/min 升至280℃；FDI检测室，温度为300℃；进样口温度250℃；进样量1.0μL。采用面积归一化法进行定量分析，计算纯度与得率。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 压力的选择 在萃取温度35℃、时间20min、CO2流量10L/h工艺条件下，考察萃取的压力对天然冰片分离的影响，结果见图1。 由图1可知，当压力从5MPa增加到11MPa时，分离的天然冰片的纯度迅速上升，从85.33%增至93.24%，但当压强由11MPa增加到21MPa时，天然冰片纯度没有明显升高，增加幅度很小。原因在于随着压力增加，CO2流体密度增加，可压缩性较小[12]，对樟脑的溶解能力增加，而达到一定的压力后，CO2密度达到一定值，对龙脑的溶解性也增加，这时天然冰片纯度的增加平缓，而得率下降，再增加压力已经没有多大意义了。因此萃取釜压力宜选择11MPa。

图1 压力对天然冰片纯度和得率的影响Fig.1 Influence of pressure on purity and yield of natural borneol

2.1.2 温度的选择 萃取温度是影响超临界萃取效果的另一个重要的参数。实验取萃取压力为11MPa，时间20min，CO2流量10L/h，萃取温度设定在30～55℃范围内，考察萃取釜温度对天然冰片分离的影响。温度的升高对溶质的溶解有正负两方面的影响，一方面，随着温度升高，加快溶质分子的热运动，从而增加了被分离组分的挥发性和扩散速度，有利于冰片残片向超临界CO2流体扩散，增加溶解度，使得天然冰片的纯度增加。另一方面，温度升高，却降低了CO2密度，使溶解度降低，因此升温有可能造成天然冰片纯度的增加或减少。如图2所示，温度范围在30～40℃以下，天然冰片的纯度呈上升趋势；当萃取温度达到40～50℃时，天然冰片纯度略有起伏；温度继续增加， 受CO2密度降低的影响，溶解度下降，表现为天然冰片纯度大下降。因此，萃取温度宜取40℃。

图2 温度对天然冰片纯度和得率的影响Fig.2 Influence of temperature on purity and yield of natural borneol

2.1.3 萃取时间的选择 萃取压力11MPa，萃取釜温度40℃，CO2流量10L/h，反应时间在5～30min范围内，考察反应时间对天然冰片的分离的影响。由图3可知，随着反应时间的延长，天然冰片的纯度逐渐增加，但增加幅度逐渐变缓。在20min以内，随着反应时间延长，天然冰片纯度增加显著；20min时，天然冰片的纯度为95.35%，得率62.39%；25min以后，天然冰片纯度基本没有增加，而得率迅速下降。因此，可以考虑20min为萃取时间。

图3 时间对天然冰片纯度和得率的影响Fig.3 Influence of time on purity and yield of natural borneol

2.1.4 CO2流量的选择 萃取压力11MPa，温度40℃，萃取时间为20min，CO2流量设定在10～35L/h范围内，考察CO2流量对天然冰片分离的影响。从图4可以看出，随着CO2流量的增加，天然冰片的纯度略有起伏，当CO2流量达到25L/h时，天然冰片纯度几乎达到最大值。因此，CO2流量宜为25L/h。

图4 CO2流量对天然冰片纯度和得率的影响Fig.4 Influence of CO2 flow rate on purity and yield of natural borneol

2.2 优化工艺验证实验

为了进一步检验超临界CO2精制天然冰片的优化工艺条件，按1.2.1方法，在萃取釜压力11MPa，温度40℃，CO2流量25L/h，时间20min的条件下进行了三次平行实验，三次的结果：得率分别为61.23%、60.91%、62.26%，平均61.47%；纯度分别为96.32%、96.53%、97.14%，平均96.66 %。

2.3 产品检测

按照1.2.2方法检测，结果见图5、图6。 图5为原料冰片残片GC色谱图，图6为超临界CO2法精制天然冰片产物GC色谱图。从图5可见冰片残片纯度为65.17%，图6可见产物的纯度达到97.14% 。

图5 原料冰片残片GC色谱图Fig.5 Chromatogram of gas in raw material of borneol fragments

图6 超临界CO2法精制天然冰片产物GC色谱图Fig.6 Chromatogram of gas in products of natural borneol by supercritical carbon dioxide purification

3 结论与讨论

(1) 采用超临界 CO2分离精制天然冰片，较适宜的工艺参数为：压力11MPa，温度40℃，CO2流量25L/h，时间20min。在此工艺条件下，天然冰片的纯度、得率分别达到96.66%、61.47%。

(2) 超临界CO2分离天然冰片的优势：操作简单，效率高，安全性高，无有机溶剂残留，无化学变化，得率高，可回收樟脑副产物，也可用于天然冰片粗产品的纯化。

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(文字编校：张 珉)

ResearchofsupercriticalCO2fluidrefinednaturalborneol

CUI Lin1, CHEN Qianwen1*, HE Hongcheng2

(1.College of Materials Science and Engineering，Central South University of Forestry&Technology，Changsha 410004, China;2.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

With borneol fragments in the crystallized mother liquor of natural borneol as the raw materials, supercritical carbon dioxide method was adopted for refining to get high purity borneol. The result showed that the yield and purity were excellent with extraction pressure of 11 MPa, extracting temperature of 40 ℃, carbon dioxide flow rate of 25 L/h and extraction time of 20 minutes. After detected by gas chromatography, the purity of the crystallization products could reach 96.66%.

natural borneol; supercritical carbon dioxide; purification process

2014-10-24

湖南省科学技术厅科技计划重点项目(2014WK2027)。

崔 琳(1991-)，女，吉林省吉林市人，在读研究生，主要从事天然产物化学与利用研究。

* 为通讯作者。

R 283

A

1003 — 5710(2015)01 — 0040 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 01. 010