鸢尾超临界二氧化碳萃取工艺条件及成分的研究

＊杨宏伟

（1.北京联合大学生物化学工程学院 北京 100023 2.生物质废弃物资源化利用北京市重点实验室 北京 100023）

鸢尾属（Iris）是鸢尾科（Iridaceae）中最大的一个属，有超过300个种。鸢尾属植物作为传统民间药物历史悠久[1]，用于治疗多种疾病，如骨质疏松[2]、癌症、炎症、等。鸢尾属植物的药用价值在埃及、印度、土耳其等地有大量记载[3-4]。文献中对鸢尾植物的研究大多局限于传统有机溶剂回流法，有机溶剂难以回收利用，会带来资源浪费及环境污染问题。超临界CO2萃取技术具有工艺简单、绿色环保等优点，能够有效地提高鸢尾生物活性物质的提取率，因此本实验对鸢尾的进一步研究提供了科学依据[5]。

1.材料与方法

(1)材料与试剂

鸢尾北京密云山区采集；二氧化碳（CO2含量为99.9%，食品级）长春氧气厂；乙醇（色谱纯）山东禹王实业有限公司化工分公司。

(2)仪器与设备

HA120-50-01超临界萃取装置（江苏南通华安超临界萃取公司）；TV-1901双光束紫外-可见分光光度计（北京瑞利分析仪器公司）；梅特勒AX105变量程电子精密天平（瑞士梅特勒仪器有限公司）；R6002型高速粉碎机（中国台湾欣镇企业公司）。

(3)方法

超临界CO2萃取鸢尾的单因素考察：称取100g鸢尾于40℃烘干，粉碎、过60目孔径筛的干燥鸢尾粉投入萃取罐中，同时加入100mL夹带剂，进行一定时间的静态萃取，室温条件下浸泡10～12h。参考张乐[6]、Liu Chunming[7]等文献的方法，选择70%乙醇溶液为夹带剂，考虑到设备的承受能力，将萃取压力固定为30MPa。分离釜Ⅰ温度78℃、压力6.2MPa，分离釜Ⅱ温度70℃、压力6.2MPa。分别对萃取温度、萃取时间、CO2流量及夹带剂用量进行考察。然后打开气体出口阀门，开始动态萃取，收集油脂产物，计算萃取率。

萃取率%=萃取所得油质量/装料量×100%

2.单因素实验设计

(1)超临界CO2萃取鸢尾单因素考察实验

①考察萃取温度对鸢尾主要成分萃取效果的影响

其他条件不变，改变萃取温度会影响超临界萃取的效果，其具体工艺如下，详见表1。

表1 萃取温度对鸢尾萃取率的影响

②考察萃取时间对鸢尾萃取效果的影响

对天然药用植物来说，其他条件不变，萃取时间的延长，会使萃取率逐步增加，其具体工艺如下，详见表2。

表2 萃取时间对鸢尾萃取率的影响

③考察CO2流量对鸢尾挥发成分萃取效果的影响

在实际生产中CO2流量是需要重视的一个参数，它关系到生产过程中的生产成本、萃取时间、萃取率等，其具体工艺参数见表3。

表3 CO2流量对鸢尾萃取率的影响

④考察乙醇夹带剂用量对鸢尾萃取效果的影响

在CO2超临界萃取时，对鸢尾进行萃取，如果加入适量的夹带剂，这样提高了超临界流体的溶解性，从而把极性较大或大分子物质萃取出来，进而提高了萃取效果，其具体工艺详见表4。

表4 乙醇夹带剂用量对萃取率的影响

⑤鸢尾CO2超临界萃取正交试验

为全面考察超临界CO2萃取中各因素的影响，根据单因素实验结果设计了正交试验。称取鸢尾原料100g，固定萃取压力30MPa，夹带剂为70%乙醇溶液。以萃取温度、萃取时间、CO2流量和夹带剂用量为考察因素，采用L9（34）正交表进行正交试验设计，因素和水平详见表5。

表5 因素和水平

3.结果与分析

(1)温度对鸢尾超临界萃取效果的影响结果

温度对鸢尾超临界萃取效果见图1。

分析图1，鸢尾萃取率在50℃以下有显著增加，在50℃以上缓慢下降；这是因为升高温度能提高分子的相对运动降低流体的粘度，从而使物质的溶解性增大了，有利于萃取。

图1 温度对鸢尾超临界CO2萃取效果的影响

(2)时间对鸢尾超临界萃取效果的影响结果

时间对鸢尾超临界萃取效果见图2。

图2 萃取时间对超临界CO2萃取效果的影响

由图2可知，随着萃取时间的延长，鸢尾有效成分的萃取率逐渐增大。萃取时间越长萃取率越高，但它当达到一定的萃取时间后，萃取率增加缓慢，3.5h后反而稍有下降了。因此选择萃取时间为3.5h较好，由此可知并不是萃取时间越长越好。

(3)CO2流量对鸢尾超临界萃取效果的影响结果

CO2流量对鸢尾超临界萃取效果的影响见图3。

图3 CO2流量对鸢尾超临界CO2萃取效果的影响

由图3可知，随着CO2流量增加萃取率成陡坡时增加，当流量增大到25-35L/h时萃取率几乎不再增加，达到最大。

(4)乙醇夹带剂用量对超临界萃取效果的影响结果

乙醇夹带剂用量对鸢尾超临界萃取效果见图4。

图4 乙醇夹带剂用量对鸢尾超临界萃取效果的影响

由图4可知，随着夹带剂加入量的增加，萃取率明显的提高，加入一些溶解度参数高于CO2的极性溶剂作为夹带剂，可以提高混合流的极性。极性溶质与夹带剂可能在氢键力、缔合力等的作用下，增强了对溶质的选择性和溶解度。加入适量的夹带剂可以有效提高鸢尾萃取率。

4.正交试验结果

影响顺序：A＞D＞B＞C；由此可得出最佳萃取工艺为A2、B3、C1、D2。

根据表6中R值可以看出，各因素对鸢尾超临界CO2萃取提取率的影响程度依次为A＞D＞B＞C，即萃取温度的影响最大，其次为夹带剂用量的影响，再次为萃取时间，而CO2流量的影响最小。由正交试验结果可知，鸢尾有效成分超临界CO2萃取较优工艺是：在萃取压力30MPa下，70%乙醇为夹带剂，萃取温度50℃，萃取时间4h，CO2流量15-25L/h，乙醇夹带剂体积300ml。

表6 正交试验分析表

(1)GC-MS检测分析

①色谱条件：VF-5 MS石英弹性毛细管柱（30.0m×2.50mm×0.25μm），载气：高纯氦气（99.999%），体积流量：1.0ml/min；进样口温度：250℃；温度梯度：60℃（保持3min），以10℃/min升温至290℃（保持7min），进样量：1μL。②质谱条件：电离源为EI，电离能量70eV；EI源温度为200℃；传输线温度为250℃；四级杆温度为150℃。质量扫描范围为30～550u，分流进样，分流比为100:1。

将鸢尾以超临界CO2萃取的最佳萃取工艺萃取得到黄色油状物，将油状物做为GC-MS分析样品。结果分析如下，见表7。

表7 鸢尾萃取成分表

表7中的化合物1-14是鸢尾植物的萃取成分，对其中的14个成分进行了定性分析，该系列化合物中的1-14是通过检索NIST08.L标准质谱图库来确定的。将确定了的化学组分用色谱数据以面积归一化法得出各组分的相对含量，结果见表7，共检出14个成分，鉴定了其中的14个成分。其中二十碳烷、β-苯氧基乙基丙烯酸酯、十四烷酸相对含量较高，三十六烷相对含量最低。

5.结论

采用正交试验对工艺进行优化，确定了对鸢尾超临界萃取的最佳条件。鸢尾的超临界CO2萃取的最佳萃取工艺为：在萃取压力30MPa时，以100g鸢尾粉为原料，70%乙醇溶液为夹带剂，萃取温度50℃，萃取时间4h，CO2流量15-25L/h，乙醇夹带剂体积用量为300ml，萃取率最高为82.50%。萃取得到的提取物进行GC-MS检测分析，鉴定出14种化合物。通过超临界CO2萃取方法，中药成分提取选择性高，生产周期短。连续萃取可以有效提高提取中药有效成分的萃取净度，便于工业化生产。这为鸢尾植物超临界萃取的工业化生产提供依据，同时寻找新药和扩大天然产物的生产量方面具有很大的意义。