超临界CO2萃取黄姜中薯蓣皂素的优化工艺研究

＊魏茜敏 范晨

（陕西咸阳杨凌职业技术学院药物与化工学院 陕西 712100）

薯蓣皂素作为一种重要的活性成分，在医药和保健品等领域具有广泛的应用前景。传统的提取方法存在繁琐、低效和有机溶剂残留等问题。超临界CO2萃取作为一种环保、高效的提取技术，被广泛应用于天然产物的提取过程中。本研究以黄姜为原料，通过超临界CO2萃取技术，探索提取黄姜中薯蓣皂素的最佳工艺参数，为薯蓣皂素的高效提取提供理论和实验依据。本研究通过优化超临界CO2萃取黄姜中薯蓣皂素的工艺参数，提高了薯蓣皂素的提取效率。这些结果对于黄姜中薯蓣皂素的工业生产具有重要的指导意义，也为进一步研究和开发其他天然产物的超临界CO2萃取工艺提供了借鉴。

1.超临界CO2萃取黄姜中薯蓣皂素的技术原理

(1)超临界CO2萃取技术的原理

超临界CO2萃取技术是一种广泛应用于天然产物提取领域的高效、环保的萃取方法[1]。其原理基于物质在超临界状态下的特殊性质。当物质温度和压力超过其临界点时，物质处于超临界状态。在超临界状态下，物质既具有气体的低黏度和高扩散性，又具有液体的高溶解力和高密度。在超临界CO2条件下，CO2既可以像气体一样渗透样品中，又可以像液体一样溶解目标化合物。CO2是一种优秀的超临界溶剂，具有以下特点：第一，无毒、无害：CO2在超临界状态下不具有毒性，对环境无污染，易于处理和回收。第二，无残留物：CO2溶剂在脱压后迅速转变为气体，不留下任何残留物。第三，调节性强：通过调节温度和压力，可以控制CO2的溶解力，实现对目标化合物的选择性提取。

超临界CO2萃取技术的萃取过程如下：

原料处理：将待提取的样品制备成适合超临界CO2萃取的形式，如粉末或粒状。

设定操作条件：通过调节温度和压力，使CO2达到超临界状态，并控制萃取过程中的其他参数，如流量、时间等。

萃取过程：超临界CO2通过样品，在物理和化学作用下溶解和萃取目标化合物。这可以通过扩散、溶解、解吸等过程实现。

分离和回收：在脱压后，CO2迅速转变为气体，目标化合物从溶剂中析出。可以通过减压和冷凝等方式将CO2回收利用，从而实现目标化合物的分离和回收[2]。

超临界CO2萃取技术具有许多优势，如操作温度低、操作压力可调节、溶剂易于回收、无毒性和无残留物等。它在天然产物提取、食品加工、药物制备等领域有广泛应用，并受到越来越多研究者的关注和重视。

(2)超临界CO2萃取技术在萃取黄姜中薯蓣皂素的应用

薯蓣皂素是一种重要的活性成分，具有抗氧化、抗菌、抗炎和抗肿瘤等多种生物活性。超临界CO2萃取在黄姜中薯蓣皂素的提取中具有许多优点，如高效、环保、温和等，可以有效提取薯蓣皂素，并保持其活性和稳定性。因此，这种技术在黄姜中薯蓣皂素的研究和应用中得到广泛应用，具体应用过程如下：

原料处理：黄姜样品通常先经过清洗、切碎等处理，以提高提取效果。

超临界CO2设定：调节超临界CO2的温度和压力，使其达到超临界状态，并在设定的条件下保持稳定。

超临界CO2萃取：将处理后的黄姜样品置于超临界CO2中，利用其溶解力和扩散性，将目标薯蓣皂素从黄姜中提取出来。萃取时间和流量等参数可根据实际需要进行调节[3]。

分离和回收：在脱压后，超临界CO2迅速转变为气体，薯蓣皂素从溶剂中析出。可以通过减压和冷凝等方式将CO2回收利用，从而实现薯蓣皂素的分离和回收。

后处理：对提取得到的薯蓣皂素进行浓缩、干燥等处理，得到最终的薯蓣皂素提取物。

2.超临界CO2萃取黄姜中薯蓣皂素的优化试验设计

(1)实验原料及设备

试验设备、试验试剂如表1所示：

根据工程相互关系，采用ABAQUS计算软件对施工阶段进行模拟，主要分析隧道施工对群桩基础的变形影响，应力应变的本构理论采用Mohr-Coulomb 线弹塑性模型。模型中根据勘察地层设置隧道周边土层，各个部分的材料参数见表2。其中考虑衬砌连接的不连续性，将衬砌的弹性模量按0.15 进行折减，桥台以上结构作为荷载计算。几何模型如图2所示。

表1 试验设备及原料

另外，本文实验中使用的黄姜及其水解物的信息如下：产地：南阳；来源：食品级黄姜及其水解物；纯度：大于99.9%。

(2)实验装置与实验步骤

①实验装置简介

超临界萃取仪由杭州华黎泵业有限公司设计制造，它是超临界流体萃取装置，包括过滤系统、冷却系统、升压系统、萃取系统和分离接收系统[4]。超临界CO2和夹带剂可以同时进入萃取釜，其比例由调频器和计量泵控制。CO2气体经过滤器冷却液化后，通过计量泵和夹带剂泵进入管道，两者在混合器中混合后进入萃取釜（在恒温水浴中保温）。达到设定条件后，开始闭循环动态提取分离[5]。

②实验操作步骤

步骤1：将黄姜水解干燥液用电子天平准确称重，待用；步骤2：将料筒从提取锅中移出，加料，旋紧上、下丝塞，再加料至提取锅中；步骤3：开启冰箱的循环系统，将冰箱温度调整到大约-5℃，然后开启冰箱，关闭提取罐、分离罐的预热器和循环泵的开关。将制冷机，萃取锅，分选锅全部调至规定的温度；步骤4：开启CO2汽缸、开启主水泵，在压力上升至设定点后，开启提取锅的出水阀，使整个循环系统通畅，并按流量设置水泵的频率将提取锅的压力保持在所设定点；步骤5：调整分离器出口截止阀，使所述分离器的压力为规定的分离器压力，使所述分离器的整体循环保持稳定；步骤6：将产品与接收瓶一起在分离出口接受，并且记录CO2流动；步骤7：在试验完成后，将主泵关闭，并将制冷机关闭；步骤8：当体系的压力达到平衡时，将提取锅的进、出口阀关闭，并将其与体系绝缘；步骤9：缓慢开启提取锅的放空阀门，直至提取锅的压力为0，然后开启提取锅的顶盖，移除桶，并用清洁的抹布擦拭密封表面，供下一次提取时使用。

(3)实验参数对比试验的确定

SFE提取工艺的得率与被提取组分在SFE中的溶解程度有直接关系。超临界流体的浓度与温度、压力等因素密切相关，对其溶解度进行了研究[6]。因此，研究萃取温度，萃取压力，CO2流速对萃取效果的影响。研究了不同掺杂剂类型，添加量，添加方式等因素对测定结果的影响。研究了不同提取时间对提取效果的影响，获得了提取曲线。通过正交试验设计，获得最佳提取条件，并通过单因素试验，系统研究各种因素对提取效果的影响，获得最佳提取条件。

3.超临界CO2萃取黄姜中薯蓣皂素的工艺参数优化研究

(1)不同原料之间的对比实验

以无水乙醇作为萃取剂，对比新鲜黄姜（粗碎，块状）、黄姜干粉（粒度40目）和黄姜水为原料进行萃取，结果如表2所示。

表2 不同原料薯蓣皂素收率之间的对比

如表2所示，在提取时间为2h时，新鲜黄姜的薯蓣皂素收率为1.1%，而黄姜干粉的收率为0.7%，黄姜水的收率为3.1%。随着提取时间的增加，各个原料的薯蓣皂素收率也增加。在提取时间为6h时，新鲜黄姜的薯蓣皂素收率最高，达到2.4%；黄姜干粉的收率为2.7%，黄姜水的收率最高，为8.7%。根据这些结果，可以推断新鲜黄姜相对于干粉和水来说，在薯蓣皂素的提取过程中具有较高的收率。同时，随着提取时间的延长，薯蓣皂素的收率也随之增加。

以新鲜黄姜和干粉为原料时，薯蓣皂素的结合比较牢固，在超临界状态下也不易提取出来。而采用黄姜水解物为原料时，已经将细胞壁破坏，比较容易提取出来，萃取效率较高。综合考虑，选取黄姜水解物为原料提取薯蓣皂素。

(2)温度压力不同的对比实验

温度和压力是超临界CO2萃取过程中两个重要的操作参数，它们对萃取效果具有显著影响。温度和压力在超临界CO2萃取中的影响，如表3所示。

表3 温度和压力对薯蓣皂素收率的影响

随着温度的升高，薯蓣皂素的收率呈现不同的趋势。在20MPa压力下，收率在35℃至45℃之间逐渐增加，然后在50℃和55℃略有下降。在25MPa、30MPa和35MPa压力下，收率随温度的增加而逐渐增加，但在50℃和55℃之间可能存在一定的波动。在同一温度下，随着压力的增加，薯蓣皂素的收率呈现上升的趋势。例如，在45℃的情况下，20MPa压力下的收率为6.0%，而35MPa压力下的收率达到了9.1%。

总而言之，压力越高薯蓣皂素的收率越高，而薯蓣皂素收率随温度的升高呈先上升后下降的趋势，在压力为35MPa，温度为45℃时收率最高达到9.1%。

(3)CO2流量对薯蓣皂素收率的影响

CO2流量在超临界CO2萃取过程中扮演着重要角色，以CO2流量为自变量，探讨不同萃取时间下薯蓣皂素收率的影响，具体如表4所示。

表4 CO2流量对薯蓣皂素收率的影响

随着CO2流量的增加，薯蓣皂素的收率呈现不同的变化趋势。在每个萃取时间下，随着CO2流量的增加，薯蓣皂素的收率逐渐增加，但达到一定的流量后，收率可能会趋于饱和或略微降低。在不同萃取时间下，CO2流量在12kg·h-1时薯蓣皂素收率最高，在2h、4h、6h时分别为7.3%、8.5%、9.2%。根据这些结果，可以推断适当增加CO2流量有助于提高薯蓣皂素的萃取收率，但过高的流量可能不会进一步提高收率，甚至会导致收率略微降低。因此，在实际操作中，需要根据具体情况选择合适的CO2流量以达到最佳的薯蓣皂素萃取效果。

4.总结

综上所述，在超临界CO2萃取黄姜中薯蓣皂素的过程中，适宜的温度为45℃，适宜的压力为35MPa，可以获得较高的薯蓣皂素收率。在萃取过程中，选择适中的CO2流量，例如12kg·h-1，可以获得较高的薯蓣皂素收率。夹带剂用量的增多有助于提高薯蓣皂素的收率，但过高的用量对提取效果提升不明显，选择200ml左右性价比高。上述结论是基于实验数据和表格结果得出的，针对黄姜中薯蓣皂素的超临界CO2萃取工艺优化研究，仍需要进一步的实验验证和参数优化，以得出更精确和可靠的结果。