响应面试验优化超临界CO萃取人参挥发油的工艺

崔丽丽，逄世峰，李亚丽，郑培和，赵卉，王英平 *
（中国农业科学院特产研究所，吉林长春 130112）

摘要：以生晒参为原料，响应面分析法优化超临界CO 2提取挥发油的工艺。采用自动质谱退卷积定性系统和保留指数方法对挥发油化学成分定性。结果表明：最佳工艺条件为萃取压力38 MPa、萃取温度55 ℃、静态萃取时间2 h、动态萃取时间1 h，此条件下挥发油提取率达1.12%。气相色谱-质谱法结果显示分离出35 个色谱峰，鉴定出29 种化学成分，相对含量占挥发性物质的96.69%。

关键词：人参挥发油；超临界；响应面试验；自动质谱退卷积定性系统；保留指数

挥发油是中药中一类重要的活性物质，具有抗肿瘤、抗病毒、杀虫、降压、消炎、平喘、止咳等多种药理作用 [1]。人参挥发油含量较低，具有人参的特殊香味，主要成分为倍半萜烯，约占40%，其次为含氧化合物及长链烷烃类 [2]。目前传统的人参挥发油提取方法为水蒸气蒸馏、超声波提取、索氏提取 [2]等，不仅提取率低，而且由于温度高、受热时间长，会导致有效成分的破坏或分解。如今超临界萃取技术提取天然中草药有效成分的研究广泛引起人们的关注，主要集中在活性多糖、挥发油、皂苷、生物碱、黄酮类、醌类等多种物质的提取研究 [3]。超临界CO 2萃取应用于中药领域与传统方法比较，具有萃取速率快、分离工艺简单、萃取温度低、保护热敏性物质、萃取物无有机溶剂污染，且成分保留全等优点 [4-8]。传统方法提取挥发油的收率较低，因此本实验进行人参挥发油的超临界CO 2萃取工艺研究，采用响应面分析法对工艺条件进行优化，气相色谱-质谱（gaschromatography-mass spectrometry，GC-MS）测定人参挥发性成分 [9-11]，利用软件自带自动质谱退卷积定性系统（automated mass spectral deconvolution and identification system，AMDIS） [12-16]，结合保留指数（retention index，RI）方法对挥发油化学成分定性。

1 材料与方法

正构烷烃混合对照品（C 9～C 30）美国Sigma公司；正己烷、无水硫酸钠均为国产分析纯。

超临界CO 2流体萃取仪美国通用分离公司；7890A-5975C型GC-MS仪美国安捷伦公司。

分别以萃取压力（15、20、30、40 MPa）、萃取温度（25、35、40、45、55 ℃）、静态萃取时间（0.5、1、2、3 h）为单因素，固定动态萃取1 h，考察各因素对人参挥发油提取率的影响。

影响挥发油提取率的因素有萃取压力、萃取温度、CO 2流量、萃取时间等 [17]。应用Design-Expert软件，根据Box-Behnken设计原理，选择影响挥发油提取率的主要因素萃取压力、萃取温度、静态萃取时间作为自变量，以人参挥发油提取率为响应值设计响应面试验，因素与水平见表1。

GC条件：HP-5MS石英毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；程序升温条件：初始温度40 ℃，保持5 min，以5 ℃/min升至200 ℃，再以10 ℃/min升至280 ℃，保持5 min；进样口温度250 ℃，载气为高纯He（纯度99.999 9%），柱流量1.0 mL/min，进样量1.0 μL，分流比20∶1。

MS条件：电子电离源，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，接口温度250℃，溶剂延迟时间3 min，质量扫描范围m/z 30～550 u。

采用AMDIS进行自动质谱退卷积处理，计算目标成分的保留指数（retention index，RI）与已有参考文献的保留指数（RI *）对比进行定性鉴定；相对面积百分比定量。

2 结果与分析

选择萃取压力40 MPa、萃取温度40 ℃、静态萃取1 h后动态萃取1 h为初始条件，分别进行超临界萃取单因素试验，结果如图1所示。萃取压力为15、20、30、40 MPa时，提取率分别为0.44%、0.62%、0.74%、0.86%，压力增大，流体密度增大，溶剂的溶解度随之增大，提取率随萃取压力增加而升高；萃取温度为25、35、40、45、55 ℃时，提取率分别为0.43%、0.64%、0.71%、0.85%、0.91%，升高温度降低流体密度，增加了溶质蒸汽压，在临界温度以上的低温区时，温度升高溶质蒸汽压增加不多，萃取量少，而温度进一步升高时溶质蒸汽压增加快，挥发度高，提取率未减少反而有增大，萃取温度升高，提取率增加；萃取时间为静态0.5、1、2、3 h，动态1 h时，提取率分别为0.23%、0.64%、0.87%、0.99%，静态萃取时间越长，提取率越高，物质萃取充分。

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken设计方案，所得试验数据如表2所示，并采用Design-Expert 8.0.6软件进行多元回归拟合，得到生晒参挥发油提取率对萃取压力、萃取温度、静态萃取时间的二次多项回归方程为：Y=1.03－0.016A＋0.14B－0.034C－0.058AB＋0.086AC＋0.056BC－0.19A 2－0.051B 2－0.10C 2。

该方程中各项系数绝对值的大小直接反映各因素对响应值的影响程度，系数的正、负反映了影响的方向。由于该方程的二次项系数均为负值，可以推断方程代表的抛物面开口向下，因而具有极大值点，可以进行优化分析。由方程的一次项系数可以得出，影响生晒参挥发油提取率因素的主次顺序为：萃取温度＞静态萃取时间＞萃取压力。

由表3可知，方程的模型P＜0.05，是显著的，说明模型有意义；R 2 Adj=0.931 0，说明该模型能解释93.10%响应值的变化；相关系数R 2=0.975 4，说明该模型拟合程度较好，试验误差小，试验方法可靠，能够很好地描述试验结果，使用该方程代替真实的试验点进行分析可行。因此该模型可以用于对生晒参挥发油提取率进行分析。由表3可知，一次项B对模型的影响极为显著。交互项AB、AC影响显著，二次项A 2、C 2影响极显著。

表3 回归模型方差分析及显著性检验
Table 3 Analysis of variance of regression model

注：P＜0.05，差异显著；P＜0.01，差异极显著。

方差来源平方和自由度均方F值 P值模型0.379 8 90.042 2 21.991 8 0.001 7 A萃取压力0.002 1 10.002 1 1.084 2 0.345 5 B萃取温度0.152 4 10.152 4 79.405 8 0.000 3 C静态萃取时间0.009 2 10.009 2 4.784 7 0.080 4 AB0.013 7 10.013 7 7.134 7 0.044 3 AC0.029 4 10.029 4 15.329 7 0.011 2 BC0.012 3 10.012 3 6.421 7 0.052 3 A 20.126 9 10.126 9 66.130 9 0.000 5 B 20.009 5 10.009 5 4.932 1 0.077 0 C 20.040 6 10.040 6 21.166 4 0.005 8残差0.009 6 50.001 9失拟项0.005 3 30.001 8 0.836 00.585 0纯误差0.004 3 20.002 1总变异0.389 3 14 R 2=0.975 4，R 2 Adj=0.931 0

采用Design-Expert 8.0.6软件分析回归模型，得出生晒参挥发油最佳提取工艺参数为静态萃取时间2.02 h、萃取温度55 ℃、萃取压力38.05 MPa，在萃取压力38 MPa、萃取温度55 ℃、静态萃取2 h、动态萃取1 h的工艺条件下进行验证实验，以原料质量计算，所得挥发油提取率为1.12%。

吉林省生晒参超临界CO 2提取的挥发油中共检出35 种化学成分，鉴定出其中的29 种化学成分（表4），相对含量占96.69%，其中含烷烃、醛、醇、酮、脂肪酸及酯等脂肪族化合物，桉油烯醇、蓝桉醇、愈创木烯等倍半萜类物质。棕榈酸甲酯相对含量（39.86%）最高，人参挥发油特有的倍半萜类物质中桉油烯醇相对含量（2.67%）最高；本次实验提取出人参新萜醇、人参炔醇相对含量分别为0.365%和0.159%。

3 结论

传统的提取方法挥发油提取率普遍较低，加热回流法提取率在0.1%～0.3% [18-19]，水蒸气蒸馏收率在0.3%～0.5% [20]，超声法提取率为0.05% [21]，沙氏提取器收率为0.12% [22]，只有索氏提取器回流的收率稍高，为0.96% [23]。本实验采用超临界CO 2方法提取生晒参挥发油，通过响应面法优化了提取工艺。应用GC-MS结合AMDIS和RI鉴定其化学成分组成。结果表明，在萃取压力38 MPa、萃取温度55 ℃、静态萃取2 h、动态萃取1 h的工艺条件下，超临界萃取法操作简便，提取率可达1.12%。从挥发油中分离出35 种化学成分，鉴定出其中的29 种，相对含量占挥发性物质的96.69%。

表4 人参挥发油成分分析结果
Table 4 Analytical results of main components of volatile oil from ginseng roots

注：RI.保留指数计算值；RI *.文献报道的参考值。

序号保留时间/minRIRI *化合物名称CAS编号相对分子质量分子式相对含量/% 13.338730.6736cyclohexane, methyl 甲基环己烷108-87-298.186C 7H 141.771 24.577767.37681-pentanol 正戊醇71-41-088.148C5H12O0.106 34.963778.87753-hexanone 3-己酮589-38-8100.159C 6H 12O0.132 45.144784.17902-hexanone 2-己酮591-78-6100.159C 6H 12O0.267 55.350790.27973-hexanol 3-己醇623-37-0102.175C 6H 14O0.028 65.401791.7801.1hexanal 己醛66-25-1100.159C 6H 12O6.663 77.833863.8861.5benzene, 1,3-dimethyl 间二甲苯108-38-3106.165C 8H 100.045 88.943896.99312,5-hexanedione 2,5-己二酮110-13-4114.142C 6H 10O 20.231 912.4361 000.1968.4pentanoic acid, 3-methyl 3-甲基戊酸105-43-1116.158C 6H 12O 21.012 1012.8821 013.31 001octanal 正辛醛124-13-0128.212C 8H 16O0.584 1114.7851 069.71 065formic acid, octyl ester甲酸辛酯112-32-3158.238C 9H 18O 20.151 1215.9591 104.51 0982-furanmethanol, tetrahydro-, acetate 乙酸四氢糠酯637-64-9144.168C 7H 12O 30.872 1317.9481 163.41 158naphthalene, 1,2,3,4-tetrahydro 1,2,3,4-四氢萘119-64-2132.202C 10H 122.685 1421.2911 276.71 276nonanoic acid 壬酸112-05-0158.238C 9H 18O 21.126 1521.8861 298.31 3122,4-decadienal, (E,E) （E,E）-2,4-癸二烯醛25152-84-5152.233C 10H 16O0.359 1622.5011 320.71 3202,4-decadienal 2,4-癸二烯醛2363-88-4152.233C 10H 16O1.915 1725.7861 445.61 4804’-hydroxy-3’-methoxyacetophenone 4-羟基-3-甲氧基苯乙酮498-02-2166.174C 9H 10O 30.434 1829.1331 583.41 582(-)-spathulenol 桉油烯醇77171-55-2220.351C 15H 24O2.584 1929.2821 589.51 497δ-guaijene δ-愈创木烯3691-11-0204.351C 15H 240.299 2029.9601 619.51 580(-)-globulol （－）蓝桉醇489-41-8222.366C 15H 26O0.216 2130.2941 634.61 621ginsenol 人参新萜醇117591-80-7222.366C 15H 26O0.353 2232.9211 7551 700heptadecane 正十七烷629-78-7240.468C 17H 360.432 2337.1831 967.91 969n-hexadecanoic acid 棕榈酸0057-10-3256.424C 16H 32O 225.640 2437.7301 995.91 996hexadecanoic acid, ethyl ester 棕榈酸乙酯628-97-7284.477C 18H 36O 20.166 2538.4262 044.42 056(S,Z)-heptadeca-1,9-dien-4,6-diyn-3-ol 人参炔醇81203-57-8244.372C 17H 24O0.153 2639.8202 1452 1079,12-octadecadienoic acid (Z,Z)-, methyl ester 棕榈酸甲酯112-63-0294.472C 19H 34O 238.543 2739.8772 149.12 1059-octadecenoic acid (Z)-, methyl ester 亚油酸甲酯112-62-9296.488C 19H 36O 27.464 2840.1542 169.12 172octadecanoic acid 十八烷酸0057-11-4284.477C 18H 36O 21.313 2940.3772 183.12 1799,12-octadecadienoic acid （Z,Z）-亚油酸60-33-3280.446C 18H 32O 21.145

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Optimization of Supercritical-CO 2Fluid 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)

Abstract：The supercritical-CO 2fluid 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.

Key words：ginseng essential oil; supercritical fluid extraction; response surface methodology; automated mass spectral deconvolution and identification system (AMDIS); retention index

崔丽丽, 逄世峰, 李亚丽, 等. 响应面试验优化超临界CO 2萃取人参挥发油的工艺[J]. 食品科学, 2016, 37(4): 58-61.

CUI Lili, PANG Shifeng, LI Yali, et al. Optimization of supercritical-CO 2fluid 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)

基金项目：吉林市科技计划项目（201452005）；中国农业科学院科技创新工程项目（CAAS-ASTIP-2014-ISAPS）

作者简介：崔丽丽（1984—），女，助理研究员，硕士，研究方向为中药材病害防治及质量评价。E-mail：cbscui@126.com

*通信作者：王英平（1967—），男，研究员，博士，研究方向为药用植物资源与评价。E-mail：jingpingw@126.com

响应面试验优化超临界CO 2萃取人参挥发油的工艺

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论