Optimering af ekstraktionsprocessen og komponentanalyse af æterisk olie fra græsfrugter
Amomum tsao ko er en flerårig urteagtig plante af ingefærfamilien og kardemommeslægten. Det er en traditionel medicinsk og spiselig plante i Kina, hovedsageligt udbredt i Yunnan, Guizhou, Sichuan og det vestlige Guangxi. Duften af græs og frugt er gentagne gange blevet brugt i recepter til forebyggelse af epidemier i de senere år, da den hjælper med at rense kroppen, fordrive fugt og styrke milten. I TCM-behandlingsplanen for diagnose- og behandlingsplan for ny coronavirus-lungebetændelse har de lette, almindelige og tunge recepter alle anvendelse af Caoguo. Den indledende kliniske receptanvendelse nåede 46,43%, og den kliniske receptanvendelse på mellemlang sigt nåede 24,00%, hvilket gør det til et af lægemidlerne med høj brugsfrekvens. Græsfrugter er rige på forskellige kemiske komponenter med farmakologiske virkninger, hovedsageligt flygtige olier samt fenoler, steroider osv. Den flygtige æteriske olie af græsfrugt, som er det vigtigste aktive stof i græsfrugt, omfatter hovedsageligt forbindelser som phenylpropanoider, sesquiterpener, monoterpener og fedtsyrer, som har farmakologiske virkninger som antioxidant, antibakteriel, antitumor, antiviral, antiastmatisk og slimløsende.

Almindelige metoder til udvinding af æterisk olie fra græsfrugter omfatter mikrobølgeassisteret ekstraktion, superkritisk kuldioxidekstraktion, organisk opløsningsmiddelekstraktion, ultralydsassisteret ekstraktion, dampdestillation osv. Den mest repræsentative mikrobølgeassisterede ekstraktionsmetode er den mikrobølgeopløsningsmiddelfrie ekstraktionsmetode, som optimerer ekstraktionsprocessen af æterisk olie fra græsfrugter ved at undersøge forhold som mikrobølgeeffekt, mikrobølgestrålingstid og ekstraktionstemperatur. Selvom denne metode har fordelene ved kort ekstraktionstid og lavt energiforbrug, har den også problemet med vanskeligheder med at opnå industrialisering. Superkritisk CO2-ekstraktion kræver normalt overvejelse af faktorer som ekstraktionstryk, ekstraktionstemperatur, ekstraktionstid, CO2-strømningshastighed osv. og har høje krav til udstyr. Dampdestillationsmetoden er den mest anvendte metode til udvinding af æterisk olie fra græsfrugter, som er enkel, sikker og velegnet til udvinding af flygtige komponenter med høje kogepunkter, der er uopløselige eller letopløselige i vand. Ultralydassisteret metode kombineres normalt med organisk opløsningsmiddelekstraktionsmetode, kendt som ultralyd (assisteret) organisk opløsningsmiddelekstraktionsmetode. De optimale procesparametre screenes ved at undersøge typen af ekstraktionsopløsningsmiddel, ultralydseffekt, ekstraktionstid og ekstraktionstemperatur. For at bestemme de optimale ekstraktionsbetingelser bruges forskellige metoder ofte til optimering i forskning. I de senere år har RSM-modellen (Response Surface Methodology) været den mest anvendte, og der er opnået en stor mængde data gennem eksperimentelt design og praktisk drift. De optimale betingelser bestemmes ved at tilpasse funktionen og etablere modellen gennem flere kvadratiske lineære regressionsligninger. Med udviklingen af algoritmer er BP-ANN-modeller (backpropagation artificial neural network) blevet stærke værktøjer til optimering af udvindingsprocesser på grund af deres fremragende tilpasning, nøjagtighed og forudsigelsesevne. Denne model kan håndtere støjende og manglende data godt og kan lære af eksperimentelle data. BP-ANN-modellen har høj nøjagtighed i forudsigelsen af udvindingshastigheder og stærk optimeringsevne i tilpasningen af eksperimentelle data; den har uovertrufne fordele i forhold til RSM-modeller i optimeringseksperimenter med flere faktorer og flere niveauer. Ved at kombinere genetisk algoritme (GA) kan der opnås global optimering for at opnå de optimale procesbetingelser. Tidligere undersøgelser har sjældent brugt BP-ANN-metoden til at optimere udvindingsprocessen af æterisk olie fra græsfrugter. Denne optimeringsmetode kan give teoretisk reference til efterfølgende relateret arbejde.

I denne undersøgelse blev der anvendt dampdestillation og ultralydsmetode med organisk opløsningsmiddel til at udvinde æteriske olier fra græsfrugter. I dette eksperiment blev den æteriske olieekstraktor, der blev brugt til at udvinde æteriske olier fra græsfrugter ved dampdestillation, forbedret for at sænke temperaturen i den kondenserende del under udvindingsprocessen. Ved at udføre enkeltfaktoreksperimenter, optimere udvindingsbetingelserne ved hjælp af RSM og BP-ANN og sammenligne de optimerede modeller blev de optimale procesparametre opnået for at give datastøtte til effektiv udvinding og præcis anvendelse af æterisk olie fra græsfrugter; Ved at analysere sammensætningen af æterisk olie i Caoguo ved hjælp af gaskromatografi-massespektrometri (GC-MS), udforske dens farmakologiske stofgrundlag og fremme den moderne anvendelse af traditionel kinesisk medicin Caoguo.

Dampdestillationsmetoden og ultralydsmetoden med organisk opløsningsmiddel blev brugt og sammenlignet til at udvinde æterisk olie af græsfrugter. Ekstraktionsbetingelserne for æterisk olie af græsfrugt blev optimeret af enkeltfaktor, RSM og BP-ANN. De optimale procesparametre for dampdestillation og ultralyd organisk opløsningsmiddel metode var iblødsætning tid på 53,00min, destillation tid på 72,00min, væske-faststof-forhold på 11,00mL/g, ultralyd effekt på 150W, ultralyd tid på 27min, væske-faststof-forhold på 6,3mL/g. Under disse betingelser var ekstraktionshastighederne for æterisk olie af græsfrugt henholdsvis 1,59% og 3,70%. De eksperimentelle resultater viser, at sammenlignet med RSM-modellen har BP-ANN-modellen en bedre ydeevne i både optimeringsevne og forudsigelsesnøjagtighed og kan forbedre forudsigelsesevnen og stabiliteten betydeligt. Den har høj gennemførlighed og åbenlyse fordele ved håndtering af multifaktorproblemer.
Komponenterne i æterisk olie af græsfrugter udvundet ved dampdestillation og ultralydsmetode med organisk opløsningsmiddel blev identificeret og sammenlignet med GC-MS med henholdsvis 34 og 43 typer. Blandt dem viste det sig, at 1,8-eukalyptol havde et højere indhold, såvel som α-carvacen, 4-propylbenzaldehyd, transcitral, trans-2-decenal, α-terpineol, cis-citral, β-pinen, transgeraniol, cis-geraniol, acetatgeraniol, (-) -4-terpineol osv. Hovedkomponenten, 1,8-eucalyptol, kan være et vigtigt grundlag for dets farmakologiske virkninger som f.eks. antibakterielle, antitumorale og antivirale virkninger. Den har et højt indhold af æterisk olie fra græsfrugter og har et stort udviklingspotentiale. Forskning har vist, at æterisk olie fra græsfrugter kan interagere med SARS-CoV-2 spike-protein RBD i aerosoler, blokere interaktionen mellem RBD og hACE2, hæmme deres binding til receptorer, afskære transmissionsveje og have et stort potentiale i at blokere virus-aerosoltransmission. Denne undersøgelse kan give nye ideer til den videre udvikling og udnyttelse af æterisk olie fra græsfrugter, fremme dens anvendelsesinnovation og udvide dens vej mod modernisering af traditionel kinesisk medicin.