Optimierung des Extraktionsverfahrens und Analyse der Komponenten des ätherischen Öls von Grasfrüchten
Amomum tsao ko ist eine mehrjährige krautige Pflanze aus der Familie der Ingwergewächse und der Gattung Kardamom. Sie ist eine traditionelle Heil- und Speisepflanze in China, die hauptsächlich in Yunnan, Guizhou, Sichuan und West-Guangxi verbreitet ist. Der Duft von Gras und Früchten wurde in den letzten Jahren wiederholt in Rezepten zur Epidemieprävention verwendet, da er hilft, den Körper zu reinigen, Feuchtigkeit zu vertreiben und die Milz zu stärken. Im TCM-Behandlungsplan für die Diagnose und Behandlung der neuartigen Coronavirus-Pneumonie wird Caoguo in den leichten, normalen und schweren Verordnungen eingesetzt. Die anfängliche klinische Verschreibungsrate erreichte 46,43%, und die mittelfristige klinische Verschreibungsrate erreichte 24,00%, was es zu einem der Medikamente mit hoher Anwendungshäufigkeit macht. Grasfrüchte sind reich an verschiedenen chemischen Bestandteilen mit pharmakologischen Wirkungen, vor allem an ätherischen Ölen sowie an Phenolen, Steroiden usw. Das ätherische Öl der Grasfrucht, der Hauptwirkstoff der Grasfrucht, enthält hauptsächlich Verbindungen wie Phenylpropanoide, Sesquiterpene, Monoterpene und Fettsäuren, die pharmakologische Wirkungen wie antioxidative, antibakterielle, antitumorale, antivirale, antiasthmatische und schleimlösende Eigenschaften haben.

Zu den gängigen Methoden zur Extraktion von ätherischem Öl aus Grasfrüchten gehören die mikrowellengestützte Extraktion, die Extraktion mit überkritischem Kohlendioxid, die Extraktion mit organischen Lösungsmitteln, die ultraschallgestützte Extraktion, die Wasserdampfdestillation usw. Die repräsentativste mikrowellenunterstützte Extraktionsmethode ist die mikrowellenlösungsmittelfreie Extraktionsmethode, die den Extraktionsprozess des ätherischen Öls aus Grasfrüchten optimiert, indem Bedingungen wie Mikrowellenleistung, Mikrowellenbestrahlungszeit und Extraktionstemperatur untersucht werden. Diese Methode hat zwar die Vorteile einer kurzen Extraktionszeit und eines geringen Energieverbrauchs, aber auch das Problem, dass sie nur schwer industrialisiert werden kann. Bei der überkritischen CO2-Extraktion müssen in der Regel Faktoren wie Extraktionsdruck, Extraktionstemperatur, Extraktionszeit, CO2-Durchflussrate usw. berücksichtigt werden, und es werden hohe Anforderungen an die Ausrüstung gestellt. Die Wasserdampfdestillation ist die am häufigsten verwendete Methode zur Extraktion ätherischer Öle aus Grasfrüchten. Sie ist einfach, sicher und eignet sich für die Extraktion flüchtiger Bestandteile mit hohem Siedepunkt, die in Wasser unlöslich oder schwer löslich sind. Die ultraschallunterstützte Methode wird in der Regel mit der Extraktion mit organischen Lösungsmitteln kombiniert und als ultraschallunterstützte Methode der organischen Lösungsmittelextraktion bezeichnet. Die optimalen Prozessparameter werden durch Untersuchung der Art des Extraktionslösungsmittels, der Ultraschallleistung, der Extraktionszeit und der Extraktionstemperatur ermittelt. Um die optimalen Extraktionsbedingungen zu ermitteln, werden in der Forschung häufig verschiedene Methoden zur Optimierung eingesetzt. In den letzten Jahren wurde das Modell der Response Surface Methodology (RSM) am häufigsten verwendet, und es wurde eine große Menge an Daten durch experimentelle Planung und praktische Anwendung gewonnen. Die optimalen Bedingungen werden durch die Anpassung der Funktion und die Erstellung des Modells durch mehrere quadratische lineare Regressionsgleichungen bestimmt. Mit der Entwicklung von Algorithmen haben sich Backpropagation Artificial Neural Network (BP-ANN)-Modelle aufgrund ihrer hervorragenden Anpassungs-, Genauigkeits- und Vorhersagefähigkeit zu leistungsfähigen Werkzeugen für die Optimierung von Extraktionsprozessen entwickelt. Dieses Modell kann gut mit verrauschten und fehlenden Daten umgehen und aus experimentellen Daten lernen. Das BP-ANN-Modell hat eine hohe Genauigkeit bei der Vorhersage von Extraktionsraten und eine starke Optimierungsfähigkeit bei der Anpassung experimenteller Daten; es hat unvergleichliche Vorteile gegenüber RSM-Modellen bei mehrfaktoriellen und mehrstufigen Optimierungsversuchen. Durch die Kombination von genetischen Algorithmen (GA) kann eine globale Optimierung erreicht werden, um die optimalen Prozessbedingungen zu erhalten. In früheren Studien wurde die BP-ANN-Methode nur selten zur Optimierung des Extraktionsprozesses von ätherischem Grasfruchtöl eingesetzt. Diese Optimierungsmethode kann als theoretische Referenz für nachfolgende verwandte Arbeiten dienen.

In dieser Studie wurden die Wasserdampfdestillation und die Ultraschallmethode für organische Lösungsmittel zur Extraktion ätherischer Öle aus Grasfrüchten verwendet. In diesem Experiment wurde der Extraktor für ätherische Öle, der für die Extraktion von ätherischen Ölen aus Grasfrüchten durch Wasserdampfdestillation verwendet wurde, verbessert, um die Temperatur des kondensierenden Teils während des Extraktionsprozesses zu senken. Durch die Durchführung von Einzelfaktorexperimenten, die Optimierung der Extraktionsbedingungen mit Hilfe von RSM und BP-ANN und den Vergleich der optimierten Modelle wurden die optimalen Prozessparameter ermittelt, um Daten für die effiziente Extraktion und präzise Anwendung des ätherischen Öls aus Grasfrüchten bereitzustellen. Durch die Analyse der Zusammensetzung des ätherischen Öls in Caoguo mit Hilfe der Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS), die Erforschung seiner pharmakologischen Substanzbasis und die Förderung der modernen Anwendung der traditionellen chinesischen Medizin Caoguo.

Zur Extraktion des ätherischen Öls von Grasfrüchten wurden die Wasserdampfdestillationsmethode und die Ultraschallmethode mit organischen Lösungsmitteln verwendet und verglichen. Die Extraktionsbedingungen für das ätherische Öl aus Grasfrüchten wurden mit Hilfe von Einzelfaktoren, RSM und BP-ANN optimiert. Die optimalen Prozessparameter für die Wasserdampfdestillation und die Ultraschallmethode mit organischen Lösungsmitteln waren eine Einweichzeit von 53,00 Minuten, eine Destillationszeit von 72,00 Minuten, ein Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis von 11,00 ml/g, eine Ultraschallleistung von 150 W, eine Ultraschallzeit von 27 Minuten und ein Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis von 6,3 ml/g. Unter diesen Bedingungen betrugen die Extraktionsraten von ätherischem Grasfruchtöl 1,59% bzw. 3,70%. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das BP-ANN-Modell im Vergleich zum RSM-Modell sowohl bei der Optimierungsfähigkeit als auch bei der Vorhersagegenauigkeit besser abschneidet und die Vorhersagefähigkeit und -stabilität erheblich verbessern kann. Es hat eine hohe Durchführbarkeit und offensichtliche Vorteile bei der Behandlung von Mehrfaktorenproblemen.
Die Bestandteile des ätherischen Öls von Grasfrüchten, das durch Wasserdampfdestillation und Ultraschallverfahren mit organischen Lösungsmitteln extrahiert wurde, wurden mittels GC-MS mit 34 bzw. 43 Typen identifiziert und verglichen. Unter ihnen wurde festgestellt, dass 1,8-Eucalyptol einen höheren Gehalt hat, ebenso wie α-Carven, 4-Propylbenzaldehyd, trans-Citral, trans-2-Decenal, α-Terpineol, cis-Citral, β-Pinen, trans-Geraniol, cis-Geraniol, Acetat-Geraniol, (-) -4-Terpineol usw. Sein Hauptbestandteil, 1,8-Eucalyptol, kann eine wichtige Grundlage für seine pharmakologischen Wirkungen wie antibakterielle, antitumorale und antivirale Wirkungen sein. Der hohe Gehalt an ätherischem Grasfruchtöl birgt ein großes Entwicklungspotenzial. Die Forschung hat gezeigt, dass das ätherische Öl von Grasfrüchten mit dem SARS-CoV-2-Spike-Protein RBD in Aerosolen interagieren kann, die Interaktion zwischen RBD und hACE2 blockiert, ihre Bindung an Rezeptoren hemmt, Übertragungswege unterbricht und ein großes Potenzial für die Blockierung der Virus-Aerosolübertragung hat. Diese Studie kann neue Ideen für die weitere Entwicklung und Nutzung des ätherischen Öls von Grasfrüchten liefern, seine innovative Anwendung fördern und seinen Weg zur Modernisierung der traditionellen chinesischen Medizin erweitern.