Оптимизация процесса экстракции и компонентный анализ эфирного масла плодов травы
Amomum tsao ko - многолетнее травянистое растение семейства имбирных и рода кардамон. Это традиционное лекарственное и съедобное растение в Китае, распространенное в основном в Юньнани, Гуйчжоу, Сычуани и западной части Гуанси. Аромат травы и плодов в последние годы неоднократно использовался в рецептах для профилактики эпидемий, так как он помогает очистить организм, разогнать сырость и оживить селезенку. В плане лечения по ТКМ "Диагностика и лечение новой коронавирусной пневмонии" легкие, обычные и тяжелые рецепты содержат применение Caoguo. Частота использования начальных клинических рецептов достигла 46,43%, а частота использования среднесрочных клинических рецептов достигла 24,00%, что делает его одним из препаратов с высокой частотой использования. Плоды травы богаты различными химическими компонентами с фармакологическим действием, в основном летучими маслами, а также фенолами, стероидами и т.д. Летучее эфирное масло плодов травы, как основное действующее вещество плодов травы, в основном включает такие соединения, как фенилпропаноиды, сесквитерпены, монотерпены и жирные кислоты, которые обладают фармакологическим действием, таким как антиоксидантное, антибактериальное, противоопухолевое, противовирусное, противоастматическое и отхаркивающее.

К распространенным методам извлечения эфирного масла из плодов травы относятся экстракция с помощью микроволн, экстракция сверхкритическим диоксидом углерода, экстракция органическими растворителями, экстракция с помощью ультразвука, паровая дистилляция и т.д. Наиболее представительным методом экстракции с использованием микроволн является метод экстракции без растворителя, который оптимизирует процесс экстракции эфирного масла плодов травы путем изучения таких условий, как мощность микроволн, время микроволнового излучения и температура экстракции. Хотя этот метод имеет такие преимущества, как короткое время экстракции и низкое потребление энергии, он также сталкивается с проблемой трудностей в индустриализации. Сверхкритическая экстракция CO2 обычно требует учета таких факторов, как давление экстракции, температура экстракции, время экстракции, скорость потока CO2 и т.д., и предъявляет высокие требования к оборудованию. Метод паровой дистилляции - наиболее часто используемый метод извлечения эфирного масла из плодов травы, который прост, безопасен и подходит для извлечения летучих компонентов с высокой температурой кипения, нерастворимых или малорастворимых в воде. Ультразвуковой метод обычно сочетается с методом экстракции органическими растворителями и называется ультразвуковым (вспомогательным) методом экстракции органическими растворителями. Оптимальные параметры процесса определяются путем выбора типа экстрагирующего растворителя, мощности ультразвука, времени экстракции и температуры экстракции. Для определения оптимальных условий экстракции в исследованиях часто используются различные методы оптимизации. В последние годы наиболее часто используется модель методологии поверхности отклика (RSM), и большое количество данных было получено в результате экспериментальной разработки и практической эксплуатации. Оптимальные условия определяются путем подгонки функции и создания модели с помощью нескольких квадратичных уравнений линейной регрессии. С развитием алгоритмов модели искусственных нейронных сетей с обратным распространением (BP-ANN) стали мощными инструментами для оптимизации процессов добычи благодаря их превосходной подгонке, точности и способности к прогнозированию. Эта модель хорошо справляется с зашумленными и отсутствующими данными и может обучаться на основе экспериментальных данных. Модель BP-ANN обладает высокой точностью в предсказании скорости извлечения и сильной оптимизационной способностью в подгонке экспериментальных данных; она имеет беспрецедентные преимущества перед моделями RSM в многофакторных и многоуровневых экспериментах по оптимизации. Комбинируя генетический алгоритм (ГА), можно добиться глобальной оптимизации для получения оптимальных условий процесса. В предыдущих исследованиях редко использовался метод BP-ANN для оптимизации процесса экстракции эфирного масла плодов травы. Этот метод оптимизации может послужить теоретической основой для последующих работ.

В данном исследовании для извлечения эфирных масел из плодов травы использовались метод паровой дистилляции и ультразвуковой метод органического растворителя. В этом эксперименте экстрактор эфирных масел, используемый для извлечения эфирных масел из плодов травы методом паровой дистилляции, был усовершенствован для снижения температуры конденсирующейся части в процессе экстракции. Путем проведения однофакторных экспериментов, оптимизации условий экстракции с помощью RSM и BP-ANN и сравнения оптимизированных моделей были получены оптимальные параметры процесса, что позволило обеспечить поддержку данных для эффективного извлечения и точного применения эфирного масла плодов травы; путем анализа состава эфирного масла в Caoguo с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС), изучения его фармакологической основы и содействия современному применению традиционной китайской медицины Caoguo.

Для извлечения эфирного масла плодов травы использовались и сравнивались метод паровой дистилляции и метод ультразвуковой обработки органических растворителей. Условия экстракции эфирного масла плодов травы были оптимизированы с помощью однофакторного метода, RSM и BP-ANN. Оптимальными параметрами процесса для паровой дистилляции и ультразвукового метода органического растворителя были время выдержки 53,00 мин, время дистилляции 72,00 мин, соотношение жидкость-твердое 11,00 мл/г, мощность ультразвука 150 Вт, время ультразвука 27 мин, соотношение жидкость-твердое 6,3 мл/г. В этих условиях степень извлечения эфирного масла плодов травы составила 1,59% и 3,70%, соответственно. Экспериментальные результаты показывают, что по сравнению с моделью RSM модель BP-ANN обладает лучшими характеристиками как по способности к оптимизации, так и по точности прогнозирования, и может значительно улучшить способность к прогнозированию и стабильность. Она обладает высокой реализуемостью и очевидными преимуществами при решении многофакторных задач.
Компоненты эфирного масла плодов травы, выделенные методом паровой дистилляции и ультразвуковым методом органических растворителей, были идентифицированы и сопоставлены с помощью ГХ-МС и составили 34 и 43 типа, соответственно. Среди них более высоким оказалось содержание 1,8-эвкалиптола, а также α-карвацена, 4-пропилбензальдегида, транс-цитраля, транс-2-деценаля, α-терпинеола, цис-цитраля, β-пинена, транс-гераниола, цис-гераниола, ацетата гераниола, (-)-4-терпинеола и др. Его главный компонент, 1,8-эвкалиптол, может быть важной основой для фармакологических эффектов, таких как антибактериальное, противоопухолевое и противовирусное действие. Эфирное масло плодов травы имеет высокое содержание и обладает большим потенциалом для развития. Исследования показали, что эфирное масло плодов травы может взаимодействовать со спайковым белком RBD в аэрозолях SARS-CoV-2, блокировать взаимодействие между RBD и hACE2, ингибировать их связывание с рецепторами, перекрывать пути передачи и иметь большой потенциал в блокировании аэрозольной передачи вируса. Это исследование может дать новые идеи для дальнейшего развития и использования эфирного масла плодов травы, способствовать инновациям в его применении и расширить его путь к модернизации традиционной китайской медицины.