花葉艷山姜葉片精油提取工藝優(yōu)化

陳建煙 李欣欣 余雪芳等

摘 要 以花葉艷山姜葉片為材料，采用水蒸氣蒸餾法，對(duì)其精油提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)蒸餾時(shí)間、浸泡時(shí)間、料液比和氯化鈉濃度4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)。結(jié)果表明，各因素對(duì)精油得率都有影響，影響大小順序?yàn)椋赫麴s時(shí)間>料液比>氯化鈉濃度>浸泡時(shí)間。同時(shí)確定了最優(yōu)提取工藝條件為蒸餾時(shí)間1.5 h、料液比1 ∶ 6、浸泡時(shí)間30 min和氯化鈉濃度1.5%，在此條件下精油得率為0.216%。

關(guān)鍵詞 花葉艷山姜；精油；水蒸氣蒸餾；工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào) Q946.85；S682.36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

植物精油是一類植物次生代謝產(chǎn)物的萃取物，可隨水蒸氣蒸出。許多植物精油及其成分除具香氣外，還有抗癌、抗炎癥、抗病毒、抗氧化、抗真菌和抗蟲等多種生物活性[1-8]，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、果蔬保鮮、日化工業(yè)和農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

花葉艷山姜（Alpinia zerumbet‘Variegata）是姜科（Zingiberaceae）山姜屬（Alpinia）植物。花葉艷山姜是艷山姜的主要園藝栽培品種，據(jù)報(bào)道艷山姜葉片精油具有多種生物活性[9-14]，但關(guān)于花葉艷山姜葉片精油的研究極少?；ㄈ~艷山姜葉片具有抗氧化和抑菌活性[15-16]，并具獨(dú)特香氣，適應(yīng)性強(qiáng)，資源豐富，可作為提取植物精油的優(yōu)選材料。花葉艷山姜葉片精油具有廣闊的開發(fā)前景，不僅可應(yīng)用于化妝品領(lǐng)域，并還有望應(yīng)用于其它許多領(lǐng)域，因此對(duì)其進(jìn)行提取并加以研究利用具有重要的實(shí)用意義。但目前花葉艷山姜主要作為觀賞之用，對(duì)其利用非常有限，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

精油提取最傳統(tǒng)的方法是水蒸氣蒸餾法，此外還有溶劑萃取法、微波萃取法、超臨界萃取法等。相較于其它方法，水蒸氣蒸餾法以蒸餾水為溶劑，安全環(huán)保成本低廉，設(shè)備簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單，易于工藝條件放大，利于實(shí)際生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。本研究選取花葉艷山姜葉片為材料，并采用水蒸氣蒸餾法對(duì)其進(jìn)行精油提取工藝的優(yōu)化，以期為其進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

試驗(yàn)材料：新鮮花葉艷山姜葉片取自福建農(nóng)林大學(xué)，選取新鮮無(wú)病葉片洗凈，晾干葉片表面水分，剪碎，置于-20 ℃條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

試驗(yàn)試劑：氯化鈉（分析純級(jí)）。

試驗(yàn)儀器：精油提取器（上海滿賢經(jīng)貿(mào)有限公司）；CP2102電子天平（OHAUS公司）；98-1-B電子調(diào)溫電熱套（天津市泰斯特儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 精油提取方法 取100 g處理好的花葉艷山姜葉片于圓底燒瓶中，依據(jù)試驗(yàn)條件加入一定量的蒸餾水及氯化鈉，浸泡，于精油提取器中蒸餾提取，提取完成后靜置，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取精油體積讀數(shù)，計(jì)算得率。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次。

精油得率=×100%

1.2.2 單因素試驗(yàn) 選取蒸餾時(shí)間、料液比、浸泡時(shí)間和氯化鈉濃度4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，按1.2.1方法進(jìn)行提取，并以精油得率為指標(biāo)進(jìn)行考察。其中蒸餾時(shí)間選取0.25、0.5、1、2、3、4、5 h等7個(gè)水平，料液比選取1 ∶ 4、1 ∶ 5、1 ∶ 6、1 ∶ 7、1 ∶ 8 5個(gè)水平，浸泡時(shí)間選取0、30、60、90、120 min 5個(gè)水平，氯化鈉濃度選取0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 5個(gè)水平。

1.2.3 正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化提取工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 蒸餾時(shí)間對(duì)精油得率的影響 不同蒸餾時(shí)間處理，在前4 h內(nèi)，隨著蒸餾時(shí)間的延長(zhǎng)，花葉艷山姜葉片精油得率也隨之增高，并在4 h時(shí)達(dá)到最高；但蒸餾時(shí)間5 h得率反而下降。前4 h內(nèi)隨著蒸餾時(shí)間的延長(zhǎng)，葉片中所含精油被逐漸提取完全，故得率上升；而之后更長(zhǎng)時(shí)間的高溫蒸餾可能導(dǎo)致成分揮發(fā)損失增加或某些成分的破壞，故其得率又下降。

2.1.2 浸泡時(shí)間對(duì)精油得率的影響 固定其它提取條件，考察不同浸泡時(shí)間對(duì)花葉艷山姜葉片精油得率的影響。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，花葉艷山姜葉片精油得率先升后降，在浸泡時(shí)間30 min時(shí)得率達(dá)到最高，之后隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，精油得率逐漸降低；并在浸泡120 min時(shí)與浸泡30 min結(jié)果差異顯著不同浸泡時(shí)間下花葉艷山姜葉片精油得率先升后降的可能原因是：一定時(shí)間（前30 min內(nèi)）的浸泡有利細(xì)胞內(nèi)外溶液的動(dòng)態(tài)交換，從而有利精油提??；但更長(zhǎng)時(shí)間的浸泡可能引起部分精油成分的揮發(fā)或水解[17]，造成得率的下降。

2.1.3 料液比對(duì)精油得率的影響 固定其它提取條件，考察不同料液比對(duì)花葉艷山姜葉片精油得率的影響。結(jié)果表明，隨著料液比的增大，精油得率逐漸增加；料液比1 ∶ 4時(shí)精油得率最低，并與料液比1 ∶ 7和1 ∶ 8的得率差異顯著。隨著料液比的增大，增多的溶劑降低了精油濃度，增加了兩者的接觸面積，提高了傳質(zhì)速率[18]，利于精油提取，從而增加精油得率；這可能是花葉艷山姜葉片精油得率隨料液比增大而升高的原因。

2.1.4 氯化鈉濃度對(duì)精油得率的影響 不同氯化鈉濃度下花葉艷山姜葉片精油得率結(jié)果顯示，在0～1.5%氯化鈉濃度范圍內(nèi)，花葉艷山姜葉片精油得率逐漸增大，在1.5%濃度時(shí)得率最大，并與0和0.5%濃度的得率差異顯著；而之后氯化鈉濃度繼續(xù)增加，精油得率反而有所下降。一定濃度的氯化鈉溶液一方面可改變?nèi)~片細(xì)胞滲透壓，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)精油釋放到溶液中，另一方面還可降低精油在水中的溶解度[19]，因此有利于精油提取，故在0～1.5%氯化鈉濃度范圍內(nèi)花葉艷山姜葉片精油得率逐漸升高。但過高濃度的氯化鈉溶液可能使胞內(nèi)其它物質(zhì)過多釋放到溶液中，一定程度上阻滯了精油的提取，故精油得率又下降。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)對(duì)花葉艷山姜葉片精油提取工藝進(jìn)一步優(yōu)化，以確定其在試驗(yàn)范圍內(nèi)的最佳工藝條件。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，精油得率在蒸餾0.5 h后增加不顯著，且長(zhǎng)時(shí)間的蒸餾不僅耗電而且可能造成某些成分的破壞，從經(jīng)濟(jì)省時(shí)角度出發(fā)，選取0.5、1、1.5 h 3個(gè)水平繼續(xù)條件優(yōu)化。料液比1 ∶ 5之后，精油得率之間差異不顯著，過高的料液比不僅浪費(fèi)水資源且蒸餾過程易暴沸，因此本著節(jié)約易行的原則，正交試驗(yàn)選取料液比1 ∶ 5、1 ∶ 6和1 ∶ 7 3個(gè)水平。試驗(yàn)結(jié)果表明，在9組試驗(yàn)中，2號(hào)試驗(yàn)精油得率最高為0.216%，其組合為A1B2C2D2即蒸餾時(shí)間1.5 h、料液比1 ∶ 6、浸泡時(shí)間30 min和1.5%氯化鈉是幾組試驗(yàn)中的最優(yōu)條件；而從每列K值大小預(yù)測(cè)本試驗(yàn)的最優(yōu)組合為A1B2C2D2，這與2號(hào)試驗(yàn)結(jié)果相符，說(shuō)明A1B2C2D2組合是本試驗(yàn)考察范圍內(nèi)的最優(yōu)條件（表2）。極差（R）結(jié)果為RA>RB>RD>RC，表明這4個(gè)因素對(duì)花葉艷山姜葉片精油得率的影響程度不同，其影響大小順序?yàn)椋赫麴s時(shí)間>料液比>氯化鈉濃度>浸泡時(shí)間。可見，蒸餾時(shí)間對(duì)精油得率影響尤為關(guān)鍵，其次是料液比，而浸泡時(shí)間影響較小。

3 討論與結(jié)論

許多植物葉片精油往往需要較長(zhǎng)時(shí)間的浸泡和蒸餾才能提取完全，戴余軍等[19]對(duì)香柏葉片精油提取工藝進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其最佳提取工藝中浸泡時(shí)間為6 h，明顯高于本研究最佳浸泡時(shí)間（30 min）。馬尾松松針精油得率在蒸餾3 h后變化不明顯[17]，而花葉艷山姜葉片精油得率在蒸餾0.5 h時(shí)為0.191%，已達(dá)蒸餾4 h時(shí)（0.213%）的89.67%，且之后得率增加不顯著。這可能與花葉艷山姜葉片所含精油成分沸點(diǎn)較低，易在短時(shí)間內(nèi)被蒸餾揮發(fā)而提取有關(guān)。兩者葉片結(jié)構(gòu)的差異也可能導(dǎo)致所需提取時(shí)間不同。此外，本研究在處理材料時(shí)將其剪碎，受損的葉片細(xì)胞可能利于精油釋放到溶液中而被快速提取。

本研究中最優(yōu)氯化鈉溶液濃度為1.5%，而香柏葉片精油提取中4%的氯化鈉濃度最優(yōu)[19]。氯化鈉在精油提取中可通過增加離子濃度改變細(xì)胞滲透壓從而促進(jìn)精油滲出，此外還可增加溶液濃度降低精油溶解度以利提取。不同植物細(xì)胞耐鹽力不同，因此利于精油滲出的氯化鈉濃度也有所不同，這可能是導(dǎo)致花葉艷山姜與香柏葉片精油提取最優(yōu)氯化鈉濃度差異的原因。由于氯化鈉在精油提取中的主要作用是增加離子濃度，因此也可選用其它添加劑作為離子來(lái)源如氯化鉀、氯化鈣等。彭黎花等[20]通過添加不同化合物（氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀等）研究其對(duì)柑橘精油出油率的影響，結(jié)果表明氯化鈉效果最優(yōu)。可見氯化鈉對(duì)精油提取增效好，且其價(jià)廉易得，因此最常作為精油提取的離子添加劑。除了本研究所選取的各因素外，其它因素如材料的破碎程度、葉片的老嫩程度和材料的產(chǎn)地等也會(huì)對(duì)精油得率產(chǎn)生影響，這些因素可作為今后進(jìn)一步優(yōu)化花葉艷山姜葉片精油提取工藝的考察條件。

通過優(yōu)化，本研究確定了在考察范圍內(nèi)花葉艷山姜葉片精油的最優(yōu)提取條件為蒸餾時(shí)間1.5 h、料液比1 ∶ 6、浸泡時(shí)間30 min和1.5%氯化鈉濃度，在此條件下得率為0.216%。本研究結(jié)果可為花葉艷山姜葉片精油進(jìn)一步開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)，具有重要的理論及實(shí)際應(yīng)用意義。

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責(zé)任編輯：葉慶亮