響應面法優(yōu)化水蒸氣蒸餾提取牡丹根皮揮發(fā)油工藝＊

李星元，王 正，趙 奎，梁旭華

（商洛學院 生物醫(yī)藥與食品工程學院，陜西 商洛726000）

1 引言

牡丹皮為毛茛科植物牡丹的干燥根皮，藥用歷史悠久，藥性微寒，味辛、苦，歸心、肝、腎經，具清熱涼血，活血化瘀之功效，還有抗腫瘤、抗心律失常、增強免疫力和保護腦組織缺血的作用[1-2]。牡丹皮的藥用成分為揮發(fā)油，主要含萜類、烷烴、烯烴、醇類、酯類、含羥基類和羧基類物質，具有抗炎、抗過敏、抗微生物、抗癌、酶抑制等多種生物活性，在醫(yī)藥化學、食品、化妝品等行業(yè)廣泛應用[3]。揮發(fā)油具有特殊香味，提取后的揮發(fā)油呈淡黃色油狀液體，常溫下可揮發(fā)，可依據(jù)香味來評價提取品質。

國內外對揮發(fā)油的提取方法和工藝進行了大量探索，開發(fā)出水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法、超聲波輔助提取法等經典提取方法。姚琰[4]采用共水蒸餾法、間接水蒸氣蒸餾法、超臨界CO2萃取法等不同方法對牡丹揮發(fā)油進行提取，結果證明水蒸氣蒸餾法最終揮發(fā)油得率高，且實驗操作簡便、重復性好。盡管如此，由于揮發(fā)油成分復雜，各種提取方法對不同揮發(fā)油的提取在工藝上也存在較大區(qū)別。

本課題研究擬采用水蒸氣蒸餾法提取牡丹根皮中的揮發(fā)油，并采用響應面法對提取工藝進行優(yōu)化，以牡丹根皮揮發(fā)油提取率作為曲面實驗中的響應值，對水蒸氣蒸餾法提取牡丹根皮揮發(fā)油的最佳提取工藝進行了探索。

2 材料與方法

2.1 材料與試劑

牡丹根皮，由商洛市旭初農林開發(fā)有限公司提供；乙醇、硫酸鈉等試劑均為國產分析純，購自西安天易化玻試劑有限公司；去離子水為實驗室自制。

實驗所用到的材料如下：KDM 型可調式電熱套（江蘇其樂電子科技有限公司）、KQ-250E 型超聲波清洗機（昆山市超聲儀器有限公司）、S-114 型電子天平（丹佛儀器北京有限公司）、DHG-9123A 型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海齊欣科學儀器有限公司）、GG-17 型揮發(fā)油提取器（清揚儀器有限公司）。

2.2 水蒸氣蒸餾法提取牡丹根皮揮發(fā)油

準確稱取40 g 牡丹根皮粉末，置于1 L 的圓底燒瓶中，加入適量人造沸石，按單因素實驗設計的料液比加入蒸餾水，浸泡4 h，轉移至電熱套進行加熱，同時進行冷凝回流。在分離器刻度管中加入蒸餾水與刻度線齊平，水蒸氣隨著沸騰進入冷凝管冷卻，隨后進入油水分離器，進行油水分離。將獲得的揮發(fā)油收集在一起，利用微量進樣器吸出精油底部的水珠，將上述精油通過裝有Na2SO4的干燥器將得到純精油，測量其體積，利用揮發(fā)油密度得出揮發(fā)油質量后轉入精油瓶，并保存?zhèn)溆?。利用揮發(fā)油的質量和原料的比值計算揮發(fā)油提取率[5]。

2.3 單因素實驗

2．3．1 液料比對揮發(fā)油提取率的影響

準確稱取40 g 牡丹根皮粉末分別置于5 個1 000 mL 的圓底燒瓶中，在提取時間4 h、提取溫度100 ℃的條件下，確定液料比為（V水∶V丹皮）2，4，6，8，10 等與牡丹根皮揮發(fā)油得率的關系，考察液料比對精油得率的影響，確定最優(yōu)液料比的區(qū)間。

2．3．2 提取時間對揮發(fā)油提取率的影響

準確稱取40 g 牡丹根皮粉末分別置于5 個1 000 mL 的圓底燒瓶中，在液料比為4、提取溫度100 ℃的條件下，確定提取時間為1 h、2 h、4 h、6 h、8 h 等與牡丹根皮揮發(fā)油得率的關系，考察提取時間對精油得率的影響，確定最優(yōu)提取時間的區(qū)間。

2．3．3 提取溫度對揮發(fā)油提取率的影響

準確稱取40 g 牡丹根皮粉末分別置于5 個1 000 mL 的圓底燒瓶中，在液料比為4、提取時間4 h 的條件下，確定提取溫度為80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃等與牡丹根皮揮發(fā)油得率的關系，考察提取溫度對精油得率的影響，確定最優(yōu)提取溫度的區(qū)間。

2.4 響應面試驗設計

采用響應面法對提取工藝進行優(yōu)化，以揮發(fā)油提取率為曲面實驗的響應值，依據(jù)單因素實驗所得出來的結果，選取液料比、提取時間、提取溫度這3 個主要影響因素作為自變量，進行中心組合設計（CCD），并對牡丹根皮揮發(fā)油的提取工藝進行優(yōu)化，按照相同條件做3 次實驗進行對照，因素水平如表1 所示。

表1 響應面實驗因素水平表

3 結果與分析

3.1 單因素分析

3．1．1 液料比對牡丹根皮揮發(fā)油提取率的影響

不同液料比對牡丹根皮揮發(fā)油提取率的影響如表2所示。

表2 不同液料比條件下的揮發(fā)油提取率

由表2 可知，當液料比從2∶1 增加到4∶1 時，揮發(fā)油的出油率不斷上升，而在液料比超過4∶1 時，揮發(fā)油的得率卻隨著液料比的增大而下降。其原因可能是液料比較小時，材料浸泡不完全，同時，材料吸收提取液導致表面溫度比提取環(huán)境溫度高，而使揮發(fā)油出油率降低；而液料比過大，溶于水中的揮發(fā)油的量就會增加，使出油率下降，這樣會浪費材料。因此，揮發(fā)油合適的液料比范圍為2～6。

3．1．2 提取時間對牡丹根皮揮發(fā)油提取率的影響

不同提取時間條件下的揮發(fā)油提取率如表3 所示，提取時間在4 h 之前，揮發(fā)油得率隨著提取時間的推移而提升；而當提取時間到4 h 以后，出油率反而下降，這是因為牡丹根皮揮發(fā)油已基本被蒸餾出來，再延長提取時間，牡丹根皮揮發(fā)油提取率不會提升，反而會下降。因為牡丹根皮揮發(fā)油是容易揮發(fā)的物質，長時間提取會導致?lián)]發(fā)油的揮發(fā)而使揮發(fā)油損失，而且還會增加生產成本，而短時間提取使揮發(fā)油提取不完全。本實驗揮發(fā)油提取時間的合適范圍為2～6 h。

表3 不同提取時間條件下的揮發(fā)油提取率

3．1．3 提取溫度對牡丹根皮揮發(fā)油提取率的影響

不同提取溫度條件下的揮發(fā)油提取率如表4 所示。當提取溫度范圍在80～100 ℃時，隨著提取溫度升高，牡丹根皮揮發(fā)油提取率也隨之上升；在90～100 ℃時提取率上升幅度最大；在提取溫度到達100 ℃時，提取率達到最大，而在溫度超過100 ℃后提取率反而隨著溫度的升高而不斷降低。這是因為溫度過低達不到溶劑的沸點，不能使溶于其中的揮發(fā)油揮出，使出油率變低；而溫度過高會使揮發(fā)油不斷揮發(fā)，同樣會影響揮發(fā)油提取率。本實驗中牡丹根皮揮發(fā)油提取溫度的范圍為90～110 ℃。

表4 不同提取溫度條件下的揮發(fā)油提取率

3.2 響應面實驗結果及曲面分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，軟件最終得到的3D 響應面圖及等高線圖如圖1、圖2、圖3 所示，響應面可以很直觀地反映出提取溫度、液料比、提取時間對牡丹根皮揮發(fā)油提取率的影響。在測試范圍內，隨著3 個因素所起的作用增大（變化），揮發(fā)油得率呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢，表明提取溫度、液料比、提取時間在測試范圍內具有相互影響作用。

圖1 提取時間和料液比對揮發(fā)油提取率的影響

圖2 提取溫度和料液比對揮發(fā)油提取率的影響

圖3 提取溫度和提取時間對揮發(fā)油提取率的影響

響應面曲面斜率越大說明對應的因素對提取影響越顯著，綜合觀察發(fā)現(xiàn)，提取溫度對揮發(fā)油提取影響最大，液料比次之。運用Design-expert 軟件對模擬模型進行預測，得出紅揮發(fā)油提取最佳工藝為：提取溫度100 ℃、液料比4∶1、提取時間4 h。在此條件下，揮發(fā)油得率為2.12%，實際值與理論值基本相符，說明模型對牡丹根皮揮發(fā)油提取工藝條件參數(shù)優(yōu)化可行。

4 結論

本實驗通過采用水蒸氣蒸餾法對牡丹根皮揮發(fā)油進行提取，并利用響應面分析法進行優(yōu)化，得到牡丹根皮揮發(fā)油的最佳提取工藝條件液料比為4∶1、提取溫度為100 ℃、提取時間為4 h，在該條件下牡丹根皮揮發(fā)油提取率達到2.12%。相比于武子敬等人[6]提取所得的0.5%的揮發(fā)油得率，本研究的最終揮發(fā)油得率大大提高，而且水蒸氣蒸餾法容易操作，本實驗對其進行優(yōu)化，提升了該方法的揮發(fā)油得率，使其可以得到廣泛應用，為將來丹皮藥材的開發(fā)利用提供了有效數(shù)據(jù)。