桂花樹種子揮發(fā)油提取工藝創(chuàng)新性綜合教學實驗

蔣德敏，陳書鴻，黃承桃，李順梅

（重慶三峽學院環(huán)境與化學工程學院，重慶 404100）

“化工工藝學”是應用化學、化學工程與技術等本科專業(yè)的必修專業(yè)基礎課，其實驗課程是“化工工藝學”課程的重要組成部分，因此，“化工工藝實驗”通常作為一門獨立的綜合性實驗課程開設[1-2]。傳統(tǒng)工藝學是介紹產(chǎn)品的生產(chǎn)方法、過程原理、工藝流程以及所涉及的主要設備等[3]，絕大多數(shù)高校在教學實施過程中主要介紹典型產(chǎn)品的工藝流程，如合成氨的生產(chǎn)、石油產(chǎn)品的冶煉等[4-5]。對應的實驗部分主要研究其相關產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的經(jīng)典工藝與工程問題，因此“化工工藝實驗”是從產(chǎn)品生產(chǎn)的工程與工藝兩個角度出發(fā)，選擇經(jīng)典的工程與工藝要素，設計典型的工程與工藝操作實踐性實驗[6-7]。大部分地方院校在“化工工藝實驗”教學過程中仍采用傳統(tǒng)教學模式且多年不變，如學生課前預習、教師課中講解、學生按照實驗課本方案操作、教師點評、學生完成實驗報告、教師批改實驗報告等。傳統(tǒng)“化工工藝實驗”教學內(nèi)容較為陳舊，涉及專業(yè)課門類多，知識匯集量大，學生在學習過程中可操作性低，實踐性弱，導致學生學習難度大，嚴重影響學生學習的積極性。“化工工藝實驗”的教學目的是在教學實施過程中，學生通過實驗實踐操作印證和鞏固所學的專業(yè)理論知識，培養(yǎng)學生的基本操作技能，訓練學生的實驗方案設計和實施的能力[8]?！盎すに噷嶒灐苯虒W的基本內(nèi)容是選取合適的原材料，并按照一定的流程，通過合理的化學方法開展一系列的化學反應后得到有價值的化學產(chǎn)品[9]。

桂花系木犀科常綠灌木或小喬木，又名木犀、巖桂、九里香、金粟，原產(chǎn)于中國西南部，在四川、云南、廣西、廣東和湖北等地均有野生，其果實為紫黑色橢圓形。1985 年，劉玉蓮[10]對南京地區(qū)的桂花品種進行調(diào)查后提出了第一個桂花品種分類系統(tǒng)，將桂花品種分為四季桂、金桂、銀桂和丹桂4 個品種群。桂花園林觀賞價值高，可以食用，還具有抗氧化、保健等藥用價值[11-12]。桂花是我國特有的香料植物，廣泛應用于化妝品、香精香料、食品等行業(yè)。目前對桂花的研究報道中，大多是對桂花精油的化學成分分析和體外抗氧化作用的研究[13]。胡春弟等[14]對不同品種的桂花揮發(fā)油的化學成分進行了研究分析，發(fā)現(xiàn)金桂和丹桂揮發(fā)油中分別有50、45 種化學成分，占各自總含量的95.49%、92.28%。尹偉等[15]對桂花果實的化學成分進行研究分析，鑒定出23 種化合物。畢淑峰等[12]對桂花果實精油的化學組成進行分析，得到44 種成分。桂花樹被廣大院校作為風景綠化樹木栽培，桂花樹種子產(chǎn)量高，但是對桂花樹種子揮發(fā)油的提取相關研究報道卻很少。

鑒于此，我們設計了一個以重慶三峽學院校園中桂花樹種子揮發(fā)油提取工藝的創(chuàng)新性綜合實驗，并對提取工藝流程進行了探索，借以提升學生的學習興趣[16]。揮發(fā)油提取工藝實驗難易適中，操作簡單，實踐性強，實驗原材料來源于學生學習的生活環(huán)境，因此在實驗的教學實踐過程中學生參與的積極性很高。學生可以參與原材料收集、實驗操作、數(shù)據(jù)處理的全過程，通過化學工藝的選用以及總結，提高學生的工藝與工程意識，鞏固了學生的專業(yè)理論知識，鍛煉了學生的科學研究素養(yǎng)，培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力。

1 實驗目的

（1）了解常見揮發(fā)油的成分及其藥用價值。

（2）了解溶劑提取的基本原理、方法及其關鍵技術。

（3）掌握植物揮發(fā)油提取的工藝流程和要點。

（4）掌握溶劑提取裝置和回收裝置的組裝與拆卸。

（5）了解不同工藝參數(shù)對揮發(fā)油提取過程中出油率的影響。

2 原料與設備

無水乙醇、石油醚、環(huán)己烷、丙酮、正己烷等均購于重慶川東化工有限公司；桂花樹種子由學生摘自重慶三峽學院百安壩校區(qū)；實驗過程所用去離子水由實驗中心提供。

RS-FS1406 型粉碎機，合肥榮事達小家電有限公司；3 型恒溫加熱電熱套，鞏義市予華儀器有限責任公司；202A-0型電熱恒溫干燥箱，北京中興偉業(yè)儀器有限公司；AL204 型電子天平，梅特勒托利多儀器（上海）有限公司；CD-UPF-1 型超純水機，成都超純科技有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；304不銹鋼篩網(wǎng)，安平縣幫龍篩網(wǎng)廠。

3 實驗原理

種子揮發(fā)油溶劑提取實驗的基本原理是根據(jù)種子顆粒中揮發(fā)油組分在溶劑中的溶解性質(zhì)，選用對揮發(fā)油組分溶解度大，對其他成分溶解度小的溶劑，從而將揮發(fā)油組分從植物組織內(nèi)提取出來。將種子粉末顆粒加入到提取溶劑中時，由于溶劑擴散、滲透作用逐漸通過細胞壁透進到顆粒內(nèi)，植物組織內(nèi)的揮發(fā)油組分等親油性物質(zhì)溶解于提取溶劑中。親油性物質(zhì)溶解后造成顆粒內(nèi)外的濃度差，導致粉末顆粒內(nèi)的濃溶液不斷向粉末顆粒外擴散。在加熱作用下，溶劑又不斷進入種子粉末顆粒中，將粉末中揮發(fā)油組分攜帶出來。該過程循環(huán)往返數(shù)次，直至粉末顆粒內(nèi)外溶液濃度達到動態(tài)平衡。將此飽和溶液濾出后，種子粉末繼續(xù)與新溶劑混合，多次提取后就可以把所有的揮發(fā)油組分近于完全溶出或大部分提取出來。最后將所有提取液合并，將溶劑分離后得到桂花樹種子揮發(fā)油。

4 實驗方法

桂花樹種子揮發(fā)油提取工藝實驗包括原材料的收集準備、回流提取、溶劑回收等多個步驟，其工藝流程如圖1所示。

圖1 實驗工藝流程圖Fig.1 Experimental process diagram

學生自行在重慶三峽學院百安壩校區(qū)內(nèi)收集成熟的桂花樹種子，將成熟桂花種子采摘后去皮，用去離子水洗滌數(shù)次。將洗凈的種子放入恒溫干燥箱中于60℃干燥120 h。烘干后用粉碎機將其粉碎，篩分后備用。

采用回流裝置提取桂花樹種子揮發(fā)油。用電子天平稱取桂花種子粉末40 g，放置于500 mL圓底燒瓶中，加入一定量的提取溶劑，浸泡30 min 后開始升溫。當升溫至圓底燒瓶中溶劑微沸后，恒溫加熱一段時間，冷卻后過濾即可。將過濾后的提取液倒入圓底燒瓶中，放入少許沸石后加熱。當溫度計顯示溫度達到溶劑沸點溫度時開始收集回收溶劑，當溫度計顯示溫度開始高于溶劑沸點溫度時停止加熱。提取液在溶劑回收后得到桂花樹種子揮發(fā)油。

5 數(shù)據(jù)處理

桂花樹種子揮發(fā)油的出油率計算公式如下：

式中：M0為溶劑提取前種子粉末的質(zhì)量；Mt為提取揮發(fā)油的質(zhì)量。

6 結果與討論

6.1 提取溶劑的影響

桂花種子粉末40 g，溶劑體積為80 mL，溶劑沸騰后計時，恒溫加熱3 h，溶劑分別為無水乙醇、石油醚、環(huán)己烷、丙酮、正己烷，研究溶劑種類對提取時出油率的影響，研究結果如圖2所示。從圖2可得，無水乙醇的出油率最高，環(huán)己烷和丙酮的出油率接近，正己烷和石油醚的出油率較低。無水乙醇所提取的種子油隔夜后變?yōu)楦酄铙w。無水乙醇含有羥基官能團，能將桂花種子中多羥基物質(zhì)共同提取到油中，影響揮發(fā)油品質(zhì)的后續(xù)純化，故不采用無水乙醇作溶劑。環(huán)己烷的出油率高于其他三種溶劑的出油率，本研究中采用環(huán)己烷做溶劑。通過對不同溶劑提取實驗的結果分析，學生掌握了提取劑的選擇原理與方法。

圖2 溶劑種類對出油率的影響Fig.2 The effect of solvent type on the oil yield

6.2 提取時間的影響

桂花種子粉末40 g，80 mL 環(huán)己烷作溶劑，溶劑沸騰后計時，恒溫加熱時間分別為0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h，研究提取時間對出油率的影響，研究結果如圖3所示。從圖3 可得，出油率隨恒溫時間的延長而增加，當恒溫時間超過1 h后，出油率的增加量放緩。因種子內(nèi)揮發(fā)油組分都為有機物，相關物質(zhì)的極性較弱。根據(jù)相似相溶原理，揮發(fā)油組分在環(huán)己烷中的相容性強，因此從桂花樹種子粉末中的揮發(fā)油組分能快速轉(zhuǎn)移到溶劑中。當提取時間繼續(xù)延長，其出油率增加量減少，因此，環(huán)己烷溶劑提取桂花樹種子粉末中的揮發(fā)油的提取時間選擇2 h為宜。

圖3 恒溫時間對出油率的影響Fig.3 The effect of constant temperature time on the oil yield

6.3 提取液固比的影響

桂花種子粉末40 g，溶劑沸騰后計時，恒溫加熱時間分別為2 h，環(huán)己烷的體積分別為40 mL、80 mL、120 mL、160 mL、200 mL，研究提取時液固比（液體體積∶固體質(zhì)量）對出油率的影響，研究結果如圖4 所示。從圖4 可得，當液固比小于2 時，桂花樹種子粉末的出油率隨液固比的增加而提高，當液固比超過2 后，桂花樹種子粉末的出油率隨液固比的增加反而降低，因此，桂花樹種子粉末中揮發(fā)油的出油率在液固比為2時最高。液固比較低時，增加環(huán)己烷的體積可以降低環(huán)己烷溶劑中揮發(fā)油組分的濃度，從而提高了濃度差，有利于種子粉末中的揮發(fā)油組分向環(huán)己烷中轉(zhuǎn)移；當液固比超過2 后，繼續(xù)增加液固比時反而導致出油率下降，其原因是在回收環(huán)己烷時，揮發(fā)油中易揮發(fā)組分隨環(huán)己烷一起流失，從而導致其出油率下降。綜上所述，在此實驗條件下，液固比為2 為宜，即桂花種子粉末40 g 對應80 mL環(huán)己烷。

圖4 提取液固比對出油率的影響Fig.4 The effect of liquid-solid ratio on the oil yield

6.4 桂花樹種子粉末顆粒大小的影響

桂花種子粉末40 g，環(huán)己烷的體積為40 mL，溶劑沸騰后恒溫加熱時間分別為2 h，桂花樹種子粉末顆粒粒徑分別為10目、20目、40目、60目、80目和100目，研究種子粉末顆粒大小對出油率的影響，結果如圖5 所示。從圖5可得，桂花樹種子粉末的出油率隨粉末顆粒直徑的減小而提高。種子內(nèi)的揮發(fā)油屬于油溶性物質(zhì)，存在于種子細胞內(nèi)，在提取過程中顆粒越小，揮發(fā)油擴散到溶劑中的傳質(zhì)阻力越小。因此減小粉末顆粒粒徑，有利于顆粒內(nèi)部的揮發(fā)油向提取溶劑中擴散，從而提高其出油率。當粒徑超過80 目后基本保持不變，因此種子粉末粒徑選擇80為宜。

圖5 粉末顆粒大小對出油率的影響Fig. 5 The effect of powder particle size on the oil yield

7 總結

本實驗通過研究桂花樹種子揮發(fā)油提取工藝中4種因素對出油率的影響，借以提升學生的學習興趣，旨在向化工專業(yè)學生介紹溶劑提取的基本原理和工藝流程，以拓展化工類學生的工程應用視野。通過桂花樹種子揮發(fā)油提取工藝綜合實驗的實踐操作學習，學生可以掌握溶劑提取工藝流程和要點，了解不同工藝參數(shù)對揮發(fā)油提取過程中出油率的影響，掌握溶劑提取的基本原理與方法。實驗課前下發(fā)實驗預習要求，促進學生自主學習與探索的積極性，借以培養(yǎng)學生探索問題、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力。開設本綜合實驗對于提高學生學習的積極性具有顯著的促進作用，尤其是學生能夠全程參與，學生的參與度高，互動性強。在綜合實驗的教學實施過程中培養(yǎng)了學生工程理念，增強了學生的化工工藝意識。