響應(yīng)面法優(yōu)化竹葉精油的微波輔助提取工藝

楊 蘭，吳 肖，甘 羿

(1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300;2.廣東匯香源生物科技股份有限公司，廣東廣州510663)

響應(yīng)面法優(yōu)化竹葉精油的微波輔助提取工藝

楊 蘭1，吳 肖2，甘 羿2

(1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300;2.廣東匯香源生物科技股份有限公司，廣東廣州510663)

目的:探討通過微波輔助水蒸汽蒸餾法提取竹葉精油的工藝。方法:考察液固比、輻射功率、輻射時間等單因素對精油提取率的影響，并用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化，再對優(yōu)化方案進(jìn)行驗證。結(jié)論:液固比30∶1，輻射功率560W，輻射時間280s。結(jié)果:此條件下竹葉精油提取率可達(dá)0.589%。

竹葉精油，微波輔助提取，響應(yīng)面分析法

Abstract:Object:the optimization of extraction conditions for essential oil from bamboo leaves were studied.Method:Effects of ratio of liquid－to－solid，microwave power and irradiation time were investigated.Results:Results of response surface analysis showed that the optimum conditions were as follows:the ratio of liquid－to－solid was 30∶1，microwave power was 560W and irradiation time was 280s.Conclusion:The highest extraction rate of 0.589%was obtained.

Key words:essential oil from bamboo leaves;microwave－assisted extraction;response surface analysis

竹子是禾本科(Poaceae)竹亞科(Bambusoidae)多年生常綠植物，全世界約有65屬1250多種，主要分布于亞洲。中國素有“竹子王國”之稱，種類、面積和竹材產(chǎn)量均占世界1/3左右［1］。日本的柴田等［2］對竹葉提取物進(jìn)行的藥理學(xué)研究表明，竹葉提取物對食道、膀胱、腎臟、肺、肝和子宮癌的療效顯著。而韓國學(xué)者Sook［3］的研究結(jié)果則表明，毛竹葉精油對革蘭氏陰性菌的抑制作用優(yōu)于其對革蘭氏陽性菌的抑制作用。近年來，享有“液體黃金”美譽(yù)之稱的天然什物精油已被廣泛用于醫(yī)療保健、化妝美容、食品工業(yè)等方面［4］，為此加大力度開發(fā)我國豐富的竹葉資源、提高其附加價值，尤其是竹葉精油具有十分重要的意義。常用的傳統(tǒng)精油提取方法是水蒸汽蒸餾或結(jié)合有機(jī)溶劑萃取的方法來獲取精油，提取過程中要使用大量的有機(jī)溶劑，不但增加了生產(chǎn)成本，而且還帶來了脫除溶劑、污染環(huán)境等許多問題［5］。微波輔助提取技術(shù)由于其選擇性高、耗時少、能耗低、設(shè)備投資低等優(yōu)點已成為目前國內(nèi)外天然產(chǎn)物提取的研究熱點［6］。因此，在本次研究中采用微波輔助水蒸汽蒸餾法(Microwave－assisted hydrodistillation)提取竹葉中的精油，并借助SAS 9.1.3軟件，采用中心組合實驗設(shè)計原理，以竹葉精油的提取率為考察指標(biāo)，對液固比、微波功率、輻射時間之間的交互作用進(jìn)行研究，得出提取竹葉精油的最佳工藝參數(shù)，以期為竹葉資源的利用、竹葉精油提取的研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

慈竹葉 采自四川省梁平縣農(nóng)村。

NJL07－3實驗專用微波爐 南京杰全微波設(shè)備有限公司;HSG－ⅡB－6電熱恒溫水浴鍋 上海儀表集團(tuán);101A－2數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海浦東躍欣科學(xué)儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 提取流程 慈竹葉→烘干→粉碎→過篩→浸提→微波輻射→蒸餾→收集→分離→精油

1.2.2 操作要點 將慈竹葉在研磨機(jī)中磨碎后，過40目篩，按不同比例加入水，在40℃條件下，浸泡30min，在不同功率下進(jìn)行微波輻射處理不同時間，然后加入少量的沸石，于水蒸汽蒸餾4h后停止加熱。待提取液靜置分層后，收集上層精油。

1.2.3 單因素實驗

1.2.3.1 不同液固比對慈竹葉精油提取率的影響選取經(jīng)烘干、粉碎、過篩后的慈竹葉，加入不同量的水至液固比分別為 10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1，40℃恒溫浸泡30min，經(jīng)輻射功率為480W，輻射時間為225s后，用水蒸汽蒸餾4h，待提取液靜置分層后，收集上層精油，計算精油提取率。

1.2.3.2 不同微波輻射功率對慈竹葉精油提取率的影響 選取經(jīng)烘干、粉碎、過篩后的慈竹葉，加入水至液固比為30∶1，40℃恒溫浸泡30min，選取輻射功率分別為 210、320、480、640、750W，經(jīng)輻射時間為225s后，用水蒸汽蒸餾4h，待提取液靜置分層后，收集上層精油，計算精油提取率。

1.2.3.3 不同微波輻射時間對慈竹葉精油提取率的影響 選取經(jīng)烘干、粉碎、過篩后的慈竹葉，加入水至液固比為30∶1，40℃恒溫浸泡30min，在輻射功率480W 下，分別經(jīng)輻射時間 75、150、225、300、375s后，用水蒸汽蒸餾4h，待提取液靜置分層后，收集上層精油，計算精油提取率。

1.2.4 工藝條件的優(yōu)化 采用響應(yīng)面分析法，進(jìn)行中心組合實驗設(shè)計原理，以竹葉精油的提取率為響應(yīng)值，選用液固比、輻射功率、輻射時間為變量，選用二次回歸方程，進(jìn)行精油提取工藝條件的優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 不同液固比對慈竹葉精油提取率的影響 因為水是介電常數(shù)較大的物質(zhì)，能夠有效地吸收微波能，產(chǎn)生溫度差［7］，所以在微波輔助提取過程中，水量會影響提取效果。從圖1可見，隨著水量的增大，提取率呈現(xiàn)先增大后變化平緩的趨勢，可能是隨著水量增加，精油與水接觸面處的濃度差增大，有利于精油的擴(kuò)散和溶解，從而提高傳質(zhì)速率。液固比為30∶1時，提取率達(dá)最大。但當(dāng)加水量進(jìn)一步增大至40∶1、50∶1 時，提取率變化趨勢平緩。

圖1 不同液固比對提取率的影響

2.1.2 不同輻射功率對慈竹葉精油提取率的影響不同植物的精油不同，要求微波提取時微波的功率也要有所不同。微波輻射功率的選擇以最有效地提取目標(biāo)物為原則，一般所選的輻射功率在200～1000W之間，功率不宜過大，否則易引起體系過熱，導(dǎo)致控溫不準(zhǔn)，甚至發(fā)生危險［8］。如圖2所示，在輻射功率320～640W范圍內(nèi)，對提取率的提高作用較明顯。

圖2 不同輻射功率對提取率的影響

2.1.3 不同輻射時間對慈竹葉精油提取率的影響輻射時間對慈竹葉精油的提取也有影響，時間太短，則效果不明顯，時間太長，則可能導(dǎo)致?lián)]發(fā)油不穩(wěn)定成分的降解。如圖3所示，隨著輻射時間的增加，提取率也逐漸增大，在225s時達(dá)最大值，其后提取率出現(xiàn)下降的趨勢。

圖3 不同輻射時間對提取率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝

2.2.1 工藝優(yōu)化方案 根據(jù)單因素實驗所得結(jié)果，選取液固比、輻射功率、輻射時間三個因素進(jìn)行中心組合。設(shè)定三因素的取值范圍:液固比20∶1～30∶1，輻射功率320～640W，輻射時間225～375s，以慈竹葉精油提取率為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行響應(yīng)面分析，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 工藝優(yōu)化的中心組合設(shè)計及實驗結(jié)果

2.2.2 優(yōu)化方案對慈竹葉精油提取率的影響 根據(jù)實驗結(jié)果建立的數(shù)學(xué)模型為:

提取率=0.53+0.044A+0.053B－0.017C+7.851×10－3AB－6.875 ×10－3AC+0.020BC+2.340 ×10－3A2－0.055B2－0.034C2

式中:A為液固比，B為輻射功率，C為輻射時間。

對此模型進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗，結(jié)果如表2、表3所示。

表2 提取率二次多項模型方差分析

表3 提取率模型方程系數(shù)顯著性檢驗

由表3可以看出，在α=0.01水平時，模型回歸顯著(P＜0.05)。從表3可知，A、B、AC為顯著性影響因素，在各影響因素中，微波功率(B)對提取率的影響最大，其次是液固比(A)。

根據(jù)模型方程做響應(yīng)面，如圖4～圖6所示，通過該組動態(tài)圖可評價諸因素之間對提取率的影響作用，同時可確定各因素的最佳水平及組合。

圖4 液固比和輻射功率交互影響提取率的曲面圖

圖5 輻射功率和輻射時間交互影響提取率的曲面圖

2.2.3 方案的優(yōu)化及驗證 將提取率設(shè)定為最大值，軟件給出的最優(yōu)配方為:液固比30.00∶1，輻射功率562.34W，輻射時間 284.66s，其理論提取率為0.594%。為了實際操作的可行性及簡化工藝，將優(yōu)化工藝修正為:液固比30∶1，輻射功率560W，輻射時間280s，根據(jù)修正后的最優(yōu)配方進(jìn)行實驗驗證，其提取率為0.589%。

圖6 輻射時間和液固比交互影響提取率的曲面圖

3 結(jié)論

本文對采用微波輔助水蒸汽蒸餾法提取慈竹葉的精油，考察了液固比、輻射功率及輻射時間對提取率的影響。主要結(jié)論如下:

3.1 通過單因素實驗，得出提取過程中三因素的合適范圍:液固比 20∶1～30∶1，輻射功率 320～640W，輻射時間 225～375s。

3.2 采用響應(yīng)曲面設(shè)計優(yōu)化了提取工藝。方差分析表明，輻射功率、液固比對提取率的影響較顯著(P＜0.05)。軟件給出最優(yōu)工藝為:液固比30.00∶1，輻射功率562.34W，輻射時間284.66s，其理論提取率為0.594%。驗證實驗中液固比30∶1，輻射功率560W，輻射時間280s，提取率為0.589%。與理論最優(yōu)配方基本一致。

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Study on optimization of microwave－assisted extraction process for essential oil from bamboo leaves

YANG Lan1，WU Xiao2，GAN Yi2
(1.Guongdong Light Industry College of Technology，Guangzhou 510300，China;2.Guangdong H－Bio Biotech Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，China)

TS201.1

B

1002－0306(2010)08－0280－03

2010－05－11

楊蘭(1974－)，女，在讀博士研究生，講師，研究方向:食品生物技術(shù)與調(diào)味品工藝技術(shù)。