江香薷揮發(fā)油提取率與提取時間的動力學(xué)關(guān)系

李景恩， 聶少平， 邵燈寅， 李 昌， 謝明勇

（南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江西 南昌 330047）

香薷為唇形科（Labiatae）薺苧屬（Molsa）一年生草本植物。分布于江蘇、浙江、福建、湖南、湖北、江西、貴州、廣東、廣西等地，喜生于山坡、曠野、路旁的干旱地。歷史上江西就是香薷的主產(chǎn)區(qū)，亦即現(xiàn)時江香薷道地產(chǎn)區(qū)所在地。江香薷（Mosla Chinensis Maxim cv.Jiangxiangru）是香薷類栽培品種。它作為香薷的道地藥材，開發(fā)價值更大。它有發(fā)汗解表、祛暑化濕、利水消腫之功效。中醫(yī)主要用于惡寒發(fā)熱、頭痛無汗、腹痛吐瀉、小便不利等癥及暑濕感冒[1]。近期研究表明，其有效成分為揮發(fā)油，具有解熱、鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜、免疫增強、抗菌及抗病毒作用[2-8]。衛(wèi)生部公布的 《關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范保健食品原料管理的通知》中，既是食品又是藥品的物品清單中就有香薷。香薷的揮發(fā)油不僅可藥用，而且可以作為一種天然防腐劑或添香劑，應(yīng)用于食品生產(chǎn)中[9]。

關(guān)于揮發(fā)油的提取方法已見諸很多文獻(xiàn)報道，除水蒸氣蒸餾法外，還有有機溶劑提取法[10-11]、微波萃取法[12-13]和超臨界CO2萃取法等[14-15]。王立彬等[16]通過水蒸氣蒸餾法提取薄荷油，平均出油率達(dá)1.649 mL/hg，達(dá)到薄荷枝葉理論含油量的91.61%以上。關(guān)懷等[17]比較研究了超臨界CO2萃取法與水蒸氣蒸餾法兩種提取方法對溫莪術(shù)揮發(fā)油中組分及莪術(shù)醇含量的影響，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)油中莪術(shù)醇含量以水蒸氣蒸餾法所得較高。水蒸氣蒸餾法之所以作為一種最常用的揮發(fā)油提取方法，是由于其具有操作簡單安全，效率高，成本低等優(yōu)點。作用機理是水?dāng)y帶油，而水對人體無害，是環(huán)境友好的溶劑，使得水蒸氣蒸餾法提取揮發(fā)油在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[18-19]。

目前，江香薷揮發(fā)油的提取優(yōu)化大多是在實驗室內(nèi)進(jìn)行。陳根順[20]，羅光明[21]和楊美艷[6]等人均采用水蒸氣蒸餾法結(jié)合正交實驗設(shè)計或響應(yīng)曲面法確定江香薷揮發(fā)油最佳提取工藝。然而，實驗參數(shù)是否適用于大批量工業(yè)化生產(chǎn)，仍需要進(jìn)一步驗證。本課題研究中利用傳統(tǒng)正交法得出水蒸氣蒸餾法提取揮發(fā)油的最佳提取工藝條件，進(jìn)一步根據(jù)物質(zhì)傳遞理論[22-23]，在對揮發(fā)油提取過程機理提出合理假設(shè)的基礎(chǔ)上，對過程動力學(xué)特征進(jìn)行深入探討，模擬建立江香薷揮發(fā)油提取過程理論數(shù)學(xué)模型，其結(jié)果可用于指導(dǎo)工程放大及生產(chǎn)過程中的優(yōu)化控制，為生產(chǎn)擴大提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

江香薷，購自江西省樟樹市，陰干粉碎后備用。AL-104型電子天平，梅特勒-拖利多儀器上海有限公司制造；N-1001型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海愛郎儀器有限公司制造；98-1-B型電子調(diào)溫電熱套，天津市泰斯特儀器有限公司制造；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市城西曉陽電子儀器有限公司制造。

1.2 實驗方法

1.2.1 提取方法 精密稱取江香薷粉末100 g，置圓底燒瓶中，參照《中國藥典》一部附錄XD[24]，加數(shù)粒玻璃珠防止暴沸，連接揮發(fā)油測定器與回流冷凝管，自冷凝管上端加水使得充滿揮發(fā)油測定器的刻度部分并溢流入燒瓶時為止。將燒瓶置電熱套中加熱至微沸，控制不同實驗時間，停止加熱，放置片刻，開啟下端活塞將水相緩緩放出，收集揮發(fā)油，以揮發(fā)油的提取率作為測定指標(biāo)。

1.2.2 單因素分析

1）浸泡時間：精密稱取100 g樣品，固定料液比為1∶20 g/mL，提取時間4 h，浸泡時間分別為 0、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 h， 按照 1.2.1 的提取方法提取一次，考察浸泡時間對揮發(fā)油提取率的影響。實驗重復(fù)操作3次。

2）料液比：精密稱取100 g樣品，固定提取時間 4 h，浸泡時間 0.5 h，選擇料液比分別為 1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/mL， 按照 1.2.1 的提取方法提取一次，考察料液比對揮發(fā)油提取率的影響。實驗重復(fù)操作3次。

3）提取時間：精密稱取100 g樣品，固定料液比為1∶15 g/mL，浸泡時間為0.5 h，選擇提取時間1、2、4、6、8、10 h， 按照 1.2.1 的提取方法提取一次，考察提取時間對揮發(fā)油提取率的影響。實驗重復(fù)操作3次。

1.2.3 正交試驗優(yōu)化江香薷揮發(fā)油的提取工藝條件 根據(jù)單因素實驗結(jié)果，以揮發(fā)油提取率作為考察指標(biāo)，浸泡時間、料液比和提取時間為3個變量因素，每個因素設(shè)定3個水平，選擇L934正交表，實驗設(shè)計見表1。

表1 因素水平設(shè)計表Table 1 Design table of factors and levels

1.2.4 江香薷揮發(fā)油提取量與提取時間動力學(xué)關(guān)系

1）江香薷揮發(fā)油總含量測定：稱取江香薷藥材100 g，加水1.5 L。按1.2.1中方法提取江香薷揮發(fā)油，蒸餾體系保持微沸狀態(tài)，連續(xù)提取10 h。以上操作平行進(jìn)行3次，取平均值作為揮發(fā)油含量。

2）提取率—提取時間動力學(xué)關(guān)系分析：稱取江香薷藥材100 g，加水1.5 L。按1.2.1中方法提取江香薷揮發(fā)油，蒸餾體系保持微沸狀態(tài)，每隔一定時間記錄揮發(fā)油提取率，提取10 h。以上操作平行進(jìn)行3次，取平均值作為揮發(fā)油含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 浸泡時間對江香薷揮發(fā)油提取率的影響在料液比為1∶20 g/mL，提取時間為4 h時，研究浸泡時間對江香薷揮發(fā)油提取率的影響（圖1）。

圖1 浸泡時間對江香薷揮發(fā)油提取率的影響（n=3）Fig.1 Effect of soak time on the extraction yield of essential oil from Mosla Chinensis Maxim cv.Jiangxiangru （n=3）

結(jié)果表明，浸泡時間為0 h時，揮發(fā)油提取率僅為0.658%。但是浸泡時間超過0.5 h之后，隨著浸泡時間的增加，揮發(fā)油提取率先增加后趨于穩(wěn)定，不再顯著升高。因此，為了提高提取效率，選擇浸泡時間0.5 h作為優(yōu)化條件。

2.1.2 料液比對江香薷揮發(fā)油提取率的影響 選擇提取時間4 h，浸泡時間0.5 h，考察不同的料液比對江香薷揮發(fā)油提取率的影響（圖2）。

圖2 料液比對江香薷揮發(fā)油提取率的影響（n=3）Fig.2 Effect of material-liquid ratio on the extraction yield of essential oil from Mosla Chinensis Maxim cv.Jiangxiangru（n=3）

結(jié)果表明，料液比為1∶15 g/mL時，揮發(fā)油提取率較料液比1∶10 g/mL時有顯著增加，揮發(fā)油提取率達(dá)到0.664%。之后隨著料液比的增加，揮發(fā)油提取率呈緩慢上升趨勢，從能源節(jié)約的角度考慮，選擇1∶15 g/mL作為料液比。

2.1.3 浸泡時間對江香薷揮發(fā)油提取率的影響固定料液比1∶15 g/mL，浸泡時間0.5 h，研究提取時間對江香薷揮發(fā)油提取率的影響（圖3）。

圖3 提取時間對江香薷揮發(fā)油提取率的影響（n=3）Fig.3 Effect of extraction time on the extraction yield of essential oil from Mosla Chinensis Maxim cv.Jiangxiangru（n=3）

結(jié)果顯示，提取時間為6 h時，揮發(fā)油提取率基本達(dá)到最大值。此后隨著提取時間的增加，揮發(fā)油提取率趨于穩(wěn)定值，因此選擇6 h作為提取時間。

2.2 正交試驗結(jié)果

正交試驗影響因素及水平，直觀分析結(jié)果及方差分析分別見表2和表3。

表2 正交試驗直觀分析結(jié)果（n=3）Table 2 Intuitive analysis results（n=3）

表3 方差分析表Table 3 Results of variance analysis

在正交試驗方差分析時，必須估計隨機誤差，而隨機誤差是通過正交表上的空白列得到的。由于空白列中沒有因素作用，因此正好反映隨機因素所引起的誤差，該空白列在方差分析中常被稱為誤差列。因此，在做正交試驗方差分析時，正交表的表頭必須留下空白列，以確定隨機誤差引起的離差平方和，因此將表2中D列設(shè)為空白列。其中，K1，K2，K3分別表示在各因素各水平下江香薷揮發(fā)油提取量的平均值。用同一因素各水平下平均提取量的極差R（極差=平均提取量的最大值-平均提取量的最小值）來反映各因素水平變動對實驗結(jié)果影響的大小。極差大的就表示該因素的水平變動對實驗結(jié)果的影響大，極差小就表示該因素對實驗結(jié)果的影響小。由表2可知，因素的主次順序依次為提取時間（C）、料液比（B）和浸泡時間（A）。主要因素應(yīng)取最好的水平，而次要因素則可根據(jù)成本、時間、收益等方面的統(tǒng)籌考慮選擇適當(dāng)?shù)乃健＝Y(jié)果表明，最佳因素水平為 A2B2C3，即浸泡時間 0.5 h，料液比 1∶15 g/mL，提取時間6 h。江香薷在提取前要進(jìn)行浸泡，使細(xì)胞壁變軟，提取時易于揮發(fā)油從細(xì)胞中浸出，但浸泡時間不宜過長，以避免藥材有效成分變質(zhì)。

由表3可知，因素C的P值＜0.10，即因素C（提取時間）對實驗結(jié)果影響顯著。因此，因素C為主要因素，因素A和因素B為次要因素。按方差分析的觀點，只需對有顯著影響的因素選擇最佳水平，而其他對實驗結(jié)果影響較小的因素，可按照實際需要選擇適當(dāng)?shù)乃健Ｒ虼?，本實驗中，最佳提取條件為A2B2C3，即浸泡時間為 0.5 h，料液比 1∶15 g/mL，提取時間6 h，結(jié)論與直觀分析方法相同。

2.3 驗證實驗

為進(jìn)一步驗證正交試驗結(jié)果的可靠性與重現(xiàn)性，在1.2.3節(jié)最佳工藝條件下進(jìn)行3次平行實驗，揮發(fā)油提取率分別為0.914%、0.921%、0.927%，平均值為0.920%，與表2中試驗號5的提取率結(jié)果（0.934%）相差不大，說明利用正交試驗優(yōu)化江香薷揮發(fā)油的提取工藝是成功的。

2.4 提取過程的動力學(xué)分析

2.4.1 江香薷揮發(fā)油總含量測定 根據(jù)1.2.1中操作條件進(jìn)行提取，固定浸泡時間0.5 h，料液比1∶15 g/mL，設(shè)定提取時間為10 h，平行測定3次，揮發(fā)油提取率約為0.941%。實驗中所得揮發(fā)油呈淡黃色，有特殊濃郁的芳香氣味，測定其密度為0.980 g/mL。

2.4.2 提取率—提取時間動力學(xué)關(guān)系分析 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，固定浸泡時間0.5 h，料液比1∶15 g/mL，以提取時間（10 h）為橫坐標(biāo)，揮發(fā)油提取率為縱坐標(biāo)，繪制曲線，結(jié)果見圖4?？芍?，江香薷經(jīng)水蒸氣蒸餾提取6 h后揮發(fā)油提取率趨于最大。此后，隨著提取時間的延長，提取率趨于穩(wěn)定值，不再顯著增加。這一結(jié)果與正交試驗結(jié)果 （提取時間約6 h）相一致，證明了正交試驗結(jié)果的正確性和可靠性。

圖4 江香薷揮發(fā)油提取過程中提取率—提取時間動力學(xué)關(guān)系曲線（n=3）Fig.4 Dynamics curve between extraction yield and extraction time during the extraction process of essential oil from Mosla Chinensis Maxim cv.Jiangxiangru（n=3）

根據(jù)物質(zhì)傳遞理論[22]，固相外表面與氣相接觸處附著有一層很薄的滯留內(nèi)層，稱為氣膜。揮發(fā)油分子在相際傳質(zhì)過程中的阻力主要集中在氣膜中。因此，計算揮發(fā)油分子在整個相際傳質(zhì)速率的問題可簡化為計算其在氣膜中的傳質(zhì)速率。則傳質(zhì)速率方程式為

式（2）中：q為實驗材料中揮發(fā)油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/g；S為單位質(zhì)量藥材的表面積，m2/g；t為時間，min；KG為氣相傳質(zhì)膜系數(shù)，m/s，是常數(shù)；Ci為界面處氣相中揮發(fā)油質(zhì)量濃度，g/L；Cl為氣相主體中揮發(fā)油質(zhì)量濃度，g/L。

因界面處揮發(fā)油在氣固兩相中的濃度相互平衡，假定呈線性平衡，即Ci=K0q（K0為比例尺常數(shù)）。另外，進(jìn)入氣相的揮發(fā)油被水蒸氣不斷帶出蒸餾體系而進(jìn)入揮發(fā)油收集器，所以蒸餾體系中Cl≈0。

代入速率方程式（2）得

令 KGS·K0q=K′，則有

式（3）中 A′為積分常數(shù)。

又因

式（4）中：V0為實驗材料所含揮發(fā)油總體積，mL；V為揮發(fā)油提取器中已收集的揮發(fā)油體積，mL；D為揮發(fā)油密度，g/mL；W為實驗材料總質(zhì)量，g。將式（4）代入式（3）得

式（6）即為描述揮發(fā)油提取過程動力學(xué)特征的數(shù)學(xué)模型，揭示了藥材中殘留揮發(fā)油量的對數(shù)與提取時間呈線性關(guān)系的規(guī)律。模型參數(shù)A為直線的截距，K為直線的斜率，A 和 K 為常數(shù)[22，25]。

采用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所得擬合效果用擬合直線的相關(guān)系數(shù)加以檢驗。擬合直線見圖5。

圖5 江香薷揮發(fā)油提取率-提取時間動力學(xué)關(guān)系擬合曲線（n=3）Fig.5 Fitting curve of the dynamics relationship between extraction yield and extraction time of essential oil from Mosla Chinensis Maxim cv.Jiangxiangru（n=3）

擬合方程為 ln （V0-V）=-0.758 1t+0.830 8，K=0.758 1，A=0.830 8（R2=0.988 4）。 由此可見，回歸方程在1.5～6.0 h線形范圍內(nèi)具有顯著性。

3 結(jié)語

正交試驗結(jié)果說明，提取時間及浸泡時間對江香薷揮發(fā)油的提取率的影響最大，其最佳提取條件為：浸泡時間為0.5 h，料液比 1∶15 g/mL，提取時間6 h，提取率為0.934%。在最佳提取條件下，推導(dǎo)出來能較好描述該過程的動力學(xué)特征的數(shù)學(xué)模型，即ln（V0-V）=-0.758 1t+0.830 8，K=0.758 1，A=0.830 8（R2=0.988 4）。該模型一方面客觀地解釋和揭示了江香薷揮發(fā)油提取量與提取時間之間的相互關(guān)系，另一方面動態(tài)地模擬了江香薷揮發(fā)油的整個提取過程。該模型在操作條件下保持穩(wěn)定，可用于指導(dǎo)工程放大和生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制。

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