兩步法提取杭白菊精油工藝條件的優(yōu)化

呂　都，鄺春林，姜太玲，林　茂，申光輝，張志清，*（.四川農(nóng)業(yè)大學食品學院，四川雅安6504；.貴州省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展研究所，貴州貴陽550006）

兩步法提取杭白菊精油工藝條件的優(yōu)化

呂都1，鄺春林1，姜太玲1，林茂2，申光輝1，張志清1，*
（1.四川農(nóng)業(yè)大學食品學院，四川雅安625014；2.貴州省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展研究所，貴州貴陽550006）

為提升杭白菊的經(jīng)濟附加值，探索工業(yè)化生產(chǎn)杭白菊精油的工藝，本研究先用索氏提取法提取杭白菊中的粗脂肪，再用水蒸氣蒸餾法精制粗脂肪中的精油，分兩步提取杭白菊精油。在單因素實驗的基礎上，選取樣品粒度、超聲時間、料液比和蒸餾時間，設計4因素3水平實驗，采用Box-Behnken中心組合設計原理優(yōu)化杭白菊精油的提取條件，結(jié)果表明，采用兩步法提取杭白菊精油的最佳條件為：樣品粒度80～100目，超聲時間30 min，料液比（g/mL）1∶11，蒸餾時間9 h，在該條件下杭白菊精油的提取率為4.8 mL/kg。本方法可作為工業(yè)化提取杭白菊精油的技術(shù)基礎。

杭白菊，精油，索氏提取，水蒸氣法，響應面

杭白菊，主產(chǎn)地為浙江桐鄉(xiāng)，是浙江省八大名藥材“浙八味”之一，也是衛(wèi)生部首批批準的藥食同源的道地藥材，屬被子植物門雙子葉植物綱菊目菊科菊屬多年生草本植物［1-2］。菊花精油具有散發(fā)香味、抗菌消炎、舒緩、鎮(zhèn)痛、抗自由基、抗衰老等優(yōu)良的特性，做為食品添加劑與人工合成的食品添加劑相比具有無可比擬的優(yōu)勢［3-4］。

目前，植物精油最常用的提取方法是水蒸氣提取法，此方法設備簡單、操作方便、成本低廉，而且所得的精油品質(zhì)較好，但是單一的水蒸氣提取法提取率較低［5］。有機溶劑浸提法所得的產(chǎn)品并不是純凈的精油，而是含有精油的浸膏，常含有糖類、植物蠟、蛋白質(zhì)和色素等雜質(zhì)，而且此方法并不能完全消除引入的有機溶劑，因此此方法所得產(chǎn)品的安全性有待考察［6］。蒸餾萃取法設備繁瑣，操作復雜，且所得精油的香氣失真［7］，加酶提取法成本較高不適合規(guī)模化生產(chǎn)。冷壓法常用于果實類油脂的榨?。?］，并不適合杭白菊精油的提取。超臨界CO2流體萃取法是近些年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，采用此方法提取植物精油具有提取率高［8］、產(chǎn)物雜質(zhì)少等優(yōu)點［9］，且能夠較全面地反映精油的成分［10］，但是此方法成本高，設備昂貴、實驗條件相對苛刻，一般僅在實驗室使用此方法。

本研究以杭白菊為原材料，采用索氏回流提取與水蒸氣蒸餾法相結(jié)合，分兩步提取杭白菊精油，即先用索氏提取法提取杭白菊中的粗脂肪，再用水蒸氣蒸餾法精制粗脂肪中的精油。目前，尚未見有用兩步法提取杭白菊精油的報道。與單一的有機溶劑浸提法和單一的水蒸氣蒸餾法相比，兩步法提取杭白菊精油不但提高了提取率，而且所得的精油雜質(zhì)較少，香氣純正。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

杭白菊四川寶興縣茂源農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司提供；無水乙醇、NaCl成都科龍化工試劑廠；蒸餾水實驗室制。

索氏提取器、揮發(fā)油提取器四川蜀玻（集團）有限責任公司；ZDHW調(diào)溫電加熱套、FW-400A傾斜式萬能粉碎機北京中興偉業(yè)儀器有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上海亞榮生化儀器廠；KH-50B型超聲波清洗器昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1杭白菊精油提取工藝流程及精油提取率的計算

1.2.2單因素實驗

1.2.2.1樣品粒度對精油提取率的影響稱取25 g一定粒度的樣品裝入濾紙筒中并稱量樣品和濾紙筒的質(zhì)量，浸在裝有無水乙醇的燒杯中，超聲30 min后，放入索氏提取器中，85℃回流6 h，將濾紙筒取出，同時收集回流液，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到粗脂肪。根據(jù)粗脂肪質(zhì)量按1∶11（g/mL）料液比加入15%的NaCl溶液，保持微沸8 h后，測量杭白菊精油體積并計算提取率。樣品粒度分別為20～40、40～60、60～80、80～100、100～120目，每個水平重復三次。

1.2.2.2超聲時間對精油提取率的影響稱取80～100目的樣品粉末25 g，按1.2.2.1方法，超聲一定時間，其他條件不變，進行提取并計算提取率。超聲時間設置為0、15、30、45、60 min，每個水平重復三次。

1.2.2.3料液比對精油提取率的影響稱取80～100目的樣品粉末25 g，按1.2.2.1方法，按一定的料液比加入15%的NaCl溶液，其他條件不變，進行提取并計算提取率。料液比（g/mL）設置為：1∶5、1∶8、1∶11、1∶14、1∶17，每個水平重復三次。

1.2.2.4NaCl濃度對精油提取率的影響稱取80～100目的樣品粉末25 g，按1.2.2.1方法，按1∶11料液比加入一定濃度的NaCl溶液，其他條件不變，進行提取并計算提取率。NaCl濃度設置為：1%、5%、10%、15%、20%，每個水平重復三次。

1.2.2.5蒸餾時間對精油提取率的影響稱取80～100目的樣品粉末25 g，按1.2.2.1方法，蒸餾一定時間后，測量精油的體積并計算提取率。蒸餾時間設置為：2、4、6、8、10 h，每個水平重復三次。

1.2.3響應面法優(yōu)化杭白菊精油的提取在單因素實驗的基礎上，根據(jù)Box-Behnken中心組合設計的實驗原理，固定NaCl濃度為15%，選擇樣品粒度、料液比、超聲時間、蒸餾時間4個對杭白菊精油提取率影響顯著的因素，分別以X1、X2、X3、X4為代表，每一個自變量的低、中、高實驗水平分別以-1、0、1進行編碼，以杭白菊精油提取率為響應值（Y），進行4因素3水平共29個實驗點的響應面分析實驗，對杭白菊精油的提取工藝進行優(yōu)化，因素水平編碼見表1，每組平行實驗3次。

表1　響應面實驗因素水平編碼表Table 1　Factors and levels of response surface experiments

1.3數(shù)據(jù)處理

響應面實驗數(shù)據(jù)用Design Expert 8.0.6.1軟件處理，其他數(shù)據(jù)用SPSS進行顯著性分析，0.01＜p＜0.05為差異顯著，p＜0.01為差異極顯著。

圖1　樣品粒度對杭白菊精油提取的影響Fig.1　Effect of particle size on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

2　結(jié)果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1樣品粒度對精油提取率的影響由圖1可知，隨著樣品粒度的減小，杭白菊精油的提取率呈先上升后下降的趨勢。當樣品粒度從20～40目減小到80～100目時，杭白菊精油的提取率逐漸上升。根據(jù)擴散定律［11］：藥材粉碎度愈細，浸出效果愈好，成分得率愈高；再者，樣品粒度越小，樣品和溶劑的接觸面積越大，有助于杭白菊精油的提取。當樣品粒度大于100目時，杭白菊精油的提取率開始下降。這可能是由以下三個方面的原因造成的：樣品粒度越細，其他組分浸出的可能性增加，水蒸氣蒸餾時，精油蒸出的阻力增大，使得精油的提取率降低；由于超聲處理的作用，使得粒度小的樣品中的精油未被乙醇萃取就已經(jīng)被破壞，導致精油提取率下降；隨著樣品粒度的減小，由于液體表面張力的作用，阻礙了杭白菊精油的溢出。

圖2　超聲時間對杭白菊精油提取的影響Fig.2　Effect of ultrasonic time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

2.1.2超聲時間對精油提取率的影響由圖2可知，隨著超聲時間的延長，杭白菊精油的提取率呈先上升后下降趨勢，在30 min達到最大。當超聲時間在0～30 min時，隨著超聲時間的延長，杭白菊提取率逐漸升高，這是由于超聲作用使得細胞破碎程度增加，有利于精油的溢出，從而使提取率增高。當超聲時間大于30 min時，杭白菊提取率開始下降，這可能是由于超聲時間過長，超聲熱效應增加，使得精油中易揮發(fā)成分損失，從而使提取率降低；也可能是由于長時間超聲作用，使樣品中一些水溶性雜質(zhì)溶入水中，阻礙了體系中精油的蒸出，使得精油的蒸出量降低，從而使提取率降低。

圖3　料液比對杭白菊精油提取的影響Fig.3　Effect of solid-to-liquid ratio on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

2.1.3料液比對精油提取率的影響由圖3可知，隨著料液比（g/mL）的增加，杭白菊精油的提取率呈先上升后下降的趨勢。當料液比處于1∶5～1∶11時，杭白菊精油的提取率隨料液比增加而增加，這是由于液體越多滲透壓越大，有利于精油的蒸出；另一方面，增大NaCl溶液的用量能降低溶液中精油的濃度，增大原料與溶液接觸界面的濃度差，使傳質(zhì)推動力增大，從而加快精油與溶液的擴散速度，提取率上升。當料液比大于1∶11時，杭白菊精油的提取率開始下降，一方面可能是溶劑量過多時，增溶于溶劑中的總精油量變化不大，但損失于溶劑中的量增加，故最終的精油得率降低；另一方面可能是隨著料液比增大，使得樣品內(nèi)的蛋白質(zhì)、糖類等物質(zhì)析出，反而不利于精油的溶出，造成提取率的下降。

圖4　NaCl濃度對杭白菊精油提取的影響Fig.4　Effect of NaCl concentration on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

2.1.4NaCl濃度對精油提取率的影響有研究表明：在提取香柏精油時，添加氯化鈉可以提高精油產(chǎn)量［12］，這可能是由于氯化鈉的鹽析作用使得更多精油能夠被水蒸汽攜帶出來。由圖4可知，當NaCl濃度在1%～15%時，隨著NaCl濃度的增加，杭白菊精油的提取率增加，這主要是由于鹽效應使得體系蒸汽壓降低，精油對水的相對揮發(fā)度增加，有利于精油的蒸出使得提取率增加。當NaCl濃度大于15%時，杭白菊精油的提取率開始下降，一方面NaCl濃度過高容易造成爆沸，使得精油中易揮發(fā)、易氧化的成分損失，使得精油提取率下降。

圖5　蒸餾時間對杭白菊精油提取的影響Fig.5　Effect of distillation time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

2.1.5蒸餾時間對精油提取率的影響由圖5可知，隨著蒸餾時間的推移，杭白菊精油的提取率呈先上升后保持平緩，在8 h時達到最大值。在2～8 h時，杭白菊精油的提取率隨著時間的延長而增加，這主要是由于隨著時間的推移精油的蒸出量累加的結(jié)果，在8～10 h時，杭白菊精油的提取率基本保持不變，這可能是在該條件下樣品中的精油已經(jīng)完全蒸出。

2.2響應面法優(yōu)化杭白菊精油提取的條件

2.2.1響應面實驗設計及結(jié)果分析在單因素實驗結(jié)果的基礎上，選擇樣品粒度（X1）、料液比（X2）、超聲時間（X3）和蒸餾時間（X4）4個因素，以精油的提取率（Y）為響應值，采用Box-Behnken的中心組合實驗設計原理，設計4因素3水平實驗優(yōu)化杭白菊精油提取條件。響應面實驗方案及結(jié)果見表2，方差分析見表3。

表2　響應面實驗設計及結(jié)果Table 2　Experimental design and results of RSM

表3　響應面結(jié)果方差分析Table 3　Analysis of variance for results of RSM

利用Design Expert 8.0.6.1軟件處理所得數(shù)據(jù)，得到杭白菊精油提取率預測的二次多元回歸模型為：

Y=0.472-0.28X1-0.12X2+0.20X3+0.23X4+0.10X1X2-0.17X1X3-0.05X1X4-0.28X2X3-0.23X2X4-0.35X3X4-1.5X12-0.84X22-0.61X32-0.43X42。

由表3可知，模型p＜0.0001，F(xiàn)=60.90＞F0.0（114，4）= 14.24，表明該模型極顯著；模型的R2=98.38%，說明該模型可以預測98.38%響應值的變化；失擬項p= 0.3512＞0.05，F(xiàn)=1.57＜F0.0（510，4）=5.96，失擬項差異不顯著，說明該回歸方程對實驗的擬合度較好，實驗方法可靠。在研究范圍內(nèi)，4個因素對提取率影響的大小順序為：X1＞X4＞X3＞X2，即樣品粒度＞蒸餾時間＞超聲時間＞料液比。

2.2.2因素間交互作用根據(jù)回歸模型作出相應的響應曲面圖，見圖6～圖9。

圖6　樣品粒度與超聲時間對杭白菊精油提取率影響的響應曲面圖Fig.6　Response surface of effect of particle size vs.ultrasonic time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

當料液比為1∶11，蒸餾時間為8 h時，由圖6可知，無論超聲時間處于何種水平，隨著樣品粒度的逐漸增大，提取率都呈先上升后下降趨勢。這可能是樣品粉碎度愈細，樣品和溶液的接觸面積越大，浸出效果愈好。但是，樣品粒徑過小，超聲時間過長，雜質(zhì)溶出的可能增加，使得提取率略有下降。

當樣品粒度處于低水平時，隨著超聲時間的增加，提取率呈先上升后平緩的趨勢，這可能是由于超聲作用使得細胞破碎程度增加，但是樣品粒徑較大不利于精油的溢出造成的；當樣品粒度處于高水平時，隨著超聲時間的增加，提取率呈先上升后下降趨勢，這可能是由于樣品粒徑較小有利于精油的溢出也有利于雜質(zhì)的溶出，再者樣品粒徑太小，超聲作用使精油未溢出就已經(jīng)被破壞，從而使得提取率下降。與其相對應的等高線形狀為橢圓形，表明樣品粒度與超聲時間交互作用顯著［13］。

圖7　料液比與超聲時間對杭白菊精油提取率影響的響應曲面圖Fig.7　Response surface of effect of solid-to-liquid ratio vs. ultrasonic time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

當樣品粒度為80～100目，蒸餾時間為8 h時，由圖7可知，當超聲時間處于低水平時，隨著料液比的逐漸增大，提取率呈先上升后下降趨勢；當超聲時間處于高水平時，隨著料液比的逐漸增大，提取率先緩慢上升后呈下降趨勢，整體變化不大。這主要是由于增加溶液用量，降低了溶液中精油的濃度，增大了原料與溶液接觸面的濃度差，使傳質(zhì)動力增大有利于精油的提??；當料液比過大時，增溶于溶劑中的總精油量變化不大，但損失于溶劑中的量增加，故最終的精油得率降低，持續(xù)增大料液比也可能使樣品中蛋白和糖類等雜質(zhì)溶出，不利于杭白菊精油提取，使得精油提取率下降。

當料液比處于低水平時，隨著超聲時間的增加，提取率呈先上升后趨于平緩的趨勢。這主要是由于隨著超聲時間增加，使得樣品細胞的破碎程度增大，有利于精油的溢出；但是，料液比較低時，精油的溶出已達到飽和，不利于精油的溶出。當料液比處于高水平時，隨著超聲時間的增加，提取率的變化不大。與其相對應的等高線形狀為橢圓形，表明料液比與超聲時間交互作用顯著。

圖8　料液比與蒸餾時間對杭白菊精油提取率影響的響應曲面圖Fig.8　Response surface of effect of solid-to-liquid ratio vs.distillation time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

當樣品粒度為80～100目，超聲時間為30 min時，由圖8可知，當料液比處于較低水平時，隨著蒸餾時間的增加，提取率呈先上升后平緩的趨勢；當料液比處于高水平時，隨著蒸餾時間的增加，提取率變化不大。無論蒸餾時間處于何種水平，隨著料液比的增加，提取率都呈先上升后下降的趨勢。與其相對應的等高線形狀為橢圓形，表明料液比與蒸餾時間交互作用顯著。

圖9　超聲時間與蒸餾時間對杭白菊精油提取率影響的響應曲面圖Fig.9　Response surface and contour of effect of ultrasonic time vs.distillation time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

當樣品粒度為80～100目，料液比為1∶11時，由圖9可知，當超聲時間處于低水平時，隨著蒸餾時間的延長，杭白菊精油提取率先上升后趨于平緩；當超聲時間處于高水平時，提取率變化不大，但是提取率仍處于相對較低水平。無論蒸餾時間處于何種水平，隨著超聲時間的增加，杭白菊精油提取率都呈先上升后下降趨勢。與其相對應的等高線形狀為橢圓形，表明超聲時間與蒸餾時間交互作用顯著。

2.2.3最佳條件的驗證根據(jù)模型優(yōu)化得到最佳工藝條件為：樣品粒度77.83目、料液比1∶10.61、超聲時間32.06 min、蒸餾時間8.50 h，在該條件下模型預測杭白菊精油提取率為：4.784 mL/kg。為方便實際實驗操作，將最佳工藝條件修正為：樣品粒度80～100目、料液比1∶11、超聲時間30 min、蒸餾時間9 h，在此條件下測得杭白菊精油提取率為4.8 mL/kg，與理論值4.784 mL/kg相比，相對誤差為：0.33%，因此采用響應面法優(yōu)化杭白菊精油的提取工藝，所得最佳工藝參數(shù)準確可靠。

3　討論

杭白菊精油的提取率，因原材料的產(chǎn)地、炮制方式和提取方法的不同而有所差異。楊秀偉等［14］分別選用蒸制得到的杭白菊和微波加工制得杭白菊，采用水蒸汽蒸餾法提取其中的精油，經(jīng)蒸制加工的杭白菊精油提取率為0.19%，經(jīng)微波加工的杭白菊精油提取率為0.40%。在經(jīng)典水蒸汽蒸餾法的基礎上，添加輔助因子，如超聲破碎、微波加熱、添加纖維素酶等都可以提高植物精油的提取率。李雙明等［15］以薰衣草為原料，利用超聲處理強化水蒸汽蒸餾法提取薰衣草精油，其提取率為傳統(tǒng)水蒸汽蒸餾法的2.07倍。張福維等［16］先添加纖維素酶處理菊花樣品，然后用水蒸汽蒸餾法提菊花取精油，其提取率可達0.45%。本研究的精油提取率為4.8 mL/kg，與楊秀偉等的研究結(jié)果相比略有提高，與加酶提取法的提取率相當［14，16］。

4　結(jié)論

采用兩步法提取杭白菊精油，在單因素實驗的基礎上，通過Box-Behnken的中心組合實驗設計原理，以杭白菊精油的提取率為響應值，設計4因素3水平響應面實驗，對杭白菊精油的提取工藝進行優(yōu)化，擬合了樣品粒度、超聲時間、料液比和蒸餾時間這4個因素對杭白菊精油提取率的回歸模型，經(jīng)檢驗該模型合理可靠，能夠較好地預測兩步法提取杭白菊精油的提取率，由該模型確定的最佳工藝條件為樣品粒度80～100目、超聲時間30 min，料液比（g/mL）1∶11，蒸餾時間9 h。在此條件下，杭白菊精油的提取率為4.8 mL/kg。

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Optimization of extraction process for Chrysanthemum morifolium essential oil by two-step method

LV Du1，KUANG Chun-lin1，JIANG Tai-ling1，LIN Mao2，SHEN Guang-hui1，ZHANG Zhi-qing1，*
（1.College of Food Science，Sichuan Agricultural University，Ya’an 625014，China；2.Guizhou Institute of Modern Agricultural Development，Guiyang 550006，China）

In this study，in order to enhance the economic value of Chrysanthemum morifolium and explore the process of essential oil of the industrial production，the crude fat was extracted from Chrysanthemum morifolium by soxhlet extraction，then the essential oil was extracted from the crude fat by steam distillation.The effects of particle size，ultrasonic time，solid-to-liquid ratio and distillation time on the extraction rate of Chrysanthemum morifolium essential oil were investigated by one-factor-at-a-time experiments，then the optimization of extraction process for the essential oil was used four factors and three levels of response surface methodology. The results indicated that the optimal conditions were as follows：particle size 80～100 mesh powder，ultrasonic time 30 min，solid-to-liquid ratio 1∶11，and distillation time 9 h.Under these conditions，the extraction rate of Chrysanthemum morifolium essential oil was 4.8 mL/kg.This method would provide technical foundation for extraction of Chrysanthemum morifolium essential oil of the industrial production.

Chrysanthemum morifolium；essential oil；soxhlet extraction；steam distillation；response surface

TS224.6

B

1002-0306（2015）20-0293-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.20.052

2015－01－08

呂都（1988-），男，碩士研究生，研究方向：功能性食品，E-mail：ludu2009520@163.com。

張志清（1976-），男，博士，教授，主要從事糧油副產(chǎn)物開發(fā)利用方面的研究，E-mail：zqzhang721@163.com。

四川農(nóng)業(yè)大學縣校合作項目（060H0300）。