正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化香桂葉油的超聲-微波協(xié)同提取工藝

楊艷紅，李湘洲，唐克軍

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化香桂葉油的超聲-微波協(xié)同提取工藝

楊艷紅，李湘洲，唐克軍

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

以湘西產(chǎn)的香桂葉為原料，采用超聲-微波協(xié)同萃取法對(duì)香桂葉油的提取工藝進(jìn)行了研究。以水為萃取溶劑，對(duì)提取次數(shù)、微波功率、提取時(shí)間、液固比、氯化鈉濃度等影響萃取的因素進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)。在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提取1次，對(duì)各因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，得出了香桂葉油的萃取優(yōu)化工藝條件：微波功率75W，提取時(shí)間30 min，液固比10 (mL/g)，氯化鈉濃度為4%。與傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法相比，超聲-微波協(xié)同萃取不僅大大縮短了蒸餾時(shí)間，而且香桂葉油的提取率從2.411%提高到3.288%。通過GC-MS檢測(cè)，該工藝下香桂葉油中黃樟油素的含量可高達(dá)98.09%。

超聲-微波協(xié)同萃??；香桂葉油；正交實(shí)驗(yàn)法；提取率

黃樟油素的分子式為 C10H10O2，外觀為無色或微黃色液體[1]，是一種重要的天然香料，也是合成洋茉莉醛、胡椒基丁醚、胡椒基丙酮、乙基香蘭素等產(chǎn)品的理想原料[2-3]，在香料、醫(yī)藥、輕化等工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用[4-5]。歷史上我國生產(chǎn)黃樟油素，主要是水蒸氣蒸餾被砍伐的黃樟樹根而得[6-8]。而此做法導(dǎo)致了黃樟樹的植物資源遭到了破壞，使我國的黃樟油素的生產(chǎn)受到了嚴(yán)重影響。

香桂，又稱巖桂，是樟科常綠小喬木[9]，香桂葉精油中的黃樟油素含量很高[10]。因此利用香桂葉來提取黃樟油素是緩和市場(chǎng)供不應(yīng)求矛盾、發(fā)展經(jīng)濟(jì)的有效途徑[6]。

目前香桂葉油的提取引起了一些研究者的重視，尹禮國[11]比較了水蒸氣蒸餾、乙醚提取、超臨界CO2萃取巖桂葉精油的產(chǎn)率，發(fā)現(xiàn)水蒸氣蒸餾法是制備巖桂葉精油的最好方法。劉志超[12]對(duì)巖桂葉精油在蒸餾過程中的出油率及化學(xué)成分變化情況進(jìn)行了研究，得出了較合適的蒸餾工藝。超聲-微波協(xié)同萃取是一門新型萃取技術(shù)，它將超聲與微波兩種作用方式相結(jié)合，充分利用超聲波的空化作用和微波的高能作用，對(duì)活性物質(zhì)的提取更加高效[13-16]。與傳統(tǒng)萃取法相比，超聲-微波協(xié)同水蒸氣蒸餾法可以大大縮短提取時(shí)間，降低能耗，提高生產(chǎn)效率[17-19]。同時(shí)也可為其它活性物質(zhì)的提取提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試劑

香桂葉采自湖南湘西自治州永順縣，經(jīng)陰干后粉碎；蒸餾水（自制）；氯化鈉（分析純），西隴化工股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備

CW-2000超聲-微波協(xié)同萃取儀（上海新拓分析儀器科技有限公司）；Perkin Elmer Clarus 600氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國PE公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾提取法

將稱取的50.00 g的香桂葉粉，進(jìn)行傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾，直到香桂油的體積沒有再增加為止（耗時(shí)約為8 h）。得到油1.10 mL。由式（1）計(jì)算可得傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法所得香桂葉油的提取率為2.411%。

1.3.2 超聲-微波協(xié)同提取法

稱取香桂葉粉，量取一定體積的蒸餾水，裝入特制500 mL燒瓶中，聯(lián)接好油水分離器、冷凝管，關(guān)好超聲-微波協(xié)同萃取儀爐門，打開冷凝管的自來水閥，設(shè)置好相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行水蒸氣蒸餾。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉超聲-微波協(xié)同萃取儀，讀取香桂葉油的體積。

1.3.3 提取率的計(jì)算

式（1）中：ρ為香桂葉油密度，g/mL；V為香桂葉油體積，mL；m為香桂葉質(zhì)量，g。

1.3.4 GC-MS檢測(cè)分析 [10,20]

GC條件：毛細(xì)管柱（30 m× 0.25 mm ×0.25 μm），載氣為高純氦氣，柱溫：80～220 ℃，檢測(cè)器溫度：250 ℃，進(jìn)樣量：1 μL，進(jìn)樣溫度：250 ℃，升溫程序：50 ℃（停留4 min），10 ℃/min頻率升溫至100 ℃（停留1 min），再15 ℃/min頻率升溫至130 ℃（停留3 min），再25 min頻率升溫至230℃（停留6 min），柱流量：1.0 mL/min，柱前壓：200 kPa，分流比 50∶1。

MS 條件：電離方式EI，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，傳輸線溫度：250 ℃，質(zhì)量掃描范圍m/z：35～450，四極桿溫度：150℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲-微波協(xié)同提取法單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 提取次數(shù)對(duì)提取率的影響

稱取香桂葉20.00 g，在液固比為12（mL/g），微波功率為75 w，時(shí)間30 min，氯化鈉濃度為3%的條件下，提取多次，考察提取次數(shù)對(duì)香桂葉油提取率的影響規(guī)律。由圖1可看出，經(jīng)過一次提取后，提取率增加并不太大。故增加提取次數(shù)意義不大，以下均為提取一次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 提取次數(shù)對(duì)香桂葉油提取率的影響Fig. 1 Effect of extraction times on yield of CPL oil

2.1.2 微波功率對(duì)提取率的影響

隨機(jī)稱取香桂葉20.00 g，固定液固比為12（mL/g），提取時(shí)間為30 min，氯化鈉濃度為3%。在不同微波功率下考察其對(duì)香桂葉油提取率的影響規(guī)律。由圖2可知，隨著微波功率的升高，香桂葉油的提取率先增加后下降，在75 w時(shí)達(dá)到最高值。分析原因可能是因?yàn)楫?dāng)微波功率在75 w以下時(shí),香桂葉的細(xì)胞壁破裂的較少，香桂葉油被提取出來的量較少，當(dāng)微波功率超過75 w時(shí)，香桂葉油有少量可能會(huì)溶于蒸餾水中。

圖2 微波功率對(duì)香桂葉油提取率的影響Fig.2 Effect of microwave power on yield of CPL oil

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響

隨機(jī)稱取香桂葉20.00 g，在液固比為12（mL/g），微波功率75 w，氯化鈉濃度為3%下，考察不同的提取時(shí)間對(duì)香桂葉油的提取率的影響規(guī)律。由圖3可知，香桂葉油的提取率隨著提取時(shí)間的增加而增加。分析原因可能是因?yàn)殡S著提取過程的進(jìn)行，香桂葉中的香桂葉油更完全的被提取出來了。

圖3 提取時(shí)間對(duì)香桂葉油提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on yield of CPL oil

2.1.4 液固比對(duì)提取率的影響

實(shí)驗(yàn)固定提取時(shí)間30 min，微波功率為75 w，氯化鈉濃度為3%，考察不同液固比對(duì)香桂葉油提取率的影響規(guī)律。從圖4可以看出隨著液固比的增大，香桂葉油提取率先增加后減小。分析可能因?yàn)檎麴s水越多，香桂葉油提取出的更多，但當(dāng)蒸餾水量增加到一定程度時(shí)，香桂葉油在蒸餾水中的溶解量越大，反而使香桂葉油的提取率降低。

圖4 液固比對(duì)香桂葉油提取率的影響Fig.4 Effect of ratio of solvent and material on yield of CPL oil

2.1.5 氯化鈉濃度對(duì)提取率的影響

稱取香桂葉20.00 g，調(diào)節(jié)液固比為12（mL/g），微波功率為75 w，時(shí)間30 min，考察氯化鈉濃度對(duì)香桂葉油提取率的影響規(guī)律。由圖5可看出，隨著氯化鈉濃度的升高，香桂葉油的提取率先升高后降低，在4%達(dá)到最大，分析原因如下：加入了氯化鈉減少了香桂葉油的溶解度，氯化鈉對(duì)被分離組分的相對(duì)揮發(fā)度產(chǎn)生了不同影響，氯化鈉溶液在香桂葉內(nèi)外的滲透壓差使精油更容易滲出而被蒸出[21-23]。另外，加入鹽還可以起到鹽析的作用，使精油品質(zhì)得到了提高。

圖5 氯化鈉濃度對(duì)香桂葉油提取率的影響Fig. 5 Effect of the concentration of NaCl on yield of CPL oil

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，來考察微波功率、提取時(shí)間、液固比、氯化鈉濃度對(duì)香桂葉油提取率的影響規(guī)律，以確定優(yōu)化的提取條件。實(shí)驗(yàn)采用L9（34）正交表，選取3個(gè)水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。香桂葉油提取正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及極差分析結(jié)果Table 1 Orthogonal test results and analysis

由極差分析可知，對(duì)于香桂葉油的提取，影響因素的主次是液固比＞微波功率＞提取時(shí)間＞氯化鈉濃度。因此可得香桂葉油的提取優(yōu)化條件是：微波功率75 W，液固比為10（mL/g），時(shí)間30 min，氯化鈉濃度為4%，這與單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在此條件下，重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)3次，得出香桂葉油的平均提取率可達(dá)3.288%。

2.3 對(duì)提取物的GC-MS檢測(cè)

將超聲-微波協(xié)同萃取的香桂葉油用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行化學(xué)成分的鑒定（圖6），并對(duì)各組分進(jìn)行定量分析，結(jié)果見表2。

圖6 香桂葉油的GC-MS分析總離子流程圖像Fig.6 Total ion current chromatogram of CPL oil by GC-MS

表2 香桂葉油化學(xué)組分的相對(duì)含量Table 2 Relative contents of chemical components of CPL oil

超聲-微波協(xié)同萃取的香桂葉精油，通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析，共檢測(cè)出13個(gè)組分，鑒定出已知化合物11個(gè)（見表2）。其中黃樟油素的含量高達(dá)98.09%，其它化合物如檸檬烯、芳樟醇、α-蒎烯、桉葉油醇和檜烯等在香桂葉油中也有一定的含量。

3 結(jié) 論

（1）采用超聲-微波協(xié)同水蒸汽蒸餾法提取香桂葉油，單因素實(shí)驗(yàn)表明各提取因素對(duì)香桂葉油提取率的影響規(guī)律為：隨著微波功率的升高，香桂葉油提取率先增加后下降；香桂葉油的提取率隨著提取時(shí)間的增加而增大；隨著液固比的增大，香桂葉油的提取率先增加后減?。宦然c濃度在4%時(shí)，香桂葉油的提取率最大。

（2）通過正交實(shí)驗(yàn)，得出超聲-微波協(xié)同水蒸汽蒸餾法的各提取因素對(duì)香桂葉油提取率的影響依次為為：液固比＞微波功率＞提取時(shí)間＞氯化鈉濃度。

（3）通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化超聲-微波協(xié)同水蒸汽提取香桂葉油的工藝條件與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致，均為：微波功率75 w，液固比為10（mL/g）提取時(shí)間30 min，氯化鈉濃度為4%，在此條件下，香桂葉油的提取率可達(dá)到3.288%。

（4）在提取一次的條件下，傳統(tǒng)水蒸汽蒸餾法提取香桂油需8小時(shí)，提取率僅為2.411%。與之相比，超聲-微波協(xié)同萃取法大大縮短了蒸餾時(shí)間，且香桂葉油的提取率也得到了有效提高。

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Orthogonal array design tests for optimizing ultrasonic-microwave synergistic extraction of Cinnamomum petrophilum leaves oil

YANG Yan-hong, LI Xiang-zhou, TANG Ke-jun
(College of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The extraction technology of Cinnamomu petrophilum leaves essential oil(CPL oil)of Western Hunan was studied. The conditions of ultrasonic-microwave extracting CPL oil were discussed by using the ultrasonic-microwave extraction system ,including microwave power,extraction time, ratio of material and solvent ,the concentration of NaCl and extraction times. And the optimized conditions of ultrasonic-microwave synergistic extracting CPL oil once were obtained by orthogonal experiments : microwave power was 75w; extraction time was 30 minutes; ratio of solvent and material was 10 (mL/g) ; the concentration of NaCl was 4%. Ultrasonicmicrowave synergistic extraction was time saving and gave a higher extraction yield (3.288%)of CPL oil, when compared with the conventional water distillation extraction method(2.411%).Safrole content of the extract was 98.09% by GC-MS.

ultrasonic-microwave synergistic extraction; Cinnamomum petrophilum leaves oil; orthogonal array design; extraction yield

S727.32

A

1673-923X(2016)11-0125-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.022

2015-03-16

中南林業(yè)科技大學(xué)青年基金項(xiàng)目（QJ2010014B）；國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201204811）

楊艷紅，講師，碩士 通訊作者：李湘洲，教授，博士生導(dǎo)師；E-mail：rlxz@163.com

楊艷紅，李湘洲，唐克軍.正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化香桂葉油的超聲-微波協(xié)同提取工藝[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(11):125-128, 136.

[本文編校：吳 毅]