響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取香茅精油工藝研究

孫毅　張峻松　羅海濤　劉思奎

摘要 [目的]研究微波輔助提取香茅精油的工藝條件。[方法]采用微波輔助法提取香茅草，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取提取時間、微波功率、液固比3個主要因素，采用響應(yīng)面法分析這3個因素對精油提取得率的影響，并擬合二次多項式回歸方程的預(yù)測模型。[結(jié)果]微波輔助提取香茅精油的最佳工藝條件為提取時間128 min，微波功率472 W，液固比為12.5∶1，在此條件下香茅精油平均得率為1.40%，與模型的理論預(yù)測值（1.406%）基本吻合。[結(jié)論]該研究確定了微波輔助提取香茅精油的最佳工藝條件。

關(guān)鍵詞 香茅精油;微波輔助提取;響應(yīng)面法;優(yōu)化

中圖分類號 TS201.1文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）17-0190-04

Abstract [Objective] To study the the extraction technology of citronella oil from Cymbopogon by microwaveassisted extraction.[Method] The citronella oil was extracted from Cymbopogon by using microwaveassisted extraction. Based on the results of single factor experiment， three factors of extraction time， microwave extraction power and liquidsolid ratio as independent variables， the effects of these three factors on the yield of citronella oil were analyzed by using response surface methodology（RSM） and the prediction model of quadratic polynomial regression equation was simulated. [Result]The optimum? conditions of citronella oil by using microwaveassisted extraction were extraction time of 128 min， microwave extraction power of 472 W， liquidsolid ratio of 12.5∶1. Under these conditions，the yield of citronella oil reached 1.40%，which was close to the theoretical predicted value （1.406%） of this model. [Conclusion]This study identified the optimum microwaveassisted extraction of citronella oil from Cymbopogon.

Key words Citronella oil;Microwaveassisted extraction;Response surface method;Optimization

香茅屬（Cymbopogon）隸屬禾本科（Gramineae），為多年生草本植物，主要分布于東半球的熱帶及亞熱帶地區(qū)，我國各地共有野生及人工栽培品種20余種[1]，主要在云南、廣西和廣東等地區(qū)大面積種植，具有一定的經(jīng)濟價值，主要用于香料和藥物前體物的提取和制備，也是西南地區(qū)少數(shù)民族傳統(tǒng)使用的食用香料。從香茅中提取的香茅油已被國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)作為一種許可使用的食品添加劑，具有抗菌作用[2-6]、抗氧化活性[7-10]、抗瘧作用[11]、免疫調(diào)節(jié)和腫瘤抑制作用[12-14]和抗炎等作用[15-17]。

微波輔助提?。╩icrowaveassisted extraction，MAE），又稱為微波萃取，作為20世紀(jì)后期發(fā)展起來的一種高效提取技術(shù)，其原理是使用食品工業(yè)中常用的2 450 MHz的高頻電磁波穿透提取容器，容器內(nèi)材料的分子間隨之產(chǎn)生的高頻運動使微波能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，加速了材料自身的細胞破裂，同時高頻電磁波形成的磁場加速材料中有效組分分子由內(nèi)部向固液界面擴散，因此具有萃取速度快、加熱均勻性好、高效節(jié)能、易于控制、無污染等優(yōu)點。目前，微波輔助提取已被廣泛應(yīng)用于油脂加工、天然藥物提取、天然香料提取等領(lǐng)域。筆者在單因素試驗的基礎(chǔ)上采用中心組合設(shè)計（BBD）試驗和響應(yīng)面法（RSM）研究微波輔助提取香茅精油的最佳工藝條件[18-19]，以期為微波輔助提取香茅精油的規(guī)?；I(yè)應(yīng)用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料。香茅草（Cymbopogon winterianus Jowitt），產(chǎn)地為云南省德宏州盈江弄璋鎮(zhèn)種植農(nóng)戶，經(jīng)鑒定為禾本科植物香茅干燥全草。

1.1.2 主要儀器。 Milestone NEOS-GR微波快速無溶劑萃取系統(tǒng)（意大利 Milestone公司，頻率2 450 MHz）;AR2130 電子天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）。

1.2 香茅精油的提取方法

將曬干的香茅草剪短至約2 cm長后混勻，稱取100 g干草放入微波萃取系統(tǒng)玻璃容器中，加入不同量常溫蒸餾水進行微波萃取，萃取結(jié)束待精油冷卻至常溫后分液計量。將提取到的香茅精油用無水硫酸鈉干燥24 h后過濾，置于4 ℃環(huán)境中避光冷藏。按以下公式計算精油得率：

精油得率=精油體積量（mL）/香茅草質(zhì)量（g）×100%。

1.3 單因素試驗

1.3.1 提取時間。按照“1.2”的方法，在加入800 g水（液固比為8∶1）、微波功率450 W的條件下，提取時間分別設(shè)置為60、75、90、105、120、135、150 min，提取香茅精油。

1.3.2 微波功率。按照“1.2”的方法，在加入800 g水[液固比為8∶1（mL∶g）]、提取時間為120 min條件下，微波功率分別設(shè)置為300、375、450、525、600、675、750 W，提取香茅精油。

1.3.3 液固比。按照“1.2”的方法，在香茅草分別加入8、9、10、11、12、13、14倍重量的水（液固比），在微波功率450 W、提取時間120 min的條件下進行香茅精油提取。

1.4 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，以對香茅精油得率有明顯影響的提取時間、微波功率和液固比這3個因素為自變量，以精油得率（Y）為響應(yīng)值，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計，使用Design-Expert 11.1.2軟件設(shè)計3因素3水平的響應(yīng)面試驗，具體因素與水平設(shè)計見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 提取時間。香茅精油在不同提取時間的得率如圖1所示。 從圖1可看出，當(dāng)提取時間少于105 min時，精油得率隨提取時間的增加而大幅提升;當(dāng)提取時間超過120 min后，精油得率隨著提取時間的增加呈緩慢下降趨勢，其主要原因是精油在提取后期不再餾出，而不斷蒸餾出的冷凝水在循環(huán)過程中會將少量的精油帶回至提取容器中后繼續(xù)被加熱分解，造成精油的損失。因此，后續(xù)響應(yīng)面試驗中提取時間選用90、120、150 min 3個水平進行分析。

2.1.2 微波功率。不同微波功率提取的香茅精油得率如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)提取功率低于450 W時，精油得率隨微波功率的增加而大幅提升;當(dāng)微波功率超出525 W后，精油得率隨著時間的增加呈下降趨勢，當(dāng)微波功率達到600 W后精油得率趨于穩(wěn)定后不再降低。微波的主要作用就是微波擾動，使提取體系中的物質(zhì)傳遞得到加強，當(dāng)微波功率相對較低時，微波能不足以使香茅草細胞壁充分破裂，其中的脂溶性成分未能得到充分有效釋放。當(dāng)微波功率逐漸升高后，體系內(nèi)會產(chǎn)生較高的壓力使細胞壁破裂程度加強，進而使得細胞內(nèi)的油脂得到充分釋放，因此精油得率快速上升。當(dāng)微波功率超過525 W 后，體系內(nèi)的大部分揮發(fā)性精油已經(jīng)被提取出來，過高的功率反而會使提取體系內(nèi)活性成分遭到破壞。因此，后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗中微波功率選用300、450、600 W 3個水平進行分析。

2.1.3 液固比。不同液固比提取的香茅精油得率如圖3所示。從圖3可以看出，在保證物料被水充分浸潤的前提條件下，當(dāng)液固比逐漸增加時，香茅精油得率隨所用水量的增加呈上升趨勢，當(dāng)液固比為12∶1時達到最高值，此后呈現(xiàn)降低趨勢。究其原因，是因為香茅精油隨提取所用水量的增加更充分地被水蒸氣帶餾出來，但其在水中有一定的溶解性，較多的水會導(dǎo)致精油更多地溶解其中，從而導(dǎo)致精油得率降低。因此，后續(xù)響應(yīng)面試驗中液固比選用10∶1、12∶1、14∶1 3個水平進行分析。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果。對試驗數(shù)據(jù)進行二次多項式回歸擬合分析，以香茅精油得率為響應(yīng)值，得到自變量與因變量的二次多項式回歸模型如下： Y=1.39+0.087 5A+0.056 3B+0.008 8C-0.01AB+0.03AC+0.017 5BC-0.173 8A 2-0.191 3B 2-0.056 2C 2。

式中，Y為香茅精油得率（%）;A為提取時間（min）;B為微波功率（W）;C為液固比。該二次多項式回歸模型的因變量與自變量間的相關(guān)性達到極顯著水平（P=0.000 2<0.01），失擬項不顯著（P=0.062 4>0.05），說明所得到的自變量與因變量的二次多項式回歸模型可靠，并可用于香茅精油提取工藝的優(yōu)化分析。響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果見表2。

方差分析表明，該模型的F值為23.37，P為0.000 2（P<0.01），說明該模型顯著性極高;R 2為0.967 8，說明該模型因變量變化有96.78%來自所對應(yīng)的自變量，模型中Adeq Precision為15.247，大于4，說明模型的回歸方程可信度高，誤差小。根據(jù)各因子F值A(chǔ)（31.13）、B（12.86）、C（0.311 3）、AB（0.203 3）、AC（1.83）、BC（0.622 5）、A 2（64.59）、B 2（78.26）、C 2（6.77）的大小，可知各因子對香茅精油得率的影響從大到小依次為B 2、A 2、A、B、C 2、AC、BC、C、AB，所選各因素對香茅精油得率的影響從大到小依次為提取時間、微波功率、液固比。因素A、B、A 2、B 2對香茅精油得率的影響極顯著（P<0.01），因素C 2對其影響達到顯著水平（0.01

對模型進行優(yōu)化后得到最佳工藝條件如下：提取時間127.861 min，微波功率472.189 W，液固比12.341∶1，在此條件下香茅精油得率的模型預(yù)測值為1.406%。

2.2.2 最佳工藝條件驗證。為了驗證最佳工藝條件，同時考慮工藝實際操作的可行性，將最佳工藝條件設(shè)置為提取時間128 min，微波功率472 W，液固比為12.5∶1，在此條件下驗證所得到的香茅精油平均得率為1.40%，為預(yù)測值的99.57%，說明經(jīng)過優(yōu)化后的二次多項式回歸方程對香茅精油得率的預(yù)測是可靠的，該試驗條件可用于微波輔助香茅精油的提取優(yōu)化。

2.2.3 各因素交互作用分析。響應(yīng)曲面圖可直觀地反映各試驗因素對香茅精油得率的影響，響應(yīng)曲面越陡峭說明該圖中的2因素交叉影響越大，響應(yīng)曲面越平緩說明該圖中的2因素交叉影響越小。圖4中提取時間和微波功率的等高線接近圓形，說明這2個因素的交叉影響較小;從圖5和圖6可以看出，提取時間和液固比、微波功率和液固比的等高線呈現(xiàn)明顯的橢圓形，表明這2個因素的交叉影響較大。這與上述方差分析結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

通過微波輔助提取香茅精油，在單因素試驗和響應(yīng)面法的基礎(chǔ)上，根據(jù)回歸模型方差分析和最佳條件驗證，再考慮到實際可行的操作條件，確定了微波輔助提取香茅精油的最優(yōu)工藝條件為提取時間128 min，微波功率472 W，液固比為12.5∶1，在此條件下驗證所得到的香茅精油得率為1.40%，為預(yù)測值的99.57%。微波輔助提取香茅精油技術(shù)提取設(shè)備簡單、效率高、節(jié)能無污染、生產(chǎn)可控性好。通過對此提取方法的研究，為目前香茅精油提取方法的改進和工業(yè)經(jīng)濟效益的提升提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

參考文獻

[1] 中國科學(xué)院《中國植物志》編輯委員會.中國植物志：第10卷 第2分冊[M].北京：科學(xué)出版社，1997：188-209.

[2] NAKAHARA K，ALZOREKY N S，YOSHIHASHI T，et al.Chemical composition and antifungal activity of essential oil from Cymbopogon nardus（Citronella grass）[J].Japan agricultural research quarterly，2003，37（4）：249-252.

[3] KOBA K，SANDA K，RAYNAUD C D，et al.Antimicrobial activities of essential oils from tree African Cymbopogon against microorganisms pathogenic in pets[J].Annales de médecine vétérinaire，2004，148（4）：202—206.

[4] 佟棽棽.迷迭香和檸檬草的揮發(fā)性成分及其抗抑郁、抑菌作用的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[5] JEONG M R，PARK P B，KIM D K，et al.Essential oil prepared from Cymbopogon citrates exerted an antimicrobial activity against plant pathogenic and medical microorganisms [J].Mycobiology，2009，37（1）：48-52.

[6] 趙杰，周超英，顧振芳，等.檸檬草精油對9種植物病原菌的抑菌活性[J].上海交通大學(xué)學(xué)報（農(nóng)業(yè)科學(xué)版），2011，29（4）：72-74，86.

[7] 楊欣，姜子濤，李榮，等.分段提取的爪哇香茅揮發(fā)油抗氧化性能及清除自由基能力的比較[J].中國食品學(xué)報，2011，11（1）：34-39.

[8] 趙琳靜，王斌，喬妍，等.香茅葉揮發(fā)油的化學(xué)成分及其體外抗氧化活性[J].中成藥，2016，38（4）：841-845.

[9] 趙建芬，李妍，張素斌，等.香茅精油的超臨界CO2萃取及其抗氧化活性的研究[J].中國食品添加劑，2015（12）：98-103.

[10] RORIZ C L，BARROS L，CARVALHO A M，et al.Scientific validation of synergistic antioxidant effects in commercialised mixtures of Cymbopogon citratus and Pterospartum tridentatum or Gomphrena globosa for infusions preparation[J].Food chemistry，2015，185：16-24.

[11] TCHOUMBOUGNANG F，ZOLLO P H，DAGNE E，et al.In vivo antimalarial activity of essential oils from Cymbopogon citratus and Ocimum gratissimum on mice infected with Plasmodium berghei [J].Planta medica，2005，71（1）：20-23.

[12] 廉曉紅，李德山，竇玉琴，等.香茅草提取物的免疫調(diào)節(jié)作用與腫瘤抑制作用[J].沈陽藥科大學(xué)學(xué)報，2005，22（4）：295-297.

[13] TIWARI M，DWIVEDI U N，KAKKAR P.Suppression of oxidative stress and proinflammatory mediators by Cymbopogon eitratus D.Stapf extract in lipopolysaccharide stimulated murine alveolar macrophages [J].Food chemical toxicology，2010，48（10）：2913-2919.

[14] BAO X L，YUAN H H，WANG C Z，et al.Polysaccharides from Cymbopogon citratus with antitumor and immunomodulatory activity[J].Pharmaceutical biology，2015，53（1）：117-124.

[15] BOUKHATEM M N，F(xiàn)ERHAT M A，KAMELI A，et al.Lemon grass （Cymbopogon citratus） essential oil as a potent antiinflammatory and antifungal drugs[J].Libyan journal of medicine，2014，9：1-10.

[16] FIGUEIRINHA A，CRUZ M V，LOPES M C，et al.Antiinflammatory activity of （Cymbopogon citratus） leaf infusion in lipopolysaccharidestimulated dendritic cells：Contribution of the polyphenols[J].Journal of medicinal food，2010，13（3）：681-690.

[17] FRANCISCO V，F(xiàn)IGUEIRINHA A，NEVES B M，et al.Cymbopogon citratus as source of new and safe antiinflammatory drugs：Bioguided assay using lipopolysaccharidestimulated macrophages[J].Journal of ethnopharmacology，2011，133（2）：818-827.

[18] 徐向宏，何明珠.試驗設(shè)計與Design-Expert、SPSS應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[19] 岳金霞，彭丹，徐曉輝.響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取奇亞籽油工藝[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，39（2）：72-77.