西南樺樹皮精油提取工藝優(yōu)化?

王彩云 王春勝 曾 杰

（中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所, 廣州 510520）

植物精油是存在于植物組織中可隨水蒸氣蒸餾的一類次生代謝產(chǎn)物。大多數(shù)植物精油不但具有芳香氣味，還具有抗氧化、抑菌消炎、抗癌、驅(qū)蟲殺蟲等功效[1]，因此，植物精油廣泛用于醫(yī)療保健、天然保健型化妝品、食品添加劑等產(chǎn)品的研發(fā)[2]，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

西南樺（Betula alnoidesBuch.-Ham. ex D. Don）是天然分布于我國(guó)華南地區(qū)以及東南亞、南亞地區(qū)的一個(gè)珍貴闊葉樹種。其木材材性優(yōu)良，可用于制作木地板、高檔家具、單板貼面等[3]。其樹皮具有獨(dú)特的香氣，提取物可用于治療感冒、月經(jīng)過(guò)多和跌打損傷等疾病[4]，還具有抗HIV-1 整合酶、抗炎、減肥、降血脂等功效[5-7]。我國(guó)西南樺種植面積目前已超過(guò)20 萬(wàn)hm2。開展西南樺樹皮精油提取研究，不僅可以豐富天然產(chǎn)物資源，亦可提高林分經(jīng)營(yíng)效益，促進(jìn)林農(nóng)增收，對(duì)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興和精準(zhǔn)扶貧國(guó)家戰(zhàn)略具有重要意義。

水蒸氣蒸餾法提取植物精油，具有安全性高、易提取、成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前仍廣為應(yīng)用。其提取效率與原材料及其處理方式等多種因素有關(guān)[8]。如，浸泡時(shí)間、粉碎程度、料液比、提取時(shí)間顯著影響柏木、圓柏[9]和肉桂[10]的精油得率?；羟宓纫喟l(fā)現(xiàn)影響香柏精油得率的主要因素依次為NaCl濃度、浸泡時(shí)間、蒸餾時(shí)間[11]。因此，本研究采用水蒸氣蒸餾法探討精油提取條件對(duì)西南樺樹皮精油得率的影響，優(yōu)化提取工藝，進(jìn)而為西南樺合理開發(fā)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

西南樺樹皮：于云南省勐臘縣西南樺試驗(yàn)示范林內(nèi)采集樹體0～1.3m高度范圍內(nèi)的樹皮，均勻混合后置于室內(nèi)自然陰干[12-13]。根據(jù)試驗(yàn)要求，采用高速粉碎機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)篩將樹皮粉碎至設(shè)定目數(shù)待用。

1.2 設(shè)備

高速粉碎機(jī)(浙江屹立工貿(mào)有限公司)，標(biāo)準(zhǔn)篩(浙江上虞市華豐五金儀器有限公司)，電子天平(德國(guó)賽多利斯公司)，Molgene210a超純水機(jī)(上海摩爾科學(xué)儀器有限公司)，精油提取器(國(guó)產(chǎn), 定制)，移液槍及槍頭(艾本德上海國(guó)際貿(mào)易有限公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)3 個(gè)單因素試驗(yàn)，探討西南樺樹皮出油率的影響因素，在此基礎(chǔ)上選擇出油率較高的試驗(yàn)水平，進(jìn)一步開展正交試驗(yàn)，優(yōu)化西南樺樹皮精油提取工藝。各試驗(yàn)均重復(fù)3 次。

試驗(yàn)一：粉碎程度設(shè)置20、30、40、60、80、100目6 個(gè)處理，設(shè)定提取時(shí)間為60 min，料液比 (樹皮：超純水) 為1: 6，研究粉碎程度對(duì)西南樺樹皮精油出油率的影響。

試驗(yàn)二：提取時(shí)間設(shè)置10、20、30、60、120、180、240 min 7 個(gè)處理，設(shè)定粉碎程度為60 目，料液比為1: 6，研究提取時(shí)間對(duì)西南樺樹皮精油出油率的影響。

試驗(yàn)三：料液比設(shè)置1:3、1:4、1:5、1:6、1:8、1:10、1:12 共 7 個(gè)處理，設(shè)定粉碎程度為60 目，提取時(shí)間為180 min，研究料液比對(duì)西南樺樹皮精油出油率的影響。

試驗(yàn)四：基于上述3 個(gè)試驗(yàn)，針對(duì)粉碎程度、提取時(shí)間、料液比3 個(gè)因素，各選擇精油得率較高的3 個(gè)水平開展正交試驗(yàn)L9(34) (表1)，篩選西南樺樹皮精油提取工藝的適宜組合。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Tab. 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3.2 精油提取方法

對(duì)于每次試驗(yàn)，應(yīng)用電子天平稱取1 000g樹皮，放入自制的精油提取器，加入超純水，依據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行回流提取。計(jì)算精油得率，其計(jì)算公式如下：

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 21 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。對(duì)于單因素試驗(yàn)，通過(guò)方差分析和多重比較揭示每個(gè)因素各水平間精油得率的差異顯著性，多重比較采用Duncan方法。方差分析前，百分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行反正弦轉(zhuǎn)換。對(duì)于正交試驗(yàn)，計(jì)算每個(gè)因素各水平對(duì)應(yīng)的精油得率均值，并進(jìn)行極差分析，篩選適宜的工藝組合。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉碎程度對(duì)精油得率的影響

由圖1 可知，西南樺樹皮粉碎后粒徑從20 目增至100 目的過(guò)程中，樹皮精油得率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)粒徑為60 目時(shí)，出油率最高，達(dá)0.097%，且顯著高于20 和30 目處理 (P＜0.05)，但與40、80 和100目處理差異不顯著(P≥0.05)；80 目處理的精油得率亦顯著高于20 目處理 (0.033%)；60 目處理的精油得率比20 目處理高2.94 倍。究其原因，可從以下三個(gè)方面得以解釋：一是隨著目數(shù)的增大，原料與水的接觸面積增加，從而使精油得率升高；二是當(dāng)達(dá)到一定目數(shù)后，顆粒之間的相互吸附力增大，使顆粒之間距離變小，從而導(dǎo)致溶劑在粒間和粒內(nèi)擴(kuò)散度變小，出油率反而降低；三是樹皮粉碎時(shí)可能破壞細(xì)胞壁，部分精油釋放而揮發(fā)，目數(shù)越大，破壞的細(xì)胞越多，亦使精油損失越大。

圖1 不同粉碎程度處理的西南樺樹皮精油得率比較Fig. 1 Comparison on essential oil yield from Betula alnoides barks under different treatments of particle size

2.2 提取時(shí)間對(duì)精油得率的影響

由圖2 可以看出，西南樺樹皮精油得率隨提取時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的趨勢(shì)。精油得率從10 min延長(zhǎng)至60 min的過(guò)程中顯著增加，60 min處理的精油得率 (0.080%) 顯著高于10 min處理。其后各處理間精油得率增加緩慢，差異不顯著。由此可見，延長(zhǎng)提取時(shí)間，并不能顯著提高西南樺樹皮的出油率，而且長(zhǎng)時(shí)間的高溫蒸餾可能破壞一些成分，還會(huì)因此增加提取成本。

圖2 不同提取時(shí)間處理的西南樺樹皮精油得率比較Fig. 2 Comparisonon essential oil yield from Betula alnoides barks under different treatments of extracting time

2.3 料液比對(duì)精油得率的影響

由圖3 可知，隨著料液比從1:3 降至1:5，西南樺樹皮精油提取率顯著增加，當(dāng)料液比為1:5 時(shí)，精油得率達(dá)到最大值 (0.080%)，顯著高于1:3 料液比處理。此后隨著料液比繼續(xù)降低，其精油得率顯著下降并趨于穩(wěn)定，維持在0.06%左右。由此可見，隨著料液比的增大，精油濃度被稀釋，增大了精油與溶劑的接觸面積，提高了傳質(zhì)速度，從而出油率會(huì)增加[14]；然而當(dāng)料液比過(guò)大，會(huì)使精油在水中部分溶解，導(dǎo)致精油得率降低，亦增加資源浪費(fèi)。

圖3 不同料液比處理的西南樺樹皮精油得率比較Fig. 3 Comparisonon essential oil yield from Betula alnoides barks under different treatments of solid to liquid ratio

2.4 提取工藝優(yōu)化

在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮粉碎粒徑、提取時(shí)間和料液比，采用正交試驗(yàn)L9(34)篩選適宜工藝組合，試驗(yàn)結(jié)果見表2。在9 組試驗(yàn)中，9 號(hào)試驗(yàn)的精油得率最高 (0.074%)，其組合為粉碎程度為80 目、提取時(shí)間為180 min、料液比為1:5。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Results of orthogonal test

極差分析結(jié)果表明(表2)，3 個(gè)因素的極差由大到小依次排列為：粉碎程度＞提取時(shí)間＞料液比。這說(shuō)明粉碎程度對(duì)精油得率的影響最大，其次是提取時(shí)間，料液比影響最小。比較每個(gè)因素各水平均值，粉碎程度為K3＞K2＞K1，提取時(shí)間K3＞K2＞K1，料液比K2＞K1＞K3，亦可以看出9 號(hào)試驗(yàn)組合工藝條件優(yōu)于其他組合。

為驗(yàn)證優(yōu)化組合工藝的穩(wěn)定性，進(jìn)一步將9 號(hào)試驗(yàn)重復(fù)3 次，得到出油率分別為0.08%、0.075%和0.073%。4 次試驗(yàn)的均值為0.076%，說(shuō)明在適宜工藝條件下西南樺樹皮精油得率約為0.076%。

2.5 分析與討論

采用水蒸氣蒸餾法提取植物精油，往往需要較長(zhǎng)時(shí)間蒸餾才能被完全提取。王艷芳等[15]研究肉桂皮精油提取工藝發(fā)現(xiàn)，其最佳提取時(shí)間為90 min，明顯短于本研究 (180 min)。這可能與肉桂皮所含精油成分沸點(diǎn)較低，在短時(shí)間內(nèi)易揮發(fā)、提取有關(guān)[16]。Nath等[17]采用水蒸氣蒸餾法提取印度Assam地區(qū)西南樺新鮮樹皮的精油，其精油得率為0.18%，而越南河內(nèi)地區(qū)西南樺新鮮樹皮的精油得率為0.05%[18]，本研究中出油率低于前者，高于后者。這可能與材料處理差異有關(guān)，本文研究采用的是陰干材料，而印度和越南的研究為新鮮材料，在陰干的過(guò)程中可聞到濃烈香氣，說(shuō)明精油有較大損失，故而提取率相對(duì)較低；亦可能與產(chǎn)地或種源差異有關(guān)，采用水蒸氣蒸餾法提取毛葉木姜子葉片精油亦是如此，四川宜賓的出油率為0.56%[19]，而湖北神農(nóng)架為0.15%[20]。

采用水蒸氣蒸餾法進(jìn)行精油提取，盡管設(shè)備簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單、成本低，但容易造成熱敏性低成分的破壞，導(dǎo)致提取率較低。目前較為盛行的超臨界CO2萃取法，比水蒸氣蒸餾法高1～2 倍[21-23]，具有萃取能力強(qiáng)、收率高、有效成分不被破壞等特點(diǎn)，但設(shè)備投資大，運(yùn)行成本高。有研究發(fā)現(xiàn)采用鹽析輔助水蒸氣蒸餾法提取紅松殼[24]、川穹[25]揮發(fā)油比水蒸氣蒸餾法高1.4、1.6倍，而且成分不被破壞，生產(chǎn)成本低。因此未來(lái)可嘗試采用多種輔助手段提高水蒸氣蒸餾法的提取效率，進(jìn)一步優(yōu)化西南樺樹皮精油提取工藝，從而提高精油品質(zhì)和產(chǎn)量，增加西南樺人工林經(jīng)營(yíng)收益。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)系列單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化了西南樺樹皮精油的水蒸氣蒸餾提取工藝，確定粉碎粒徑80 目、提取時(shí)間180 min和料液比1: 5 為適宜組合方案，在該工藝條件下精油得率為0.076%，而且效果穩(wěn)定。本研究可為西南樺樹皮精油深度開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。