響應(yīng)面優(yōu)化薄荷揮發(fā)油的提取工藝及其抗氧化性能研究

羅 鳳,龍 旭,高曉敏,齊巧明,雷亞婷,靳如意,郭 惠

(陜西中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，陜西 咸陽 712046)

薄荷(MenthahaplocalyxBriq)為唇形科薄荷屬草本芳香植物，又名水薄荷、人丹草、蘇薄荷和夜息花等[1～4]。薄荷作為傳統(tǒng)中藥，其揮發(fā)油主要為多種單萜類化學(xué)物，具有清利頭目、除臭、利咽、抑菌、抗氧化、防蚊蟲、鎮(zhèn)痛、疏風(fēng)散熱、解痙、疏肝行氣等功效，被廣泛用于醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域[5～12]。研究以薄荷作為原料，采用水蒸氣蒸餾法提取其揮發(fā)油組分，考察提取工藝參數(shù)，利用響應(yīng)面法對薄荷揮發(fā)油的最佳提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化再考察其體外抗氧化性能，為薄荷資源的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑 薄荷，石油醚(60%)，無水乙醇(AR)，氯化鈉(AR)，無水硫酸鈉(AR)，1,1-二苯基-2-苦肼基(DPPH，AR)，去離子水實(shí)驗(yàn)室自制。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器 電子天平，粉碎機(jī)，20目標(biāo)準(zhǔn)篩，250mL分液漏斗，500 mL三頸燒瓶，恒溫磁力攪拌器，電熱鼓風(fēng)干燥箱，紫外-可見分光光度計(jì)，循環(huán)水多用真空泵。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟及表征

1.2.1 薄荷揮發(fā)油水蒸氣蒸餾提取 將薄荷置于干燥箱中于30 ℃干燥24 h，粉碎過20目篩備用。稱取一定量的薄荷細(xì)粉置于500 mL三頸燒瓶中，加入適量二次蒸餾水，浸泡一段時(shí)間，于100 ℃條件下回流一段時(shí)間，獲得蒸餾液。轉(zhuǎn)入分液漏斗中加入2.0 g氯化鈉促進(jìn)油水分離，靜置24 h，加入適量無水硫酸鈉對其進(jìn)行干燥處理，純化后稱重，并用下式計(jì)算薄荷揮發(fā)油的提取率：

1.2.2 薄荷揮發(fā)油最佳提取工藝參數(shù)的考察 主要有:

(1)最佳料液比的確定。準(zhǔn)確稱取45.0 g薄荷干花細(xì)粉于500 mL三頸燒瓶中，分別按不同料液比(1∶7、1∶8、1∶9和1∶10)加入去離子水，室溫密閉浸泡1.0 h于100 ℃回流1.5 h，獲得薄荷蒸餾液。將薄荷蒸餾液轉(zhuǎn)至分液漏斗中，加入3.0 g氯化鈉，加速水油分離，靜置24 h后，分出上層油狀物，加入2.0 g無水硫酸鈉去除殘留水分，過濾得純凈薄荷揮發(fā)油，最后稱重。

(2)最佳浸泡時(shí)間。準(zhǔn)確稱取45.0 g薄荷細(xì)粉于500 mL三頸燒瓶中，按料液比為1∶9加入去離子水，室溫分別密閉浸泡不同時(shí)間(0h、1.5 h、3.0 h和4.5 h)，在100 ℃條件下回流1.5 h，獲薄荷蒸餾液。與料液比實(shí)驗(yàn)類似分液、除水、稱重。

(3)最佳提取時(shí)間。準(zhǔn)確稱取45.0 g薄荷干花細(xì)粉于500 mL三頸燒瓶中，按料液比為1∶9加入去離子水，室溫密閉浸泡1.5 h后在100 ℃條件下分別回流不同時(shí)間(1.5 h、3.0 h、4.5 h和6.0 h)，獲得薄荷蒸餾液。與料液比實(shí)驗(yàn)類似分液、除水、稱重。

1.2.3 抗氧化研究 分別以揮發(fā)油濃度和DPPH·自由基清除率作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)作圖，獲得薄荷揮發(fā)油濃度與自由基清除率的關(guān)系圖譜。于517 nm波長下，通過測定吸光度值的變化，對薄荷揮發(fā)油抗氧化活性的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。樣品溶液對DPPH?自由基的清除能力按下式計(jì)算：

2 結(jié)果與討論

2.1 料液比對薄荷揮發(fā)油提取率的影響

圖1為料液比變化對薄荷揮發(fā)油提取率的影響趨勢。薄荷顆粒與去離子水充分接觸可促使揮發(fā)油類有效物質(zhì)充分轉(zhuǎn)移至溶劑中，從而提高揮發(fā)油提取率。但當(dāng)料液比超過1∶9后，溶劑水用量提高使薄荷粉在水中所占比例減少，同時(shí)后處理過程中揮發(fā)油損失增加導(dǎo)致提取率下降。因此，最佳料液比應(yīng)控制為1∶9。

2.2 浸泡時(shí)間對薄荷揮發(fā)油提取率的影響

圖2位浸泡時(shí)間對薄荷揮發(fā)油提取率的影響，薄荷顆粒在溶劑中浸泡時(shí)間延長，水分子逐步向薄荷中進(jìn)行擴(kuò)散，促使揮發(fā)油提取率逐步增加，當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到1.5 h時(shí)，提取率最大。因此，隨著浸泡時(shí)間越長，擴(kuò)散越完全，提取的揮發(fā)油含量就越高。但浸泡時(shí)間過長，揮發(fā)油提取率反而呈現(xiàn)下降趨勢。因此，最佳浸泡時(shí)間為1.5 h。

2.3 提取時(shí)間對薄荷揮發(fā)油提取率的影響

圖3為提取時(shí)間對揮發(fā)油提取率的影響趨勢，延長提取時(shí)間揮發(fā)油提取率先增大后減小，當(dāng)提取時(shí)間為3.0 h時(shí)，揮發(fā)油提取率最大。隨著提取時(shí)間的增長，溶劑水將干燥的薄荷顆粒充分浸潤后并將有效成分溶解出來，使揮發(fā)油的提取率逐步增加。但在有效成分?jǐn)U散完成的前提下，當(dāng)提取時(shí)間過長，反而會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)油中的有效成分揮發(fā)損失而降低總的提取率。綜合考慮提取時(shí)間為3.0 h最好。

2.4 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

綜合考慮薄荷揮發(fā)油提取過程中的工藝參數(shù)：料液比(A)，浸泡時(shí)間(B)，提取時(shí)間(C)對揮發(fā)油提取率的影響，根據(jù)Box-Behnken的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了3個(gè)因素，每個(gè)因素3個(gè)水平，見表1。

表1 響應(yīng)面因素與水平

以揮發(fā)油提取率作為因變量，采用Design-Expert軟件對各因素進(jìn)行擬合，得到二次回歸方程：Y=1.16+0.0237A+0.0925B+0.0713C-0.0425AB+0.07AC+0.0475BC- 0.1708A2- 0.0833B2- 0.2608C2，R2= 0.9910。采用Design-Expert軟件擬合分析2個(gè)自變量的交互作用對薄荷揮發(fā)油收率影響的三維響應(yīng)面圖，如圖4所示。料液比與浸泡時(shí)間交互效應(yīng)顯著，浸泡時(shí)間與提取時(shí)間交互效應(yīng)顯著，料液比與提取時(shí)間交互效應(yīng)較弱。經(jīng)Design-Expert軟件分析回歸模型的揮發(fā)油的最優(yōu)提取條件為料液比0.137 g·mL-1，浸泡時(shí)間1.503 h，提取時(shí)間3.013 h，在此條件下?lián)]發(fā)油提取率為1.174%。

2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

結(jié)合軟件擬合結(jié)果和實(shí)驗(yàn)操作條件，確定薄荷揮發(fā)油的最優(yōu)提取工藝參數(shù)為料液比為1∶9，浸泡1.5 h，提取3.0 h，重復(fù)提取3次，薄荷揮發(fā)油提取率為1.16%，相對平均偏差為0.87%，說明基于Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獲得的最佳提取工藝參數(shù)可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

2.6 薄荷揮發(fā)油的抗氧化性能

圖5為薄荷濃度變化對其抗氧化性能的影響規(guī)律。從圖5可知，揮發(fā)油濃度對DPPH·自由基的清除率影響較大。從圖5可知，薄荷揮發(fā)油對DPPH·自由基有一定的清除活力，隨著揮發(fā)油濃度的增加，抗自由基活性持續(xù)升高，這說明揮發(fā)油濃度和抗氧化性能之間具有明顯的濃度依賴效應(yīng)，當(dāng)濃度達(dá)到80 mg·mL-1時(shí)，自由基清除率可達(dá)到53.21%。

3 結(jié)論

基于薄荷的藥用價(jià)值，以薄荷作為原料，考察料液比、浸泡時(shí)間和提取時(shí)間對揮發(fā)油提取率的影響規(guī)律。通過響應(yīng)面發(fā)建立薄荷揮發(fā)油水提法的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型，考察了提取工藝參數(shù)之間的交互作用，獲得最佳提取工藝參數(shù)。利用清除DPPH·自由基法考察薄荷揮發(fā)油的抗氧化性能，結(jié)果表明薄荷揮發(fā)油具備明顯的抗氧化性能，為薄荷產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)提供理論依據(jù)。