天然植物精油粘膠纖維提萃取技術(shù)及性能測(cè)試

王曉霞

(咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 712000)

天然植物精油多為無(wú)色油狀液體，是植物體自身的次級(jí)代謝物質(zhì)，一般分子質(zhì)量較小，采用蒸氣法就可以將其蒸出；植物精油在醫(yī)藥和化學(xué)領(lǐng)域常被稱(chēng)為揮發(fā)油，在商業(yè)領(lǐng)域稱(chēng)為芳香油。天然植物精油有著多種功能特性，應(yīng)用廣泛?；诖?，本文研究嘗試?yán)谜衬z紡絲液中加入以檸檬精油、香桂精油和洋甘菊精油來(lái)進(jìn)行提取，并且通過(guò)測(cè)試紡制纖維的性能測(cè)試評(píng)價(jià)了紡制工藝的可行性，為拓展粘膠纖維的功能應(yīng)用領(lǐng)域提供借鑒。

1 天然植物精油的主要組成成分

天然植物精油取自植物的花、根、葉、果實(shí)和種子等部位，其成分較為復(fù)雜，其主要組成成分有芳香族化合物、萜類(lèi)化合物、含氮含硫化合物和脂肪族化合物等。

1.1 萜類(lèi)化合物

天然植物精油中最主要的成分就是萜類(lèi)化合物，其能夠在植物精油中占到70%以上，該類(lèi)化合物在自然界也廣泛存在。其含氧衍生物大多具有芳香氣味，例如：醇、酚、酯等。萜類(lèi)化合物分為單萜類(lèi)、倍半萜和多萜類(lèi)等，例如：檸檬醛、薰衣草醇、香茅醇屬于單萜；金合歡烯、愈創(chuàng)木醇屬于倍半萜類(lèi)；維生素A醇和類(lèi)杉醇屬于雙萜類(lèi)。

1.2 芳香族化合物

天然植物精油中第2大類(lèi)化合物即為芳香族化合物，主要分為苯丙烷類(lèi)衍生物和萜源衍生物，前者例如欖香素、桂皮醛；后者例如α姜黃烯和百里香草酚。含萜源衍生物的植物精油通常會(huì)作為辛香型香料參與香料的生產(chǎn)。

1.3 含氮、含硫化合物

植物香辛料精油中含氮、含硫化合物較多，該類(lèi)化合物主要存在于大蒜、洋蔥這類(lèi)辛辣刺激的植物中。含硫化合物，如大蒜素、黑芥子中的異硫氰酸烯丙酯、洋蔥中的三硫化合物等；含氮化合物，如檸檬中的吡咯、茉莉中的吲哚，相比于含硫化合物，其在植物精油中的含量較少。草本植物的種類(lèi)、提取部位、提取工藝不同，提取到的天然植物精油的成分和含量也會(huì)有一定的差異。

1.4 脂肪族化合物

幾乎全部種類(lèi)的植物精油中都含有脂肪族化合物，大多存在于植物的果實(shí)部分，雖然只有極少的含量，也屬于植物精油的次要成分。如檸檬精油中的異戊醛、桂花精油中的正葵烷、沙棘精油中的乙酸乙酯等都屬于脂肪族化合物。相關(guān)資料表明，植物精油中最常見(jiàn)的該類(lèi)化合物為異戊醛和異戊酸。

2 粘膠纖維性能測(cè)試

2.1 聚合度測(cè)試

采用銅氨溶液法測(cè)試以上不同天然植物精油制備的不同含量的粘膠纖維聚合度。

纖維力學(xué)性能測(cè)試

采用酮溶液與蒸餾水依次將以上利用不同天然植物精油制備的不同含量、洗凈后在105 ℃的容器中烘干備用；設(shè)置溫度、濕度恒溫狀態(tài)試驗(yàn)箱相對(duì)濕度為 65%、溫度為 20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境對(duì)制備的粘膠纖維進(jìn)行調(diào)濕處理24 h備用。使用 XQ-1A 型纖維強(qiáng)伸度儀對(duì)纖維的力學(xué)斷裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，其中 XQ-1A 型纖維強(qiáng)伸度儀參數(shù)設(shè)置為：纖維夾持長(zhǎng)度為 20 mm，纖維拉伸速度為 20 mm/min，每種類(lèi)的粘膠纖維測(cè)試30 根，剔除測(cè)試中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)后取測(cè)試值的平均值。

纖維摩擦因數(shù)測(cè)試

按照“2.1.1”纖維力學(xué)性能測(cè)試中纖維的調(diào)濕方法對(duì)粘膠纖維進(jìn)行調(diào)濕，將調(diào)濕后的粘膠纖維兩端夾于張力儀夾頭上，張力儀質(zhì)量為100 mg，利用 Y151 纖維摩擦系數(shù)測(cè)定儀對(duì)上述不同天然植物精油制備的不同含量粘膠纖維與其自身纖維制備的纖維輥間的纖維摩擦系數(shù)。Y151 纖維摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試參數(shù)設(shè)置為：30 r/min 的轉(zhuǎn)速下測(cè)試?yán)w維的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)；0.9 r/min 的轉(zhuǎn)速下測(cè)試?yán)w維的靜態(tài)摩擦系數(shù)。各種類(lèi)的粘膠纖維測(cè)試 30 根纖維，剔除測(cè)試中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)后取測(cè)試值的平均值。

紅外光譜測(cè)試

將溴化鉀與精油質(zhì)量含量為 20%的檸檬醛、香桂葉、洋甘菊制成試樣壓片，調(diào)整紅外光譜儀參數(shù)使其在分辨率 0.5 cm，波數(shù)4 000～400 cm參數(shù)下對(duì)制備的溴化鉀纖維壓片進(jìn)行紅外曲線測(cè)試。

X衍射曲線測(cè)試

利用 D8 DISCOVER型X-射線衍射儀對(duì)功能粘膠纖維進(jìn)行大角度衍射，掃描速度為5°/min ；纖維壓片在5°～45°進(jìn)行X-衍射曲線測(cè)試。

2.2 纖維性能分析模型

恒幅循環(huán)載荷下的模型構(gòu)建

通過(guò)干涉分析理論可知，當(dāng)粘膠纖維制成的結(jié)構(gòu)件處于恒幅循環(huán)載荷狀態(tài)下時(shí)，材料的可靠度可以根據(jù)式(1)進(jìn)行分析：

(1)

式中：()表示粘膠纖維基于疲勞壽命定義的可靠度函數(shù)；表示載荷循環(huán)次數(shù)；表示疲勞壽命的形狀參數(shù)；表示疲勞壽命的尺度參數(shù)。當(dāng)外部載荷和循環(huán)次數(shù)為一恒定、有規(guī)律值時(shí)，基本上可認(rèn)定材料剩余強(qiáng)度和疲勞壽命的形狀參數(shù)、疲勞壽命的尺度參數(shù)高度相關(guān)。

不確定性恒幅循環(huán)載荷下的模型構(gòu)建

當(dāng)粘膠纖維工程結(jié)構(gòu)件所處的載荷環(huán)境為交變載荷、反復(fù)作用時(shí)，材料內(nèi)部的疲勞損傷類(lèi)型通常會(huì)更為復(fù)雜。從宏觀上表現(xiàn)為材料的剩余強(qiáng)度隨載荷作用時(shí)間的增加而逐漸降低，材料的剩余壽命也會(huì)隨之逐漸減小。通常情況下，不確定性恒幅循環(huán)載荷數(shù)學(xué)模型構(gòu)建需要從剩余強(qiáng)度和剩余壽命2個(gè)視角進(jìn)行分析，具體損傷函數(shù)如式(2)、式(3)所示：

(2)

(3)

式中：()表示不確定性恒幅循環(huán)載荷下基于剩余強(qiáng)度定義的粘膠纖維疲勞損傷函數(shù)；()表示基于壽命定義的疲勞損傷函數(shù)；表示材料的原始強(qiáng)度；()表示材料在外部載荷作用次以后的剩余強(qiáng)度；表示材料的原始?jí)勖＠檬?2)、式(3)分別計(jì)算出不確定性恒幅循環(huán)載荷下的材料剩余強(qiáng)度和剩余壽命。

隨機(jī)循環(huán)載荷下的模型構(gòu)建

一般的材料剩余強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型通常反映的是恒幅循環(huán)盈利與粘膠纖維所能承受的最大載荷循環(huán)次數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于較為復(fù)雜的隨機(jī)循環(huán)載荷下的模型分析尚不能明確展示材料內(nèi)部復(fù)雜的疲勞損傷種類(lèi)的各種疲勞損傷之間的相互作用機(jī)制。通常情況下，當(dāng)外部載荷為隨機(jī)循環(huán)載荷時(shí)，一般粘膠纖維外部載荷的峰值和谷值并不是穩(wěn)定或有規(guī)律可循的數(shù)值。此時(shí)構(gòu)建材料剩余強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型需要借助特定的疲勞累積損傷理論或失效準(zhǔn)則。本文假設(shè)為一隨機(jī)應(yīng)力母體，(=1，2,3，…，)為中的一個(gè)盈利樣本，根據(jù)式(1)～式(3)反映的材料剩余強(qiáng)度分析函數(shù)可得：

=

(4)

式中：表示材料的原始?jí)勖?span id="j5i0abt0b" class="subscript">(=1，2,3， …,)表示樣本作用下的復(fù)合材料疲勞壽命。將式(4)引入Miner累積損傷準(zhǔn)則可得：

(5)

式(5)除能夠反映粘膠纖維在收到外部隨機(jī)循環(huán)載荷時(shí)的剩余強(qiáng)度變化規(guī)律外，還具有分析簡(jiǎn)單、實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值高等特點(diǎn)。

綜上所述，筆者以新工科為“一主體”，結(jié)合本科專(zhuān)業(yè)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為“二翼”的指引，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，建立標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)操作流程，完善標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，從而升級(jí)改造制藥類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，達(dá)到新工科對(duì)于專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的新要求，讓學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)滿足醫(yī)藥行業(yè)的實(shí)際需求，提升制藥工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量[15]，為地方高校制藥工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

3 天然植物精油粘膠纖維新型提萃取方法

3.1 超臨界CO2流體萃取法

該方法是一種新型精油提取方法，其原理為：通過(guò)控制壓力和溫度，調(diào)整超臨界CO的溶解能力，對(duì)植物材料中的特殊天然產(chǎn)物進(jìn)行溶解，然后在超臨界狀態(tài)下，將溶解在超臨界CO中的不同分子量、沸點(diǎn)、極性等的精油成分依次萃取出來(lái)。目前，采用該方法已經(jīng)能夠提取出很多種類(lèi)的天然植物精油，且得油率都能夠超過(guò)6.0%。有研究人員采用超臨界CO流體萃取技術(shù)，其萃取工藝流程如圖1所示。

圖1 超臨界CO2流體萃取工藝流程圖Fig. 1 Flow chart of supercritical CO2 fluid extraction process

由圖1可知，該技術(shù)下精油提取與分離基本流程為：CO氣體貯罐凈化系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)高壓泵萃取釜分離釜1、分離釜2。在壓力10.9 MPa、溫度42 ℃的條件下進(jìn)行萃取，分離釜1中的壓力設(shè)定為8 MPa、溫度為45 ℃；分離釜2中的壓力設(shè)定為5 MPa、溫度為30 ℃，最終得到的精油萃取率為8.43%。

分離技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：與以往的水蒸氣蒸餾法相比，采用該方法進(jìn)行植物精油的提取與分離，能夠減少某些精油組分的流失或分解，因?yàn)槠浞磻?yīng)溫度不高，通常在35～55 ℃，且CO氣體的存在能夠有效減少精油中熱敏組分的分解和流失；CO屬于不可燃性氣體，無(wú)味、無(wú)毒，整個(gè)植物精油的提取與分離過(guò)程較為安全，且不添加任何有機(jī)溶劑，因此無(wú)化學(xué)殘留，較好保證了植物精油的純天然特性。該技術(shù)較為適合高檔植物精油的提取和制備。但該技術(shù)所需成本較高，以致于目前還沒(méi)有被普遍投入工業(yè)化生產(chǎn)中。

3.2 同時(shí)蒸餾-萃取法

該方法也是一種新型精油提取方法，其原理為：在密閉的裝置中，將樣品溶液和萃取劑分別放置2個(gè)蒸餾瓶，加熱升溫至沸騰，由于各組分的沸點(diǎn)不同，各組分在低于各自沸點(diǎn)時(shí)被蒸出，在冷凝管中與萃取溶劑的蒸汽充分混合冷凝，萃取劑蒸汽將目標(biāo)成分萃取出來(lái)。當(dāng)某一組分被完全蒸出后，蒸餾瓶中樣品的溫度才會(huì)上升，直至將樣品其余組分蒸出。依據(jù)水和萃取劑不相容且密度不同，將水與萃取液分離，最后回收萃取液，就可獲取目標(biāo)植物精油成分。

水蒸氣蒸餾法的溫度較高，精油中的熱敏性成分容易被熱分解，易水解成分被水解，甚至導(dǎo)致原料焦化現(xiàn)象，不僅耗能耗時(shí)，還影響精油產(chǎn)品的質(zhì)量。選擇新疆產(chǎn)原產(chǎn)地羅馬洋甘菊作為原料，采用蒸餾-萃取法提取了洋甘菊精油，并將該方法和以往的水蒸氣蒸餾法作對(duì)比。將羅馬洋甘菊置于鼓風(fēng)式干燥箱中，在40 ℃溫度條件下持續(xù)干燥6 h，取干燥后的100 g 羅馬洋甘菊樣品，在氯化鈉水溶液中浸泡3 h，采用水蒸氣蒸餾法和新型的同時(shí)蒸餾-萃取法，分別制備得到羅馬洋甘菊精油樣品1和樣品2。不同提取與分離方式下羅馬洋甘菊精油得油率如表1所示。

表1 2種方法下羅馬洋甘菊精油得油率[10]Tab.1 Oil yield of chamomile essential oil under the two methods

采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)2種植物精油樣品進(jìn)行成分分析，樣品1中檢測(cè)到51種化學(xué)成分；樣品2中檢測(cè)出69種化學(xué)成分。相比于傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法，同時(shí)蒸餾-萃取法提取的洋甘菊精油油得率明顯較高。

同時(shí)蒸餾-萃取法優(yōu)缺點(diǎn)：該方法顯著簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，提升了提取效率，能夠用較少的溶劑量提取較多植物精油；能夠吸附器壁上的殘留精油，減少樣品轉(zhuǎn)移的損失。該方法也存在一定不足，在實(shí)驗(yàn)溫度過(guò)高時(shí)，使得植物精油的香氣有一定程度的失真；該方法所用實(shí)驗(yàn)器材大多為全玻璃器皿，不易用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

3.3 微波輔助提取法

其原理為：通過(guò)調(diào)節(jié)微波各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)樣品加熱，植物樣品在微波磁場(chǎng)中吸收大量能量，以細(xì)胞內(nèi)部吸收較多，周?chē)奶崛┪蛰^少，提取成分的細(xì)胞內(nèi)部熱應(yīng)力的產(chǎn)生使得細(xì)胞破裂，目標(biāo)成分直接與較冷的提取劑接觸，促進(jìn)提取劑對(duì)細(xì)胞內(nèi)部目標(biāo)成分的提取。

針對(duì)香桂葉采用微波輔助提取技術(shù)，提取香桂精油。主要使用儀器為CW2000超聲-微波協(xié)同萃取儀。主要原料有：香桂葉、酵母提取物、胰蛋白胨、青霉素鈉試劑等。將適量香桂葉和蒸餾水一起放入萃取儀，設(shè)定合適的微波功率與提取時(shí)間進(jìn)行精油提取，收集提取液后靜置分層，最終獲得香桂植物精油。微波輔助提取法提取香桂精油裝置圖如圖2所示。

圖2 微波輔助提取法香桂精油提取裝置圖Fig.2 Microwave-assisted extraction device of cinnamon essential oil

將該工藝與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法工藝進(jìn)行比較，不同方法下香桂精油的得油情況如表2所示。

表2 不同方法下香桂精油得油率Tab.2 Oil yield of cinnamon essential oil under different methods

由表2可知，相較于水蒸氣蒸餾法，微波輔助提取法的得油率更高，且該方法有著操作簡(jiǎn)單、提取時(shí)間短、節(jié)省能源等優(yōu)勢(shì)。其不足之處：雖然對(duì)以往的精油提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，但通常只作為輔助方式使用，需要和其他植物精油提取技術(shù)結(jié)合使用，才能發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3.4 天然植物精油粘膠纖維應(yīng)用場(chǎng)景

植物精油粘膠纖維最大的特點(diǎn)是源自天然纖維，回歸自然完全不污染環(huán)境，可以成為自然和諧有機(jī)的一部分。真正做到取自自然、回歸自然、全生命周期不污染環(huán)境，完全契合環(huán)保理念。天然植物精油粘膠纖維未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景主要集中在以下幾方面。

食品外包裝

天然植物精油粘膠纖維環(huán)保性強(qiáng)、污染性幾乎可以忽略不計(jì)，因而可以取代傳統(tǒng)的粘膠材料用于進(jìn)行食品外包裝的生產(chǎn)，例如農(nóng)產(chǎn)品外包裝中的雞蛋包裝、水果包裝、采摘盒等；快餐和食品包裝中的快餐盒、飲料杯、杯蓋、咖啡托、打包盒等；超市食品包裝中的蔬菜、水果、肉食、海鮮等。

育苗序列

育苗序列中的粘膠材料主要指的是育苗盤(pán)、育苗托等，這些設(shè)備在組裝和使用過(guò)程中會(huì)應(yīng)用到部分粘膠纖維。天然植物精油粘膠纖維在育苗序列中的應(yīng)用可以大幅降低設(shè)備中甲醛等成分的含量，對(duì)花卉、農(nóng)作物等的育種具有積極作用。

紡織材料

植物精油中的玫瑰精油等具有調(diào)整人體內(nèi)分泌、緩解疼痛、改善人體狀態(tài)的功效。以植物精油制備而成的粘膠纖維能夠具備部分植物精油的作用，已知基礎(chǔ)加工而成的紡織材料可具有保濕、抑菌等功能，可以進(jìn)一步拓寬天然植物精油粘膠纖維的應(yīng)用場(chǎng)景。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，天然植物精油有著來(lái)源廣、綠色、高生物活性等優(yōu)點(diǎn)，其成分較為復(fù)雜，大致可分為萜類(lèi)化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物和含氮、含硫化合物。天然植物精油在食品、化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。新型的天然植物精油提取與分離方法得到不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，超臨界CO流體萃取法較為安全，也能夠較好保證精油的純天然特性；同時(shí)蒸餾-萃取法步驟簡(jiǎn)便、效率較高；微波輔助提取法操作簡(jiǎn)單、提取時(shí)間短。但這些新型方法也存在缺點(diǎn)，研發(fā)一種適用于所有植物精油的高效、可用于工業(yè)化生產(chǎn)的提取與分離方法將會(huì)是今后重要的研究方向。