鹽析-水蒸氣蒸餾法提取樟葉精油工藝的研究

薛佑明,何介南,崔仕杰,曾 諦,肖佐鈺,李嘉順

(中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004)

1 引言

香樟(Cinamomumcamphoravar. linaloolifera) 為樟科(Lauraceae)樟屬(Cinnamomum)常綠闊葉大喬木，起源于中國的西南部和東南部，作為我國亞熱帶常綠闊葉林的主要樹種之一，其資源豐富，栽培歷史悠久，主要集中分布在湖南、福建、廣西、江西、廣東和臺(tái)灣等區(qū)域[1]。樟樹是我國非常重要的工業(yè)原料樹種，是樟科樟屬中經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的樹種之一，其根、莖、葉中都含有豐富的精油[2]。它們不僅為醫(yī)藥提供主要的樟腦和龍腦原料，還具有殺蟲、抗菌、消炎、抗氧化等多種生物活性，目前在醫(yī)藥工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、香料工業(yè)等領(lǐng)域?qū)ο阏辆偷男枨罅看骩3]。根據(jù)現(xiàn)有研究文獻(xiàn)表明香樟精油多從香樟葉中提取獲得，現(xiàn)有的提取方法有很多種，例如：水蒸氣蒸餾法、同時(shí)蒸餾萃取法、分子蒸餾法、有機(jī)溶劑提取法、超臨界CO2流體提取法、酶輔助提取法、超聲波輔助提取法等[4～8]。

不同的提取方法對(duì)精油的提取率有較大的影響，而且對(duì)提取出來的精油化學(xué)成分和組成也會(huì)有較明顯的影響[9]。鄭哲浩等[10]采用微波-超聲波協(xié)同方式輔助同時(shí)蒸餾萃取法提取紫蘇葉中揮發(fā)性精油，精油提取率可達(dá)到為2.34%，發(fā)現(xiàn)采用超聲波提取精油時(shí)，對(duì)熱敏性成分的破壞更小，能夠應(yīng)用于對(duì)不穩(wěn)定天然產(chǎn)物的提取。陳鐵壁[11]采用超臨界 CO2萃取制備香樟葉精油，萃取率可達(dá)到98.37%。盡管這些方法都可以顯著提升香樟精油的品質(zhì)和得油率，但由于設(shè)備復(fù)雜，需要真空、高壓環(huán)境和其他設(shè)備配合，對(duì)提取過程中操作技術(shù)要求較高，而且工業(yè)化程度低，生產(chǎn)成本高，致使該工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用受到很大限制。胡文杰等[12]采用響應(yīng)面法優(yōu)化樟樹葉精油水蒸氣蒸餾提取工藝，利用新鮮樹葉進(jìn)行提取，得油率為 1.427% ～ 2.139%。該工藝相較于超聲波輔助提取法、超臨界萃取法等方法具有操作簡單、設(shè)備簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前香樟精油工業(yè)提取的主要方法?，F(xiàn)有相關(guān)研究[13]表明，香樟精油的提取過程中大多是采用鮮品粉碎后提取，該工藝不但操作簡單，而且能避免精油在提取過程中的損失。然而，作者在提取香樟精油的實(shí)際試驗(yàn)考察中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)粉碎后的香樟枝葉得油率不到 0.8%。因此，優(yōu)化現(xiàn)有的水蒸汽蒸餾提取工藝，提高香樟枝葉的得油率，可以大大提高其工業(yè)生產(chǎn)效率。

純露作為植物精油提取過程中的副產(chǎn)品，是指在提取植物揮發(fā)油過程中留下來的蒸餾原液，其中含有飽和的精油成分[14]，純露和精油也有著類似的效果，而且純露由水和水溶性物質(zhì)組成，不易引起刺激性接觸反應(yīng)，更容易被人體吸收[15]。然而，它們大多被作為污水排放，造成了極大的資源浪費(fèi)。隨著提取技術(shù)的改進(jìn)和國內(nèi)外相關(guān)研究的開展，植物純露的化學(xué)成分和功能作用日益清晰。許多植物純露都具有一定的抗菌和抗氧化作用[16～18]，可作為天然防腐劑廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)和化妝品行業(yè)[19]。植物純露中含有的成分有多種的抗菌作用，不同成分呈現(xiàn)出不同的抗菌效果[20]。純露其獨(dú)特的功效和多場景的應(yīng)用將使其會(huì)越來越受到大眾的重視，從而顯示出巨大的市場潛力。

本文基于鹽析-水蒸氣蒸餾法采用單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)香樟葉精油提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)也記錄了精油提取過程中不同條件下純露的產(chǎn)出量，為香樟葉精油和純露提取工藝的不斷改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

2 材料與儀器

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的香樟葉采摘自中南林業(yè)科技大學(xué)校園。

2.2 儀器與試劑

采用的儀器設(shè)備有:水蒸氣蒸餾裝置購置于鄭州科教玻璃儀器廠；粉碎機(jī)購置于圣順旗艦店；電子天平購置于正峰旗艦店；氯化鈉、無水硫酸鈉購置于六品文具專營店，分析純；實(shí)驗(yàn)用水為怡寶純凈水。

3 試驗(yàn)方法

3.1 前期準(zhǔn)備工作

按操作步驟組裝連接好購置的水蒸氣蒸餾裝置待用。將采摘的新鮮的香樟葉片運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，挑選新鮮、無病蟲害的優(yōu)質(zhì)葉片，去掉葉柄之后用純水清洗干凈，然后自然晾干葉片表面水分備用。

3.2 提取方法

采用鹽析-水蒸氣蒸餾法提取新鮮香樟葉精油。準(zhǔn)確稱取新鮮香樟葉100.00 g，裝入到圓底燒瓶中，然后按照單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的料液比加入純凈水，通過改變料液比、蒸餾時(shí)間和NaCl質(zhì)量濃度進(jìn)行不同條件下的精油提取操作。實(shí)驗(yàn)過程中為減少其他因素影響造成較大誤差，每次實(shí)驗(yàn)的電磁爐功率嚴(yán)格控制在800 kW，從蒸餾水開始沸騰冒泡時(shí)開始計(jì)時(shí)，每次蒸餾結(jié)束待冷卻至徹底靜置分層之后，采用分液漏斗分離精油和純露，加入適量無水硫酸鈉將精油中所含水分徹底干燥，稱重精油質(zhì)量和產(chǎn)出的純露量并做好記錄，從而計(jì)算樟葉精油的得油率和純露產(chǎn)出量。

3.3 精油得率的計(jì)算方法

(1)

式(1)中：Y為香樟精油得率(%)；m為香樟精油質(zhì)量(g)；M為香樟葉鮮葉質(zhì)量(g)。

3.4 單因素試驗(yàn)

3.4.1 料液比對(duì)提取工藝的影響

分別精密稱取100 g新鮮的香樟葉，保證葉片的完整性。按照料液比為1∶8 g/mL、1∶9 g/mL、1∶10 g/mL、1∶11 g/mL、1∶12 g/mL即分別加入800 mL、900 mL、1000 mL、1100 mL、1200 mL的NaCl濃度為3%的純凈水進(jìn)行提取。每份樣品等水沸騰冒泡后開始計(jì)時(shí)蒸餾90 min，然后停止加熱，冷卻一定時(shí)間待水油靜置分層，取上層油狀物質(zhì)，加入適量無水硫酸鈉干燥，稱重所提取出來的精油質(zhì)量和產(chǎn)出的純露量。每組進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取平均值，計(jì)算每組得油率。

3.4.2 蒸餾時(shí)間對(duì)提取工藝的影響

精密稱取100 g新鮮的香樟葉，保證葉片的完整性。按照料液比1∶10 g/mL加入NaCl濃度為3%的純凈水進(jìn)行提取。等水沸騰冒泡后開始計(jì)時(shí)，在蒸餾時(shí)間分別為30 min、60 min、90 min、120 min、150 min時(shí)停止加熱，冷卻一定時(shí)間待水油靜置分層，取上層油狀物質(zhì)，加入適量無水硫酸鈉干燥，稱重所提取的精油質(zhì)量和產(chǎn)出的純露量。每組進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值，計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的得油率。

3.4.3 NaCl濃度對(duì)提取工藝的影響

分別精密稱取100 g新鮮的香樟葉，保證葉片的完整性。按照料液比1∶10 g/mL加入NaCl濃度梯度為0%、1%、2%、3%、4%的純凈水進(jìn)行提取。每份樣品等水沸騰冒泡后開始計(jì)時(shí)蒸餾90 min，然后停止加熱，冷卻一定時(shí)間待水油靜置分層，取上層油狀物質(zhì)，加入適量無水硫酸鈉干燥，稱重所獲精油質(zhì)量和產(chǎn)出的純露量。每組進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取平均值，計(jì)算每組得油率。

3.5 最佳提取工藝

基于上述單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定鹽析-水蒸氣蒸餾的最佳工藝條件，并根據(jù)確定的最佳工藝條件進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取平均值，計(jì)算在該工藝條件下的最優(yōu)得油率。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 料液比對(duì)提取工藝的影響

記錄不同料液比的得油率數(shù)據(jù)和純露產(chǎn)出量數(shù)據(jù)，通過圖1可以明顯看出，不同的液料比對(duì)應(yīng)的得油率有較大差異，且并不是成正比關(guān)系。當(dāng)液料比達(dá)到1∶10 g/mL時(shí)，香樟葉的精油得油率達(dá)到頂峰。通過圖2可以明顯看出，不同的液料比對(duì)應(yīng)的純露產(chǎn)出量有成正比的關(guān)系，隨著液料比的不斷增加，純露產(chǎn)出量有所提高，但是差異不大。

圖1 不同料液比對(duì)得油率的影響

圖2 不同料液比對(duì)純露產(chǎn)出量的影響

4.2 蒸餾時(shí)間對(duì)提取工藝的影響

記錄不同蒸餾時(shí)間下對(duì)應(yīng)的得油率和純露產(chǎn)出量數(shù)據(jù)，通過圖3可以明顯看出，不同的時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的得油率有較大差異，且并不是成正比關(guān)系。當(dāng)蒸餾時(shí)間達(dá)到90 min時(shí)，香樟葉的精油得油率達(dá)到頂峰。通過圖4可以明顯看出，不同的液料比對(duì)應(yīng)的純露產(chǎn)出量差異較大，有成正比的關(guān)系，隨著蒸餾時(shí)間的不斷增加，純露產(chǎn)出量不斷增加。

圖3 不同蒸餾時(shí)間對(duì)得油率的影響

圖4 不同蒸餾時(shí)間對(duì)純露產(chǎn)出量的影響

4.3 NaCl濃度對(duì)提取工藝的影響

記錄不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度下的得油率和純露產(chǎn)出量數(shù)據(jù)，通過圖5可以明顯看出，不同的NaCl濃度下對(duì)應(yīng)的得油率有較大差異，且并不是成正比關(guān)系。當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%時(shí)，香樟葉的精油得油率達(dá)到頂峰。通過圖6可以明顯看出，不同的NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的純露產(chǎn)出量有成正比的關(guān)系，隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，純露產(chǎn)出量有所提高，但是差異不明顯。

圖5 不同Nacl濃度對(duì)得油率的影響

圖6 不同Nacl濃度對(duì)純露產(chǎn)出量的影響

4.4 確定最佳提取工藝

根據(jù)上述單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以確定用鹽析-水蒸汽蒸餾法從新鮮香樟葉中提取精油的最佳工藝是當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，按照料液比1∶10 g/mL加入純凈水，等水沸騰后開始計(jì)時(shí)，提取時(shí)間90 min時(shí)得油率達(dá)到最高為1.26%，此時(shí)在該工藝條件下的純露產(chǎn)量為762 mL。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)最佳工藝參數(shù)，稱取100.00 g香樟葉新鮮樣品進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，以驗(yàn)證香樟葉精油提取的最佳工藝優(yōu)化以及在該工藝條件下純露的產(chǎn)出量。驗(yàn)證結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)過程是可重復(fù)的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可靠的。

5 分析與結(jié)論

用鹽析-水蒸氣蒸餾法提取新鮮香樟葉精油，提取過程中的蒸餾時(shí)間、料液比、Nacl濃度都能對(duì)提取的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，但并不是與精油的提取率成正比關(guān)系，當(dāng)每種工藝條件達(dá)到一定值時(shí)，精油的提取率會(huì)不升反降。在提取過程中新鮮香樟葉的純露產(chǎn)出量與蒸餾時(shí)間、料液比影響關(guān)系較大，與NaCl濃度影響關(guān)系較小，具體原因分析如下：

(1)隨著蒸餾時(shí)間的增加，香樟葉精油提取率逐漸上升，當(dāng)蒸餾時(shí)間為90 min時(shí)，香樟葉精油提取率達(dá)到了最大值，然后開始減少并趨向于穩(wěn)定。其原理在于當(dāng)蒸餾時(shí)間太短時(shí)，水分不會(huì)完全浸入植物組織的所有部分，導(dǎo)致精油無法完全被提取出來，從而會(huì)降低精油的提取率，延長蒸餾時(shí)間可以更徹底地提取樣品中的精油。但是，經(jīng)過一定時(shí)間的提取樣品內(nèi)所含的精油量提取已經(jīng)達(dá)到最大值，增加時(shí)間長度并不能有效的提高精油的得油率，時(shí)間的增長不僅會(huì)引起精油的蒸發(fā)損失和雜質(zhì)的產(chǎn)生，而且會(huì)增加生產(chǎn)成本[19,20]。因此要選擇最適的蒸餾時(shí)間，達(dá)到效益最大化。

(2)隨著料液比的增加，香樟葉精油提取率逐漸上升，當(dāng)料液比為1︰10(g/mL)時(shí)，香樟葉精油提取率達(dá)到了最大值，然后開始逐步減少。其原理在于：一是隨著料液比的逐漸增加，蒸汽釋放速率也會(huì)逐漸增加[21]，因此對(duì)精油的提取能力會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致精油的提取速率會(huì)逐步增加；二是對(duì)于固定質(zhì)量的新鮮樣品，精油的濃度會(huì)隨著添加水的增加而降低，這會(huì)增加精油和水之間界面的濃度差，并可以很大程度上提高傳質(zhì)速率。同時(shí)，樣品可以得到的充分浸泡，讓細(xì)胞更容易破裂，隨之精油也更容易提取出來[22～24]，從而在一定程度上提高了精油的提取率。但是隨著料液比不斷增加，精油的提取率呈緩慢下降趨勢，這主要是因?yàn)檎羝麛y帶的精油量也在不斷增加，從而導(dǎo)致冷凝回收的效率逐漸下降。所以不能盲目增加料液比，當(dāng)水量超過一定范圍值，會(huì)影響樣品蒸餾出來的精油揮發(fā)程度，適當(dāng)?shù)牧弦罕葘?duì)精油的提取率有很大影響，因此要選擇最適的料液比，達(dá)到樣品最優(yōu)得油率。

(3)隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，香樟葉精油提取率逐漸上升，當(dāng)NaCl濃度為3%時(shí)，香樟葉精油提取率達(dá)到了最大值，然后開始逐步減少。其原理在于一定質(zhì)量濃度的NaCl溶液可以改變植物組織細(xì)胞的滲透壓，讓細(xì)胞破裂得更為徹底，并能夠讓植物細(xì)胞中所含的精油更好的滲透出來。同時(shí)，NaCl還可以降低精油在水中的溶解度，使精油可以更加充分的蒸出來。適量提高NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度能夠有效的讓樣品中的精油得到很好的提取[25]，但是由于樣品內(nèi)的精油含量是有一定值的，添加的NaCl超過一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度時(shí)不但會(huì)增加成本，而且得油率還不會(huì)增高。因此要選擇合適的NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度，優(yōu)化提取效率。同時(shí)，本試驗(yàn)也確定了添加輔助劑能夠增加樣品在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的得油率，為在以后的工業(yè)提取中添加其他提取效率更高的添加劑墊定了理論基礎(chǔ)。

(4)通過單因素試驗(yàn)條件結(jié)果可知，提取的香樟葉純露產(chǎn)出量與蒸餾時(shí)間、料液比關(guān)系較大，與NaCl濃度關(guān)系較小。其原理在于：①當(dāng)蒸餾時(shí)間逐漸增加時(shí)，樟樹葉片內(nèi)所含的純露量能夠充分得到蒸餾，蒸餾時(shí)間越久樣品的純露產(chǎn)出量就越高，但是因?yàn)闃悠穬?nèi)所含的水分量是一定的，所以隨著時(shí)間的增加，前期純露產(chǎn)出量會(huì)增加的多，之后會(huì)增加的越來越少；②當(dāng)料液比逐漸增加時(shí)，蒸餾液的增加會(huì)讓蒸汽速率不斷提高[21]，產(chǎn)生的水蒸氣也會(huì)不斷增加，因此對(duì)樣品內(nèi)的純露提取量也會(huì)增加，所以隨著料液比的增加，純露的提取量也會(huì)隨之會(huì)有所提高；③當(dāng)添加NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度時(shí)，由于鹽析的作用，可以改變植物組織細(xì)胞的滲透壓，讓細(xì)胞破裂得更為徹底，并能夠讓植物細(xì)胞中所含的純露更好的提取出來[25]。但是由于樣品內(nèi)的水分量是一定的，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，純露的產(chǎn)出量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，說明該濃度下植物細(xì)胞破裂已經(jīng)徹底，樣品內(nèi)的純露含量提取已達(dá)到最大值，再增加NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的濃度也已經(jīng)不能很好的提升樣品的純露產(chǎn)出量了。

本試驗(yàn)通過單因素試驗(yàn)確定了新鮮香樟葉在提取過程中，當(dāng)料液比為1∶10 g/mL，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，提取時(shí)間90 min，該工藝條件下的精油提取量達(dá)到最大值，得油率為1.26%，此時(shí)該工藝下的香樟葉純露產(chǎn)出量為762 mL。如何縮短提取時(shí)間，最大程度提高精油得油率和純露的產(chǎn)出量，提高其工業(yè)生產(chǎn)效率，是急需解決的問題，也是本試驗(yàn)重點(diǎn)解決的問題。本文基于此采用鹽析-水蒸氣蒸餾法對(duì)新鮮香樟葉精油的提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，為香樟精油和香樟純露提取工藝的不斷改進(jìn)提供了理論依據(jù)。