超聲波輔助水蒸汽蒸餾法提取地椒精油工藝的研究

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(1.榆林學院生命科學學院,陜西榆林 719000;2. 陜西省陜北生態修復重點實驗室,陜西榆林 719000)

超聲波輔助水蒸汽蒸餾法提取地椒精油工藝的研究

段義忠1,2,杜忠毓1,賀學林1

(1.榆林學院生命科學學院,陜西榆林 719000;2. 陜西省陜北生態修復重點實驗室,陜西榆林 719000)

以榆林市臥云山地區地椒為實驗材料,采用超聲波輔助水蒸汽蒸餾法對地椒精油的提取工藝進行了研究。以地椒精油得率為指標,在單因素實驗基礎上,研究提取時間、料水比、浸提溫度以及超聲功率4個因素對地椒精油得率的影響,并通過正交實驗得出最佳提取條件。實驗結果表明:影響地椒精油得率的四個因素的主次順序為:超聲功率>浸提溫度>提取時間>料水比,最佳提取條件為:提取時間40 min,液料比20∶1 (mL∶g),浸提溫度45 ℃,超聲功率200 W;三次驗證實驗表明,地椒精油得率高達0.901%±0.1%。此種提取方法可為地椒精油在實際生產中提供一定的理論參考。

地椒,精油,超聲波,提取工藝

地椒,又名山椒,俗稱百里香,為唇形科植物百里香(ThymusmongolicusRonn)或展毛地椒(ThymusquinquecostatusCélak.var.przewalskii(Kom.)Ronn)的全草,是一種多年生草本[1],目前地椒屬植物在全世界大約有350種,在我國約有12種[2],主要分布于甘肅、內蒙古、陜西、山東、遼寧、山西等地區,一般生長在海拔1000～2500 m的山地、河水兩岸草叢或沙岸[3];在陜西省主要生長在榆林市榆陽區、橫山、神木、靖邊、定邊等地。地椒是一種天然植物[4],在陜北地區多用作去除絨山羊上的膻味的調味品。地椒精油含有揮發油、黃酮類物質、多糖及糖苷等物質,具有很高的藥用價值,有抗菌、抗脂肪氧化、抗腫瘤及抗血栓等藥效,可作為醫藥原料制作相關的藥物制劑[4]。地椒所含成分作用之大,然而,目前地椒精油提取方法常用的是水蒸汽蒸餾法[5],但這種提取方法精油得率較低;王娣等采用超臨界CO2萃取法(SFE-CO2)提取百里香精油[6],這種提取方法精油得率得到了提升,但成本較高,在實際生產中難以大規模使用。因此本文以超聲波輔助提取[7]法提取地椒精油[8],采用正交實驗優化地椒精油提取工藝條件,為當前地椒精油的實際生產和提取提供理論參考。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

地椒 于2016年7月份在榆林市臥云山地區采摘的新鮮葉片,人工處理干凈地椒的莖稈,并對其葉片進行自然晾干,待葉片晾干之后,用研缽進行磨成粉末[9-11],過20目篩[12];無水Na2SO4天津市盛奧化學試劑有限公司;NaCl固體 天津市科密歐化學試劑有限公司;石油醚 天津市富宇精細化工有限公司;以上試劑分析純。

XMTD-204型數顯式電熱恒溫水浴鍋 上海躍進醫療器械有限公司;BILON-S1000CT型多用途恒溫超聲波提取機、DC-0506型低溫恒溫槽 西安比朗生物科技有限公司;PTHW-500型調溫型電熱套 上海勒頓實業有限公司;SHB-Ⅲ型循環水試多用真空泵 上海一展實驗設備有限公司;RE-201D型恒溫水油浴鍋 鞏義市宇翔儀器有限公司;GZX-9076MBE型數顯鼓風干燥箱 上海博迅實業有限公司醫療設備廠;RE-301型旋轉蒸發儀 鞏義市宇翔儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 地椒精油的提取 稱取5 g地椒置于250 mL三口圓底燒瓶中,再加入一定量的蒸餾水,放入一定溫度的水浴鍋中浸泡4 h,將浸泡好的地椒于一定功率下超聲一定時間,再回流2.5 h,趁熱減壓抽濾,向濾液中加入1 g/mL的NaCl溶液,繼續加入石油醚振蕩并倒入分液漏斗中靜置分層,收集石油醚層向該液中加入無水硫酸鈉固體,放置1 h,抽濾,水浴加熱蒸餾回收石油醚,直至無石油醚流出,得精油,并放至室溫稱重,計算地椒精油得率。

地椒精油得率(%)=(g1-g2)/g3×100

式中,g1-回收萃取劑后圓底燒瓶和精油的總重量,g2-圓底燒瓶的重量,g3-實驗所用地椒粉末的重量。

1.2.2 單因素實驗 選擇超聲功率、超聲波提取時間、浸提溫度和液料比四個因素做為變量進行單因素實驗。

1.2.2.1 超聲功率的影響 稱量粉碎過篩后的地椒粉5 g,樣品在液料比(mL∶g)為25∶1,浸提溫度為45 ℃的條件下,分別在100、150、200、250、300、350、400 W超聲功率下提取40 min,計算得率。

1.2.2.2 提取時間的影響 稱量粉碎過篩后的地椒粉5 g,樣品在液料比(mL∶g)為25∶1,浸提溫度45 ℃,超聲波功率為200 W的條件下,分別提取10、20、30、40、50 min,計算得率。

1.2.2.3 浸提溫度的影響 稱量粉碎過篩后的地椒粉5 g,樣品在液料比(mL∶g)為25∶1,超聲波功率為200 W的條件下,分別在30、35、40、45、50 ℃下浸泡、提取40 min,計算得率。

1.2.2.4 液料比的影響 稱量粉碎過篩后的地椒粉5 g,樣品依次以5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1 (mL∶g)加入蒸餾水進行配制,在浸提溫度45 ℃,超聲波功率200 W,超聲波提取時間40 min的條件下,進行提取,計算得率。

1.2.3 正交實驗 在單因素實驗的基礎上對超聲波功率、超聲波提取時間、浸提溫度和液料比(mL∶g)四因素設計L9(34)正交實驗(表1),通過分析地椒精油得率來選擇最佳地椒精油提取工藝條件。

表1 正交實驗設計Table 2 The design of orthogonal test

1.3數據處理

2 結果與分析

2.1地椒精油得率的單因素實驗

2.1.1 超聲功率對地椒精油得率的影響 超聲波功率與地椒精油得率的關系見圖1。由圖1可知,在其它提取條件不變的情況下,當超聲波功率從100 W提高到200 W時,隨著超聲波功率的提高,精油的得率也隨之提高;但當超聲波功率超過200 W之后,隨著超聲波功率的增大,精油的得率趨于穩定。這是由于隨著超聲波功率的增大,媒介粒子的速度和加速度也增大,空化效應越來越強烈,界面擴散層上的分子分散速度就越來越快,這使得地椒中的精油排出的速度大幅度增高。但當超聲波功率到達某一定值時,內外滲透壓趨于均衡,此時如果再增加超聲波功率,精油的滲出率趨于平衡,不再增加,因此,超聲功率控制在200 W左右比較合適。

圖1 不同超聲波功率對精油得率的影響Fig.1 Effects of different ultrasonic wave power on extraction yield of essential oil

2.1.2 浸提溫度對地椒精油得率的影響 超聲波提取時間與地椒精油得率的關系如圖2所示,在超聲波功率和液料比恒定的條件下,當超聲波提取時間相同,浸提溫度從30 ℃提高到45 ℃時,溫度越高,地椒精油提取越充分,得率也就隨溫度的升高而緩慢增長;當浸提溫度超過45 ℃之后,得率趨于穩定。由此可見,超聲波輔助提取地椒精油對浸提溫度的要求較低,不需要高溫就可以實現對地椒精油的充分提取,因此,選擇40～50 ℃進行下一步的正交實驗。

2.1.3 超聲波提取時間對地椒精油得率的影響 超聲波浸提溫度與地椒得率結果見圖3。由圖3可知,在液料比、浸提溫度和超聲波功率都恒定的條件下,當超聲波提取時間從10 min提高到30 min時,地椒精油的得率隨超聲波提取時間的增加而增加;但是當超聲波提取時間提高到30 min之后,得率就趨于穩定,因此,選擇20～40 min進行下一步的正交實驗。

圖3 不同提取時間對精油得率的影響Fig.3 Effects of different soking time on extraction yield

2.1.4 液料比對地椒精油得率的影響 液料比與地椒精油得率的關系結果見圖4。從圖4可知,在超聲波功率、提取時間、提浸溫度都恒定的條件下,當液料比從10∶1提高到20∶1時,地椒精油的得率隨液料比的增大而增大;但是當液料比大于20∶1時,得率隨液料比的增長而趨于穩定。因此,在15∶1～25∶1進行下一步的正交實驗。

圖4 不同液料比對精油得率的影響Fig.4 Effects of different ratio of solvent to raw material on extraction yield of essential oil

2.2超聲波輔助提取地椒精油的正交實驗及結果

在單因素實驗的基礎上,以地椒精油得率為指標,按照三水平四因素設計L9(34)正交實驗,進一步針對超聲波功率、浸泡提取溫度、超聲波提取時間和液料比對地椒精油得率進行優化結果見表2。

在9個實驗中,實驗2的得率最高,最佳條件水平組合為A1B2C2D2。由k值可得,最佳水平為A2B2C3D2。由各因素極差R的大小可知,RA>RB>RC>RD,影響得率的因素主次順序是超聲波功率、浸提溫度、提取時間、液料比,A因素為主要影響因素,D因素為不重要因素,因此將此項作為誤差列進行方差分析。

表2 正交實驗結果Table 2 The results of orthogonal test

由方差分析(表3)結果可以看出,A、B、C、D因素的F值均未達到顯著,各因素影響精油提取率的主次順序為A>B>C。由圖3可得,精油得率趨于平衡的拐點在30～40 min之間,因此選擇40 min做為浸提時間,綜上確定地椒精油提取工藝水平為A2B2C3D2。

表3 正交實驗結果方差分析Table 3 Analysis of variance of orthogonal experimental results

注:F0.05(2,2)=19.00,F0.01(2,2)=99.00。

采用超聲波功率200 W、浸泡提取溫度45 ℃、液料比20∶1 (mL∶g)、超聲波輔助提取40 min產油率高達0.901%±0.1%,具有用時少、產油率高等特點。這可能是因為超聲波輔助提取地椒精油時,超聲能夠產生高速、劇烈的攪拌力和空化效應、熱效應等,從而使地椒的細胞更容易破裂,油脂分子更容易釋放出來,提取時間縮短,產油率大幅度提高。

從正交實驗的結果中能夠得出,四因素中對地椒精油產油率影響力最大的是超聲波功率。在一定范圍之內,超聲波功率越大,對地椒細胞壁結構的破壞力也就越大,地椒精油產油率也越高。但是在優化得出的最佳提取工藝條件中超聲波功率是200 W,而不是250 W,這可能是因為超聲波功率達到某一定值以后,對地椒細胞壁的破裂程度不再增加,從而使地椒精油的產油率趨于穩定。

3 結論

3.1 通過對正交實驗結果的分析可以得到,在本實驗范圍內,四個因素對得率的影響力從高到低分別為超聲功率>浸提溫度>提取時間>液料比。

3.2 對正交實驗結果進行分析可知,超聲波輔助提取地椒精油的最佳工藝條件為:超聲波功率200 W、浸泡提取溫度45 ℃、液料比20∶1 (mL∶g)、超聲波提取時間40 min。在此工藝條件下提取三次其平均得率可以達到0.901%±0.1%。

3.3 超聲波輔助提取法提取地椒精油方法簡單,條件容易控制,提取時間短,得率高。采用超聲波輔助提取地椒精油時,超聲波提取機外部連接了低溫恒溫槽,實現了提取過程恒溫化,防止了因提取溫度不恒定對油脂分子造成的毀壞,從而提高了地椒精油的品質。

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Studyonultrasonicwave-assistedhydrodistillationextractionofessentialoilfromThymusmongolicus

DUANYi-zhong1,2,DUZhong-yu1,HEXue-lin1

(1.College of Life and Science,Yulin University,Yulin 719000,China; 2.Shaanxi Key Laboratory of Ecological Restoration in Northern Shaanxi Mining Area,Yulin 719000,China)

TheThymusmongolicusof WoYun Mountain in Yulin was experimental materials in the study. In this paper,the extraction method of essential oil fromT.mongolicuswith the distillation of the ultrasonic assisted was studied. Based on single factor test,the factors which affect the extraction yield of the essential oil ofT.mongolicussuch as extraction time,solid/solvent ratio,extraction temperature and ultrasonic power were studied by the orthogonal experimenta1. The results showed that the order of the influence factor was ultrasonic power>extraction temperature>extraction time>solid/solvent ratio. The optimal condition was extraction time 40 minutes,solvent/solid 20∶1 (mL∶g),extraction temperature 45 ℃,ultrasonic power 200 W. Under these conditions,the essential oil ofT.mongolicusextraction rate was 0.901%±0.1% in verification tests. This method can be used for the actual production of pepper oil to provide some theoretical reference.

Thymusmongolicus;essential oil;ultrasonic wave;processing technology

2017-01-10

段義忠(1981-)，男，博士，副教授，研究方向:野生植物資源開發利用，E-mail:duanyizhong2006@163.com。

:陜西省科技廳農業科技創新與公關技術(2016NY-220，2015NY073)；榆林市青年科技新星(2015CXY-34)。

TS201.1

:B

:1002-0306(2017)16-0216-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.040

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