懷菊花精油提取工藝優化

孟雨東,董 穎,陳鑫沛,胡慧艷,王東營,任 翔,汪學德,*

(1.河南工業大學糧油食品學院,河南鄭州 450001;2.河南中英科創彈射企業孵化器有限公司,河南鄭州 450001)

植物精油是一類從植物中提取的具有芳香氣味,可隨水蒸氣一同蒸出但又與水不相溶的油狀物[1],具有消炎、抗菌、抗病毒、抗氧化以及保護心血管等作用[2-3],所以植物精油一直是食品、醫藥以及農業環保等多個領域的研究熱點[4]。陳建煙等[5]指明植物精油主要由萜類化合物、脂肪族化合物、芳香族化合物以及其他含氮硫類化合物等組成,其中萜類化合物被認為是植物精油的主要成分。目前,植物精油已經被廣泛地應用于各類化妝品及保健品中,近年來芳香療法在美容行業也逐漸盛行[6]。此外,由于人工合成抗氧化劑具有安全隱患,而植物精油和一些植物提取物可以作為天然抗氧化有效延緩食品變質[7-8]、提升食用油油和肉類的貨架期[9-11],因此植物精油和植物提取物也引起了廣大科研工作者的興趣。

作為菊科植物菊的干燥頭狀花序,菊花(Chrysanthemiflos)是我國常用藥食同源中藥材之一。其中,作為“四大懷藥”之一的“懷菊花”是中藥菊花的一種。傳統中醫理論認為,菊花具有散風清熱、清肝明目的功效?，F代科學研究發現,菊花具有廣泛的抗氧化[12]、抗菌[13]、抗炎[14]、解熱[15]、抗癌[16-17]、降血脂[18]、舒張血管等多種藥理作用[19]。目前,對于菊花精油的提取工藝已經屢有報道,而且多集中于精油成分及其在化妝品等方面的應用。但是,針對懷菊花精油成分分析及其功能作用的研究仍然較少。僅有早期黃保民等通過常規水蒸氣蒸餾法對懷菊花精油進行提取并對其組分進行了初步分析,發現其主要含有菊烯酮、桉油精、聚傘花烯、β-石竹烯和菊烯酮乙酸酯等,但由于僅僅是將懷菊花精油提取,并未提及具體工藝,得率也較低,僅為0.14%[20]。因此,本研究采取水蒸氣蒸餾法提取懷菊花精油,并對加水量、浸泡時間和蒸餾時間三因素進行單因素分析,并通過響應面法優化懷菊花精油的提取工藝,以期達到提高菊花精油的得率的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

懷菊花藥材 購于張仲景大藥房,產自河南焦作,由河北安國普天和中藥飲片公司生產,經河南中醫藥大學藥學院中藥鑒定學教研室鑒定為河南焦作產懷菊花;正己烷(色譜純)、無水硫酸鈉(分析純) 天津科密歐化學試劑有限公司;其他試劑 均為國產分析純。

AL204 電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)公司;DHG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;萬能粉碎機 北京市永光明醫療儀器有限公司;恒溫磁力攪拌器 鞏義予華儀器有限責任公司;精油提取器 天長市千馬設備有限公司;水浴鍋 北京科偉永興儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 懷菊花精油的提取 參照張菲菲等[21]的提取方法。將懷菊花樣品粉碎、過60目篩,得到懷菊花粉末。稱取50.0 g懷菊花粉末,置于500 mL圓底燒瓶中,加入一定量的蒸餾水,浸泡一定時間后,連接精油提取器和回流冷凝管。向精油提取器中加入蒸餾水至其刻度部分,當有少量蒸餾水溢流入燒瓶時,再加入1 mL正己烷。隨后,將圓底燒瓶置于電熱套中加熱至沸騰,調節開關,使料液由沸騰狀態轉變為微沸狀態,保持微沸,蒸餾一定時間后,停止加熱,待裝置稍冷片刻后,開啟精油提取器下端活塞將水緩緩放出,收集上層藍色精油。然后將收集到的蒸餾產物采用無水硫酸鈉脫水,60 ℃水浴6 h揮去正己烷,得到淡藍色的懷菊花精油。并計算懷菊花精油得率。

懷菊花精油得率(%)=懷菊花精油質量×100/懷菊花質量

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 加水量對懷菊花精油得率的影響 根據實際操作情況,加水量低于500 mL時會使懷菊花粉末無法完全浸泡,溶液太過粘稠,因此固定浸泡時間0 h,蒸餾5 h,改變加水量為500、600、700、800、900 mL,探究加水量對精油得率的影響。

1.2.2.2 蒸餾時間對懷菊花精油得率的影響 固定浸泡時間0 h,加水量為700 mL,改變蒸餾時間為2、4、6、8、10 h,探究蒸餾時間對精油得率的影響。

1.2.2.3 浸泡時間對懷菊花精油得率的影響 固定加水量為700 mL,蒸餾時間為3 h,改變浸泡時間分別為0、2、4、6、8、10、12 h,探究浸泡時間對精油得率的影響。

1.2.3 響應面法優化懷菊花精油的提取條件 在單因素實驗的基礎上,以加水量、蒸餾時間和浸泡時間為影響因素,以懷菊花精油得率為響應值,對懷菊花精油的提取工藝條件進行優化,試驗設計水平見表1。

表1 響應面設計因素水平表

1.3 數據處理

實驗數據用Excel 2016和SPSS 20.0進行統計分析。用Design-Expert V 8.0.6軟件進行響應面數據分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 加水量對懷菊花精油得率的影響 由圖1可知,隨著加水量的增加,懷菊花精油得率呈現先增加后降低的趨勢。當加水量在500～700 mL時,精油得率隨加水量的增加而增加,當加水量為700 mL時,得率達到最大值,為0.41%;隨著加水量的增加,精油得率下降。這是因為水分過少時,懷菊花粉末無法完全浸潤溶解在水中;當加水量增加時,可使懷菊花粉末更均勻分散在水中,避免造成提取液太過粘稠不易沸騰的情況,從而使精油得率逐漸增加。但當加水量超過700 mL,精油得率反而下降,是因為加水量過多會導致沸騰不夠充分,從而降低懷菊花精油的得率,提升電熱套溫度則容易導致溶液爆沸[21]。

圖1 加水量對精油得率的影響

2.1.2 蒸餾時間對懷菊花精油得率的影響 由圖2可知,懷菊花精油得率隨蒸餾時間的增加而增加,蒸餾時間達到8 h時,得率已超過0.45%。隨著蒸餾時間的繼續增加,精油得率呈現下降趨勢。懷菊花精油的得率呈此趨勢可能是因為懷菊花粉末在經過8 h的蒸餾后,精油基本全部被提取出來,因此,繼續延長蒸餾時間,無法使精油的得率提高,且蒸餾時間為10 h時,精油得率有所下降,這可能是由于蒸餾時間過長,精油在較高溫度下的揮發所致。

圖2 蒸餾時間對精油得率的影響

2.1.3 浸泡時間對懷菊花精油得率的影響 由圖3可知,浸泡時間在一定范圍內時,精油得率隨浸泡時間的增加而增加。當浸泡時間為8 h時,得率達到最大值0.39%;隨著浸泡時間的繼續增加,精油得率基本保持穩定。根據浸泡理論[22],懷菊花精油的得率首先呈上升趨勢是由于懷菊花粉末在經過浸泡后,細胞的組織間隙因吸水而變大,加速內外液流動交換,利于精油的提取,得率也得以提高。當浸泡時間超過8 h后,流動交換基本穩定,精油得率同樣趨于穩定。

圖3 浸泡時間對精油得率的影響

2.2 響應面試驗優化懷菊花精油得率結果與分析

2.2.1 響應面試驗優化懷菊花精油得率結果 根據單因素實驗結果,以加水量(A)、蒸餾時間(B)、浸泡時間(C)3個因素作為響應變量,懷菊花精油的得率為響應值(Y),采用Box-Behnken中心組和試驗設計進行3因素3水平的試驗設計,結果見表2。

表2 響應面設計因素水平表

2.2.2 回歸方程擬合及方差分析 根據表2實驗結果,采用Design-Expert V8.0.6軟件進行方差分析,分析結果見表3。在試驗范圍內,B、A2、B2、C2對精油得率的影響達到了顯著水平(P<0.05),其擬合回歸方程為:

表3 回歸模型顯著性檢驗及方差分析

Y=0.50-8.750×10-3A+0.033B-0.011C+7.500×10-3AB-5.000×10-3AC-0.018BC-0.040A2-0.077B2-0.044C2

回歸系數R2=0.8791,對其F值進行檢驗,其F=5.66,P<0.05,且P值接近0.01,說明回歸模型較好,其調整R2=0.7237,表明此模型能解釋72.37% 效應值變化[23]。失擬項P=0.2357>0.05,表明距較小,吻合度較高,實驗方法可行[24]。該回歸模型中,各因素對精油得率影響程度大小依次為蒸餾時間(B)>浸泡時間(C)>加水量(A)。其中蒸餾時間和三個因素的二次項對響應值懷菊花精油得率影響顯著。

響應面法是工藝優化經常采用的一種試驗方法,可以通過各因素間與響應值的關系所得到的直觀3D響應面圖進行分析[25-27]。研究表明,等高線的形狀越接近圓形,表明兩個因素交互作用越弱,越接近橢圓形交互作用越強,影響越顯著[28]。對實驗所得數據處理后可得到兩兩因素交互影響的等高線圖和響應面圖,可見圖4、圖5及圖6。圖4可直觀的觀察出加水量和蒸餾時間的等高線圖接近圓形,表明加水量和提取時間的交互作用對懷菊花精油得率的影響較弱。由響應面圖可以明顯看出加水量和蒸餾時間的曲面都比較陡,因此蒸餾時間的二次項和加水量的二次項都對精油得率影響較大。由圖5可看出加水量與浸泡時間的等高線圖接近圓形,表明加水量和浸泡時間的交互影響對懷菊花精油得率的影響較弱。由圖6可直觀的看到蒸餾時間和浸泡時間的等高線圖接近橢圓形,表明蒸餾時間和浸泡時間的交互項對懷菊花精油得率的影響較小。由響應面圖可以明顯看出蒸餾時間和浸泡時間的曲面都有一定的坡度,但是蒸餾時間的坡度更大,因此蒸餾時間的二次項對精油得率影響更大。

圖4 加水量和蒸餾時間的等高線圖和響應面圖

圖5 加水量和浸泡時間的等高線圖和響應面圖

圖6 蒸餾時間和浸泡時間的等高線圖和響應面圖

綜上所述,可以得出影響懷菊花精油得率的二次項因素中,蒸餾時間的二次項對精油的得率影響最大。

2.2.3 驗證實驗 根據Box-Behnken試驗設計得到的結果,利用Design Expert軟件計算出懷菊花精油的最佳提取條件為:加水量為692.11 mL、蒸餾時間為8.45 h、浸泡時間為9.67 h,懷菊花精油的得率為0.510%。根據實際情況,將優化條件調整為:加水量693 mL、蒸餾時間8.45 h、浸泡時間9.7 h,取三份懷菊花進行平行實驗,驗證懷菊花精油的平均得率為0.507%±0.008%,相對誤差0.59%,且t檢驗的結果差異不顯著,P>0.05,可看出該模型可以較好預測實驗結果,證明擬合效果良好[29-30]。

3 結論

本研究以粉碎后的懷菊花為原料,采用水蒸氣蒸餾法對其精油進行提取,并利用響應面分析法優化懷菊花精油的提取工藝。通過實驗得知,在加水量、蒸餾時間和浸泡時間這三個影響因素中,蒸餾時間對懷菊花精油的得率的影響達到顯著(P<0.05)水平,而加水量和浸泡時間對懷菊花精油得率的影響并不顯著。此外,三個因素的影響順序為蒸餾時間>浸泡時間>加水量。利用Design Expert V 8.0.6.軟件對實驗所得數據進行分析處理后,得出最佳懷菊花精油提取工藝條件為:加水量693 mL、蒸餾時間8.45 h、浸泡時間9.7 h,此時懷菊花精油的得率可達到0.507%±0.008%,相對誤差0.59%,且t檢驗的結果差異不顯著。本研究采用響應面法優化,相比黃保民等[20]的研究中,懷菊花得率顯著提高,為懷菊花精油后續的應用與研究提供了良好的工藝條件。