酶法提取紅松球果揮發油工藝研究

李勇，萬道印

(黑龍江省林業科學院佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154000)

紅松球果即松科(Pinaceae)松屬(Pinus) 常綠喬木紅松(Pinuskoraiensis)的松塔[1]。球果富含揮發油，其有效成分具有抗病毒、消炎、抑菌等功效，是一種有較好應用前景的天然藥用資源[2]。

當前關于紅松球果資源利用的研究較少，球果揮發油的提取依然沿用傳統的水蒸氣蒸餾法。此方法操作簡單、成本低，是植物有效成分提取領域中應用最廣泛的方法，但也存在著提取時間過長、效率低等弊端。酶法提取技術是近年來發展的一種植物有效成分提取新方法，其原理是利用酶破壞植物細胞壁，加速有效成分的溶出。與傳統提取方法相比，此方法對設備要求不高，作用條件溫和，提取效率高[3-4]。

本試驗以傳統水蒸氣蒸餾提取法為基礎，先對脫種后的紅松球果進行酶解處理，加速揮發油的溶出和擴散，再進行水蒸氣蒸餾提取[5]。以期既保留傳統提取方法的優點，又能顯著提高揮發油得率，為實際生產提供技術參考。

1 試驗材料、儀器與試劑

紅松球果脫種剩余物(采集自黑龍江省伊春市大箐山縣帶嶺鎮)，數顯恒溫水浴鍋(金壇市雙捷實驗儀器廠)，電子調溫電熱套(上海邦西儀器科技有限公司)，分析天平(上海民橋精密科學儀器有限公司)，電子天平(永康五鑫恒器有限公司)，固體樣品粉碎機(上海新諾儀器設備有限公司)，電熱鼓風干燥箱(上海博迅實業有限公司醫療設備廠)，臺式酸度計(上海儀電科學儀器股份有限公司)，磁力攪拌器(杭州儀表電機有限公司)，揮發油測定器(泰州東方科教儀器廠)，纖維素酶(濟寧和信生物技術有限公司)，果膠酶(Sigma公司)，檸檬酸(致遠化學試劑有限公司)，氫氧化鈉(利揚化工有限公司)，無水硫酸鈉(恒興化學試劑有限公司)。

2 試驗方法

準確稱取一定質量經粉碎后的紅松球果脫種剩余物，分別加入適量的纖維素酶、果膠酶或其混合酶，按相應料液比加入蒸餾水，調節pH值,在一定溫度下酶解適當時間后，蒸餾提取揮發油，計算揮發油得率[6]。

2.1 單因素試驗

2.1.1 酶的選擇。稱取40 g經粉碎后的原料，調節料液比為1∶8(g/mL),pH值為4,酶解時間為2.5 h,酶解溫度為45 ℃，分別加入1.1%(酶量占混合液的質量比值)的纖維素酶、果膠酶、纖維素酶和果膠酶的混合酶(質量比1∶2，1∶1，2∶1)，蒸餾提取揮發油，比較揮發油得率，確定最佳提取酶/最佳混合比例。

2.1.2 料液比的選擇。稱取40 g經粉碎后的原料，加入1.1%纖維素酶和果膠酶的混合酶，調節pH值為4,酶解時間為2.5 h,酶解溫度為45 ℃，比較料液比為1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10(g/mL)時的揮發油得率，確定最佳料液比。

2.1.3 酶添加量的選擇

稱取40 g經粉碎后的原料，調節料液比為1∶8(g/mL),pH值為4,酶解時間為2.5 h,酶解溫度為45℃，比較酶的添加量分別為0.5%、0.8%、1.1%、1.4%、1.7%、2%時的揮發油得率，確定最佳酶添加量。

2.1.4 酶解pH值的選擇。稱取40 g經粉碎后的原料，加入1.1%纖維素酶和果膠酶的混合酶，調節料液比為1∶8(g/mL),酶解時間為2.5 h,酶解溫度為45 ℃，比較pH值分別為2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5時的揮發油得率，確定最佳酶解pH值。

2.1.5 酶解溫度的選擇。稱取40 g經粉碎后的原料，加入1.1%纖維素酶和果膠酶的混合酶，調節料液比為1∶8(g/mL),pH值為4，酶解時間為2.5 h,比較酶解溫度分別為30,35,40,45,50,55 ℃時的揮發油得率，確定最佳酶解溫度。

2.1.6 酶解時間的選擇。稱取40 g經粉碎后的原料，加入1.1%纖維素酶和果膠酶的混合酶，調節料液比為1∶8(g/mL),pH值為4，酶解溫度為45 ℃，比較酶解時間分別為1,1.5,2,2.5,3,3.5,4 h時的揮發油得率，確定最佳酶解時間。

2.2 正交試驗

根據單因素試驗結果，稱取40 g經粉碎后的原料，調節料液比為1∶8(g/mL),以酶添加量，pH值，酶解溫度，酶解時間為影響因素，以揮發油得率為評價指標，進行L9(34)的正交試驗，進一步優化工藝。正交試驗因素與水平設計見表1。

表1 正交試驗因素與水平設計

3 結果與分析

3.1 酶的種類/混合比例對揮發油得率的影響

由試驗結果(圖1)可知，酶的加入可以提高原料的揮發油得率，加入纖維素酶和果膠酶的混合酶(質量比1∶1)得油率最高，選擇纖維素酶和果膠酶的混合酶作為球果揮發油的提取酶。

圖1 酶的種類/混合比例對揮發油得率的影響

植物細胞壁由纖維素、半纖維素、木質素和果膠組成。加入足量的纖維素酶和果膠酶，可以通過酶解破壞細胞結構，有助于加速油脂分子的釋放溶出。纖維素酶與果膠酶之間存在著協同作用，兩種酶混合使用酶解效果最佳。

3.2 料液比對揮發油得率的影響

由試驗結果(圖2)可知，料液比對原料的揮發油得率存在影響，當料液比為1∶8時，揮發油得率最高，確定為本試驗的最佳料液比。

圖2 料液比對揮發油得率的影響

料液比較低時，溶液不能充分滲入到原料中，酶和底物難以充分接觸，不利于細胞結構的破壞和油脂分子的溶出；料液比較高時，酶和底物的濃度較低，酶分子與底物分子的碰撞幾率降低，酶的作用效果下降。

3.3 酶添加量對揮發油得率的影響

由試驗結果(圖3)可知，隨著酶量的增加，揮發油得率不斷升高；當酶的添加量為1.4%時，原料的揮發油得率最高，確定為本試驗的最佳酶添加量；當加酶量超過1.4%時，揮發油得率增長有限，趨于平穩。

圖3 酶添加量對揮發油得率的影響

酶添加量是影響揮發油提取的重要因素之一。酶添加量不足，酶解反應不完全；隨著酶濃度的增加，酶解反應越發充分；酶添加量過多，造成浪費的同時甚至可能影響揮發油品質。

3.4 酶解pH值對揮發油得率的影響

由試驗結果(圖4)可知，隨著pH值的增加，原料的揮發油得率逐漸增加；當pH值為4.5時，揮發油得率最高，確定為本試驗的最佳pH值；pH值繼續增大，揮發油得率下降。

圖4 酶解pH值對揮發油得率的影響

酶的活性受pH值的影響，酶在最適pH值時擁有最高的酶活，偏離其最適pH值，酶活下降，酶解效果不佳。

3.5 酶解溫度對揮發油得率的影響

由試驗結果(圖5)可知，隨著酶解溫度的升高，原料的揮發油得率逐漸增加；當酶解溫度為45 ℃時，揮發油得率最高，確定為本實驗的最佳酶解溫度；繼續升高溫度，揮發油得率呈下降趨勢。

圖5 酶解溫度對揮發油得率的影響

溫度是影響酶活性的重要因素之一。酶在最適溫度環境中活性最高，酶解反應速率最快。低溫會抑制酶的活性，過高的溫度會使酶失活。

3.6 酶解時間對揮發油得率的影響

由試驗結果(圖6)可知，隨著酶解時間的增加，揮發油得率逐漸增加；當酶解時間為3h時，揮發油得率最高，確定為本實驗的最佳酶解時間；繼續延長酶解時間，揮發油得率增長有限，趨于平穩。

酶解反應需要一定的時間，酶與底物充分接觸，有利于植物細胞壁的破壞，加速油脂的釋放溶出。

圖6 酶解時間對揮發油得率的影響

3.7 正交試驗結果

由試驗結果(表2)可知，4個因素對揮發油得率影響的主次順序為A>B>D>C，即酶添加量>pH值>酶解時間>酶解溫度；優化的最佳組合為A3B2C2D3，即酶添加量1.7%、酶解pH值為4.5、酶解溫度45 ℃、酶解時間3.5 h。

表2 正交試驗結果與分析

將優化的最佳組合A3B2C2D3與(表2)中的最優組合A3B2C1D3進行對比驗證試驗(見表3)。

表3 驗證試驗

由試驗結果(表3)可知，最佳提取工藝條件為A3B2C2D3：酶添加量1.7%，酶解pH為4.5，酶解溫度45 ℃，酶解時間3.5 h。

4 結論

本試驗以紅松球果脫種剩余物為原料，經粉碎、酶解、水蒸氣蒸餾提取揮發油，通過單因素試驗和正交試驗，確定最佳提取工藝條件為：選用纖維素酶和果膠酶的混合酶(質量比1∶1)，料液比1∶8，酶添加量1.7%，酶解pH為4.5，酶解溫度45 ℃，酶解時間3.5 h，在此工藝條件下，揮發油得率為1.775%。此提取方法操作簡單易行，對設備要求不高，工藝運行成本低，綜合效益顯著。