超聲輔助水蒸氣蒸餾提取硬尖神香草精油的工藝優化

付 曉，王 瑩，蘭 衛*

(1.新疆醫科大學中醫學院，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆醫科大學附屬中醫醫院，新疆 烏魯木齊 830002)

神香草是新疆特有的芳香植物，野生硬尖神香草主要產于新疆北部阿勒泰地區[1]。硬尖神香草為唇形科(Labiatae)、神香草屬(Hyssopus)硬尖神香草(HyssopuscuspidatusBoriss.)全草[2]，為民間傳統習用藥材，主要用于治療咳嗽、氣喘、感冒發熱和風濕等[3]。神香草精油用途廣泛，經濟價值極高，研究者因此對神香草精油的提取工藝進行了廣泛研究。2016年，吳曉菊等先后對超聲強化水蒸氣蒸餾法[4]、水蒸氣蒸餾法[5]、有機溶劑法[6]提取神香草精油的工藝條件進行了優化，確定超聲強化水蒸氣蒸餾法的最優工藝條件為：超聲功率160 W、超聲強化時間15 min、料液比1∶15(g∶mL，下同)、提取時間1 h，精油得率為0.738%；水蒸氣蒸餾法的最優工藝條件為：料液比1∶15、MgSO4用量10 g·L-1、提取時間2 h，精油得率為0.688%；有機溶劑法的最優工藝條件為：提取溶劑為正己烷、提取時間4 h、提取溫度50 ℃、料液比1∶15，精油得率為1.093%。

超聲提取法主要利用機械效應、空化效應、熱效應、化學效應促進目標分子快速從載體上分離。采用超聲法提取硬尖神香草精油，質量好的硬尖神香草，精油含量高，有神香草的特異香氣，香氣濃郁；質量差的硬尖神香草，精油含量低，香氣寡淡，甚至無味；提取工藝也因硬尖神香草的品種、產地、采收時間、貯藏時間的不同而有所不同，精油得率差別也很大。因此，作者采用超聲輔助水蒸氣蒸餾提取硬尖神香草精油，通過單因素實驗和正交實驗對影響精油得率的超聲頻率、超聲時間、料液比、提取時間等因素進行優化，以得到最優的提取工藝，為規模化生產提供依據。

1 實驗

1.1 材料與儀器

硬尖神香草，由新疆銀朵蘭維藥股份有限公司提供，并由新疆醫科大學姚藍副教授鑒定為硬尖神香草(HyssopuscuspidatusBoriss.)。

揮發油提取器，鹽城新明特玻璃儀器有限公司；MS304TS型電子天平，梅特勒托利多公司；HH-S4型電熱套，鄭州長城科工貿有限公司；KQ-300VDV型雙頻數控超聲清洗儀，昆山舒美超聲儀器有限公司。

1.2 超聲輔助水蒸氣蒸餾提取硬尖神香草精油

取硬尖神香草，干燥，粉碎，過篩，按一定料液比加入蒸餾水，將超聲發生器連接水蒸氣蒸餾器和冷凝器；在一定超聲頻率下超聲一定時間，然后水蒸氣蒸餾提取一定時間，收集精油，按下式計算精油得率：

1.3 提取工藝優化

首先采用單因素實驗考察超聲頻率、超聲時間、料液比、提取時間對精油得率的影響；然后以精油得率為指標，以超聲頻率、超聲時間、料液比、提取時間為考察因素，采用L9(34)正交實驗進一步優化硬尖神香草精油的提取工藝。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果[7-10]

2.1.1 超聲頻率對精油得率的影響

取50 g硬尖神香草粗粉，固定超聲時間為30 min、料液比為1∶8、提取時間為2 h，在超聲頻率分別為40 kHz、60 kHz、80 kHz、100 kHz時提取硬尖神香草精油，考察超聲頻率對精油得率的影響，結果如圖1所示。

圖1 超聲頻率對精油得率的影響

由圖1可知，隨著超聲頻率的升高，硬尖神香草精油得率先升高后降低，在超聲頻率為60 kHz、80 kHz、100 kHz時精油得率較高，80 kHz時達到最高。因此，選擇60 kHz、80 kHz、100 kHz作為正交實驗超聲頻率的3個水平。

2.1.2 超聲時間對精油得率的影響

取50 g硬尖神香草粗粉，固定超聲頻率為80 kHz、料液比為1∶8、提取時間為2 h，在超聲時間分別為15 min、30 min、45 min、60 min時提取硬尖神香草精油，考察超聲時間對精油得率的影響，結果如圖2所示。

圖2 超聲時間對精油得率的影響

由圖2可知，隨著超聲時間的延長，硬尖神香草精油得率先升高后降低，在超聲時間為30 min、45 min、60 min時精油得率較高，45 min時達到最高。因此，選擇30 min、45 min、60 min作為正交實驗超聲時間的3個水平。

2.1.3 料液比對精油得率的影響

取50 g硬尖神香草粗粉，分別按料液比1∶6、1∶8、1∶10、1∶12加入蒸餾水，在超聲頻率為80 kHz、超聲時間為45 min、提取時間為2 h的條件下提取硬尖神香草精油，考察料液比對精油得率的影響，結果如圖3所示。

圖3 料液比對精油得率的影響

由圖3可知，隨著料液比的減小，即提取溶劑蒸餾水用量的增加，硬尖神香草精油得率先升高后降低，在料液比為1∶6、1∶8、1∶10時精油得率較高，1∶8時達到最高。因此，選擇1∶6、1∶8、1∶10作為正交實驗料液比的3個水平。

2.1.4 提取時間對精油得率的影響

取50 g硬尖神香草粗粉，在超聲頻率為80 kHz、料液比為1∶8、超聲時間為45 min的條件下分別提取1 h、2 h、3 h、4 h，考察提取時間對精油得率的影響，結果如圖4所示。

圖4 提取時間對精油得率的影響

由圖4可知，隨著提取時間的延長，硬尖神香草精油得率先升高后降低，在提取時間為2 h、3 h、4 h時精油得率較高，3 h時達到最高。因此，選擇2 h、3 h、4 h作為正交實驗提取時間的3個水平。

2.2 正交實驗結果

在單因素實驗的基礎上，以精油得率為指標，采用L9(34)正交實驗進一步優化硬尖神香草精油的提取工藝。L9(34)正交實驗的因素與水平見表1，結果與分析見表2。

表1 L9(34)正交實驗的因素與水平

表2 L9(34)正交實驗的結果與分析

由表2中R值可知，各因素對硬尖神香草精油得率的影響大小依次為：D(提取時間)>B(超聲時間)>A(超聲頻率)>C(料液比)；最優提取工藝組合為A1B2C1D2，即超聲頻率60 kHz、超聲時間45 min、料液比1∶6、提取時間3 h。由F值和P值可知，提取時間對精油得率有顯著性影響(P<0.05)，而超聲頻率、超聲時間、料液比對精油得率無顯著性影響，故確定最優提取工藝為A1B1C1D2，即超聲頻率60 kHz、超聲時間30 min、料液比1∶6、提取時間3 h。

2.3 驗證實驗

在超聲頻率為60 kHz、超聲時間為30 min、料液比為1∶6、提取時間為3 h的最優條件下采用超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取硬尖神香草精油，3個平行實驗的精油得率分別為1.35%、1.35%、1.40%，平均得率為1.37%，RSD值為1.72%。在相同條件下，即料液比1∶6、提取時間3 h，采用常規水蒸氣蒸餾法提取硬尖神香草精油，精油得率為1.12%。與常規水蒸氣蒸餾法相比，超聲輔助水蒸氣蒸餾提取硬尖神香草精油的得率提高了22.32%。

3 結論

采用單因素實驗和正交實驗對超聲輔助水蒸氣蒸餾提取硬尖神香草精油的工藝條件進行了優化，確定最優工藝條件為：超聲頻率60 kHz、超聲時間30 min、料液比1∶6(g∶mL)、提取時間3 h，在此條件下，精油得率為1.37%。與常規水蒸氣蒸餾法(1.12%)相比，超聲輔助水蒸氣蒸餾提取硬尖神香草精油的得率提高了22.32%。