天然植物精油粘膠纖維提萃取技術及性能測試

王曉霞

(咸陽職業技術學院，陜西 西安 712000)

天然植物精油多為無色油狀液體，是植物體自身的次級代謝物質，一般分子質量較小，采用蒸氣法就可以將其蒸出；植物精油在醫藥和化學領域常被稱為揮發油，在商業領域稱為芳香油。天然植物精油有著多種功能特性，應用廣泛。基于此，本文研究嘗試利用粘膠紡絲液中加入以檸檬精油、香桂精油和洋甘菊精油來進行提取，并且通過測試紡制纖維的性能測試評價了紡制工藝的可行性，為拓展粘膠纖維的功能應用領域提供借鑒。

1 天然植物精油的主要組成成分

天然植物精油取自植物的花、根、葉、果實和種子等部位，其成分較為復雜，其主要組成成分有芳香族化合物、萜類化合物、含氮含硫化合物和脂肪族化合物等。

1.1 萜類化合物

天然植物精油中最主要的成分就是萜類化合物，其能夠在植物精油中占到70%以上，該類化合物在自然界也廣泛存在。其含氧衍生物大多具有芳香氣味，例如：醇、酚、酯等。萜類化合物分為單萜類、倍半萜和多萜類等，例如：檸檬醛、薰衣草醇、香茅醇屬于單萜；金合歡烯、愈創木醇屬于倍半萜類；維生素A醇和類杉醇屬于雙萜類。

1.2 芳香族化合物

天然植物精油中第2大類化合物即為芳香族化合物，主要分為苯丙烷類衍生物和萜源衍生物，前者例如欖香素、桂皮醛；后者例如α姜黃烯和百里香草酚。含萜源衍生物的植物精油通常會作為辛香型香料參與香料的生產。

1.3 含氮、含硫化合物

植物香辛料精油中含氮、含硫化合物較多，該類化合物主要存在于大蒜、洋蔥這類辛辣刺激的植物中。含硫化合物，如大蒜素、黑芥子中的異硫氰酸烯丙酯、洋蔥中的三硫化合物等；含氮化合物，如檸檬中的吡咯、茉莉中的吲哚，相比于含硫化合物，其在植物精油中的含量較少。草本植物的種類、提取部位、提取工藝不同，提取到的天然植物精油的成分和含量也會有一定的差異。

1.4 脂肪族化合物

幾乎全部種類的植物精油中都含有脂肪族化合物，大多存在于植物的果實部分，雖然只有極少的含量，也屬于植物精油的次要成分。如檸檬精油中的異戊醛、桂花精油中的正葵烷、沙棘精油中的乙酸乙酯等都屬于脂肪族化合物。相關資料表明，植物精油中最常見的該類化合物為異戊醛和異戊酸。

2 粘膠纖維性能測試

2.1 聚合度測試

采用銅氨溶液法測試以上不同天然植物精油制備的不同含量的粘膠纖維聚合度。

纖維力學性能測試

采用酮溶液與蒸餾水依次將以上利用不同天然植物精油制備的不同含量、洗凈后在105 ℃的容器中烘干備用；設置溫度、濕度恒溫狀態試驗箱相對濕度為 65%、溫度為 20 ℃的標準環境對制備的粘膠纖維進行調濕處理24 h備用。使用 XQ-1A 型纖維強伸度儀對纖維的力學斷裂強度進行測試，其中 XQ-1A 型纖維強伸度儀參數設置為：纖維夾持長度為 20 mm，纖維拉伸速度為 20 mm/min，每種類的粘膠纖維測試30 根，剔除測試中出現的異常數據后取測試值的平均值。

纖維摩擦因數測試

按照“2.1.1”纖維力學性能測試中纖維的調濕方法對粘膠纖維進行調濕，將調濕后的粘膠纖維兩端夾于張力儀夾頭上，張力儀質量為100 mg，利用 Y151 纖維摩擦系數測定儀對上述不同天然植物精油制備的不同含量粘膠纖維與其自身纖維制備的纖維輥間的纖維摩擦系數。Y151 纖維摩擦系數測定儀測試參數設置為：30 r/min 的轉速下測試纖維的動態摩擦系數；0.9 r/min 的轉速下測試纖維的靜態摩擦系數。各種類的粘膠纖維測試 30 根纖維，剔除測試中出現的異常數據后取測試值的平均值。

紅外光譜測試

將溴化鉀與精油質量含量為 20%的檸檬醛、香桂葉、洋甘菊制成試樣壓片，調整紅外光譜儀參數使其在分辨率 0.5 cm，波數4 000～400 cm參數下對制備的溴化鉀纖維壓片進行紅外曲線測試。

X衍射曲線測試

利用 D8 DISCOVER型X-射線衍射儀對功能粘膠纖維進行大角度衍射，掃描速度為5°/min ；纖維壓片在5°～45°進行X-衍射曲線測試。

2.2 纖維性能分析模型

恒幅循環載荷下的模型構建

通過干涉分析理論可知，當粘膠纖維制成的結構件處于恒幅循環載荷狀態下時，材料的可靠度可以根據式(1)進行分析：

(1)

式中：()表示粘膠纖維基于疲勞壽命定義的可靠度函數；表示載荷循環次數；表示疲勞壽命的形狀參數；表示疲勞壽命的尺度參數。當外部載荷和循環次數為一恒定、有規律值時，基本上可認定材料剩余強度和疲勞壽命的形狀參數、疲勞壽命的尺度參數高度相關。

不確定性恒幅循環載荷下的模型構建

當粘膠纖維工程結構件所處的載荷環境為交變載荷、反復作用時，材料內部的疲勞損傷類型通常會更為復雜。從宏觀上表現為材料的剩余強度隨載荷作用時間的增加而逐漸降低，材料的剩余壽命也會隨之逐漸減小。通常情況下，不確定性恒幅循環載荷數學模型構建需要從剩余強度和剩余壽命2個視角進行分析，具體損傷函數如式(2)、式(3)所示：

(2)

(3)

式中：()表示不確定性恒幅循環載荷下基于剩余強度定義的粘膠纖維疲勞損傷函數；()表示基于壽命定義的疲勞損傷函數；表示材料的原始強度；()表示材料在外部載荷作用次以后的剩余強度；表示材料的原始壽命。利用式(2)、式(3)分別計算出不確定性恒幅循環載荷下的材料剩余強度和剩余壽命。

隨機循環載荷下的模型構建

一般的材料剩余強度數學模型通常反映的是恒幅循環盈利與粘膠纖維所能承受的最大載荷循環次數之間的對應關系，對于較為復雜的隨機循環載荷下的模型分析尚不能明確展示材料內部復雜的疲勞損傷種類的各種疲勞損傷之間的相互作用機制。通常情況下，當外部載荷為隨機循環載荷時，一般粘膠纖維外部載荷的峰值和谷值并不是穩定或有規律可循的數值。此時構建材料剩余強度數學模型需要借助特定的疲勞累積損傷理論或失效準則。本文假設為一隨機應力母體，(=1，2,3，…，)為中的一個盈利樣本，根據式(1)～式(3)反映的材料剩余強度分析函數可得：

=

(4)

式中：表示材料的原始壽命；(=1，2,3， …,)表示樣本作用下的復合材料疲勞壽命。將式(4)引入Miner累積損傷準則可得：

(5)

式(5)除能夠反映粘膠纖維在收到外部隨機循環載荷時的剩余強度變化規律外，還具有分析簡單、實際工程應用價值高等特點。

綜上所述，筆者以新工科為“一主體”，結合本科專業教學質量國家標準、工程教育專業認證標準為“二翼”的指引，針對實驗教學中存在的問題，建立標準化實驗教學體系，構建標準化實驗教學大綱，實施標準化實驗操作流程，完善標準化實驗室建設，從而升級改造制藥類專業實驗教學環節，達到新工科對于專業實踐教學的新要求，讓學生的知識、能力和素質滿足醫藥行業的實際需求，提升制藥工程專業實踐教學質量[15]，為地方高校制藥工程實驗教學的改進提供一定的指導和借鑒。

3 天然植物精油粘膠纖維新型提萃取方法

3.1 超臨界CO2流體萃取法

該方法是一種新型精油提取方法，其原理為：通過控制壓力和溫度，調整超臨界CO的溶解能力，對植物材料中的特殊天然產物進行溶解，然后在超臨界狀態下，將溶解在超臨界CO中的不同分子量、沸點、極性等的精油成分依次萃取出來。目前，采用該方法已經能夠提取出很多種類的天然植物精油，且得油率都能夠超過6.0%。有研究人員采用超臨界CO流體萃取技術，其萃取工藝流程如圖1所示。

圖1 超臨界CO2流體萃取工藝流程圖Fig. 1 Flow chart of supercritical CO2 fluid extraction process

由圖1可知，該技術下精油提取與分離基本流程為：CO氣體貯罐凈化系統冷卻系統高壓泵萃取釜分離釜1、分離釜2。在壓力10.9 MPa、溫度42 ℃的條件下進行萃取，分離釜1中的壓力設定為8 MPa、溫度為45 ℃；分離釜2中的壓力設定為5 MPa、溫度為30 ℃，最終得到的精油萃取率為8.43%。

分離技術優缺點：與以往的水蒸氣蒸餾法相比，采用該方法進行植物精油的提取與分離，能夠減少某些精油組分的流失或分解，因為其反應溫度不高，通常在35～55 ℃，且CO氣體的存在能夠有效減少精油中熱敏組分的分解和流失；CO屬于不可燃性氣體，無味、無毒，整個植物精油的提取與分離過程較為安全，且不添加任何有機溶劑，因此無化學殘留，較好保證了植物精油的純天然特性。該技術較為適合高檔植物精油的提取和制備。但該技術所需成本較高，以致于目前還沒有被普遍投入工業化生產中。

3.2 同時蒸餾-萃取法

該方法也是一種新型精油提取方法，其原理為：在密閉的裝置中，將樣品溶液和萃取劑分別放置2個蒸餾瓶，加熱升溫至沸騰，由于各組分的沸點不同，各組分在低于各自沸點時被蒸出，在冷凝管中與萃取溶劑的蒸汽充分混合冷凝，萃取劑蒸汽將目標成分萃取出來。當某一組分被完全蒸出后，蒸餾瓶中樣品的溫度才會上升，直至將樣品其余組分蒸出。依據水和萃取劑不相容且密度不同，將水與萃取液分離，最后回收萃取液，就可獲取目標植物精油成分。

水蒸氣蒸餾法的溫度較高，精油中的熱敏性成分容易被熱分解，易水解成分被水解，甚至導致原料焦化現象，不僅耗能耗時，還影響精油產品的質量。選擇新疆產原產地羅馬洋甘菊作為原料，采用蒸餾-萃取法提取了洋甘菊精油，并將該方法和以往的水蒸氣蒸餾法作對比。將羅馬洋甘菊置于鼓風式干燥箱中，在40 ℃溫度條件下持續干燥6 h，取干燥后的100 g 羅馬洋甘菊樣品，在氯化鈉水溶液中浸泡3 h，采用水蒸氣蒸餾法和新型的同時蒸餾-萃取法，分別制備得到羅馬洋甘菊精油樣品1和樣品2。不同提取與分離方式下羅馬洋甘菊精油得油率如表1所示。

表1 2種方法下羅馬洋甘菊精油得油率[10]Tab.1 Oil yield of chamomile essential oil under the two methods

采用氣相色譜-質譜聯用儀對2種植物精油樣品進行成分分析，樣品1中檢測到51種化學成分；樣品2中檢測出69種化學成分。相比于傳統的水蒸氣蒸餾法，同時蒸餾-萃取法提取的洋甘菊精油油得率明顯較高。

同時蒸餾-萃取法優缺點：該方法顯著簡化了實驗步驟，提升了提取效率，能夠用較少的溶劑量提取較多植物精油；能夠吸附器壁上的殘留精油，減少樣品轉移的損失。該方法也存在一定不足，在實驗溫度過高時，使得植物精油的香氣有一定程度的失真；該方法所用實驗器材大多為全玻璃器皿，不易用于工業化大規模生產。

3.3 微波輔助提取法

其原理為：通過調節微波各項參數，對樣品加熱，植物樣品在微波磁場中吸收大量能量，以細胞內部吸收較多，周圍的提取劑吸收較少，提取成分的細胞內部熱應力的產生使得細胞破裂，目標成分直接與較冷的提取劑接觸，促進提取劑對細胞內部目標成分的提取。

針對香桂葉采用微波輔助提取技術，提取香桂精油。主要使用儀器為CW2000超聲-微波協同萃取儀。主要原料有：香桂葉、酵母提取物、胰蛋白胨、青霉素鈉試劑等。將適量香桂葉和蒸餾水一起放入萃取儀，設定合適的微波功率與提取時間進行精油提取，收集提取液后靜置分層，最終獲得香桂植物精油。微波輔助提取法提取香桂精油裝置圖如圖2所示。

圖2 微波輔助提取法香桂精油提取裝置圖Fig.2 Microwave-assisted extraction device of cinnamon essential oil

將該工藝與傳統水蒸氣蒸餾法工藝進行比較，不同方法下香桂精油的得油情況如表2所示。

表2 不同方法下香桂精油得油率Tab.2 Oil yield of cinnamon essential oil under different methods

由表2可知，相較于水蒸氣蒸餾法，微波輔助提取法的得油率更高，且該方法有著操作簡單、提取時間短、節省能源等優勢。其不足之處：雖然對以往的精油提取工藝進行了優化，但通常只作為輔助方式使用，需要和其他植物精油提取技術結合使用，才能發揮其應用優勢。

3.4 天然植物精油粘膠纖維應用場景

植物精油粘膠纖維最大的特點是源自天然纖維，回歸自然完全不污染環境，可以成為自然和諧有機的一部分。真正做到取自自然、回歸自然、全生命周期不污染環境，完全契合環保理念。天然植物精油粘膠纖維未來的應用場景主要集中在以下幾方面。

食品外包裝

天然植物精油粘膠纖維環保性強、污染性幾乎可以忽略不計，因而可以取代傳統的粘膠材料用于進行食品外包裝的生產，例如農產品外包裝中的雞蛋包裝、水果包裝、采摘盒等；快餐和食品包裝中的快餐盒、飲料杯、杯蓋、咖啡托、打包盒等；超市食品包裝中的蔬菜、水果、肉食、海鮮等。

育苗序列

育苗序列中的粘膠材料主要指的是育苗盤、育苗托等，這些設備在組裝和使用過程中會應用到部分粘膠纖維。天然植物精油粘膠纖維在育苗序列中的應用可以大幅降低設備中甲醛等成分的含量，對花卉、農作物等的育種具有積極作用。

紡織材料

植物精油中的玫瑰精油等具有調整人體內分泌、緩解疼痛、改善人體狀態的功效。以植物精油制備而成的粘膠纖維能夠具備部分植物精油的作用，已知基礎加工而成的紡織材料可具有保濕、抑菌等功能，可以進一步拓寬天然植物精油粘膠纖維的應用場景。

4 結語

綜上所述，天然植物精油有著來源廣、綠色、高生物活性等優點，其成分較為復雜，大致可分為萜類化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物和含氮、含硫化合物。天然植物精油在食品、化妝品、醫藥等領域有著廣闊的應用空間。新型的天然植物精油提取與分離方法得到不斷開發與應用，超臨界CO流體萃取法較為安全，也能夠較好保證精油的純天然特性；同時蒸餾-萃取法步驟簡便、效率較高；微波輔助提取法操作簡單、提取時間短。但這些新型方法也存在缺點，研發一種適用于所有植物精油的高效、可用于工業化生產的提取與分離方法將會是今后重要的研究方向。