楊 蘭，吳 肖，甘 羿

(1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300;2.廣東匯香源生物科技股份有限公司，廣東廣州510663)

響應(yīng)面法優(yōu)化竹葉精油的微波輔助提取工藝

楊 蘭1，吳 肖2，甘 羿2

(1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300;2.廣東匯香源生物科技股份有限公司，廣東廣州510663)

目的:探討通過微波輔助水蒸汽蒸餾法提取竹葉精油的工藝。方法:考察液固比、輻射功率、輻射時(shí)間等單因素對(duì)精油提取率的影響，并用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化，再對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)論:液固比30∶1，輻射功率560W，輻射時(shí)間280s。結(jié)果:此條件下竹葉精油提取率可達(dá)0.589%。

竹葉精油，微波輔助提取，響應(yīng)面分析法

Abstract:Object:the optimization of extraction conditions for essential oil from bamboo leaves were studied.Method:Effects of ratio of liquid－to－solid，microwave power and irradiation time were investigated.Results:Results of response surface analysis showed that the optimum conditions were as follows:the ratio of liquid－to－solid was 30∶1，microwave power was 560W and irradiation time was 280s.Conclusion:The highest extraction rate of 0.589%was obtained.

Key words:essential oil from bamboo leaves;microwave－assisted extraction;response surface analysis

竹子是禾本科(Poaceae)竹亞科(Bambusoidae)多年生常綠植物，全世界約有65屬1250多種，主要分布于亞洲。中國(guó)素有“竹子王國(guó)”之稱，種類、面積和竹材產(chǎn)量均占世界1/3左右［1］。日本的柴田等［2］對(duì)竹葉提取物進(jìn)行的藥理學(xué)研究表明，竹葉提取物對(duì)食道、膀胱、腎臟、肺、肝和子宮癌的療效顯著。而韓國(guó)學(xué)者Sook［3］的研究結(jié)果則表明，毛竹葉精油對(duì)革蘭氏陰性菌的抑制作用優(yōu)于其對(duì)革蘭氏陽性菌的抑制作用。近年來，享有“液體黃金”美譽(yù)之稱的天然什物精油已被廣泛用于醫(yī)療保健、化妝美容、食品工業(yè)等方面［4］，為此加大力度開發(fā)我國(guó)豐富的竹葉資源、提高其附加價(jià)值，尤其是竹葉精油具有十分重要的意義。常用的傳統(tǒng)精油提取方法是水蒸汽蒸餾或結(jié)合有機(jī)溶劑萃取的方法來獲取精油，提取過程中要使用大量的有機(jī)溶劑，不但增加了生產(chǎn)成本，而且還帶來了脫除溶劑、污染環(huán)境等許多問題［5］。微波輔助提取技術(shù)由于其選擇性高、耗時(shí)少、能耗低、設(shè)備投資低等優(yōu)點(diǎn)已成為目前國(guó)內(nèi)外天然產(chǎn)物提取的研究熱點(diǎn)［6］。因此，在本次研究中采用微波輔助水蒸汽蒸餾法(Microwave－assisted hydrodistillation)提取竹葉中的精油，并借助SAS 9.1.3軟件，采用中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以竹葉精油的提取率為考察指標(biāo)，對(duì)液固比、微波功率、輻射時(shí)間之間的交互作用進(jìn)行研究，得出提取竹葉精油的最佳工藝參數(shù)，以期為竹葉資源的利用、竹葉精油提取的研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

慈竹葉 采自四川省梁平縣農(nóng)村。

NJL07－3實(shí)驗(yàn)專用微波爐 南京杰全微波設(shè)備有限公司;HSG－ⅡB－6電熱恒溫水浴鍋 上海儀表集團(tuán);101A－2數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海浦東躍欣科學(xué)儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 提取流程 慈竹葉→烘干→粉碎→過篩→浸提→微波輻射→蒸餾→收集→分離→精油

1.2.2 操作要點(diǎn) 將慈竹葉在研磨機(jī)中磨碎后，過40目篩，按不同比例加入水，在40℃條件下，浸泡30min，在不同功率下進(jìn)行微波輻射處理不同時(shí)間，然后加入少量的沸石，于水蒸汽蒸餾4h后停止加熱。待提取液靜置分層后，收集上層精油。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1 不同液固比對(duì)慈竹葉精油提取率的影響選取經(jīng)烘干、粉碎、過篩后的慈竹葉，加入不同量的水至液固比分別為 10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1，40℃恒溫浸泡30min，經(jīng)輻射功率為480W，輻射時(shí)間為225s后，用水蒸汽蒸餾4h，待提取液靜置分層后，收集上層精油，計(jì)算精油提取率。

1.2.3.2 不同微波輻射功率對(duì)慈竹葉精油提取率的影響 選取經(jīng)烘干、粉碎、過篩后的慈竹葉，加入水至液固比為30∶1，40℃恒溫浸泡30min，選取輻射功率分別為 210、320、480、640、750W，經(jīng)輻射時(shí)間為225s后，用水蒸汽蒸餾4h，待提取液靜置分層后，收集上層精油，計(jì)算精油提取率。

1.2.3.3 不同微波輻射時(shí)間對(duì)慈竹葉精油提取率的影響 選取經(jīng)烘干、粉碎、過篩后的慈竹葉，加入水至液固比為30∶1，40℃恒溫浸泡30min，在輻射功率480W 下，分別經(jīng)輻射時(shí)間 75、150、225、300、375s后，用水蒸汽蒸餾4h，待提取液靜置分層后，收集上層精油，計(jì)算精油提取率。

1.2.4 工藝條件的優(yōu)化 采用響應(yīng)面分析法，進(jìn)行中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以竹葉精油的提取率為響應(yīng)值，選用液固比、輻射功率、輻射時(shí)間為變量，選用二次回歸方程，進(jìn)行精油提取工藝條件的優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同液固比對(duì)慈竹葉精油提取率的影響 因?yàn)樗墙殡姵?shù)較大的物質(zhì)，能夠有效地吸收微波能，產(chǎn)生溫度差［7］，所以在微波輔助提取過程中，水量會(huì)影響提取效果。從圖1可見，隨著水量的增大，提取率呈現(xiàn)先增大后變化平緩的趨勢(shì)，可能是隨著水量增加，精油與水接觸面處的濃度差增大，有利于精油的擴(kuò)散和溶解，從而提高傳質(zhì)速率。液固比為30∶1時(shí)，提取率達(dá)最大。但當(dāng)加水量進(jìn)一步增大至40∶1、50∶1 時(shí)，提取率變化趨勢(shì)平緩。

圖1 不同液固比對(duì)提取率的影響

2.1.2 不同輻射功率對(duì)慈竹葉精油提取率的影響不同植物的精油不同，要求微波提取時(shí)微波的功率也要有所不同。微波輻射功率的選擇以最有效地提取目標(biāo)物為原則，一般所選的輻射功率在200～1000W之間，功率不宜過大，否則易引起體系過熱，導(dǎo)致控溫不準(zhǔn)，甚至發(fā)生危險(xiǎn)［8］。如圖2所示，在輻射功率320～640W范圍內(nèi)，對(duì)提取率的提高作用較明顯。

圖2 不同輻射功率對(duì)提取率的影響

2.1.3 不同輻射時(shí)間對(duì)慈竹葉精油提取率的影響輻射時(shí)間對(duì)慈竹葉精油的提取也有影響，時(shí)間太短，則效果不明顯，時(shí)間太長(zhǎng)，則可能導(dǎo)致?lián)]發(fā)油不穩(wěn)定成分的降解。如圖3所示，隨著輻射時(shí)間的增加，提取率也逐漸增大，在225s時(shí)達(dá)最大值，其后提取率出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖3 不同輻射時(shí)間對(duì)提取率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝

2.2.1 工藝優(yōu)化方案 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，選取液固比、輻射功率、輻射時(shí)間三個(gè)因素進(jìn)行中心組合。設(shè)定三因素的取值范圍:液固比20∶1～30∶1，輻射功率320～640W，輻射時(shí)間225～375s，以慈竹葉精油提取率為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行響應(yīng)面分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 工藝優(yōu)化的中心組合設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 優(yōu)化方案對(duì)慈竹葉精油提取率的影響 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的數(shù)學(xué)模型為:

提取率=0.53+0.044A+0.053B－0.017C+7.851×10－3AB－6.875 ×10－3AC+0.020BC+2.340 ×10－3A2－0.055B2－0.034C2

式中:A為液固比，B為輻射功率，C為輻射時(shí)間。

對(duì)此模型進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表2、表3所示。

表2 提取率二次多項(xiàng)模型方差分析

表3 提取率模型方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

由表3可以看出，在α=0.01水平時(shí)，模型回歸顯著(P＜0.05)。從表3可知，A、B、AC為顯著性影響因素，在各影響因素中，微波功率(B)對(duì)提取率的影響最大，其次是液固比(A)。

根據(jù)模型方程做響應(yīng)面，如圖4～圖6所示，通過該組動(dòng)態(tài)圖可評(píng)價(jià)諸因素之間對(duì)提取率的影響作用，同時(shí)可確定各因素的最佳水平及組合。

圖4 液固比和輻射功率交互影響提取率的曲面圖

圖5 輻射功率和輻射時(shí)間交互影響提取率的曲面圖

2.2.3 方案的優(yōu)化及驗(yàn)證 將提取率設(shè)定為最大值，軟件給出的最優(yōu)配方為:液固比30.00∶1，輻射功率562.34W，輻射時(shí)間 284.66s，其理論提取率為0.594%。為了實(shí)際操作的可行性及簡(jiǎn)化工藝，將優(yōu)化工藝修正為:液固比30∶1，輻射功率560W，輻射時(shí)間280s，根據(jù)修正后的最優(yōu)配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其提取率為0.589%。

圖6 輻射時(shí)間和液固比交互影響提取率的曲面圖

3 結(jié)論

本文對(duì)采用微波輔助水蒸汽蒸餾法提取慈竹葉的精油，考察了液固比、輻射功率及輻射時(shí)間對(duì)提取率的影響。主要結(jié)論如下:

3.1 通過單因素實(shí)驗(yàn)，得出提取過程中三因素的合適范圍:液固比 20∶1～30∶1，輻射功率 320～640W，輻射時(shí)間 225～375s。

3.2 采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)優(yōu)化了提取工藝。方差分析表明，輻射功率、液固比對(duì)提取率的影響較顯著(P＜0.05)。軟件給出最優(yōu)工藝為:液固比30.00∶1，輻射功率562.34W，輻射時(shí)間284.66s，其理論提取率為0.594%。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中液固比30∶1，輻射功率560W，輻射時(shí)間280s，提取率為0.589%。與理論最優(yōu)配方基本一致。

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Study on optimization of microwave－assisted extraction process for essential oil from bamboo leaves

YANG Lan1，WU Xiao2，GAN Yi2
(1.Guongdong Light Industry College of Technology，Guangzhou 510300，China;2.Guangdong H－Bio Biotech Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，China)

TS201.1

B

1002－0306(2010)08－0280－03

2010－05－11

楊蘭(1974－)，女，在讀博士研究生，講師，研究方向:食品生物技術(shù)與調(diào)味品工藝技術(shù)。