吳 昊， 邵江娟， 張佳輝， 章文明， 姜 岷

(1.南京工業(yè)大學(xué)/國(guó)家級(jí)江蘇先進(jìn)生物與化學(xué)制造協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 211816； 2.南京中醫(yī)藥大學(xué)，江蘇南京 210023)

薰衣草(Lavandulaspp.)為唇形科(Labiatae)一年生或多年生植物，同時(shí)具備香料植物與藥用植物2種屬性。薰衣草所含香氣成分是天然香精與香料的主要構(gòu)成部分，從中提取出的薰衣草精油具有促進(jìn)血液循環(huán)、提升機(jī)體活力和免疫力、緩解焦慮及神經(jīng)性偏頭痛、松弛消化道痙攣、消除腸胃脹氣等眾多益處[1]，被稱為“精油之母”，已廣泛應(yīng)用于日化產(chǎn)品、保健品、食物加工及醫(yī)藥等領(lǐng)域[2]。薰衣草自20世紀(jì)60年代開始被引進(jìn)到我國(guó)新疆地區(qū)，目前，新疆地區(qū)薰衣草的種植面積占全國(guó)種植面積的95%左右[3]，薰衣草精油的年產(chǎn)量大于100 t。黃酮類化合物是天然產(chǎn)物中的主要有效成分，具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤、保護(hù)心血管等多種生物活性[4]，研究表明，薰衣草黃酮具有較強(qiáng)的抗氧化和清除自由基的作用[5-6]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)薰衣草原料的利用率極低，主要提取其中的揮發(fā)性精油，出油率僅為干花質(zhì)量的1.5%左右[7]，提取后的薰衣草殘?jiān)蛔鳛閺U棄物，既嚴(yán)重浪費(fèi)了資源，又大大增加了薰衣草產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。雖然提取薰衣草黃酮已有報(bào)道[5-6，8-9]，但均直接以薰衣草花為原料進(jìn)行單一提取，經(jīng)濟(jì)性不高。因此，亟需對(duì)薰衣草開展深加工研究，進(jìn)一步提高其附加值。

從植物中提取有效成分的主要手段是基于組分在固液兩相之間質(zhì)量傳遞的固液浸提，但無論是溶劑進(jìn)入物料內(nèi)部，還是物料內(nèi)可溶性成分轉(zhuǎn)移進(jìn)入溶劑，均受物料的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的顯著影響[10]，形成嚴(yán)重的傳質(zhì)阻力，因此造成固液浸提效率低下。超聲波具有機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)及熱效應(yīng)，而且還可以產(chǎn)生乳化、擊碎、擴(kuò)散、化學(xué)效應(yīng)等一系列次級(jí)效應(yīng)[11]，這些效應(yīng)增大了介質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)也提高了介質(zhì)的穿透能力，從而促進(jìn)有效成分的溶解及擴(kuò)散，縮短提取時(shí)間，有利于提高有效成分的提取率。本試驗(yàn)首先將薰衣草干花浸于水中，采用超聲波-水蒸氣蒸餾法提取出揮發(fā)性的薰衣草精油，分離出精油提取后的殘?jiān)?，以乙醇溶液為提取溶劑，采用超聲波輔助浸提薰衣草總黃酮，通過探討薰衣草精油與總黃酮綜合提取的可行性，為薰衣草的深加工提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)材料 薰衣草干花(產(chǎn)地為新疆霍城縣農(nóng)四師65團(tuán)，2015年收割，自然晾干)，預(yù)先將干花粉碎，過80目備用。所用試劑為分析純或色譜純，試驗(yàn)用水為超純水。

1.1.2 試驗(yàn)裝置與儀器 電熱植物蒸餾浸提裝置(自制，含冷凝收集器)，超聲波萃取儀(KQ-600V，超聲頻率40 Hz，功率600 W，購(gòu)自江蘇省昆山市超聲儀器有限公司)，真空干燥箱(DZF-6050，購(gòu)自上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司)，電子分析天平[BS124S，購(gòu)自賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司]， 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(RE52A，購(gòu)自上海亞榮生化儀器廠)， 紫外分光光度計(jì)[UV2800，購(gòu)自優(yōu)尼柯(上海)儀器有限公司]，氣相色譜儀(GC2800，購(gòu)自上海伍豐科學(xué)儀器有限公司)，F(xiàn)ID(flame ionization detector，簡(jiǎn)稱FID)檢測(cè)器(購(gòu)自上海伍豐科學(xué)儀器有限公司)，PEG毛細(xì)管色譜柱(DB-WAX，30 m×0.25 mm×0.25 μm，購(gòu)自美國(guó)安捷倫科技有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 薰衣草精油的提取 采用單因素試驗(yàn)，分別考察料液比、超聲溫度、超聲時(shí)間、蒸餾時(shí)間、浸泡時(shí)間及無機(jī)鹽對(duì)精油提取率的影響。稱取100 g薰衣草干花粉末，加入2 000 mL蒸餾浸提裝置中，加入相應(yīng)的去離子水浸泡2 h，隨后進(jìn)行超聲處理，之后進(jìn)行水汽蒸餾提取，從料液開始沸騰時(shí)計(jì)時(shí)，通過蛇形冷凝管將餾出的氣體冷卻液化，待蒸餾結(jié)束后，將餾出液靜置1 h后分層。收集上層油相，用無水硫酸鈉脫水干燥后得到薰衣草精油，稱質(zhì)量后計(jì)算精油提取率，公式如下：

(1)

1.2.2 薰衣草總黃酮的提取 將精油提取后的固液混合物立即過濾分離，并用去離子水洗滌殘?jiān)?次，獲得的薰衣草殘?jiān)?0 ℃下干燥至恒質(zhì)量。配制乙醇溶液，從薰衣草殘?jiān)刑崛∞挂虏菘傸S酮，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定以乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲時(shí)間、超聲溫度為考察因素，進(jìn)行因素水平正交設(shè)計(jì)(表1)，以總黃酮提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定薰衣草殘?jiān)锌傸S酮的最佳提取工藝條件。每次向試驗(yàn)裝置中加入10 g薰衣草殘?jiān)?按照其含水量折算出的絕對(duì)干質(zhì)量)，在一定溫度下用乙醇溶液預(yù)先浸泡1 h，然后在同樣的溫度下進(jìn)行超聲輔助提取。

表1 正交試驗(yàn)的因素水平

提取結(jié)束后立即過濾，并用相同的乙醇溶液洗滌殘?jiān)?，合并濾液將體積回復(fù)到加入時(shí)的體積，即為總黃酮提取液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在60 ℃下?lián)]干溶劑，經(jīng)真空干燥后獲得浸膏粉，檢測(cè)其中的總黃酮含量，并計(jì)算出總黃酮提取率，公式如下：

(2)

1.3 檢測(cè)方法

1.3.1 薰衣草精油主要特征組分含量的檢測(cè) 薰衣草精油主要有效成分為芳樟醇、乙酸芳樟酯、乙酸薰衣草酯、樟腦[12]。根據(jù)GB 1886.38—2015《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 薰衣草油》指定的檢測(cè)條件與步驟[13]，采用氣相色譜面積歸一化法，檢測(cè)以上4種特征組分的含量。

1.3.2 薰衣草總黃酮的檢測(cè) 利用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH顯色法檢測(cè)總黃酮，以蕓香苷標(biāo)準(zhǔn)液作為對(duì)照品。移取0、1、2、3、4、5 mL 0.200 mg/mL蕓香苷標(biāo)準(zhǔn)液(用體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液溶解并定容)分別置于6支25 mL比色管中，按文獻(xiàn)[14]的方法進(jìn)行檢測(cè)，以未添加蕓香苷標(biāo)準(zhǔn)液的空白樣作對(duì)照，檢測(cè)510 nm波長(zhǎng)處的吸光度。以吸光度(D)為橫坐標(biāo)，相應(yīng)的蕓香苷質(zhì)量(M)為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，其回歸方程為M=1.813 66D-0.003 89，r2=0.995 9，線性范圍為0～1.00 mg，用于表征總黃酮質(zhì)量。將50 mg待測(cè)浸膏樣品用60%乙醇溶液溶解并定容至50 mL，取1 mL溶解液加入 25 mL 比色管中進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)回歸方程計(jì)算出對(duì)應(yīng)的總黃酮質(zhì)量，進(jìn)而換算出樣品中的總黃酮含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波輔助水蒸氣蒸餾提取薰衣草精油

2.1.1 料液比對(duì)精油提取率的影響 在不超聲處理的情況下，在1 ∶8～1 ∶16(g ∶mL)范圍內(nèi)考察料液比對(duì)薰衣草精油提取率的影響，蒸餾時(shí)間為2 h。料液比直接影響精油提取率，若物料含量過高，精油在水中的擴(kuò)散過程會(huì)受到較大的傳質(zhì)阻力；若液體比例過高，精油在水中的溶解量會(huì)隨之增大，也會(huì)影響提取率。由圖1可知，隨著液體含量的增高，精油提取率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，當(dāng)料液比為1 g ∶12 mL時(shí)，精油提取率達(dá)到最大值，為1.61%，之后則明顯呈下降趨勢(shì)。因此，精油提取的最適料液比為1 g ∶12 mL。

2.1.2 超聲溫度對(duì)精油提取率的影響 料液比為 1 g ∶12 mL，超聲時(shí)間為30 min，在25～60 ℃范圍內(nèi)考察超聲溫度對(duì)精油提取率的影響，蒸餾時(shí)間為2 h。由圖2可知，隨著超聲溫度的上升，精油提取率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，當(dāng)超聲溫度達(dá)到50 ℃時(shí)，精油提取率達(dá)到最高值，為1.781%，但當(dāng)超聲溫度繼續(xù)升高時(shí)，精油提取率明顯下降。由于超聲溫度直接影響超聲的空化作用，超聲溫度升高對(duì)空化作用有利，有利于提高精油提取率，但是超聲溫度過高時(shí)，氣泡中蒸氣壓增大，氣泡閉合時(shí)促進(jìn)了緩沖作用，使空化作用減弱[15]，反而不利于提取。因此，超聲溫度的最適溫度為50 ℃。

2.1.3 超聲時(shí)間對(duì)精油提取率的影響 在超聲溫度優(yōu)化的基礎(chǔ)上，考察超聲時(shí)間(20～60 min)對(duì)精油提取率的影響，蒸餾時(shí)間為2 h。超聲利用機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)及空化效應(yīng)，可以在一定程度上加快分子間的擴(kuò)散、溶解，但超聲時(shí)間過短起不到明顯的作用，而超聲時(shí)間過長(zhǎng)則可能會(huì)破壞薰衣草精油中的揮發(fā)性成分，反而使提取率降低。由圖3可知，超聲時(shí)間對(duì)薰衣草精油的提取率有較大影響。當(dāng)超聲時(shí)間為40 min時(shí)，薰衣草精油的提取率達(dá)到最大值，為1.935%。因此，選擇精油提取的超聲時(shí)間為40 min。

2.1.4 蒸餾時(shí)間對(duì)精油提取率的影響 在此前超聲處理參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，考察蒸餾時(shí)間對(duì)精油提取率的影響。由圖4可知，隨著蒸餾時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，精油提取率先呈明顯的遞增趨勢(shì)，當(dāng)蒸餾時(shí)間達(dá)到120 min時(shí)，提取率為1.94%，繼續(xù)增加蒸餾時(shí)間，精油提取率呈遞減趨勢(shì)。這是由于液體處于沸騰狀態(tài)時(shí)，操作時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)引起精油中一些熱敏性化合物的分解及精油在水中的溶解度增加[16]。因此，選擇最適的蒸餾時(shí)間為120 min，即2 h。

2.1.5 無機(jī)鹽對(duì)精油提取率的影響 添加無機(jī)鹽會(huì)影響精油的提取率，溶解在混合液中的無機(jī)鹽可以通過其在液相發(fā)生締合作用來改變汽液平衡，鹽效應(yīng)能使體系的蒸汽壓下降[17]，由于無機(jī)鹽在水中與精油中的溶解度存在較大的差異，精油對(duì)水的相對(duì)揮發(fā)度增高。因此，在同等溫度下，加入某些無機(jī)鹽有可能會(huì)明顯提高出油率，本試驗(yàn)考察4種常見無機(jī)鹽(均配制成30 g/L無機(jī)鹽溶液)對(duì)精油提取率的影響。文獻(xiàn)[18]報(bào)道，提取薰衣草精油過程中，加入MgSO4的鹽效應(yīng)最明顯。由表2可知，只有Na2SO4、KCl可以提高精油提取率，其中加入Na2SO4時(shí)精油的提取率達(dá)到2.09%，比未添加時(shí)提高8.85%。因此，選擇添加Na2SO4最為適宜。在此基礎(chǔ)上考察Na2SO4的濃度對(duì)精油提取率的影響。由圖5可知，當(dāng)Na2SO4的濃度大于30 g/L時(shí)，精油的提取率明顯降低。因此，添加Na2SO4的最適濃度為30 g/L。

表2 鹽效應(yīng)對(duì)精油提取率的影響

最終確定超聲輔助水蒸氣提取薰衣草精油的工藝：以 30 g/L Na2SO4水溶液為提取劑，料液比為1 g ∶12 mL，在 50 ℃ 下浸泡2 h，在該溫度下超聲處理40 min，隨后蒸餾2 h(以沸騰后計(jì)時(shí))。在此條件下重復(fù)試驗(yàn)3次，薰衣草精油的提取率為2.05%～2.16%，均大于2.00%，與直接水蒸氣蒸餾相比，提取率約增加25%。

2.2 不同提取方式對(duì)薰衣草精油主要成分含量的影響

對(duì)不同提取方式獲得的薰衣草精油中的主要成分含量進(jìn)行檢測(cè)。由表3可知，采用以上提取方式獲得的薰衣草精油中4種主要成分的含量均符合GB 1886.38—2015的規(guī)定[13]。值得注意的是，采用超聲輔助處理后，其中乙酸芳樟酯的含量明顯降低，而芳樟醇的含量有所增加，推測(cè)在較高溫度下，超聲波處理可能會(huì)使部分乙酸芳樟酯發(fā)生水解，由此可見須要嚴(yán)格控制超聲處理的時(shí)間與溫度。

表3 不同提取方式下的薰衣草精油主要成分比較

2.3 超聲波輔助浸提薰衣草殘?jiān)械目傸S酮

總黃酮提取的正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，由極差分析結(jié)果可知，各因素對(duì)薰衣草殘?jiān)锌傸S酮提取率的影響表現(xiàn)為料液比>超聲時(shí)間>超聲溫度>乙醇體積分?jǐn)?shù)。優(yōu)化的工藝組合為A1B3C2D1，即乙醇溶液的體積分?jǐn)?shù)為50%、料液比為 1 g ∶25 mL、超聲溫度60 ℃、超聲時(shí)間30 min。在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，殘?jiān)曒o助浸提的平均浸膏得率為 18.1%，浸膏中的平均總黃酮含量為48.2%，殘?jiān)械目傸S酮平均提取率為8.73%，浸膏粉呈黃綠色。為了進(jìn)一步提高總黃酮的提取率，以優(yōu)化后的條件對(duì)同一殘?jiān)B續(xù)提取4次，由表5可知，對(duì)殘?jiān)崛?次即可提取出絕大部分黃酮，繼續(xù)增加提取次數(shù)，浸膏中總黃酮的含量明顯降低，說明雜質(zhì)大量溶出。從后期純化考慮，提取2次即可，最終薰衣草殘?jiān)目傸S酮提取率為11.81%，浸膏中總黃酮的含量為 44.94%，有利于后期純化處理。

表4 總黃酮提取正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 提取次數(shù)對(duì)總黃酮提取率的影響

3 討論與結(jié)論

本研究采用超聲波輔助的手段對(duì)薰衣草中的揮發(fā)油和黃酮類化合物這2類活性成分進(jìn)行綜合提取。結(jié)果顯示，超聲波輔助水蒸氣蒸餾法可明顯提高薰衣草精油的提取率，優(yōu)化后的提取工藝為以30 g/L Na2SO4水溶液為提取劑，料液比為1 g ∶12 mL，50 ℃下浸泡2 h，隨后在此溫度下超聲處理 40 min，蒸餾2 h。在此條件下，薰衣草精油的提取率大于 2.00%，精油中有效組分含量符合GB 1886.38—2015的規(guī)定。對(duì)提取后的薰衣草殘?jiān)捎靡掖既芤撼暡ㄝo助提取薰衣草總黃酮，經(jīng)正交設(shè)計(jì)優(yōu)化，提取條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%，料液比為1 g ∶25 mL，60 ℃下浸泡1 h，相同溫度下超聲時(shí)間為30 min。經(jīng)過2次提取處理，殘?jiān)目傸S酮提取率達(dá) 11.81%，浸膏中總黃酮的含量為44.94%。由此可知，薰衣草可以通過超聲波輔助分步提取的方式，同時(shí)獲得薰衣草精油與總黃酮，該綜合提取方法提高了原料的利用率，有利于降低制備成本，可為薰衣草產(chǎn)品的深度開發(fā)提供依據(jù)。

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