孟雨?yáng)|,董 穎,陳鑫沛,胡慧艷,王東營(yíng),任 翔,汪學(xué)德,*

(1.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450001;2.河南中英科創(chuàng)彈射企業(yè)孵化器有限公司,河南鄭州 450001)

植物精油是一類從植物中提取的具有芳香氣味,可隨水蒸氣一同蒸出但又與水不相溶的油狀物[1],具有消炎、抗菌、抗病毒、抗氧化以及保護(hù)心血管等作用[2-3],所以植物精油一直是食品、醫(yī)藥以及農(nóng)業(yè)環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4]。陳建煙等[5]指明植物精油主要由萜類化合物、脂肪族化合物、芳香族化合物以及其他含氮硫類化合物等組成,其中萜類化合物被認(rèn)為是植物精油的主要成分。目前,植物精油已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各類化妝品及保健品中,近年來芳香療法在美容行業(yè)也逐漸盛行[6]。此外,由于人工合成抗氧化劑具有安全隱患,而植物精油和一些植物提取物可以作為天然抗氧化有效延緩食品變質(zhì)[7-8]、提升食用油油和肉類的貨架期[9-11],因此植物精油和植物提取物也引起了廣大科研工作者的興趣。

作為菊科植物菊的干燥頭狀花序,菊花(Chrysanthemiflos)是我國(guó)常用藥食同源中藥材之一。其中,作為“四大懷藥”之一的“懷菊花”是中藥菊花的一種。傳統(tǒng)中醫(yī)理論認(rèn)為,菊花具有散風(fēng)清熱、清肝明目的功效?，F(xiàn)代科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),菊花具有廣泛的抗氧化[12]、抗菌[13]、抗炎[14]、解熱[15]、抗癌[16-17]、降血脂[18]、舒張血管等多種藥理作用[19]。目前,對(duì)于菊花精油的提取工藝已經(jīng)屢有報(bào)道,而且多集中于精油成分及其在化妝品等方面的應(yīng)用。但是,針對(duì)懷菊花精油成分分析及其功能作用的研究仍然較少。僅有早期黃保民等通過常規(guī)水蒸氣蒸餾法對(duì)懷菊花精油進(jìn)行提取并對(duì)其組分進(jìn)行了初步分析,發(fā)現(xiàn)其主要含有菊烯酮、桉油精、聚傘花烯、β-石竹烯和菊烯酮乙酸酯等,但由于僅僅是將懷菊花精油提取,并未提及具體工藝,得率也較低,僅為0.14%[20]。因此,本研究采取水蒸氣蒸餾法提取懷菊花精油,并對(duì)加水量、浸泡時(shí)間和蒸餾時(shí)間三因素進(jìn)行單因素分析,并通過響應(yīng)面法優(yōu)化懷菊花精油的提取工藝,以期達(dá)到提高菊花精油的得率的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

懷菊花藥材 購(gòu)于張仲景大藥房,產(chǎn)自河南焦作,由河北安國(guó)普天和中藥飲片公司生產(chǎn),經(jīng)河南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院中藥鑒定學(xué)教研室鑒定為河南焦作產(chǎn)懷菊花;正己烷(色譜純)、無水硫酸鈉(分析純) 天津科密歐化學(xué)試劑有限公司;其他試劑 均為國(guó)產(chǎn)分析純。

AL204 電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)公司;DHG-9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;萬能粉碎機(jī) 北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;恒溫磁力攪拌器 鞏義予華儀器有限責(zé)任公司;精油提取器 天長(zhǎng)市千馬設(shè)備有限公司;水浴鍋 北京科偉永興儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 懷菊花精油的提取 參照張菲菲等[21]的提取方法。將懷菊花樣品粉碎、過60目篩,得到懷菊花粉末。稱取50.0 g懷菊花粉末,置于500 mL圓底燒瓶中,加入一定量的蒸餾水,浸泡一定時(shí)間后,連接精油提取器和回流冷凝管。向精油提取器中加入蒸餾水至其刻度部分,當(dāng)有少量蒸餾水溢流入燒瓶時(shí),再加入1 mL正己烷。隨后,將圓底燒瓶置于電熱套中加熱至沸騰,調(diào)節(jié)開關(guān),使料液由沸騰狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒎袪顟B(tài),保持微沸,蒸餾一定時(shí)間后,停止加熱,待裝置稍冷片刻后,開啟精油提取器下端活塞將水緩緩放出,收集上層藍(lán)色精油。然后將收集到的蒸餾產(chǎn)物采用無水硫酸鈉脫水,60 ℃水浴6 h揮去正己烷,得到淡藍(lán)色的懷菊花精油。并計(jì)算懷菊花精油得率。

懷菊花精油得率(%)=懷菊花精油質(zhì)量×100/懷菊花質(zhì)量

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 加水量對(duì)懷菊花精油得率的影響 根據(jù)實(shí)際操作情況,加水量低于500 mL時(shí)會(huì)使懷菊花粉末無法完全浸泡,溶液太過粘稠,因此固定浸泡時(shí)間0 h,蒸餾5 h,改變加水量為500、600、700、800、900 mL,探究加水量對(duì)精油得率的影響。

1.2.2.2 蒸餾時(shí)間對(duì)懷菊花精油得率的影響 固定浸泡時(shí)間0 h,加水量為700 mL,改變蒸餾時(shí)間為2、4、6、8、10 h,探究蒸餾時(shí)間對(duì)精油得率的影響。

1.2.2.3 浸泡時(shí)間對(duì)懷菊花精油得率的影響 固定加水量為700 mL,蒸餾時(shí)間為3 h,改變浸泡時(shí)間分別為0、2、4、6、8、10、12 h,探究浸泡時(shí)間對(duì)精油得率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化懷菊花精油的提取條件 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以加水量、蒸餾時(shí)間和浸泡時(shí)間為影響因素,以懷菊花精油得率為響應(yīng)值,對(duì)懷菊花精油的提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平見表1。

表1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素水平表

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016和SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用Design-Expert V 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 加水量對(duì)懷菊花精油得率的影響 由圖1可知,隨著加水量的增加,懷菊花精油得率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)加水量在500～700 mL時(shí),精油得率隨加水量的增加而增加,當(dāng)加水量為700 mL時(shí),得率達(dá)到最大值,為0.41%;隨著加水量的增加,精油得率下降。這是因?yàn)樗诌^少時(shí),懷菊花粉末無法完全浸潤(rùn)溶解在水中;當(dāng)加水量增加時(shí),可使懷菊花粉末更均勻分散在水中,避免造成提取液太過粘稠不易沸騰的情況,從而使精油得率逐漸增加。但當(dāng)加水量超過700 mL,精油得率反而下降,是因?yàn)榧铀窟^多會(huì)導(dǎo)致沸騰不夠充分,從而降低懷菊花精油的得率,提升電熱套溫度則容易導(dǎo)致溶液爆沸[21]。

圖1 加水量對(duì)精油得率的影響

2.1.2 蒸餾時(shí)間對(duì)懷菊花精油得率的影響 由圖2可知,懷菊花精油得率隨蒸餾時(shí)間的增加而增加,蒸餾時(shí)間達(dá)到8 h時(shí),得率已超過0.45%。隨著蒸餾時(shí)間的繼續(xù)增加,精油得率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。懷菊花精油的得率呈此趨勢(shì)可能是因?yàn)閼丫栈ǚ勰┰诮?jīng)過8 h的蒸餾后,精油基本全部被提取出來,因此,繼續(xù)延長(zhǎng)蒸餾時(shí)間,無法使精油的得率提高,且蒸餾時(shí)間為10 h時(shí),精油得率有所下降,這可能是由于蒸餾時(shí)間過長(zhǎng),精油在較高溫度下的揮發(fā)所致。

圖2 蒸餾時(shí)間對(duì)精油得率的影響

2.1.3 浸泡時(shí)間對(duì)懷菊花精油得率的影響 由圖3可知,浸泡時(shí)間在一定范圍內(nèi)時(shí),精油得率隨浸泡時(shí)間的增加而增加。當(dāng)浸泡時(shí)間為8 h時(shí),得率達(dá)到最大值0.39%;隨著浸泡時(shí)間的繼續(xù)增加,精油得率基本保持穩(wěn)定。根據(jù)浸泡理論[22],懷菊花精油的得率首先呈上升趨勢(shì)是由于懷菊花粉末在經(jīng)過浸泡后,細(xì)胞的組織間隙因吸水而變大,加速內(nèi)外液流動(dòng)交換,利于精油的提取,得率也得以提高。當(dāng)浸泡時(shí)間超過8 h后,流動(dòng)交換基本穩(wěn)定,精油得率同樣趨于穩(wěn)定。

圖3 浸泡時(shí)間對(duì)精油得率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化懷菊花精油得率結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化懷菊花精油得率結(jié)果 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以加水量(A)、蒸餾時(shí)間(B)、浸泡時(shí)間(C)3個(gè)因素作為響應(yīng)變量,懷菊花精油的得率為響應(yīng)值(Y),采用Box-Behnken中心組和試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行3因素3水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì),結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素水平表

2.2.2 回歸方程擬合及方差分析 根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用Design-Expert V8.0.6軟件進(jìn)行方差分析,分析結(jié)果見表3。在試驗(yàn)范圍內(nèi),B、A2、B2、C2對(duì)精油得率的影響達(dá)到了顯著水平(P<0.05),其擬合回歸方程為:

表3 回歸模型顯著性檢驗(yàn)及方差分析

Y=0.50-8.750×10-3A+0.033B-0.011C+7.500×10-3AB-5.000×10-3AC-0.018BC-0.040A2-0.077B2-0.044C2

回歸系數(shù)R2=0.8791,對(duì)其F值進(jìn)行檢驗(yàn),其F=5.66,P<0.05,且P值接近0.01,說明回歸模型較好,其調(diào)整R2=0.7237,表明此模型能解釋72.37% 效應(yīng)值變化[23]。失擬項(xiàng)P=0.2357>0.05,表明距較小,吻合度較高,實(shí)驗(yàn)方法可行[24]。該回歸模型中,各因素對(duì)精油得率影響程度大小依次為蒸餾時(shí)間(B)>浸泡時(shí)間(C)>加水量(A)。其中蒸餾時(shí)間和三個(gè)因素的二次項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值懷菊花精油得率影響顯著。

響應(yīng)面法是工藝優(yōu)化經(jīng)常采用的一種試驗(yàn)方法,可以通過各因素間與響應(yīng)值的關(guān)系所得到的直觀3D響應(yīng)面圖進(jìn)行分析[25-27]。研究表明,等高線的形狀越接近圓形,表明兩個(gè)因素交互作用越弱,越接近橢圓形交互作用越強(qiáng),影響越顯著[28]。對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)處理后可得到兩兩因素交互影響的等高線圖和響應(yīng)面圖,可見圖4、圖5及圖6。圖4可直觀的觀察出加水量和蒸餾時(shí)間的等高線圖接近圓形,表明加水量和提取時(shí)間的交互作用對(duì)懷菊花精油得率的影響較弱。由響應(yīng)面圖可以明顯看出加水量和蒸餾時(shí)間的曲面都比較陡,因此蒸餾時(shí)間的二次項(xiàng)和加水量的二次項(xiàng)都對(duì)精油得率影響較大。由圖5可看出加水量與浸泡時(shí)間的等高線圖接近圓形,表明加水量和浸泡時(shí)間的交互影響對(duì)懷菊花精油得率的影響較弱。由圖6可直觀的看到蒸餾時(shí)間和浸泡時(shí)間的等高線圖接近橢圓形,表明蒸餾時(shí)間和浸泡時(shí)間的交互項(xiàng)對(duì)懷菊花精油得率的影響較小。由響應(yīng)面圖可以明顯看出蒸餾時(shí)間和浸泡時(shí)間的曲面都有一定的坡度,但是蒸餾時(shí)間的坡度更大,因此蒸餾時(shí)間的二次項(xiàng)對(duì)精油得率影響更大。

圖4 加水量和蒸餾時(shí)間的等高線圖和響應(yīng)面圖

圖5 加水量和浸泡時(shí)間的等高線圖和響應(yīng)面圖

圖6 蒸餾時(shí)間和浸泡時(shí)間的等高線圖和響應(yīng)面圖

綜上所述,可以得出影響懷菊花精油得率的二次項(xiàng)因素中,蒸餾時(shí)間的二次項(xiàng)對(duì)精油的得率影響最大。

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的結(jié)果,利用Design Expert軟件計(jì)算出懷菊花精油的最佳提取條件為:加水量為692.11 mL、蒸餾時(shí)間為8.45 h、浸泡時(shí)間為9.67 h,懷菊花精油的得率為0.510%。根據(jù)實(shí)際情況,將優(yōu)化條件調(diào)整為:加水量693 mL、蒸餾時(shí)間8.45 h、浸泡時(shí)間9.7 h,取三份懷菊花進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證懷菊花精油的平均得率為0.507%±0.008%,相對(duì)誤差0.59%,且t檢驗(yàn)的結(jié)果差異不顯著,P>0.05,可看出該模型可以較好預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,證明擬合效果良好[29-30]。

3 結(jié)論

本研究以粉碎后的懷菊花為原料,采用水蒸氣蒸餾法對(duì)其精油進(jìn)行提取,并利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化懷菊花精油的提取工藝。通過實(shí)驗(yàn)得知,在加水量、蒸餾時(shí)間和浸泡時(shí)間這三個(gè)影響因素中,蒸餾時(shí)間對(duì)懷菊花精油的得率的影響達(dá)到顯著(P<0.05)水平,而加水量和浸泡時(shí)間對(duì)懷菊花精油得率的影響并不顯著。此外,三個(gè)因素的影響順序?yàn)檎麴s時(shí)間>浸泡時(shí)間>加水量。利用Design Expert V 8.0.6.軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,得出最佳懷菊花精油提取工藝條件為:加水量693 mL、蒸餾時(shí)間8.45 h、浸泡時(shí)間9.7 h,此時(shí)懷菊花精油的得率可達(dá)到0.507%±0.008%,相對(duì)誤差0.59%,且t檢驗(yàn)的結(jié)果差異不顯著。本研究采用響應(yīng)面法優(yōu)化,相比黃保民等[20]的研究中,懷菊花得率顯著提高,為懷菊花精油后續(xù)的應(yīng)用與研究提供了良好的工藝條件。