王東營(yíng)，董穎，孟雨?yáng)|，汪學(xué)德*， 任翔

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

植物精油是從植物的根、莖、葉、花、果實(shí)、種子等組織中提取出來(lái)的芳香性油狀液體，享有“液體黃金”的美譽(yù)[1]。植物精油主要由揮發(fā)性、具有一定活性的小分子物質(zhì)組成，不僅可以增香賦味，而且能夠抗菌消炎、防腐驅(qū)蟲(chóng)、食療保健等，因此其廣泛應(yīng)用于護(hù)膚品、保健品、肉制品以及天然藥品的研發(fā)利用[2-4]。

芫荽(CoriandrumsativumL.)俗稱(chēng)香菜，為傘形科芫荽屬一年或兩年生草本植物，具有獨(dú)特的芳香氣味，可以去腥提鮮、增進(jìn)食欲[5-6]。其莖葉清脆鮮嫩，富含蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)、維生素、胡蘿卜素，以及鈣、鐵、鎂、磷等微量元素[7-9]。傳統(tǒng)中醫(yī)理論認(rèn)為，芫荽辛溫香竄，具有發(fā)汗透疹、調(diào)食下氣、辟禽魚(yú)之毒的功效，主治小兒麻痹、痢疾下血、食物積滯等病癥[10-12]?，F(xiàn)有研究表明，芫荽精油是芫荽體現(xiàn)生理活性的重要功能因子，其含有的黃酮類(lèi)、酚類(lèi)、脂肪醛類(lèi)以及維生素等活性成分具有抗菌、抗氧化、抗病毒、抗焦慮和鎮(zhèn)痛等生理功效[13-17]。

目前，精油的主要提取方法有水蒸氣蒸餾法[18]、溶劑萃取法[19]、超臨界萃取法[20]等，其中水蒸氣蒸餾法具有安全性高、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用。然而，水蒸氣蒸餾法容易受到提取條件的影響[21-22]，因此，本研究以芫荽為原料，采用水蒸氣蒸餾法探究液料比、蒸餾時(shí)間以及浸泡時(shí)間對(duì)芫荽精油得率的影響，并通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化工藝條件，旨在提高芫荽精油的得率，為芫荽精油的提取和開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮芫荽：購(gòu)于河南省鄭州市丹尼斯紅專(zhuān)路店，產(chǎn)自河南中牟。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 芫荽精油的提取

芫荽經(jīng)篩選、清洗、切段、陰干后，收集備用。準(zhǔn)確稱(chēng)取干燥的芫荽50 g于2000 mL平底燒瓶中，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的液料比添加去離子水，浸泡一定時(shí)間后，連接并固定蒸餾裝置。調(diào)節(jié)加熱套的溫度，使平底燒瓶中的混合物保持微沸的狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝坏我旱勿s出時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，蒸餾到規(guī)定時(shí)間后關(guān)閉加熱套，使其自然冷卻至室溫，收集精油提取器中淺黃綠色油狀液，利用無(wú)水硫酸鈉脫除水分，將混合物離心分離取上清液即得到芫荽精油。稱(chēng)量其質(zhì)量后計(jì)算芫荽精油得率。

式中：Y表示芫荽精油得率，%；m表示芫荽精油的質(zhì)量，g；M表示芫荽質(zhì)量，g。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

1.2.2.1 液料比對(duì)芫荽精油得率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取50 g干燥的芫荽置于平底燒瓶中，在蒸餾時(shí)間6 h、浸泡時(shí)間0 h的條件下，探究液料比(V水∶W芫荽)9，12，15，18，21(mL/g)對(duì)芫荽精油得率的影響。

1.2.2.2 蒸餾時(shí)間對(duì)芫荽精油得率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取50 g干燥的芫荽置于平底燒瓶中，在液料比12(mL/g)、浸泡時(shí)間0 h的條件下，探究蒸餾時(shí)間6，9，12，15，18 h對(duì)芫荽精油得率的影響。

1.2.2.3 浸泡時(shí)間對(duì)芫荽精油得率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取50 g干燥的芫荽置于平底燒瓶中，在液料比12(mL/g)、蒸餾時(shí)間6 h的條件下，探究浸泡時(shí)間6，9，12，15，18 h對(duì)芫荽精油得率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，以液料比(A)、蒸餾時(shí)間(B)、浸泡時(shí)間(C)作為響應(yīng)變量，以芫荽精油得率作為響應(yīng)值(Y)，設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)方案。試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素和水平Table 1 The factors and levels of Box-Benhnken test design

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)3次。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2016進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用GraphPad Prism 8軟件繪制折線(xiàn)圖，運(yùn)用Design-Expert V8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 液料比對(duì)芫荽精油得率的影響

由圖1可知，芫荽精油得率隨著液料比的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在液料比為15(mL/g)時(shí)，精油得率最高，達(dá)0.44%；由此表明合適的液料比可使芫荽與水蒸氣的接觸更加充分，從而提高精油的得率。當(dāng)液料比相對(duì)較低時(shí)，水不能完全浸潤(rùn)芫荽樣品，導(dǎo)致精油得率偏低。而隨著液料比的增加，組織細(xì)胞液與外界環(huán)境濃度差變大，芫荽細(xì)胞吸水脹破，使更多的精油分散至水中，并伴隨水蒸氣餾出，從而使精油得率增加[23]。但當(dāng)液料比過(guò)大時(shí)，一方面導(dǎo)致分散在水中的精油濃度降低，另一方面容易產(chǎn)生暴沸現(xiàn)象，兩者均不利于芫荽精油的提取，因此精油得率下降[24]。

圖1 液料比對(duì)精油得率的影響Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on the extraction yield of essential oils

2.1.2 蒸餾時(shí)間對(duì)芫荽精油得率的影響

由圖2可知，蒸餾時(shí)間從6 h增加至9 h時(shí)，芫荽精油得率上升；當(dāng)蒸餾時(shí)間為9 h時(shí)，芫荽精油得率達(dá)最大值0.45%；此后，隨著蒸餾時(shí)間的繼續(xù)增加，芫荽精油得率下降。蒸餾時(shí)間較短時(shí)，芫荽樣品中精油殘留率高，得率低。蒸餾時(shí)間稍長(zhǎng)時(shí)，芫荽試樣中的精油萃取得更徹底，從而得率提高。蒸餾時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，不僅造成資源浪費(fèi)，而且導(dǎo)致精油揮發(fā)分解，因此精油得率下降[25]。

圖2 蒸餾時(shí)間對(duì)精油得率的影響Fig.2 Effect of distillation time on the extraction yield of essential oils

2.1.3 浸泡時(shí)間對(duì)芫荽精油得率的影響

由圖3可知，芫荽精油得率隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，浸泡時(shí)間為9 h時(shí)，精油得率達(dá)最大值0.43%。水作為載體將芫荽內(nèi)部精油運(yùn)輸?shù)奖砻?，?dāng)浸泡時(shí)間短時(shí)，水不能滲入到芫荽的內(nèi)部，對(duì)其浸潤(rùn)不徹底，導(dǎo)致部分精油殘留在內(nèi)部，精油得率低。當(dāng)浸泡9 h時(shí)，芫荽浸潤(rùn)充分，精油得率高。但浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，精油在水中的分解量加大，損失增多，因此得率下降[26]。

圖3 浸泡時(shí)間對(duì)精油得率的影響Fig.3 Effect of soaking time on the extraction yield of essential oils

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Box-Behnken test design and results

2.2.2 回歸模型的建立及顯著性分析

依據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)液料比、蒸餾時(shí)間及浸泡時(shí)間進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，建立多元二次回歸方程：Y=0.05-0.010A+0.00375B+0.00125C-0.005AB-0.005AC+0.022BC-0.017A2-0.059B2-0.039C2。

由表3可知，模型的F=33.28，P=0.0001<0.01，表明此模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。失擬項(xiàng)的F=5.83，P=0.0607>0.05，說(shuō)明此模型可以描述各提取工藝條件與芫荽精油得率的關(guān)系。模型決定系數(shù)R2=0.9772，調(diào)整后R2=0.9478>0.8，表明響應(yīng)值的變化有97.72%源自所選的3個(gè)因素，且模型的擬合程度較好，因此，該回歸方程可以用來(lái)預(yù)測(cè)芫荽精油得率隨所選工藝條件的變化。此外，比較表3中F值大小可知，影響精油得率多少的因素依次為A>B>C。通過(guò)比較P值大小可知，A對(duì)芫荽精油得率的影響顯著，BC、A2、B2、C2對(duì)芫荽精油得率的影響極顯著(P<0.01)。

表3 響應(yīng)面二次模型的方差分析Table 3 The variance analysis for response surface quadratic model

續(xù) 表

2.2.3 各因素交互作用的分析

等高線(xiàn)圖和響應(yīng)面圖可用來(lái)反映兩因素間交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。在等高線(xiàn)圖中，越接近圓形兩因素間的交互作用越弱，越接近橢圓形兩因素間的交互作用越強(qiáng)；在響應(yīng)面圖中，曲面越陡峭，響應(yīng)值變化越快，兩因素間的交互作用越強(qiáng)[27]。

由圖6中(a)可知，等高線(xiàn)圖為橢圓形，表明蒸餾時(shí)間和浸泡時(shí)間之間交互作用顯著(P<0.05)。通過(guò)響應(yīng)面圖的曲面坡度對(duì)比可知，圖6中(b)曲線(xiàn)陡峭，表明蒸餾時(shí)間與浸泡時(shí)間之間相互作用較強(qiáng)，兩者組合對(duì)芫荽精油得率的影響顯著(P<0.05)；圖4中(b)曲線(xiàn)較平緩，表明液料比與蒸餾時(shí)間之間交互作用較弱，兩者組合對(duì)芫荽精油得率的影響不顯著(P>0.05)；圖5中(b)與圖4中(b)曲線(xiàn)趨勢(shì)類(lèi)似，表明液料比與浸泡時(shí)間之間交互作用較弱，兩者組合對(duì)芫荽精油得率的影響不顯著(P>0.05)。此外，精油得率與液料比、蒸餾時(shí)間和浸泡時(shí)間3個(gè)因素均呈現(xiàn)開(kāi)口向下的拋物線(xiàn)關(guān)系，表明在試驗(yàn)選取的范圍內(nèi)，存在最佳點(diǎn)使精油得率達(dá)到最大值。

圖4 液料比和蒸餾時(shí)間的等高線(xiàn)圖和響應(yīng)面圖Fig.4 Contour and response surface diagrams of the interaction of liquid-solid ratio and distillation time

圖5 液料比和浸泡時(shí)間的等高線(xiàn)圖和響應(yīng)面圖Fig.5 Contour and response surface diagrams of the interaction of liquid-solid ratio and soaking time

圖6 蒸餾時(shí)間和浸泡時(shí)間的等高線(xiàn)圖和響應(yīng)面圖Fig.6 Contour and response surface diagrams of the interaction of distillation time and soaking time

2.2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

模型預(yù)測(cè)得到芫荽精油的最優(yōu)工藝條件為：液料比14.05(mL/g)、蒸餾時(shí)間9.16 h、浸泡時(shí)間9.16 h，在此工藝條件下芫荽精油預(yù)測(cè)得率為0.500%?？紤]到試驗(yàn)的實(shí)際操作性，將條件調(diào)整為：液料比14.0(mL/g)、蒸餾時(shí)間9.2 h、浸泡時(shí)間9.2 h，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，芫荽精油的得率為(0.496±0.041)%，與模型預(yù)測(cè)值存在0.80%的相對(duì)誤差，由此可證明通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化的提取工藝切實(shí)可行，適用于芫荽精油的提取。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采用水蒸氣蒸餾的方式提取芫荽精油，依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化提取芫荽精油的工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明，響應(yīng)變量對(duì)響應(yīng)值大小的影響順序依次為液料比>蒸餾時(shí)間>浸泡時(shí)間。通過(guò)模型預(yù)測(cè)獲得芫荽精油提取的最佳工藝條件為液料比14.0(mL/g)、蒸餾時(shí)間9.2 h、浸泡時(shí)間9.2 h，芫荽精油的得率為(0.496±0.041)%，與模型預(yù)測(cè)值存在0.80%的相對(duì)誤差，證明通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化得到的芫荽精油提取工藝可靠，具備參考價(jià)值，可為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)提供理論依據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。