超声波辅助水蒸汽蒸馏法提取地椒精油工艺的研究

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(1.榆林学院生命科学学院,陕西榆林 719000;2. 陕西省陕北生态修复重点实验室,陕西榆林 719000)

超声波辅助水蒸汽蒸馏法提取地椒精油工艺的研究

段义忠1,2,杜忠毓1,贺学林1

(1.榆林学院生命科学学院,陕西榆林 719000;2. 陕西省陕北生态修复重点实验室,陕西榆林 719000)

以榆林市卧云山地区地椒为实验材料,采用超声波辅助水蒸汽蒸馏法对地椒精油的提取工艺进行了研究。以地椒精油得率为指标,在单因素实验基础上,研究提取时间、料水比、浸提温度以及超声功率4个因素对地椒精油得率的影响,并通过正交实验得出最佳提取条件。实验结果表明:影响地椒精油得率的四个因素的主次顺序为:超声功率>浸提温度>提取时间>料水比,最佳提取条件为:提取时间40 min,液料比20∶1 (mL∶g),浸提温度45 ℃,超声功率200 W;三次验证实验表明,地椒精油得率高达0.901%±0.1%。此种提取方法可为地椒精油在实际生产中提供一定的理论参考。

地椒,精油,超声波,提取工艺

地椒,又名山椒,俗称百里香,为唇形科植物百里香(ThymusmongolicusRonn)或展毛地椒(ThymusquinquecostatusCélak.var.przewalskii(Kom.)Ronn)的全草,是一种多年生草本[1],目前地椒属植物在全世界大约有350种,在我国约有12种[2],主要分布于甘肃、内蒙古、陕西、山东、辽宁、山西等地区,一般生长在海拔1000～2500 m的山地、河水两岸草丛或沙岸[3];在陕西省主要生长在榆林市榆阳区、横山、神木、靖边、定边等地。地椒是一种天然植物[4],在陕北地区多用作去除绒山羊上的膻味的调味品。地椒精油含有挥发油、黄酮类物质、多糖及糖苷等物质,具有很高的药用价值,有抗菌、抗脂肪氧化、抗肿瘤及抗血栓等药效,可作为医药原料制作相关的药物制剂[4]。地椒所含成分作用之大,然而,目前地椒精油提取方法常用的是水蒸汽蒸馏法[5],但这种提取方法精油得率较低;王娣等采用超临界CO2萃取法(SFE-CO2)提取百里香精油[6],这种提取方法精油得率得到了提升,但成本较高,在实际生产中难以大规模使用。因此本文以超声波辅助提取[7]法提取地椒精油[8],采用正交实验优化地椒精油提取工艺条件,为当前地椒精油的实际生产和提取提供理论参考。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

地椒 于2016年7月份在榆林市卧云山地区采摘的新鲜叶片,人工处理干净地椒的茎秆,并对其叶片进行自然晾干,待叶片晾干之后,用研钵进行磨成粉末[9-11],过20目筛[12];无水Na2SO4天津市盛奥化学试剂有限公司;NaCl固体 天津市科密欧化学试剂有限公司;石油醚 天津市富宇精细化工有限公司;以上试剂分析纯。

XMTD-204型数显式电热恒温水浴锅 上海跃进医疗器械有限公司;BILON-S1000CT型多用途恒温超声波提取机、DC-0506型低温恒温槽 西安比朗生物科技有限公司;PTHW-500型调温型电热套 上海勒顿实业有限公司;SHB-Ⅲ型循环水试多用真空泵 上海一展实验设备有限公司;RE-201D型恒温水油浴锅 巩义市宇翔仪器有限公司;GZX-9076MBE型数显鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;RE-301型旋转蒸发仪 巩义市宇翔仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 地椒精油的提取 称取5 g地椒置于250 mL三口圆底烧瓶中,再加入一定量的蒸馏水,放入一定温度的水浴锅中浸泡4 h,将浸泡好的地椒于一定功率下超声一定时间,再回流2.5 h,趁热减压抽滤,向滤液中加入1 g/mL的NaCl溶液,继续加入石油醚振荡并倒入分液漏斗中静置分层,收集石油醚层向该液中加入无水硫酸钠固体,放置1 h,抽滤,水浴加热蒸馏回收石油醚,直至无石油醚流出,得精油,并放至室温称重,计算地椒精油得率。

地椒精油得率(%)=(g1-g2)/g3×100

式中,g1-回收萃取剂后圆底烧瓶和精油的总重量,g2-圆底烧瓶的重量,g3-实验所用地椒粉末的重量。

1.2.2 单因素实验 选择超声功率、超声波提取时间、浸提温度和液料比四个因素做为变量进行单因素实验。

1.2.2.1 超声功率的影响 称量粉碎过筛后的地椒粉5 g,样品在液料比(mL∶g)为25∶1,浸提温度为45 ℃的条件下,分别在100、150、200、250、300、350、400 W超声功率下提取40 min,计算得率。

1.2.2.2 提取时间的影响 称量粉碎过筛后的地椒粉5 g,样品在液料比(mL∶g)为25∶1,浸提温度45 ℃,超声波功率为200 W的条件下,分别提取10、20、30、40、50 min,计算得率。

1.2.2.3 浸提温度的影响 称量粉碎过筛后的地椒粉5 g,样品在液料比(mL∶g)为25∶1,超声波功率为200 W的条件下,分别在30、35、40、45、50 ℃下浸泡、提取40 min,计算得率。

1.2.2.4 液料比的影响 称量粉碎过筛后的地椒粉5 g,样品依次以5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1 (mL∶g)加入蒸馏水进行配制,在浸提温度45 ℃,超声波功率200 W,超声波提取时间40 min的条件下,进行提取,计算得率。

1.2.3 正交实验 在单因素实验的基础上对超声波功率、超声波提取时间、浸提温度和液料比(mL∶g)四因素设计L9(34)正交实验(表1),通过分析地椒精油得率来选择最佳地椒精油提取工艺条件。

表1 正交实验设计Table 2 The design of orthogonal test

1.3数据处理

2 结果与分析

2.1地椒精油得率的单因素实验

2.1.1 超声功率对地椒精油得率的影响 超声波功率与地椒精油得率的关系见图1。由图1可知,在其它提取条件不变的情况下,当超声波功率从100 W提高到200 W时,随着超声波功率的提高,精油的得率也随之提高;但当超声波功率超过200 W之后,随着超声波功率的增大,精油的得率趋于稳定。这是由于随着超声波功率的增大,媒介粒子的速度和加速度也增大,空化效应越来越强烈,界面扩散层上的分子分散速度就越来越快,这使得地椒中的精油排出的速度大幅度增高。但当超声波功率到达某一定值时,内外渗透压趋于均衡,此时如果再增加超声波功率,精油的渗出率趋于平衡,不再增加,因此,超声功率控制在200 W左右比较合适。

图1 不同超声波功率对精油得率的影响Fig.1 Effects of different ultrasonic wave power on extraction yield of essential oil

2.1.2 浸提温度对地椒精油得率的影响 超声波提取时间与地椒精油得率的关系如图2所示,在超声波功率和液料比恒定的条件下,当超声波提取时间相同,浸提温度从30 ℃提高到45 ℃时,温度越高,地椒精油提取越充分,得率也就随温度的升高而缓慢增长;当浸提温度超过45 ℃之后,得率趋于稳定。由此可见,超声波辅助提取地椒精油对浸提温度的要求较低,不需要高温就可以实现对地椒精油的充分提取,因此,选择40～50 ℃进行下一步的正交实验。

2.1.3 超声波提取时间对地椒精油得率的影响 超声波浸提温度与地椒得率结果见图3。由图3可知,在液料比、浸提温度和超声波功率都恒定的条件下,当超声波提取时间从10 min提高到30 min时,地椒精油的得率随超声波提取时间的增加而增加;但是当超声波提取时间提高到30 min之后,得率就趋于稳定,因此,选择20～40 min进行下一步的正交实验。

图3 不同提取时间对精油得率的影响Fig.3 Effects of different soking time on extraction yield

2.1.4 液料比对地椒精油得率的影响 液料比与地椒精油得率的关系结果见图4。从图4可知,在超声波功率、提取时间、提浸温度都恒定的条件下,当液料比从10∶1提高到20∶1时,地椒精油的得率随液料比的增大而增大;但是当液料比大于20∶1时,得率随液料比的增长而趋于稳定。因此,在15∶1～25∶1进行下一步的正交实验。

图4 不同液料比对精油得率的影响Fig.4 Effects of different ratio of solvent to raw material on extraction yield of essential oil

2.2超声波辅助提取地椒精油的正交实验及结果

在单因素实验的基础上,以地椒精油得率为指标,按照三水平四因素设计L9(34)正交实验,进一步针对超声波功率、浸泡提取温度、超声波提取时间和液料比对地椒精油得率进行优化结果见表2。

在9个实验中,实验2的得率最高,最佳条件水平组合为A1B2C2D2。由k值可得,最佳水平为A2B2C3D2。由各因素极差R的大小可知,RA>RB>RC>RD,影响得率的因素主次顺序是超声波功率、浸提温度、提取时间、液料比,A因素为主要影响因素,D因素为不重要因素,因此将此项作为误差列进行方差分析。

表2 正交实验结果Table 2 The results of orthogonal test

由方差分析(表3)结果可以看出,A、B、C、D因素的F值均未达到显著,各因素影响精油提取率的主次顺序为A>B>C。由图3可得,精油得率趋于平衡的拐点在30～40 min之间,因此选择40 min做为浸提时间,综上确定地椒精油提取工艺水平为A2B2C3D2。

表3 正交实验结果方差分析Table 3 Analysis of variance of orthogonal experimental results

注:F0.05(2,2)=19.00,F0.01(2,2)=99.00。

采用超声波功率200 W、浸泡提取温度45 ℃、液料比20∶1 (mL∶g)、超声波辅助提取40 min产油率高达0.901%±0.1%,具有用时少、产油率高等特点。这可能是因为超声波辅助提取地椒精油时,超声能够产生高速、剧烈的搅拌力和空化效应、热效应等,从而使地椒的细胞更容易破裂,油脂分子更容易释放出来,提取时间缩短,产油率大幅度提高。

从正交实验的结果中能够得出,四因素中对地椒精油产油率影响力最大的是超声波功率。在一定范围之内,超声波功率越大,对地椒细胞壁结构的破坏力也就越大,地椒精油产油率也越高。但是在优化得出的最佳提取工艺条件中超声波功率是200 W,而不是250 W,这可能是因为超声波功率达到某一定值以后,对地椒细胞壁的破裂程度不再增加,从而使地椒精油的产油率趋于稳定。

3 结论

3.1 通过对正交实验结果的分析可以得到,在本实验范围内,四个因素对得率的影响力从高到低分别为超声功率>浸提温度>提取时间>液料比。

3.2 对正交实验结果进行分析可知,超声波辅助提取地椒精油的最佳工艺条件为:超声波功率200 W、浸泡提取温度45 ℃、液料比20∶1 (mL∶g)、超声波提取时间40 min。在此工艺条件下提取三次其平均得率可以达到0.901%±0.1%。

3.3 超声波辅助提取法提取地椒精油方法简单,条件容易控制,提取时间短,得率高。采用超声波辅助提取地椒精油时,超声波提取机外部连接了低温恒温槽,实现了提取过程恒温化,防止了因提取温度不恒定对油脂分子造成的毁坏,从而提高了地椒精油的品质。

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Studyonultrasonicwave-assistedhydrodistillationextractionofessentialoilfromThymusmongolicus

DUANYi-zhong1,2,DUZhong-yu1,HEXue-lin1

(1.College of Life and Science,Yulin University,Yulin 719000,China; 2.Shaanxi Key Laboratory of Ecological Restoration in Northern Shaanxi Mining Area,Yulin 719000,China)

TheThymusmongolicusof WoYun Mountain in Yulin was experimental materials in the study. In this paper,the extraction method of essential oil fromT.mongolicuswith the distillation of the ultrasonic assisted was studied. Based on single factor test,the factors which affect the extraction yield of the essential oil ofT.mongolicussuch as extraction time,solid/solvent ratio,extraction temperature and ultrasonic power were studied by the orthogonal experimenta1. The results showed that the order of the influence factor was ultrasonic power>extraction temperature>extraction time>solid/solvent ratio. The optimal condition was extraction time 40 minutes,solvent/solid 20∶1 (mL∶g),extraction temperature 45 ℃,ultrasonic power 200 W. Under these conditions,the essential oil ofT.mongolicusextraction rate was 0.901%±0.1% in verification tests. This method can be used for the actual production of pepper oil to provide some theoretical reference.

Thymusmongolicus;essential oil;ultrasonic wave;processing technology

2017-01-10

段义忠(1981-)，男，博士，副教授，研究方向:野生植物资源开发利用，E-mail:duanyizhong2006@163.com。

:陕西省科技厅农业科技创新与公关技术(2016NY-220，2015NY073)；榆林市青年科技新星(2015CXY-34)。

TS201.1

:B

:1002-0306(2017)16-0216-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.040

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