孟雨东,董 颖,陈鑫沛,胡慧艳,王东营,任 翔,汪学德,*

(1.河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450001;2.河南中英科创弹射企业孵化器有限公司,河南郑州 450001)

植物精油是一类从植物中提取的具有芳香气味,可随水蒸气一同蒸出但又与水不相溶的油状物[1],具有消炎、抗菌、抗病毒、抗氧化以及保护心血管等作用[2-3],所以植物精油一直是食品、医药以及农业环保等多个领域的研究热点[4]。陈建烟等[5]指明植物精油主要由萜类化合物、脂肪族化合物、芳香族化合物以及其他含氮硫类化合物等组成,其中萜类化合物被认为是植物精油的主要成分。目前,植物精油已经被广泛地应用于各类化妆品及保健品中,近年来芳香疗法在美容行业也逐渐盛行[6]。此外,由于人工合成抗氧化剂具有安全隐患,而植物精油和一些植物提取物可以作为天然抗氧化有效延缓食品变质[7-8]、提升食用油油和肉类的货架期[9-11],因此植物精油和植物提取物也引起了广大科研工作者的兴趣。

作为菊科植物菊的干燥头状花序,菊花(Chrysanthemiflos)是我国常用药食同源中药材之一。其中,作为“四大怀药”之一的“怀菊花”是中药菊花的一种。传统中医理论认为,菊花具有散风清热、清肝明目的功效。现代科学研究发现,菊花具有广泛的抗氧化[12]、抗菌[13]、抗炎[14]、解热[15]、抗癌[16-17]、降血脂[18]、舒张血管等多种药理作用[19]。目前,对于菊花精油的提取工艺已经屡有报道,而且多集中于精油成分及其在化妆品等方面的应用。但是,针对怀菊花精油成分分析及其功能作用的研究仍然较少。仅有早期黄保民等通过常规水蒸气蒸馏法对怀菊花精油进行提取并对其组分进行了初步分析,发现其主要含有菊烯酮、桉油精、聚伞花烯、β-石竹烯和菊烯酮乙酸酯等,但由于仅仅是将怀菊花精油提取,并未提及具体工艺,得率也较低,仅为0.14%[20]。因此,本研究采取水蒸气蒸馏法提取怀菊花精油,并对加水量、浸泡时间和蒸馏时间三因素进行单因素分析,并通过响应面法优化怀菊花精油的提取工艺,以期达到提高菊花精油的得率的目的。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

怀菊花药材 购于张仲景大药房,产自河南焦作,由河北安国普天和中药饮片公司生产,经河南中医药大学药学院中药鉴定学教研室鉴定为河南焦作产怀菊花;正己烷(色谱纯)、无水硫酸钠(分析纯) 天津科密欧化学试剂有限公司;其他试剂 均为国产分析纯。

AL204 电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)公司;DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;万能粉碎机 北京市永光明医疗仪器有限公司;恒温磁力搅拌器 巩义予华仪器有限责任公司;精油提取器 天长市千马设备有限公司;水浴锅 北京科伟永兴仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 怀菊花精油的提取 参照张菲菲等[21]的提取方法。将怀菊花样品粉碎、过60目筛,得到怀菊花粉末。称取50.0 g怀菊花粉末,置于500 mL圆底烧瓶中,加入一定量的蒸馏水,浸泡一定时间后,连接精油提取器和回流冷凝管。向精油提取器中加入蒸馏水至其刻度部分,当有少量蒸馏水溢流入烧瓶时,再加入1 mL正己烷。随后,将圆底烧瓶置于电热套中加热至沸腾,调节开关,使料液由沸腾状态转变为微沸状态,保持微沸,蒸馏一定时间后,停止加热,待装置稍冷片刻后,开启精油提取器下端活塞将水缓缓放出,收集上层蓝色精油。然后将收集到的蒸馏产物采用无水硫酸钠脱水,60 ℃水浴6 h挥去正己烷,得到淡蓝色的怀菊花精油。并计算怀菊花精油得率。

怀菊花精油得率(%)=怀菊花精油质量×100/怀菊花质量

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 加水量对怀菊花精油得率的影响 根据实际操作情况,加水量低于500 mL时会使怀菊花粉末无法完全浸泡,溶液太过粘稠,因此固定浸泡时间0 h,蒸馏5 h,改变加水量为500、600、700、800、900 mL,探究加水量对精油得率的影响。

1.2.2.2 蒸馏时间对怀菊花精油得率的影响 固定浸泡时间0 h,加水量为700 mL,改变蒸馏时间为2、4、6、8、10 h,探究蒸馏时间对精油得率的影响。

1.2.2.3 浸泡时间对怀菊花精油得率的影响 固定加水量为700 mL,蒸馏时间为3 h,改变浸泡时间分别为0、2、4、6、8、10、12 h,探究浸泡时间对精油得率的影响。

1.2.3 响应面法优化怀菊花精油的提取条件 在单因素实验的基础上,以加水量、蒸馏时间和浸泡时间为影响因素,以怀菊花精油得率为响应值,对怀菊花精油的提取工艺条件进行优化,试验设计水平见表1。

表1 响应面设计因素水平表

1.3 数据处理

实验数据用Excel 2016和SPSS 20.0进行统计分析。用Design-Expert V 8.0.6软件进行响应面数据分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 加水量对怀菊花精油得率的影响 由图1可知,随着加水量的增加,怀菊花精油得率呈现先增加后降低的趋势。当加水量在500～700 mL时,精油得率随加水量的增加而增加,当加水量为700 mL时,得率达到最大值,为0.41%;随着加水量的增加,精油得率下降。这是因为水分过少时,怀菊花粉末无法完全浸润溶解在水中;当加水量增加时,可使怀菊花粉末更均匀分散在水中,避免造成提取液太过粘稠不易沸腾的情况,从而使精油得率逐渐增加。但当加水量超过700 mL,精油得率反而下降,是因为加水量过多会导致沸腾不够充分,从而降低怀菊花精油的得率,提升电热套温度则容易导致溶液爆沸[21]。

图1 加水量对精油得率的影响

2.1.2 蒸馏时间对怀菊花精油得率的影响 由图2可知,怀菊花精油得率随蒸馏时间的增加而增加,蒸馏时间达到8 h时,得率已超过0.45%。随着蒸馏时间的继续增加,精油得率呈现下降趋势。怀菊花精油的得率呈此趋势可能是因为怀菊花粉末在经过8 h的蒸馏后,精油基本全部被提取出来,因此,继续延长蒸馏时间,无法使精油的得率提高,且蒸馏时间为10 h时,精油得率有所下降,这可能是由于蒸馏时间过长,精油在较高温度下的挥发所致。

图2 蒸馏时间对精油得率的影响

2.1.3 浸泡时间对怀菊花精油得率的影响 由图3可知,浸泡时间在一定范围内时,精油得率随浸泡时间的增加而增加。当浸泡时间为8 h时,得率达到最大值0.39%;随着浸泡时间的继续增加,精油得率基本保持稳定。根据浸泡理论[22],怀菊花精油的得率首先呈上升趋势是由于怀菊花粉末在经过浸泡后,细胞的组织间隙因吸水而变大,加速内外液流动交换,利于精油的提取,得率也得以提高。当浸泡时间超过8 h后,流动交换基本稳定,精油得率同样趋于稳定。

图3 浸泡时间对精油得率的影响

2.2 响应面试验优化怀菊花精油得率结果与分析

2.2.1 响应面试验优化怀菊花精油得率结果 根据单因素实验结果,以加水量(A)、蒸馏时间(B)、浸泡时间(C)3个因素作为响应变量,怀菊花精油的得率为响应值(Y),采用Box-Behnken中心组和试验设计进行3因素3水平的试验设计,结果见表2。

表2 响应面设计因素水平表

2.2.2 回归方程拟合及方差分析 根据表2实验结果,采用Design-Expert V8.0.6软件进行方差分析,分析结果见表3。在试验范围内,B、A2、B2、C2对精油得率的影响达到了显著水平(P<0.05),其拟合回归方程为:

表3 回归模型显著性检验及方差分析

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

回归系数R2=0.8791,对其F值进行检验,其F=5.66,P<0.05,且P值接近0.01,说明回归模型较好,其调整R2=0.7237,表明此模型能解释72.37% 效应值变化[23]。失拟项P=0.2357>0.05,表明距较小,吻合度较高,实验方法可行[24]。该回归模型中,各因素对精油得率影响程度大小依次为蒸馏时间(B)>浸泡时间(C)>加水量(A)。其中蒸馏时间和三个因素的二次项对响应值怀菊花精油得率影响显著。

响应面法是工艺优化经常采用的一种试验方法,可以通过各因素间与响应值的关系所得到的直观3D响应面图进行分析[25-27]。研究表明,等高线的形状越接近圆形,表明两个因素交互作用越弱,越接近椭圆形交互作用越强,影响越显著[28]。对实验所得数据处理后可得到两两因素交互影响的等高线图和响应面图,可见图4、图5及图6。图4可直观的观察出加水量和蒸馏时间的等高线图接近圆形,表明加水量和提取时间的交互作用对怀菊花精油得率的影响较弱。由响应面图可以明显看出加水量和蒸馏时间的曲面都比较陡,因此蒸馏时间的二次项和加水量的二次项都对精油得率影响较大。由图5可看出加水量与浸泡时间的等高线图接近圆形,表明加水量和浸泡时间的交互影响对怀菊花精油得率的影响较弱。由图6可直观的看到蒸馏时间和浸泡时间的等高线图接近椭圆形,表明蒸馏时间和浸泡时间的交互项对怀菊花精油得率的影响较小。由响应面图可以明显看出蒸馏时间和浸泡时间的曲面都有一定的坡度,但是蒸馏时间的坡度更大,因此蒸馏时间的二次项对精油得率影响更大。

图4 加水量和蒸馏时间的等高线图和响应面图

图5 加水量和浸泡时间的等高线图和响应面图

图6 蒸馏时间和浸泡时间的等高线图和响应面图

综上所述,可以得出影响怀菊花精油得率的二次项因素中,蒸馏时间的二次项对精油的得率影响最大。

2.2.3 验证实验 根据Box-Behnken试验设计得到的结果,利用Design Expert软件计算出怀菊花精油的最佳提取条件为:加水量为692.11 mL、蒸馏时间为8.45 h、浸泡时间为9.67 h,怀菊花精油的得率为0.510%。根据实际情况,将优化条件调整为:加水量693 mL、蒸馏时间8.45 h、浸泡时间9.7 h,取三份怀菊花进行平行实验,验证怀菊花精油的平均得率为0.507%±0.008%,相对误差0.59%,且t检验的结果差异不显著,P>0.05,可看出该模型可以较好预测实验结果,证明拟合效果良好[29-30]。

3 结论

本研究以粉碎后的怀菊花为原料,采用水蒸气蒸馏法对其精油进行提取,并利用响应面分析法优化怀菊花精油的提取工艺。通过实验得知,在加水量、蒸馏时间和浸泡时间这三个影响因素中,蒸馏时间对怀菊花精油的得率的影响达到显著(P<0.05)水平,而加水量和浸泡时间对怀菊花精油得率的影响并不显著。此外,三个因素的影响顺序为蒸馏时间>浸泡时间>加水量。利用Design Expert V 8.0.6.软件对实验所得数据进行分析处理后,得出最佳怀菊花精油提取工艺条件为:加水量693 mL、蒸馏时间8.45 h、浸泡时间9.7 h,此时怀菊花精油的得率可达到0.507%±0.008%,相对误差0.59%,且t检验的结果差异不显著。本研究采用响应面法优化,相比黄保民等[20]的研究中,怀菊花得率显著提高,为怀菊花精油后续的应用与研究提供了良好的工艺条件。