吕　都，邝春林，姜太玲，林　茂，申光辉，张志清，*（.四川农业大学食品学院，四川雅安6504；.贵州省现代农业发展研究所，贵州贵阳550006）

两步法提取杭白菊精油工艺条件的优化

吕都1，邝春林1，姜太玲1，林茂2，申光辉1，张志清1，*
（1.四川农业大学食品学院，四川雅安625014；2.贵州省现代农业发展研究所，贵州贵阳550006）

为提升杭白菊的经济附加值，探索工业化生产杭白菊精油的工艺，本研究先用索氏提取法提取杭白菊中的粗脂肪，再用水蒸气蒸馏法精制粗脂肪中的精油，分两步提取杭白菊精油。在单因素实验的基础上，选取样品粒度、超声时间、料液比和蒸馏时间，设计4因素3水平实验，采用Box-Behnken中心组合设计原理优化杭白菊精油的提取条件，结果表明，采用两步法提取杭白菊精油的最佳条件为：样品粒度80～100目，超声时间30 min，料液比（g/mL）1∶11，蒸馏时间9 h，在该条件下杭白菊精油的提取率为4.8 mL/kg。本方法可作为工业化提取杭白菊精油的技术基础。

杭白菊，精油，索氏提取，水蒸气法，响应面

杭白菊，主产地为浙江桐乡，是浙江省八大名药材“浙八味”之一，也是卫生部首批批准的药食同源的道地药材，属被子植物门双子叶植物纲菊目菊科菊属多年生草本植物［1-2］。菊花精油具有散发香味、抗菌消炎、舒缓、镇痛、抗自由基、抗衰老等优良的特性，做为食品添加剂与人工合成的食品添加剂相比具有无可比拟的优势［3-4］。

目前，植物精油最常用的提取方法是水蒸气提取法，此方法设备简单、操作方便、成本低廉，而且所得的精油品质较好，但是单一的水蒸气提取法提取率较低［5］。有机溶剂浸提法所得的产品并不是纯净的精油，而是含有精油的浸膏，常含有糖类、植物蜡、蛋白质和色素等杂质，而且此方法并不能完全消除引入的有机溶剂，因此此方法所得产品的安全性有待考察［6］。蒸馏萃取法设备繁琐，操作复杂，且所得精油的香气失真［7］，加酶提取法成本较高不适合规模化生产。冷压法常用于果实类油脂的榨取［6］，并不适合杭白菊精油的提取。超临界CO2流体萃取法是近些年发展起来的一项新技术，采用此方法提取植物精油具有提取率高［8］、产物杂质少等优点［9］，且能够较全面地反映精油的成分［10］，但是此方法成本高，设备昂贵、实验条件相对苛刻，一般仅在实验室使用此方法。

本研究以杭白菊为原材料，采用索氏回流提取与水蒸气蒸馏法相结合，分两步提取杭白菊精油，即先用索氏提取法提取杭白菊中的粗脂肪，再用水蒸气蒸馏法精制粗脂肪中的精油。目前，尚未见有用两步法提取杭白菊精油的报道。与单一的有机溶剂浸提法和单一的水蒸气蒸馏法相比，两步法提取杭白菊精油不但提高了提取率，而且所得的精油杂质较少，香气纯正。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

杭白菊四川宝兴县茂源农业科技开发有限公司提供；无水乙醇、NaCl成都科龙化工试剂厂；蒸馏水实验室制。

索氏提取器、挥发油提取器四川蜀玻（集团）有限责任公司；ZDHW调温电加热套、FW-400A倾斜式万能粉碎机北京中兴伟业仪器有限公司；RE-52AA旋转蒸发器上海亚荣生化仪器厂；KH-50B型超声波清洗器昆山禾创超声仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1杭白菊精油提取工艺流程及精油提取率的计算

1.2.2单因素实验

1.2.2.1样品粒度对精油提取率的影响称取25 g一定粒度的样品装入滤纸筒中并称量样品和滤纸筒的质量，浸在装有无水乙醇的烧杯中，超声30 min后，放入索氏提取器中，85℃回流6 h，将滤纸筒取出，同时收集回流液，旋转蒸发得到粗脂肪。根据粗脂肪质量按1∶11（g/mL）料液比加入15%的NaCl溶液，保持微沸8 h后，测量杭白菊精油体积并计算提取率。样品粒度分别为20～40、40～60、60～80、80～100、100～120目，每个水平重复三次。

1.2.2.2超声时间对精油提取率的影响称取80～100目的样品粉末25 g，按1.2.2.1方法，超声一定时间，其他条件不变，进行提取并计算提取率。超声时间设置为0、15、30、45、60 min，每个水平重复三次。

1.2.2.3料液比对精油提取率的影响称取80～100目的样品粉末25 g，按1.2.2.1方法，按一定的料液比加入15%的NaCl溶液，其他条件不变，进行提取并计算提取率。料液比（g/mL）设置为：1∶5、1∶8、1∶11、1∶14、1∶17，每个水平重复三次。

1.2.2.4NaCl浓度对精油提取率的影响称取80～100目的样品粉末25 g，按1.2.2.1方法，按1∶11料液比加入一定浓度的NaCl溶液，其他条件不变，进行提取并计算提取率。NaCl浓度设置为：1%、5%、10%、15%、20%，每个水平重复三次。

1.2.2.5蒸馏时间对精油提取率的影响称取80～100目的样品粉末25 g，按1.2.2.1方法，蒸馏一定时间后，测量精油的体积并计算提取率。蒸馏时间设置为：2、4、6、8、10 h，每个水平重复三次。

1.2.3响应面法优化杭白菊精油的提取在单因素实验的基础上，根据Box-Behnken中心组合设计的实验原理，固定NaCl浓度为15%，选择样品粒度、料液比、超声时间、蒸馏时间4个对杭白菊精油提取率影响显著的因素，分别以X1、X2、X3、X4为代表，每一个自变量的低、中、高实验水平分别以-1、0、1进行编码，以杭白菊精油提取率为响应值（Y），进行4因素3水平共29个实验点的响应面分析实验，对杭白菊精油的提取工艺进行优化，因素水平编码见表1，每组平行实验3次。

表1　响应面实验因素水平编码表Table 1　Factors and levels of response surface experiments

1.3数据处理

响应面实验数据用Design Expert 8.0.6.1软件处理，其他数据用SPSS进行显著性分析，0.01＜p＜0.05为差异显著，p＜0.01为差异极显著。

图1　样品粒度对杭白菊精油提取的影响Fig.1　Effect of particle size on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

2　结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1样品粒度对精油提取率的影响由图1可知，随着样品粒度的减小，杭白菊精油的提取率呈先上升后下降的趋势。当样品粒度从20～40目减小到80～100目时，杭白菊精油的提取率逐渐上升。根据扩散定律［11］：药材粉碎度愈细，浸出效果愈好，成分得率愈高；再者，样品粒度越小，样品和溶剂的接触面积越大，有助于杭白菊精油的提取。当样品粒度大于100目时，杭白菊精油的提取率开始下降。这可能是由以下三个方面的原因造成的：样品粒度越细，其他组分浸出的可能性增加，水蒸气蒸馏时，精油蒸出的阻力增大，使得精油的提取率降低；由于超声处理的作用，使得粒度小的样品中的精油未被乙醇萃取就已经被破坏，导致精油提取率下降；随着样品粒度的减小，由于液体表面张力的作用，阻碍了杭白菊精油的溢出。

图2　超声时间对杭白菊精油提取的影响Fig.2　Effect of ultrasonic time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

2.1.2超声时间对精油提取率的影响由图2可知，随着超声时间的延长，杭白菊精油的提取率呈先上升后下降趋势，在30 min达到最大。当超声时间在0～30 min时，随着超声时间的延长，杭白菊提取率逐渐升高，这是由于超声作用使得细胞破碎程度增加，有利于精油的溢出，从而使提取率增高。当超声时间大于30 min时，杭白菊提取率开始下降，这可能是由于超声时间过长，超声热效应增加，使得精油中易挥发成分损失，从而使提取率降低；也可能是由于长时间超声作用，使样品中一些水溶性杂质溶入水中，阻碍了体系中精油的蒸出，使得精油的蒸出量降低，从而使提取率降低。

图3　料液比对杭白菊精油提取的影响Fig.3　Effect of solid-to-liquid ratio on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

2.1.3料液比对精油提取率的影响由图3可知，随着料液比（g/mL）的增加，杭白菊精油的提取率呈先上升后下降的趋势。当料液比处于1∶5～1∶11时，杭白菊精油的提取率随料液比增加而增加，这是由于液体越多渗透压越大，有利于精油的蒸出；另一方面，增大NaCl溶液的用量能降低溶液中精油的浓度，增大原料与溶液接触界面的浓度差，使传质推动力增大，从而加快精油与溶液的扩散速度，提取率上升。当料液比大于1∶11时，杭白菊精油的提取率开始下降，一方面可能是溶剂量过多时，增溶于溶剂中的总精油量变化不大，但损失于溶剂中的量增加，故最终的精油得率降低；另一方面可能是随着料液比增大，使得样品内的蛋白质、糖类等物质析出，反而不利于精油的溶出，造成提取率的下降。

图4　NaCl浓度对杭白菊精油提取的影响Fig.4　Effect of NaCl concentration on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

2.1.4NaCl浓度对精油提取率的影响有研究表明：在提取香柏精油时，添加氯化钠可以提高精油产量［12］，这可能是由于氯化钠的盐析作用使得更多精油能够被水蒸汽携带出来。由图4可知，当NaCl浓度在1%～15%时，随着NaCl浓度的增加，杭白菊精油的提取率增加，这主要是由于盐效应使得体系蒸汽压降低，精油对水的相对挥发度增加，有利于精油的蒸出使得提取率增加。当NaCl浓度大于15%时，杭白菊精油的提取率开始下降，一方面NaCl浓度过高容易造成爆沸，使得精油中易挥发、易氧化的成分损失，使得精油提取率下降。

图5　蒸馏时间对杭白菊精油提取的影响Fig.5　Effect of distillation time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

2.1.5蒸馏时间对精油提取率的影响由图5可知，随着蒸馏时间的推移，杭白菊精油的提取率呈先上升后保持平缓，在8 h时达到最大值。在2～8 h时，杭白菊精油的提取率随着时间的延长而增加，这主要是由于随着时间的推移精油的蒸出量累加的结果，在8～10 h时，杭白菊精油的提取率基本保持不变，这可能是在该条件下样品中的精油已经完全蒸出。

2.2响应面法优化杭白菊精油提取的条件

2.2.1响应面实验设计及结果分析在单因素实验结果的基础上，选择样品粒度（X1）、料液比（X2）、超声时间（X3）和蒸馏时间（X4）4个因素，以精油的提取率（Y）为响应值，采用Box-Behnken的中心组合实验设计原理，设计4因素3水平实验优化杭白菊精油提取条件。响应面实验方案及结果见表2，方差分析见表3。

表2　响应面实验设计及结果Table 2　Experimental design and results of RSM

表3　响应面结果方差分析Table 3　Analysis of variance for results of RSM

利用Design Expert 8.0.6.1软件处理所得数据，得到杭白菊精油提取率预测的二次多元回归模型为：

Y=0.472-0.28X1-0.12X2+0.20X3+0.23X4+0.10X1X2-0.17X1X3-0.05X1X4-0.28X2X3-0.23X2X4-0.35X3X4-1.5X12-0.84X22-0.61X32-0.43X42。

由表3可知，模型p＜0.0001，F=60.90＞F0.0（114，4）= 14.24，表明该模型极显著；模型的R2=98.38%，说明该模型可以预测98.38%响应值的变化；失拟项p= 0.3512＞0.05，F=1.57＜F0.0（510，4）=5.96，失拟项差异不显著，说明该回归方程对实验的拟合度较好，实验方法可靠。在研究范围内，4个因素对提取率影响的大小顺序为：X1＞X4＞X3＞X2，即样品粒度＞蒸馏时间＞超声时间＞料液比。

2.2.2因素间交互作用根据回归模型作出相应的响应曲面图，见图6～图9。

图6　样品粒度与超声时间对杭白菊精油提取率影响的响应曲面图Fig.6　Response surface of effect of particle size vs.ultrasonic time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

当料液比为1∶11，蒸馏时间为8 h时，由图6可知，无论超声时间处于何种水平，随着样品粒度的逐渐增大，提取率都呈先上升后下降趋势。这可能是样品粉碎度愈细，样品和溶液的接触面积越大，浸出效果愈好。但是，样品粒径过小，超声时间过长，杂质溶出的可能增加，使得提取率略有下降。

当样品粒度处于低水平时，随着超声时间的增加，提取率呈先上升后平缓的趋势，这可能是由于超声作用使得细胞破碎程度增加，但是样品粒径较大不利于精油的溢出造成的；当样品粒度处于高水平时，随着超声时间的增加，提取率呈先上升后下降趋势，这可能是由于样品粒径较小有利于精油的溢出也有利于杂质的溶出，再者样品粒径太小，超声作用使精油未溢出就已经被破坏，从而使得提取率下降。与其相对应的等高线形状为椭圆形，表明样品粒度与超声时间交互作用显著［13］。

图7　料液比与超声时间对杭白菊精油提取率影响的响应曲面图Fig.7　Response surface of effect of solid-to-liquid ratio vs. ultrasonic time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

当样品粒度为80～100目，蒸馏时间为8 h时，由图7可知，当超声时间处于低水平时，随着料液比的逐渐增大，提取率呈先上升后下降趋势；当超声时间处于高水平时，随着料液比的逐渐增大，提取率先缓慢上升后呈下降趋势，整体变化不大。这主要是由于增加溶液用量，降低了溶液中精油的浓度，增大了原料与溶液接触面的浓度差，使传质动力增大有利于精油的提取；当料液比过大时，增溶于溶剂中的总精油量变化不大，但损失于溶剂中的量增加，故最终的精油得率降低，持续增大料液比也可能使样品中蛋白和糖类等杂质溶出，不利于杭白菊精油提取，使得精油提取率下降。

当料液比处于低水平时，随着超声时间的增加，提取率呈先上升后趋于平缓的趋势。这主要是由于随着超声时间增加，使得样品细胞的破碎程度增大，有利于精油的溢出；但是，料液比较低时，精油的溶出已达到饱和，不利于精油的溶出。当料液比处于高水平时，随着超声时间的增加，提取率的变化不大。与其相对应的等高线形状为椭圆形，表明料液比与超声时间交互作用显著。

图8　料液比与蒸馏时间对杭白菊精油提取率影响的响应曲面图Fig.8　Response surface of effect of solid-to-liquid ratio vs.distillation time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

当样品粒度为80～100目，超声时间为30 min时，由图8可知，当料液比处于较低水平时，随着蒸馏时间的增加，提取率呈先上升后平缓的趋势；当料液比处于高水平时，随着蒸馏时间的增加，提取率变化不大。无论蒸馏时间处于何种水平，随着料液比的增加，提取率都呈先上升后下降的趋势。与其相对应的等高线形状为椭圆形，表明料液比与蒸馏时间交互作用显著。

图9　超声时间与蒸馏时间对杭白菊精油提取率影响的响应曲面图Fig.9　Response surface and contour of effect of ultrasonic time vs.distillation time on the extraction efficiency of Chrysanthemum morifolium essential oil

当样品粒度为80～100目，料液比为1∶11时，由图9可知，当超声时间处于低水平时，随着蒸馏时间的延长，杭白菊精油提取率先上升后趋于平缓；当超声时间处于高水平时，提取率变化不大，但是提取率仍处于相对较低水平。无论蒸馏时间处于何种水平，随着超声时间的增加，杭白菊精油提取率都呈先上升后下降趋势。与其相对应的等高线形状为椭圆形，表明超声时间与蒸馏时间交互作用显著。

2.2.3最佳条件的验证根据模型优化得到最佳工艺条件为：样品粒度77.83目、料液比1∶10.61、超声时间32.06 min、蒸馏时间8.50 h，在该条件下模型预测杭白菊精油提取率为：4.784 mL/kg。为方便实际实验操作，将最佳工艺条件修正为：样品粒度80～100目、料液比1∶11、超声时间30 min、蒸馏时间9 h，在此条件下测得杭白菊精油提取率为4.8 mL/kg，与理论值4.784 mL/kg相比，相对误差为：0.33%，因此采用响应面法优化杭白菊精油的提取工艺，所得最佳工艺参数准确可靠。

3　讨论

杭白菊精油的提取率，因原材料的产地、炮制方式和提取方法的不同而有所差异。杨秀伟等［14］分别选用蒸制得到的杭白菊和微波加工制得杭白菊，采用水蒸汽蒸馏法提取其中的精油，经蒸制加工的杭白菊精油提取率为0.19%，经微波加工的杭白菊精油提取率为0.40%。在经典水蒸汽蒸馏法的基础上，添加辅助因子，如超声破碎、微波加热、添加纤维素酶等都可以提高植物精油的提取率。李双明等［15］以薰衣草为原料，利用超声处理强化水蒸汽蒸馏法提取薰衣草精油，其提取率为传统水蒸汽蒸馏法的2.07倍。张福维等［16］先添加纤维素酶处理菊花样品，然后用水蒸汽蒸馏法提菊花取精油，其提取率可达0.45%。本研究的精油提取率为4.8 mL/kg，与杨秀伟等的研究结果相比略有提高，与加酶提取法的提取率相当［14，16］。

4　结论

采用两步法提取杭白菊精油，在单因素实验的基础上，通过Box-Behnken的中心组合实验设计原理，以杭白菊精油的提取率为响应值，设计4因素3水平响应面实验，对杭白菊精油的提取工艺进行优化，拟合了样品粒度、超声时间、料液比和蒸馏时间这4个因素对杭白菊精油提取率的回归模型，经检验该模型合理可靠，能够较好地预测两步法提取杭白菊精油的提取率，由该模型确定的最佳工艺条件为样品粒度80～100目、超声时间30 min，料液比（g/mL）1∶11，蒸馏时间9 h。在此条件下，杭白菊精油的提取率为4.8 mL/kg。

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Optimization of extraction process for Chrysanthemum morifolium essential oil by two-step method

LV Du1，KUANG Chun-lin1，JIANG Tai-ling1，LIN Mao2，SHEN Guang-hui1，ZHANG Zhi-qing1，*
（1.College of Food Science，Sichuan Agricultural University，Ya’an 625014，China；2.Guizhou Institute of Modern Agricultural Development，Guiyang 550006，China）

In this study，in order to enhance the economic value of Chrysanthemum morifolium and explore the process of essential oil of the industrial production，the crude fat was extracted from Chrysanthemum morifolium by soxhlet extraction，then the essential oil was extracted from the crude fat by steam distillation.The effects of particle size，ultrasonic time，solid-to-liquid ratio and distillation time on the extraction rate of Chrysanthemum morifolium essential oil were investigated by one-factor-at-a-time experiments，then the optimization of extraction process for the essential oil was used four factors and three levels of response surface methodology. The results indicated that the optimal conditions were as follows：particle size 80～100 mesh powder，ultrasonic time 30 min，solid-to-liquid ratio 1∶11，and distillation time 9 h.Under these conditions，the extraction rate of Chrysanthemum morifolium essential oil was 4.8 mL/kg.This method would provide technical foundation for extraction of Chrysanthemum morifolium essential oil of the industrial production.

Chrysanthemum morifolium；essential oil；soxhlet extraction；steam distillation；response surface

TS224.6

B

1002-0306（2015）20-0293-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.20.052

2015－01－08

吕都（1988-），男，硕士研究生，研究方向：功能性食品，E-mail：ludu2009520@163.com。

张志清（1976-），男，博士，教授，主要从事粮油副产物开发利用方面的研究，E-mail：zqzhang721@163.com。

四川农业大学县校合作项目（060H0300）。