盐析-水蒸气蒸馏法提取樟叶精油工艺的研究_薛佑明.pdf

2 0 2 3年1月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第2 5卷 第2期收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 3基金项目:湖南省科技厅项目(编号:2 0 1 9 NK 3 0 3 1)作者简介:薛佑明(1 9 9 7-),男,硕士研究生,研究方向为资源利用与植物保护。通讯作者:何介南(1 9 6 5-),男,博士,副教授,研究方向为资源生态利用与评价。盐盐析析-水水蒸蒸气气蒸蒸馏馏法法提提取取樟樟叶叶精精油油工工艺艺的的研研究究薛佑明,何介南,崔仕杰,曾 谛,肖佐钰,李嘉顺(中南林业科技大学 林学院,湖南 长沙4 1 0 0 0 4)摘要:为优化实际生产中采用水蒸气蒸馏法从香樟叶中提取精油的工艺,试验了用一定质量分数的N a C l溶液作为盐析试剂,采用盐析-水蒸气蒸馏法提取香樟叶精油。通过单因素试验考察了在提取过程中料液比、蒸馏时间、N a C l浓度3个方面对香樟新鲜叶片得油率和纯露产出量的影响,从而确定了最佳的提取工艺以及在该工艺下的纯露产出量。结果表明:采用盐析-水蒸气蒸馏法用水蒸气蒸馏提取装置对香樟叶新鲜样品进行加热冷凝回流提取精油和纯露,待水沸腾时开始计时,在液料比11 0g/m L、蒸馏时间9 0m i n、N a C l浓度3%时,得油率达到最高为1.2 6%,此时的纯露产量为7 6 2m L。关键词:水蒸气蒸馏法;盐析;香樟叶精油;香樟叶纯露;工艺优化中图分类号:T Q 6 5 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 9 4 4(2 0 2 3)0 2-0 2 7 6-0 5S t u d yo nE x t r a c t i o nT e c h n o l o g yo fE s s e n t i a lO i lF r o mC i n n a m o m u mc a m p h o r aL e a v e sb yS a l t i n g-S t e a mD i s t i l l a t i o nX u eY o u m i n g,H eJ i e n a n,C u iS h i j i e,Z e n gD i,X i a oZ u o y u,L i J i a s h u n(C o l l e g e o fF o r e s t r y,C e n t r a l S o u t hF o r e s t r yU n i v e r s i t y,C h a n g s h a,H u n a n4 1 0 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oo p t i m i z et h ee x t r a c t i o np r o c e s so fe s s e n t i a lo i l f r o mC i n n a m o m u mc a m p h o r al e a v e sb yh y d r o d i s t i l l a t i o n,t h i se x p e r i m e n tu s e dac e r t a i nm a s sf r a c t i o no fN a C l s o l u t i o na st h es a l t i n gr e a g e n t t oe x-t r a c t e s s e n t i a l o i l f r o mC i n n a m o m u mc a m p h o r a l e a v e sb ys a l t i n ga n dh y d r o d i s t i l l a t i o n.T h ee f f e c t so f t h ee x-t r a c t i o np r o c e s so nt h eo i l y i e l da n d t h eh y d r o l a t y i e l do f f r e s hC i n n a m o m u mc a m p h o r a l e a v e sw e r e i n v e s t i g a-t e db ys i n g l e-f a c t o r t e s t,i no r d e r t od e t e r m i n e t h eb e s te x t r a c t i o np r o c e s sa n dt h eh y d r o l a ty i e l du n d e r t h ep r o c e s s.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ee s s e n t i a l o i l a n dh y d r o l a tw e r ee x t r a c t e db yh e a t i n ga n dc o n d e n s i n gr e-f l u xo f f r e s hC i n n a m o m u mc a m p h o r a l e a fs a m p l e su s i n gt h es a l i n i z a t i o n-w a t e rd i s t i l l a t i o ne x t r a c t i o nd e v i c e.Wh e nt h e t i m eo f 9 0 m i na n dN a C l c o n c e n t r a t i o n i s 3%,t h eo i l r a t e r e a c h e s t h eh i g h e s t o i l r a t e t o1.2 6%.A tt h i s t i m e,t h eh y d r o l a tp r o d u c t i o na t t h i s t i m e i s7 6 2m L.K e yw o r d s:w a t e rs t e a md i s t i l l a t i o n;s a l t i n g;C i n n a m o m u mc a m p h o r a l e a fe s s e n t i a lo i l;C i n n a m o m u mc a m-p h o r al e a fh y d r o l a t;p r o c e s so p t i m i z a t i o n1 引言香樟(C i n a m o m u mc a m p h o r av a r.l i n a l o o l i f e r a)为樟科(L a u r a c e a e)樟属(C i n n a m o m u m)常绿阔叶大乔木,起源于中国的西南部和东南部,作为我国亚热带常绿阔叶林的主要树种之一,其资源丰富,栽培历史悠久,主要集中分布在湖南、福建、广西、江西、广东和台湾等区域1。樟树是我国非常重要的工业原料树种,是樟科樟属中经济价值较高的树种之一,其根、茎、叶中都含有丰富的精油2。它们不仅为医药提供主要的樟脑和龙脑原料,还具有杀虫、抗菌、消炎、抗氧化等多种生物活性,目前在医药工业、化学工业、香料工业等领域对香樟精油的需求量大3。根据现有研究文献表明香樟精油多从香樟叶中提取获得,现有的提取方法有很多种,例如:水蒸气蒸馏法、同时蒸馏萃取法、分子蒸馏法、有机溶剂提取法、超临界C O2流体 提 取 法、酶 辅 助 提 取 法、超 声 波 辅 助 提 取法等48。672DOI:10.16663/ki.lskj.2023.02.036 薛佑明,等:盐析-水蒸气蒸馏法提取樟叶精油工艺的研究绿色创新研究:工程与技术不同的提取方法对精油的提取率有较大的影响,而且对提取出来的精油化学成分和组成也会有较明显的影响9。郑哲浩等1 0采用微波-超声波协同方式辅助同时蒸馏萃取法提取紫苏叶中挥发性精油,精油提取率可达到为2.3 4%,发现采用超声波提取精油时,对热敏性成分的破坏更小,能够应用于对不稳定天然产物的提取。陈铁壁1 1采用超临界C O2萃取制备香樟叶精油,萃取率可达到9 8.3 7%。尽管这些方法都可以显著提升香樟精油的品质和得油率,但由于设备复杂,需要真空、高压环境和其他设备配合,对提取过程中操作技术要求较高,而且工业化程度低,生产成本高,致使该工艺在实际生产中的应用受到很大限制。胡文杰等1 2采用响应面法优化樟树叶精油水蒸气蒸馏提取工艺,利用新鲜树叶进行提取,得油率为1.4 2 7%2.1 3 9%。该工艺相较于超声波辅助提取法、超临界萃取法等方法具有操作简单、设备简单、生产成本低等优点,是目前香樟精油工业提取的主要方法。现有相关研究1 3表明,香樟精油的提取过程中大多是采用鲜品粉碎后提取,该工艺不但操作简单,而且能避免精油在提取过程中的损失。然而,作者在提取香樟精油的实际试验考察中发现,经粉碎后的香樟枝叶得油率不到0.8%。因此,优化现有的水蒸汽蒸馏提取工艺,提高香樟枝叶的得油率,可以大大提高其工业生产效率。纯露作为植物精油提取过程中的副产品,是指在提取植物挥发油过程中留下来的蒸馏原液,其中含有饱和的精油成分1 4,纯露和精油也有着类似的效果,而且纯露由水和水溶性物质组成,不易引起刺激性接触反应,更容易被人体吸收1 5。然而,它们大多被作为污水排放,造成了极大的资源浪费。随着提取技术的改进和国内外相关研究的开展,植物纯露的化学成分和功能作用日益清晰。许多植物纯露都具有一定的抗菌和抗氧化作用1 61 8,可作为天然防腐剂广泛应用于食品行业和化妆品行业1 9。植物纯露中含有的成分有多种的抗菌作用,不同成分呈现出不同的抗菌效果2 0。纯露其独特的功效和多场景的应用将使其会越来越受到大众的重视,从而显示出巨大的市场潜力。本文基于盐析-水蒸气蒸馏法采用单因素实验对香樟叶精油提取工艺进行了优化,同时也记录了精油提取过程中不同条件下纯露的产出量,为香樟叶精油和纯露提取工艺的不断改进提供了理论依据。2 材料与仪器2.1 实验材料实验所用的香樟叶采摘自中南林业科技大学校园。2.2 仪器与试剂采用的仪器设备有:水蒸气蒸馏装置购置于郑州科教玻璃仪器厂;粉碎机购置于圣顺旗舰店;电子天平购置于正峰旗舰店;氯化钠、无水硫酸钠购置于六品文具专营店,分析纯;实验用水为怡宝纯净水。3 试验方法3.1 前期准备工作按操作步骤组装连接好购置的水蒸气蒸馏装置待用。将采摘的新鲜的香樟叶片运回实验室,挑选新鲜、无病虫害的优质叶片,去掉叶柄之后用纯水清洗干净,然后自然晾干叶片表面水分备用。3.2 提取方法采用盐析-水蒸气蒸馏法提取新鲜香樟叶精油。准确称取新鲜香樟叶1 0 0.0 0g,装入到圆底烧瓶中,然后按照单因素试验设计中的料液比加入纯净水,通过改变料液比、蒸馏时间和N a C l质量浓度进行不同条件下的精油提取操作。实验过程中为减少其他因素影响造成较大误差,每次实验的电磁炉功率严格控制在8 0 0kW,从蒸馏水开始沸腾冒泡时开始计时,每次蒸馏结束待冷却至彻底静置分层之后,采用分液漏斗分离精油和纯露,加入适量无水硫酸钠将精油中所含水分彻底干燥,称重精油质量和产出的纯露量并做好记录,从而计算樟叶精油的得油率和纯露产出量。3.3 精油得率的计算方法Y=mM1 0 0%(1)式(1)中:Y为香樟精油得率(%);m为香樟精油质量(g);M为香樟叶鲜叶质量(g)。3.4 单因素试验3.4.1 料液比对提取工艺的影响分别精密称取1 0 0g新鲜的香樟叶,保证叶片的完整性。按照料液比为18g/m L、19g/m L、11 0g/m L、11 1g/m L、11 2g/m L即分别加入8 0 0m L、9 0 0m L、1 0 0 0m L、1 1 0 0m L、1 2 0 0m L的N a C l浓度为3%的纯净水进行提取。每份样品等水沸腾冒泡后开始计时蒸馏9 0m i n,然后停止加热,冷却一定时间待水油静置分层,取上层油状物质,加入适量无水硫酸钠干燥,称重所提取出来的精油质量和产出的纯露量。每组进行3次重复实验,取平均值,计算每组得油率。3.4.2 蒸馏时间对提取工艺的影响精密称取1 0 0g新鲜的香樟叶,保证叶片的完整性。按照料液比11 0g/m L加入N a C l浓度为3%的纯净水进行提取。等水沸腾冒泡后开始计时,在蒸馏时间分别为3 0m i n、6 0m i n、9 0m i n、1 2 0m i n、1 5 0m i n时停止加热,冷却一定时间待水油静置分层,取772 2 0 2 3年1月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第2期上层油状物质,加入适量无水硫酸钠干燥,称重所提取的精油质量和产出的纯露量。每组进行3次平行实验,取平均值,计算每个时间点的得油率。3.4.3 N a C l浓度对提取工艺的影响分别精密称取1 0 0g新鲜的香樟叶,保证叶片的完整性。按照料液比11 0g/m L加入N a C l浓度梯度为0%、1%、2%、3%、4%的纯净水进行提取。每份样品等水沸腾冒泡后开始计时蒸馏9 0m i n,然后停止加热,冷却一定时间待水油静置分层,取上层油状物质,加入适量无水硫酸钠干燥,称重所获精油质量和产出的纯露量。每组进行3次重复实验,取平均值,计算每组得油率。3.5 最佳提取工艺基于上述单因素实验结果,确定盐析-水蒸气蒸馏的最佳工艺条件,并根据确定的最佳工艺条件进行3次重复实验,取平均值,计算在该工艺条件下的最优得油率。4 试验结果4.1 料液比对提取工艺的影响记录不同料液比的得油率数据和纯露产出量数据,通过图1可以明显看出,不同的液料比对应的得油率有较大差异,且并不是成正比关系。当液料比达到11 0g/m L时,香樟叶的精油得油率达到顶峰。通过图2可以明显看出,不同的液料比对应的纯露产出量有成正比的关系,随着液料比的不断增加,纯露产出量有所提高,但是差异不大。图1 不同料液比对得油率的影响4.2 蒸馏时间对提取工艺的影响记录不同蒸馏时间下对应的得油率和纯露产出量数据,通过图3可以明显看出,不同的时间内对应的得油率有较大差异,且并不是成正比关系。当蒸馏时间达到9 0m i n时,香樟叶的精油得油率达到顶峰。通过图4可以明显看出,不同的液料比对应的纯露产出量差异较大,有成正比的关系,随着蒸馏时间的不断增加,纯露产出量不断增加。图2 不同料液比对纯露产出量的影响图3 不同蒸馏时间对得油率的影响图4 不同蒸馏时间对纯露产出量的影响4.3 N a C l浓度对提取工艺的影响记录不同N a C l质量分数浓度下的得油率和纯露产出量数据,通过图5可以明显看出,不同的N a C l浓度下对应的得油率有较大差异,且并不是成正比关872 薛佑明,等:盐析-水蒸气蒸馏法提取樟叶精油工艺的研究绿色创新研究:工程与技术系。当N a C l质量分数达到3%时,香樟叶的精油得油率 达 到 顶 峰。通 过 图6可 以 明 显 看 出,不 同 的N a C l质量分数对应的纯露产出量有成正比的关系,随着N a C l质量分数的不断增加,纯露产出量有所提高,但是差异不明显。图5 不同N a c l浓度对得油率的影响图6 不同N a c l浓度对纯露产出量的影响4.4 确定最佳提取工艺根据上述单因素实验结果,可以确定用盐析-水蒸汽蒸馏法从新鲜香樟叶中提取精油的最佳工艺是当N a C l质量分数为3%时,按照料液比11 0g/m L加入纯净水,等水沸腾后开始计时,提取时间9 0m i n时得油率达到最高为1.2 6%,此时在该工艺条件下的纯露产量为7 6 2m L。根据该实验最佳工艺参数,称取1 0 0.0 0g香樟叶新鲜样品进行重复实验3次,以验证香樟叶精油提取的最佳工艺优化以及在该工艺条件下纯露的产出量。验证结果表明,该实验过程是可重复的,实验结果是可靠的。5 分析与结论用盐析-水蒸气蒸馏法提取新鲜香樟叶精油,提取过程中的蒸馏时间、料液比、N a c l浓度都能对提取的结果产生较大的影响,但并不是与精油的提取率成正比关系,当每种工艺条件达到一定值时,精油的提取率会不升反降。在提取过程中新鲜香樟叶的纯露产出量与蒸馏时间、料液比影响关系较大,与N a C l浓度影响关系较小,具体原因分析如下:(1)随着蒸馏时间的增加,香樟叶精油提取率逐渐上升,当蒸馏时间为9 0m i n时,香樟叶精油提取率达到了最大值,然后开始减少并趋向于稳定。其原理在于当蒸馏时间太短时,水分不会完全浸入植物组织的所有部分,导致精油无法完全被提取出来,从而会降低精油的提取率,延长蒸馏时间可以更彻底地提取样品中的精油。但是,经过一定时间的提取样品内所含的精油量提取已经达到最大值,增加时间长度并不能有效的提高精油的得油率,时间的增长不仅会引起精油的蒸发损失和杂质的产生,而且会增加生产成本1 9,2 0。因此要选择最适的蒸馏时间,达到效益最大化。(2)随着料液比的增加,香樟叶精油提取率逐渐上升,当料液比为11 0(g/m L)时,香樟叶精油提取率达到了最大值,然后开始逐步减少。其原理在于:一是随着料液比的逐渐增加,蒸汽释放速率也会逐渐增加2 1,因此对精油的提取能力会增强,导致精油的提取速率会逐步增加;二是对于固定质量的新鲜样品,精油的浓度会随着添加水的增加而降低,这会增加精油和水之间界面的浓度差,并可以很大程度上提高传质速率。同时,样品可以得到的充分浸泡,让细胞更容易破裂,随之精油也更容易提取出来2 22 4,从而在一定程度上提高了精油的提取率。但是随着料液比不断增加,精油的提取率呈缓慢下降趋势,这主要是因为蒸汽携带的精油量也在不断增加,从而导致冷凝回收的效率逐渐下降。所以不能盲目增加料液比,当水量超过一定范围值,会影响样品蒸馏出来的精油挥发程度,适当的料液比对精油的提取率有很大影响,因此要选择最适的料液比,达到样品最优得油率。(3)随着N a C l质量分数的提高,香樟叶精油提取率逐渐上升,当N a C l浓度为3%时,香樟叶精油提取率达到了最大值,然后开始逐步减少。其原理在于一定质量浓度的N a C l溶液可以改变植物组织细胞的渗透压,让细胞破裂得更为彻底,并能够让植物细胞中所含的精油更好的渗透出来。同时,N a C l还可以降低精油在水中的溶解度,使精油可以更加充分的蒸出来。适量提高N a C l质量分数浓度能够有效的让样品中的精油得到很好的提取2 5,但是由于样品内的精油含量是有一定值的,添加的N a C l超过一定质量分数浓度时不但会增加成本,而且得油率还不会增高。972 2 0 2 3年1月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第2期因此要选择合适的N a C l质量分数浓度,优化提取效率。同时,本试验也确定了添加辅助剂能够增加样品在相应时间内的得油率,为在以后的工业提取中添加其他提取效率更高的添加剂垫定了理论基础。(4)通过单因素试验条件结果可知,提取的香樟叶纯露产出量与蒸馏时间、料液比关系较大,与N a C l浓度关系较小。其原理在于:当蒸馏时间逐渐增加时,樟树叶片内所含的纯露量能够充分得到蒸馏,蒸馏时间越久样品的纯露产出量就越高,但是因为样品内所含的水分量是一定的,所以随着时间的增加,前期纯露产出量会增加的多,之后会增加的越来越少;当料液比逐渐增加时,蒸馏液的增加会让蒸汽速率不断提高2 1,产生的水蒸气也会不断增加,因此对样品内的纯露提取量也会增加,所以随着料液比的增加,纯露的提取量也会随之会有所提高;当添加N a C l质量分数浓度时,由于盐析的作用,可以改变植物组织细胞的渗透压,让细胞破裂得更为彻底,并能够让植物细胞中所含的纯露更好的提取出来2 5。但是由于样品内的水分量是一定的,当N a C l质量分数为3%时,纯露的产出量达到相对稳定,说明该浓度下植物细胞破裂已经彻底,样品内的纯露含量提取已达到最大值,再增加N a C l质量分数的浓度也已经不能很好的提升样品的纯露产出量了。本试验通过单因素试验确定了新鲜香樟叶在提取过程中,当料液比为11 0g/m L,N a C l质量分数为3%时,提取时间9 0m i n,该工艺条件下的精油提取量达到最大值,得油率为1.2 6%,此时该工艺下的香樟叶纯露产出量为7 6 2m L。如何缩短提取时间,最大程度提高精油得油率和纯露的产出量,提高其工业生产效率,是急需解决的问题,也是本试验重点解决的问题。本文基于此采用盐析-水蒸气蒸馏法对新鲜香樟叶精油的提取工艺进行了优化,为香樟精油和香樟纯露提取工艺的不断改进提供了理论依据。参考文献:1 郑红 富.芳 樟 精 油 的 提 取 与 特 性 研 究 D.南 昌:江 西 农 业 大学,2 0 1 9.2 付宇新,章 挺,江香梅,等.G C-M S分析不同方法提取的樟树叶挥发油成分J.南方林业科学,2 0 1 5,4 3(3):6-1 0.3 郭 丹,曾解放,范国荣,等.樟树精油的化学成分及生物活性研究进展J.生物质化学工程,2 0 1 5,4 9(1):5 3-5 7.4 刘 欣,李 波.香樟树叶中挥发油的提取及成分测定J.饲料广角,2 0 1 4(2 1):3 4-3 6.5 史 娟.香樟叶中精油的提取J.江苏调味副食品,2 0 1 1,2 8(2):1 6-1 9.6 秦国正,丁家鹏,窦德宇,等.超临界萃取香樟叶精油的工艺研究J.皖南医学院学报,2 0 1 1,3 0(5):3 6 2-3 6 4.7 尹 浩,王晨笑,岳 进,等.油樟叶精油的提取、化学成分、抗氧化以及抗菌活性研究J.保鲜与加工,2 0 2 0,2 0(4):1 8 3-1 9 1.8 谢 琼,胡 爽.超声提取玫瑰花渣中的总黄酮J.农产品加工(下),2 0 1 8(3):1 8-1 9.9P a t e i r oM,B a r b aFJ,D o m n g u e zR,e t a l.E s s e n t i a l o i l sa sn a t u-r a l a d d i t i v e s t op r e v e n to x i d a t i o nr e a c t i o n s i nm e a ta n dm e a tp r o d-u c t s:Ar e v i e wJ.F o o dR e s e a r c hI n t e r n a t i o n a l,2 0 1 8,1 1 3:1 5 6-1 6 6.1 0 郑哲浩,禹 宸,邱林燕,等.微波-超声波协同辅助提取紫苏精油工艺优化及抑菌活性的研究J.中国粮油学报,2 0 2 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