不同工藝提取金花茶葉子中精油的實驗

鄭亭亭， 梁林富， 陳洪

(中南林業科技大學 材料科學與工程學院， 湖南 長沙 410018)

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不同工藝提取金花茶葉子中精油的實驗

鄭亭亭， 梁林富， 陳洪

(中南林業科技大學 材料科學與工程學院， 湖南 長沙 410018)

摘要：以金花茶葉子為研究對象，用精油得油率作為衡量提取工藝的指標，研究金花茶葉子精油提取工藝.在單因素實驗基礎上，研究超聲提取法、水蒸氣蒸餾法和超臨界CO2萃取法3種方法提取金花茶葉子精油的工藝條件，考慮各因素對提取效果的影響，確定各因素的最佳工藝水平，篩選出得油率高的精油提取工藝.結果表明：超臨界CO2萃取法的得油率相對其他兩種方法要好.

關鍵詞：金花茶； 葉； 精油； 超臨界CO2萃取法； 超聲提取法； 水蒸氣蒸餾法

金花茶(Cuminumchrysantha)為常綠灌木或小喬木，是國家一級保護植物[1]，主要分布在廣西西南部，對熱量要求較高，屬熱帶性樹種[2].據報道，金花茶含有降血糖、降血脂、降膽固醇、抑制腫瘤生長等多種生理功能[3-4]的活性成分，以及多種微量元素.黃永林等[5]通過利用高脂血癥模型證明金花茶葉提取物具有降血脂作用.夏星等[6]利用糖尿病小鼠模型證明其葉提取物可改善胰腺結構和功能.精油是存在于葉等器官中的一類擁有特殊香味，具有常溫下易揮發性的油狀液體的總稱，由相對分子質量較小的簡單化合物組成[7].精油易溶于有機溶劑和乙醇，不溶于水，對光和熱較敏感，易變質[8-9].受地理分布影響，國內相關研究工作的開展集中于國內廣西及周邊高校，主要研究工作集中于金花茶黃酮、多糖類混合物的提取工藝上，但國外在金花茶的藥用價值和化學成分研究工作幾乎未見報道[10].此外，目前國內關于金花茶葉子精油的研究尚未見報道.本文借鑒其他植物精油的提取方法，綜合考慮各方面因素，研究水蒸氣蒸餾法、超聲波提取法和超臨界流體萃取法這3種提取方法的工藝條件.

1材料與方法

1.1材料與儀器

金花茶(Cuminumchrysantha)葉；無水硫酸鈉、氯化鈉、石油醚、乙酸乙酯、丙酮，均為分析純.水蒸氣蒸餾裝置；油水分離器；SB-5200 DTD型超聲波清洗儀；RE-52A型旋轉蒸發器；加壓硅膠柱；硅膠板；超臨界CO2萃取裝置.

1.2金花茶葉子精油提取工藝

1.2.1水蒸氣蒸餾法將一定質量的金花茶葉粉末置于2 000 mL單口燒瓶中，加入一定量的水，浸泡一定時間，進行水蒸氣蒸餾，連續收集直到無液滴流下為止；向油水混合餾出液中加入一定量NaCl，用有機溶劑進行萃取，無水硫酸鈉干燥后濃縮萃取液，得到淺黃色精油[11-16].

1.2.2超聲波提取法稱取一定量金花茶葉粉末，放入具塞錐形瓶，加入提取液乙酸乙酯(金花茶葉和乙酸乙酯的體積質量比為1∶4)，放入超聲清洗儀進行萃取[17-23].萃取完成后過濾，濾液用旋轉蒸發器常溫濃縮；然后，再向濃縮液中加入適量丙酮二次濃縮.采用色譜法去除濃縮液中色素；最后，濃縮得到金花茶葉精油.

1.2.3超臨界CO2萃取法實驗前采用CO2清洗裝置管路和萃取釜，時間為0.5 h.然后，稱取50 g金花茶葉粉末，加入萃取釜中，開啟裝置，待壓力和溫度達到設定值，萃取一定時間，收集產品.

2結果與分析

2.1水蒸氣蒸餾法影響精油得率的主要因素

研究發現在水蒸氣蒸餾法提取金花茶葉精油的過程中，蒸餾時間、料液比和NaCl質量分數是影響精油得率的主要因素.

2.1.1蒸餾時間固定金花茶葉粉末質量為50 g，加入700 mL蒸餾水和質量分數為2%的NaCl，考察不同蒸餾時間對金花茶葉精油提取效果的影響，結果如圖1(a)所示.圖1(a)中：η為精油得率；t1為蒸餾時間.

由圖1(a)可知：精油得油率(γ)隨蒸餾時間延長而增加，但到3 h后增加速度明顯下降.時間太短，水分不能充分滲透到金花茶葉組織的各個部位，與活性物質接觸，提取會不完全，通過延長提取時間可使提取更徹底，效果更好；但時間太長，要消耗更多能源.因此，從精油得率和節約能源兩方面考慮，提取時間以3 h為宜.

2.1.2料液比固定金花茶葉粉末質量為50 g，NaCl的質量分數為2%，蒸餾時間為3 h，考察不同料液比對金花茶葉精油提取效果的影響，結果如圖1(b)所示.

(a) 蒸餾時間

由圖1(b)可知：料液比越大，即水越多，精油得率越高，提取越徹底.然而，當料液比增加到1∶25時，精油得率增長速度下降.對于一定量的物料來說，精油的質量濃度隨著溶劑量的增加而降低，傳質速率隨著精油與溶劑二者接觸面處的質量濃度差的加大而提高[24-25].同時，可以讓原料得到充分地浸泡，細胞更容易破裂，油也更容易滲透出來，在一定程度上增加提取率；而當溶劑量過大時，不僅不能明顯提高得率，反而會造成資源浪費.所以從降低成本、節省能源及結合最優工藝參數等角度考慮，提取料液比為1∶20較適宜.

(b) 料液比　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(c) NaCl質量分數圖1　水蒸氣蒸餾法提取金花茶葉精油的單因素實驗Fig.1　Single factor experiment of extracting essential oil fromthe Cuminum chrysantha leaves by vapor distillation

2.1.3NaCl質量分數NaCl在揮發油蒸餾體系中主要起鹽析的作用[26].固定金花茶葉粉末質量為50 g，加入蒸餾水為1 000 mL，蒸餾時間為3 h，考察不同NaCl質量分數對金花茶葉精油提取效果的影響，結果如圖1(c)所示.

由圖1(c)可知：加入NaCl溶液可提高出油率，當NaCl濃度超過4%時，精油得率呈明顯下降趨勢.在水中加入NaCl，可大大提高得油率.主要因為NaCl能減小精油在水中的溶解度，NaCl溶液在茶葉內外的滲透壓差使精油更容易滲出而被蒸出；而當NaCl添加量繼續增加時，其鹽析效果減弱.因此，選擇最佳NaCl質量分數為4%.

2.2超聲波提取法影響精油得率的主要因素

在對該方法的提取工藝進行探索過程中，考察的影響因素主要是提取時間、提取溫度和提取功率.

2.2.1超聲時間固定金花茶葉粉末質量為50 g，提取溫度為40 ℃，提取功率為80 W，考察不同提取時間對金花茶葉精油提取效果的影響，結果如圖2(a)所示.圖2(a)中：t2為超聲時間.

由圖2(a)可知：精油得率隨著超聲時間的增加先呈現增大的趨勢，在超聲時間60 min 時具有最大值，之后，又開始下降.可能是由于目標物質在長時間的超聲波作用下發生降解.因此.選擇最佳超聲時間為 60 min.

2.2.2超聲溫度已有研究成果證實，超聲提取過程中產生的空化作用會使介質局部溫度升高.固定金花茶葉粉末質量為50 g，提取功率為80 W，提取時間為90 min，考察提取溫度對金花茶葉精油提取效果的影響，結果如圖2(b)所示.圖2(b)中：θ1為提取溫度.

(a) 提取時間

(b) 超聲溫度　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(c) 超聲功率圖2　超聲波提取法提取金花茶葉精油的單因素實驗Fig.2　Single factor experiment of extracting essential oil fromthe Cuminum chrysantha leaves by ultrasonic method

由圖2(b)可知：當以水作介質時，隨著溫度的逐漸升高，水中小氣泡不斷增多，空化作用得到增強，使得精油提取率升高；但當溫度過高時，氣泡中的蒸氣壓反而過高，導致氣泡在閉合過程中的緩沖作用得到了加強，而空化作用卻受此減弱，從而引發了精油得率增加速度開始減慢的趨勢.因此，選擇最佳超聲溫度為40 ℃.

2.2.3超聲功率固定金花茶葉粉末質量為50 g，提取溫度為35 ℃，提取時間為90 min，考察不同提取功率對金花茶葉精油提取效果的影響，結果如圖2(c)所示.

從圖2(c)可知：逐漸加大超聲功率，精油提取率呈上升的趨勢，當超聲功率為從80 W加大到100 W時，精油的提取率幾乎沒變化.可能是隨著超聲功率增大，介質吸收超聲波能量增加，將其轉化成的熱能增加，從而導致物料內部溫度升高加快，加速有效成分溶解的，但同時也有破壞.因此，選擇最佳提取功率為80 W.

2.3超臨界CO2萃取法

超臨界二氧化碳萃取法中，影響提取率的主要因素是萃取壓力，但為了驗證其他因素是否有影響，同時也設計了萃取溫度和萃取時間的單因素實驗.

2.3.1萃取壓力固定萃取溫度為50 ℃，萃取時間為2 h，分離器壓力為7.5 MPa，考察不同萃取壓力對金花茶葉精油提取效果的影響，結果如圖3(a)所示.圖3(a)中：p為萃取壓力.

由圖3(a)可知：伴隨著萃取壓力的提高，精油的提取率也隨之增大.當萃取壓力升到15 MPa以后，提取率的增加幅度隨著壓力的提高而變化不大；與此同時，精油產品的色澤隨著壓力的提高而不斷加深.在萃取壓力小于18 MPa時，色澤很淺，稍帶淡黃；當萃取壓力達到18 MPa時，顏色為淡黃；而當萃取壓力達到21 MPa時，產品開始出現混濁.這是由于萃取壓力的提高，使得超臨界二氧化碳流體的密度增大，超臨界二氧化碳流體被萃取物中的溶解能力隨之增加.此時，在超臨界二氧化碳流體中的一些分子質量分數較大的色素和極性較大的物質的溶解量增大，被一同萃出，在較高壓力下，產品顏色加深.還需注意的是，能耗隨著壓力升高而增大.因此，綜合分析提取率、產品質量和能量消耗等多方面因素，萃取壓力的最佳優化工藝條件為15～18 MPa.

2.3.2萃取溫度固定萃取壓力為15 MPa，萃取時間為2 h，分離器壓力為7.5 MPa，考察不同萃取溫度對金花茶葉精油提取效果的影響，結果如圖3(b)所示.圖3(b)中：θ2為萃取溫度.

(a) 萃取壓力

(b) 萃取溫度　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(c) 萃取時間圖3　超臨界CO2萃取法提取金花茶葉精油的單因素實驗Fig.3　Single factor experiment of extracting essential oil from the Cuminum chrysantha leaves by supercritical CO2 extraction

由圖3(b)可知：萃取溫度對金花茶精油得率的影響并不如萃取壓力那么顯著.這主要是受兩方面因素的影響：一則是溶質的揮發性和擴散系數；另一則是CO2的溶解度.在萃取溫度比較低時，隨著溫度的慢慢升高，溶質的揮發性和擴散系數都隨之增大，大于CO2受溫度升高導致密度下降造成的溶解度的降低，使提取效果增加；而在萃取溫度比較高時，溶質的揮發性和擴散系數的增大，不足以補償由于CO2密度減小所引起的溶解能力的下降趨勢，導致提取率變化不再顯著.考慮能耗因素，萃取溫度以較低為宜，所以萃取溫度的最佳優化工藝條件為45 ℃.

2.3.3萃取時間固定萃取溫度為50 ℃，萃取壓力為15 MPa，考察不同萃取時間對金花茶葉精油提取效果的影響，結果如圖3(c)所示.圖3(c)中：t3為萃取時間.

由圖3(c)可知：當萃取時間小于1.5 h時，精油得率隨萃取時間的延長而有較為顯著的增大;而當萃取時間大于1.5 h后，精油的得率變化很小.說明此時精油已基本萃取完全，再繼續萃取沒有意義.這是由于萃取開始時，超臨界CO2流體與溶質接觸時間短，未充分接觸，導致萃取量少；隨著時間的延長，二者接觸時間逐漸充分，其中的傳質達到良好狀態，單位時間內的萃取量不斷增大.考慮能耗因素，確定萃取時間的最佳工藝條件1.5 h.

3結束語

由單因素實驗得出3種不同方法提取金花茶葉子中精油各自最佳工藝條件.綜合以上3種方法，超臨界CO2萃取法的得油率相對超聲提取法和水蒸氣蒸餾法要好，所以選取超臨界CO2萃取法提取.

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(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 劉源崗)

Experiment of Extracting FromCuminumchrysanthaLeaves by Different Technologies

ZHENG Tingting， LIANG Linfu， CHEN Hong

(College of Material Science and Engineering， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410018， China)

Abstract：With the leaves of Cuminum chrysantha as the research object， the essential oil extraction technology was studied by using essential oil extraction rate as index. Based on the single factor experiment, the ultrasonic extraction， vapor distillation and supercritical CO2 extraction were explored to extract essential oil from the Cuminum chrysantha leaves. The process parameters and the influence of different factors on extract efficiency were all investigated and optimized to obtain the optimal extraction technology with high essential oil extraction rate. Results showed that the best essential oil extraction rate could be achieved by supercritical CO2 extraction comparing with the other two methods.

Keywords：Cuminum chrysantha； leaves； essential oil； extraction； supercritical extraction； vapor distillation

中圖分類號：TQ 914.1

文獻標志碼：A

基金項目：湖南省自然科學基金資助項目(2015JJ3176)； 中南林業科技大學引進高層次人才科研啟動項目(2013YJ049)

通信作者：陳洪(1966-)，男，教授，博士，主要從事新能源材料、仿生材料和材料表面工程、林業生物質資源的開發與綜合利用的研究.E-mail:chenhongcs@126.com.

收稿日期：2016-03-09

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.03.0342

文章編號：1000-5013(2016)03-0342-05