薰衣草精油與總黃酮的超聲波輔助綜合提取

吳 昊， 邵江娟， 張佳輝， 章文明， 姜 岷

(1.南京工業大學/國家級江蘇先進生物與化學制造協同創新中心，江蘇南京 211816； 2.南京中醫藥大學，江蘇南京 210023)

薰衣草(Lavandulaspp.)為唇形科(Labiatae)一年生或多年生植物，同時具備香料植物與藥用植物2種屬性。薰衣草所含香氣成分是天然香精與香料的主要構成部分，從中提取出的薰衣草精油具有促進血液循環、提升機體活力和免疫力、緩解焦慮及神經性偏頭痛、松弛消化道痙攣、消除腸胃脹氣等眾多益處[1]，被稱為“精油之母”，已廣泛應用于日化產品、保健品、食物加工及醫藥等領域[2]。薰衣草自20世紀60年代開始被引進到我國新疆地區，目前，新疆地區薰衣草的種植面積占全國種植面積的95%左右[3]，薰衣草精油的年產量大于100 t。黃酮類化合物是天然產物中的主要有效成分，具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤、保護心血管等多種生物活性[4]，研究表明，薰衣草黃酮具有較強的抗氧化和清除自由基的作用[5-6]。目前，國內對薰衣草原料的利用率極低，主要提取其中的揮發性精油，出油率僅為干花質量的1.5%左右[7]，提取后的薰衣草殘渣往往被作為廢棄物，既嚴重浪費了資源，又大大增加了薰衣草產品的生產成本。雖然提取薰衣草黃酮已有報道[5-6，8-9]，但均直接以薰衣草花為原料進行單一提取，經濟性不高。因此，亟需對薰衣草開展深加工研究，進一步提高其附加值。

從植物中提取有效成分的主要手段是基于組分在固液兩相之間質量傳遞的固液浸提，但無論是溶劑進入物料內部，還是物料內可溶性成分轉移進入溶劑，均受物料的細胞組織結構的顯著影響[10]，形成嚴重的傳質阻力，因此造成固液浸提效率低下。超聲波具有機械效應、空化效應及熱效應，而且還可以產生乳化、擊碎、擴散、化學效應等一系列次級效應[11]，這些效應增大了介質分子的運動速度，同時也提高了介質的穿透能力，從而促進有效成分的溶解及擴散，縮短提取時間，有利于提高有效成分的提取率。本試驗首先將薰衣草干花浸于水中，采用超聲波-水蒸氣蒸餾法提取出揮發性的薰衣草精油，分離出精油提取后的殘渣，以乙醇溶液為提取溶劑，采用超聲波輔助浸提薰衣草總黃酮，通過探討薰衣草精油與總黃酮綜合提取的可行性，為薰衣草的深加工提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗材料 薰衣草干花(產地為新疆霍城縣農四師65團，2015年收割，自然晾干)，預先將干花粉碎，過80目備用。所用試劑為分析純或色譜純，試驗用水為超純水。

1.1.2 試驗裝置與儀器 電熱植物蒸餾浸提裝置(自制，含冷凝收集器)，超聲波萃取儀(KQ-600V，超聲頻率40 Hz，功率600 W，購自江蘇省昆山市超聲儀器有限公司)，真空干燥箱(DZF-6050，購自上海博迅醫療生物儀器股份有限公司)，電子分析天平[BS124S，購自賽多利斯科學儀器(北京)有限公司]， 旋轉蒸發器(RE52A，購自上海亞榮生化儀器廠)， 紫外分光光度計[UV2800，購自優尼柯(上海)儀器有限公司]，氣相色譜儀(GC2800，購自上海伍豐科學儀器有限公司)，FID(flame ionization detector，簡稱FID)檢測器(購自上海伍豐科學儀器有限公司)，PEG毛細管色譜柱(DB-WAX，30 m×0.25 mm×0.25 μm，購自美國安捷倫科技有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 薰衣草精油的提取 采用單因素試驗，分別考察料液比、超聲溫度、超聲時間、蒸餾時間、浸泡時間及無機鹽對精油提取率的影響。稱取100 g薰衣草干花粉末，加入2 000 mL蒸餾浸提裝置中，加入相應的去離子水浸泡2 h，隨后進行超聲處理，之后進行水汽蒸餾提取，從料液開始沸騰時計時，通過蛇形冷凝管將餾出的氣體冷卻液化，待蒸餾結束后，將餾出液靜置1 h后分層。收集上層油相，用無水硫酸鈉脫水干燥后得到薰衣草精油，稱質量后計算精油提取率，公式如下：

(1)

1.2.2 薰衣草總黃酮的提取 將精油提取后的固液混合物立即過濾分離，并用去離子水洗滌殘渣3次，獲得的薰衣草殘渣在80 ℃下干燥至恒質量。配制乙醇溶液，從薰衣草殘渣中提取薰衣草總黃酮，經預試驗確定以乙醇體積分數、料液比、超聲時間、超聲溫度為考察因素，進行因素水平正交設計(表1)，以總黃酮提取率為評價指標，確定薰衣草殘渣中總黃酮的最佳提取工藝條件。每次向試驗裝置中加入10 g薰衣草殘渣(按照其含水量折算出的絕對干質量)，在一定溫度下用乙醇溶液預先浸泡1 h，然后在同樣的溫度下進行超聲輔助提取。

表1 正交試驗的因素水平

提取結束后立即過濾，并用相同的乙醇溶液洗滌殘渣，合并濾液將體積回復到加入時的體積，即為總黃酮提取液，用旋轉蒸發儀在60 ℃下揮干溶劑，經真空干燥后獲得浸膏粉，檢測其中的總黃酮含量，并計算出總黃酮提取率，公式如下：

(2)

1.3 檢測方法

1.3.1 薰衣草精油主要特征組分含量的檢測 薰衣草精油主要有效成分為芳樟醇、乙酸芳樟酯、乙酸薰衣草酯、樟腦[12]。根據GB 1886.38—2015《食品安全國家標準 食品添加劑 薰衣草油》指定的檢測條件與步驟[13]，采用氣相色譜面積歸一化法，檢測以上4種特征組分的含量。

1.3.2 薰衣草總黃酮的檢測 利用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH顯色法檢測總黃酮，以蕓香苷標準液作為對照品。移取0、1、2、3、4、5 mL 0.200 mg/mL蕓香苷標準液(用體積分數為60%的乙醇溶液溶解并定容)分別置于6支25 mL比色管中，按文獻[14]的方法進行檢測，以未添加蕓香苷標準液的空白樣作對照，檢測510 nm波長處的吸光度。以吸光度(D)為橫坐標，相應的蕓香苷質量(M)為縱坐標繪制標準曲線，其回歸方程為M=1.813 66D-0.003 89，r2=0.995 9，線性范圍為0～1.00 mg，用于表征總黃酮質量。將50 mg待測浸膏樣品用60%乙醇溶液溶解并定容至50 mL，取1 mL溶解液加入 25 mL 比色管中進行檢測，根據回歸方程計算出對應的總黃酮質量，進而換算出樣品中的總黃酮含量。

2 結果與分析

2.1 超聲波輔助水蒸氣蒸餾提取薰衣草精油

2.1.1 料液比對精油提取率的影響 在不超聲處理的情況下，在1 ∶8～1 ∶16(g ∶mL)范圍內考察料液比對薰衣草精油提取率的影響，蒸餾時間為2 h。料液比直接影響精油提取率，若物料含量過高，精油在水中的擴散過程會受到較大的傳質阻力；若液體比例過高，精油在水中的溶解量會隨之增大，也會影響提取率。由圖1可知，隨著液體含量的增高，精油提取率呈現增大趨勢，當料液比為1 g ∶12 mL時，精油提取率達到最大值，為1.61%，之后則明顯呈下降趨勢。因此，精油提取的最適料液比為1 g ∶12 mL。

2.1.2 超聲溫度對精油提取率的影響 料液比為 1 g ∶12 mL，超聲時間為30 min，在25～60 ℃范圍內考察超聲溫度對精油提取率的影響，蒸餾時間為2 h。由圖2可知，隨著超聲溫度的上升，精油提取率呈現遞增的趨勢，當超聲溫度達到50 ℃時，精油提取率達到最高值，為1.781%，但當超聲溫度繼續升高時，精油提取率明顯下降。由于超聲溫度直接影響超聲的空化作用，超聲溫度升高對空化作用有利，有利于提高精油提取率，但是超聲溫度過高時，氣泡中蒸氣壓增大，氣泡閉合時促進了緩沖作用，使空化作用減弱[15]，反而不利于提取。因此，超聲溫度的最適溫度為50 ℃。

2.1.3 超聲時間對精油提取率的影響 在超聲溫度優化的基礎上，考察超聲時間(20～60 min)對精油提取率的影響，蒸餾時間為2 h。超聲利用機械效應、熱效應及空化效應，可以在一定程度上加快分子間的擴散、溶解，但超聲時間過短起不到明顯的作用，而超聲時間過長則可能會破壞薰衣草精油中的揮發性成分，反而使提取率降低。由圖3可知，超聲時間對薰衣草精油的提取率有較大影響。當超聲時間為40 min時，薰衣草精油的提取率達到最大值，為1.935%。因此，選擇精油提取的超聲時間為40 min。

2.1.4 蒸餾時間對精油提取率的影響 在此前超聲處理參數優化的基礎上，考察蒸餾時間對精油提取率的影響。由圖4可知，隨著蒸餾時間的不斷延長，精油提取率先呈明顯的遞增趨勢，當蒸餾時間達到120 min時，提取率為1.94%，繼續增加蒸餾時間，精油提取率呈遞減趨勢。這是由于液體處于沸騰狀態時，操作時間過長會引起精油中一些熱敏性化合物的分解及精油在水中的溶解度增加[16]。因此，選擇最適的蒸餾時間為120 min，即2 h。

2.1.5 無機鹽對精油提取率的影響 添加無機鹽會影響精油的提取率，溶解在混合液中的無機鹽可以通過其在液相發生締合作用來改變汽液平衡，鹽效應能使體系的蒸汽壓下降[17]，由于無機鹽在水中與精油中的溶解度存在較大的差異，精油對水的相對揮發度增高。因此，在同等溫度下，加入某些無機鹽有可能會明顯提高出油率，本試驗考察4種常見無機鹽(均配制成30 g/L無機鹽溶液)對精油提取率的影響。文獻[18]報道，提取薰衣草精油過程中，加入MgSO4的鹽效應最明顯。由表2可知，只有Na2SO4、KCl可以提高精油提取率，其中加入Na2SO4時精油的提取率達到2.09%，比未添加時提高8.85%。因此，選擇添加Na2SO4最為適宜。在此基礎上考察Na2SO4的濃度對精油提取率的影響。由圖5可知，當Na2SO4的濃度大于30 g/L時，精油的提取率明顯降低。因此，添加Na2SO4的最適濃度為30 g/L。

表2 鹽效應對精油提取率的影響

最終確定超聲輔助水蒸氣提取薰衣草精油的工藝：以 30 g/L Na2SO4水溶液為提取劑，料液比為1 g ∶12 mL，在 50 ℃ 下浸泡2 h，在該溫度下超聲處理40 min，隨后蒸餾2 h(以沸騰后計時)。在此條件下重復試驗3次，薰衣草精油的提取率為2.05%～2.16%，均大于2.00%，與直接水蒸氣蒸餾相比，提取率約增加25%。

2.2 不同提取方式對薰衣草精油主要成分含量的影響

對不同提取方式獲得的薰衣草精油中的主要成分含量進行檢測。由表3可知，采用以上提取方式獲得的薰衣草精油中4種主要成分的含量均符合GB 1886.38—2015的規定[13]。值得注意的是，采用超聲輔助處理后，其中乙酸芳樟酯的含量明顯降低，而芳樟醇的含量有所增加，推測在較高溫度下，超聲波處理可能會使部分乙酸芳樟酯發生水解，由此可見須要嚴格控制超聲處理的時間與溫度。

表3 不同提取方式下的薰衣草精油主要成分比較

2.3 超聲波輔助浸提薰衣草殘渣中的總黃酮

總黃酮提取的正交試驗結果如表4所示，由極差分析結果可知，各因素對薰衣草殘渣中總黃酮提取率的影響表現為料液比>超聲時間>超聲溫度>乙醇體積分數。優化的工藝組合為A1B3C2D1，即乙醇溶液的體積分數為50%、料液比為 1 g ∶25 mL、超聲溫度60 ℃、超聲時間30 min。在此條件下進行3次重復驗證試驗，殘渣超聲輔助浸提的平均浸膏得率為 18.1%，浸膏中的平均總黃酮含量為48.2%，殘渣中的總黃酮平均提取率為8.73%，浸膏粉呈黃綠色。為了進一步提高總黃酮的提取率，以優化后的條件對同一殘渣連續提取4次，由表5可知，對殘渣提取2次即可提取出絕大部分黃酮，繼續增加提取次數，浸膏中總黃酮的含量明顯降低，說明雜質大量溶出。從后期純化考慮，提取2次即可，最終薰衣草殘渣的總黃酮提取率為11.81%，浸膏中總黃酮的含量為 44.94%，有利于后期純化處理。

表4 總黃酮提取正交試驗結果

表5 提取次數對總黃酮提取率的影響

3 討論與結論

本研究采用超聲波輔助的手段對薰衣草中的揮發油和黃酮類化合物這2類活性成分進行綜合提取。結果顯示，超聲波輔助水蒸氣蒸餾法可明顯提高薰衣草精油的提取率，優化后的提取工藝為以30 g/L Na2SO4水溶液為提取劑，料液比為1 g ∶12 mL，50 ℃下浸泡2 h，隨后在此溫度下超聲處理 40 min，蒸餾2 h。在此條件下，薰衣草精油的提取率大于 2.00%，精油中有效組分含量符合GB 1886.38—2015的規定。對提取后的薰衣草殘渣采用乙醇溶液超聲波輔助提取薰衣草總黃酮，經正交設計優化，提取條件為乙醇體積分數為50%，料液比為1 g ∶25 mL，60 ℃下浸泡1 h，相同溫度下超聲時間為30 min。經過2次提取處理，殘渣的總黃酮提取率達 11.81%，浸膏中總黃酮的含量為44.94%。由此可知，薰衣草可以通過超聲波輔助分步提取的方式，同時獲得薰衣草精油與總黃酮，該綜合提取方法提高了原料的利用率，有利于降低制備成本，可為薰衣草產品的深度開發提供依據。

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