鹽析-水蒸氣蒸餾法提取樟葉精油工藝的研究

薛佑明,何介南,崔仕杰,曾 諦,肖佐鈺,李嘉順

(中南林業科技大學 林學院，湖南 長沙 410004)

1 引言

香樟(Cinamomumcamphoravar. linaloolifera) 為樟科(Lauraceae)樟屬(Cinnamomum)常綠闊葉大喬木，起源于中國的西南部和東南部，作為我國亞熱帶常綠闊葉林的主要樹種之一，其資源豐富，栽培歷史悠久，主要集中分布在湖南、福建、廣西、江西、廣東和臺灣等區域[1]。樟樹是我國非常重要的工業原料樹種，是樟科樟屬中經濟價值較高的樹種之一，其根、莖、葉中都含有豐富的精油[2]。它們不僅為醫藥提供主要的樟腦和龍腦原料，還具有殺蟲、抗菌、消炎、抗氧化等多種生物活性，目前在醫藥工業、化學工業、香料工業等領域對香樟精油的需求量大[3]。根據現有研究文獻表明香樟精油多從香樟葉中提取獲得，現有的提取方法有很多種，例如：水蒸氣蒸餾法、同時蒸餾萃取法、分子蒸餾法、有機溶劑提取法、超臨界CO2流體提取法、酶輔助提取法、超聲波輔助提取法等[4～8]。

不同的提取方法對精油的提取率有較大的影響，而且對提取出來的精油化學成分和組成也會有較明顯的影響[9]。鄭哲浩等[10]采用微波-超聲波協同方式輔助同時蒸餾萃取法提取紫蘇葉中揮發性精油，精油提取率可達到為2.34%，發現采用超聲波提取精油時，對熱敏性成分的破壞更小，能夠應用于對不穩定天然產物的提取。陳鐵壁[11]采用超臨界 CO2萃取制備香樟葉精油，萃取率可達到98.37%。盡管這些方法都可以顯著提升香樟精油的品質和得油率，但由于設備復雜，需要真空、高壓環境和其他設備配合，對提取過程中操作技術要求較高，而且工業化程度低，生產成本高，致使該工藝在實際生產中的應用受到很大限制。胡文杰等[12]采用響應面法優化樟樹葉精油水蒸氣蒸餾提取工藝，利用新鮮樹葉進行提取，得油率為 1.427% ～ 2.139%。該工藝相較于超聲波輔助提取法、超臨界萃取法等方法具有操作簡單、設備簡單、生產成本低等優點，是目前香樟精油工業提取的主要方法。現有相關研究[13]表明，香樟精油的提取過程中大多是采用鮮品粉碎后提取，該工藝不但操作簡單，而且能避免精油在提取過程中的損失。然而，作者在提取香樟精油的實際試驗考察中發現，經粉碎后的香樟枝葉得油率不到 0.8%。因此，優化現有的水蒸汽蒸餾提取工藝，提高香樟枝葉的得油率，可以大大提高其工業生產效率。

純露作為植物精油提取過程中的副產品，是指在提取植物揮發油過程中留下來的蒸餾原液，其中含有飽和的精油成分[14]，純露和精油也有著類似的效果，而且純露由水和水溶性物質組成，不易引起刺激性接觸反應，更容易被人體吸收[15]。然而，它們大多被作為污水排放，造成了極大的資源浪費。隨著提取技術的改進和國內外相關研究的開展，植物純露的化學成分和功能作用日益清晰。許多植物純露都具有一定的抗菌和抗氧化作用[16～18]，可作為天然防腐劑廣泛應用于食品行業和化妝品行業[19]。植物純露中含有的成分有多種的抗菌作用，不同成分呈現出不同的抗菌效果[20]。純露其獨特的功效和多場景的應用將使其會越來越受到大眾的重視，從而顯示出巨大的市場潛力。

本文基于鹽析-水蒸氣蒸餾法采用單因素實驗對香樟葉精油提取工藝進行了優化，同時也記錄了精油提取過程中不同條件下純露的產出量，為香樟葉精油和純露提取工藝的不斷改進提供了理論依據。

2 材料與儀器

2.1 實驗材料

實驗所用的香樟葉采摘自中南林業科技大學校園。

2.2 儀器與試劑

采用的儀器設備有:水蒸氣蒸餾裝置購置于鄭州科教玻璃儀器廠；粉碎機購置于圣順旗艦店；電子天平購置于正峰旗艦店；氯化鈉、無水硫酸鈉購置于六品文具專營店，分析純；實驗用水為怡寶純凈水。

3 試驗方法

3.1 前期準備工作

按操作步驟組裝連接好購置的水蒸氣蒸餾裝置待用。將采摘的新鮮的香樟葉片運回實驗室，挑選新鮮、無病蟲害的優質葉片，去掉葉柄之后用純水清洗干凈，然后自然晾干葉片表面水分備用。

3.2 提取方法

采用鹽析-水蒸氣蒸餾法提取新鮮香樟葉精油。準確稱取新鮮香樟葉100.00 g，裝入到圓底燒瓶中，然后按照單因素試驗設計中的料液比加入純凈水，通過改變料液比、蒸餾時間和NaCl質量濃度進行不同條件下的精油提取操作。實驗過程中為減少其他因素影響造成較大誤差，每次實驗的電磁爐功率嚴格控制在800 kW，從蒸餾水開始沸騰冒泡時開始計時，每次蒸餾結束待冷卻至徹底靜置分層之后，采用分液漏斗分離精油和純露，加入適量無水硫酸鈉將精油中所含水分徹底干燥，稱重精油質量和產出的純露量并做好記錄，從而計算樟葉精油的得油率和純露產出量。

3.3 精油得率的計算方法

(1)

式(1)中：Y為香樟精油得率(%)；m為香樟精油質量(g)；M為香樟葉鮮葉質量(g)。

3.4 單因素試驗

3.4.1 料液比對提取工藝的影響

分別精密稱取100 g新鮮的香樟葉，保證葉片的完整性。按照料液比為1∶8 g/mL、1∶9 g/mL、1∶10 g/mL、1∶11 g/mL、1∶12 g/mL即分別加入800 mL、900 mL、1000 mL、1100 mL、1200 mL的NaCl濃度為3%的純凈水進行提取。每份樣品等水沸騰冒泡后開始計時蒸餾90 min，然后停止加熱，冷卻一定時間待水油靜置分層，取上層油狀物質，加入適量無水硫酸鈉干燥，稱重所提取出來的精油質量和產出的純露量。每組進行3次重復實驗，取平均值，計算每組得油率。

3.4.2 蒸餾時間對提取工藝的影響

精密稱取100 g新鮮的香樟葉，保證葉片的完整性。按照料液比1∶10 g/mL加入NaCl濃度為3%的純凈水進行提取。等水沸騰冒泡后開始計時，在蒸餾時間分別為30 min、60 min、90 min、120 min、150 min時停止加熱，冷卻一定時間待水油靜置分層，取上層油狀物質，加入適量無水硫酸鈉干燥，稱重所提取的精油質量和產出的純露量。每組進行3次平行實驗，取平均值，計算每個時間點的得油率。

3.4.3 NaCl濃度對提取工藝的影響

分別精密稱取100 g新鮮的香樟葉，保證葉片的完整性。按照料液比1∶10 g/mL加入NaCl濃度梯度為0%、1%、2%、3%、4%的純凈水進行提取。每份樣品等水沸騰冒泡后開始計時蒸餾90 min，然后停止加熱，冷卻一定時間待水油靜置分層，取上層油狀物質，加入適量無水硫酸鈉干燥，稱重所獲精油質量和產出的純露量。每組進行3次重復實驗，取平均值，計算每組得油率。

3.5 最佳提取工藝

基于上述單因素實驗結果，確定鹽析-水蒸氣蒸餾的最佳工藝條件，并根據確定的最佳工藝條件進行3次重復實驗，取平均值，計算在該工藝條件下的最優得油率。

4 試驗結果

4.1 料液比對提取工藝的影響

記錄不同料液比的得油率數據和純露產出量數據，通過圖1可以明顯看出，不同的液料比對應的得油率有較大差異，且并不是成正比關系。當液料比達到1∶10 g/mL時，香樟葉的精油得油率達到頂峰。通過圖2可以明顯看出，不同的液料比對應的純露產出量有成正比的關系，隨著液料比的不斷增加，純露產出量有所提高，但是差異不大。

圖1 不同料液比對得油率的影響

圖2 不同料液比對純露產出量的影響

4.2 蒸餾時間對提取工藝的影響

記錄不同蒸餾時間下對應的得油率和純露產出量數據，通過圖3可以明顯看出，不同的時間內對應的得油率有較大差異，且并不是成正比關系。當蒸餾時間達到90 min時，香樟葉的精油得油率達到頂峰。通過圖4可以明顯看出，不同的液料比對應的純露產出量差異較大，有成正比的關系，隨著蒸餾時間的不斷增加，純露產出量不斷增加。

圖3 不同蒸餾時間對得油率的影響

圖4 不同蒸餾時間對純露產出量的影響

4.3 NaCl濃度對提取工藝的影響

記錄不同NaCl質量分數濃度下的得油率和純露產出量數據，通過圖5可以明顯看出，不同的NaCl濃度下對應的得油率有較大差異，且并不是成正比關系。當NaCl質量分數達到3%時，香樟葉的精油得油率達到頂峰。通過圖6可以明顯看出，不同的NaCl質量分數對應的純露產出量有成正比的關系，隨著NaCl質量分數的不斷增加，純露產出量有所提高，但是差異不明顯。

圖5 不同Nacl濃度對得油率的影響

圖6 不同Nacl濃度對純露產出量的影響

4.4 確定最佳提取工藝

根據上述單因素實驗結果，可以確定用鹽析-水蒸汽蒸餾法從新鮮香樟葉中提取精油的最佳工藝是當NaCl質量分數為3%時，按照料液比1∶10 g/mL加入純凈水，等水沸騰后開始計時，提取時間90 min時得油率達到最高為1.26%，此時在該工藝條件下的純露產量為762 mL。根據該實驗最佳工藝參數，稱取100.00 g香樟葉新鮮樣品進行重復實驗3次，以驗證香樟葉精油提取的最佳工藝優化以及在該工藝條件下純露的產出量。驗證結果表明，該實驗過程是可重復的，實驗結果是可靠的。

5 分析與結論

用鹽析-水蒸氣蒸餾法提取新鮮香樟葉精油，提取過程中的蒸餾時間、料液比、Nacl濃度都能對提取的結果產生較大的影響，但并不是與精油的提取率成正比關系，當每種工藝條件達到一定值時，精油的提取率會不升反降。在提取過程中新鮮香樟葉的純露產出量與蒸餾時間、料液比影響關系較大，與NaCl濃度影響關系較小，具體原因分析如下：

(1)隨著蒸餾時間的增加，香樟葉精油提取率逐漸上升，當蒸餾時間為90 min時，香樟葉精油提取率達到了最大值，然后開始減少并趨向于穩定。其原理在于當蒸餾時間太短時，水分不會完全浸入植物組織的所有部分，導致精油無法完全被提取出來，從而會降低精油的提取率，延長蒸餾時間可以更徹底地提取樣品中的精油。但是，經過一定時間的提取樣品內所含的精油量提取已經達到最大值，增加時間長度并不能有效的提高精油的得油率，時間的增長不僅會引起精油的蒸發損失和雜質的產生，而且會增加生產成本[19,20]。因此要選擇最適的蒸餾時間，達到效益最大化。

(2)隨著料液比的增加，香樟葉精油提取率逐漸上升，當料液比為1︰10(g/mL)時，香樟葉精油提取率達到了最大值，然后開始逐步減少。其原理在于：一是隨著料液比的逐漸增加，蒸汽釋放速率也會逐漸增加[21]，因此對精油的提取能力會增強，導致精油的提取速率會逐步增加；二是對于固定質量的新鮮樣品，精油的濃度會隨著添加水的增加而降低，這會增加精油和水之間界面的濃度差，并可以很大程度上提高傳質速率。同時，樣品可以得到的充分浸泡，讓細胞更容易破裂，隨之精油也更容易提取出來[22～24]，從而在一定程度上提高了精油的提取率。但是隨著料液比不斷增加，精油的提取率呈緩慢下降趨勢，這主要是因為蒸汽攜帶的精油量也在不斷增加，從而導致冷凝回收的效率逐漸下降。所以不能盲目增加料液比，當水量超過一定范圍值，會影響樣品蒸餾出來的精油揮發程度，適當的料液比對精油的提取率有很大影響，因此要選擇最適的料液比，達到樣品最優得油率。

(3)隨著NaCl質量分數的提高，香樟葉精油提取率逐漸上升，當NaCl濃度為3%時，香樟葉精油提取率達到了最大值，然后開始逐步減少。其原理在于一定質量濃度的NaCl溶液可以改變植物組織細胞的滲透壓，讓細胞破裂得更為徹底，并能夠讓植物細胞中所含的精油更好的滲透出來。同時，NaCl還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來。適量提高NaCl質量分數濃度能夠有效的讓樣品中的精油得到很好的提取[25]，但是由于樣品內的精油含量是有一定值的，添加的NaCl超過一定質量分數濃度時不但會增加成本，而且得油率還不會增高。因此要選擇合適的NaCl質量分數濃度，優化提取效率。同時，本試驗也確定了添加輔助劑能夠增加樣品在相應時間內的得油率，為在以后的工業提取中添加其他提取效率更高的添加劑墊定了理論基礎。

(4)通過單因素試驗條件結果可知，提取的香樟葉純露產出量與蒸餾時間、料液比關系較大，與NaCl濃度關系較小。其原理在于：①當蒸餾時間逐漸增加時，樟樹葉片內所含的純露量能夠充分得到蒸餾，蒸餾時間越久樣品的純露產出量就越高，但是因為樣品內所含的水分量是一定的，所以隨著時間的增加，前期純露產出量會增加的多，之后會增加的越來越少；②當料液比逐漸增加時，蒸餾液的增加會讓蒸汽速率不斷提高[21]，產生的水蒸氣也會不斷增加，因此對樣品內的純露提取量也會增加，所以隨著料液比的增加，純露的提取量也會隨之會有所提高；③當添加NaCl質量分數濃度時，由于鹽析的作用，可以改變植物組織細胞的滲透壓，讓細胞破裂得更為徹底，并能夠讓植物細胞中所含的純露更好的提取出來[25]。但是由于樣品內的水分量是一定的，當NaCl質量分數為3%時，純露的產出量達到相對穩定，說明該濃度下植物細胞破裂已經徹底，樣品內的純露含量提取已達到最大值，再增加NaCl質量分數的濃度也已經不能很好的提升樣品的純露產出量了。

本試驗通過單因素試驗確定了新鮮香樟葉在提取過程中，當料液比為1∶10 g/mL，NaCl質量分數為3%時，提取時間90 min，該工藝條件下的精油提取量達到最大值，得油率為1.26%，此時該工藝下的香樟葉純露產出量為762 mL。如何縮短提取時間，最大程度提高精油得油率和純露的產出量，提高其工業生產效率，是急需解決的問題，也是本試驗重點解決的問題。本文基于此采用鹽析-水蒸氣蒸餾法對新鮮香樟葉精油的提取工藝進行了優化，為香樟精油和香樟純露提取工藝的不斷改進提供了理論依據。