免费文献传递   相关文献

正交实验法优化香桂叶油的超声-微波协同提取工艺



全 文 :Vol. 36 No. 11
Nov. 2016
第 36卷 第 11期
2016年 11月
中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
Journal of Central South University of Forestry & Technology
收稿日期:2015-03-16
基金项目:中南林业科技大学青年基金项目(QJ2010014B);国家林业公益性行业科研专项(201204811)
作者简介:杨艳红,讲师,硕士 通讯作者:李湘洲,教授,博士生导师;E-mail:rlxz@163.com
引文格式:杨艳红,李湘洲,唐克军 .正交实验法优化香桂叶油的超声 -微波协同提取工艺 [J].中南林业科技大学学报,2016, 36(11):
125-128, 136.
Doi:10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.022 http: //qks.csuft.edu.cn
黄樟油素的分子式为 C10H10O2,外观为无色或
微黄色液体 [1],是一种重要的天然香料,也是合成
洋茉莉醛、胡椒基丁醚、胡椒基丙酮、乙基香兰素
等产品的理想原料 [2-3],在香料、医药、轻化等工
业中有广泛的应用 [4-5]。历史上我国生产黄樟油素,
主要是水蒸气蒸馏被砍伐的黄樟树根而得 [6-8]。而
此做法导致了黄樟树的植物资源遭到了破坏,使
我国的黄樟油素的生产受到了严重影响。
香桂,又称岩桂,是樟科常绿小乔木 [9],香
桂叶精油中的黄樟油素含量很高 [10]。因此利用香
桂叶来提取黄樟油素是缓和市场供不应求矛盾、
发展经济的有效途径 [6]。
目前香桂叶油的提取引起了一些研究者的重
视,尹礼国 [11]比较了水蒸气蒸馏、乙醚提取、超
临界 CO2萃取岩桂叶精油的产率,发现水蒸气蒸
馏法是制备岩桂叶精油的最好方法。刘志超 [12]对
岩桂叶精油在蒸馏过程中的出油率及化学成分变
化情况进行了研究,得出了较合适的蒸馏工艺。
超声 -微波协同萃取是一门新型萃取技术,它将超
声与微波两种作用方式相结合,充分利用超声波
正交实验法优化香桂叶油的超声 -微波协同
提取工艺
杨艳红,李湘洲,唐克军
(中南林业科技大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙 410004)
摘 要:以湘西产的香桂叶为原料,采用超声 -微波协同萃取法对香桂叶油的提取工艺进行了研究。以水为萃取
溶剂,对提取次数、微波功率、提取时间、液固比、氯化钠浓度等影响萃取的因素进行了单因素实验。在单因
素实验结果的基础上,提取 1次,对各因素进行正交实验优化,得出了香桂叶油的萃取优化工艺条件:微波功
率 75W,提取时间 30 min,液固比 10 (mL/g),氯化钠浓度为 4%。与传统的水蒸气蒸馏法相比,超声 -微波协
同萃取不仅大大缩短了蒸馏时间,而且香桂叶油的提取率从 2.411%提高到 3.288%。通过 GC-MS检测,该工艺
下香桂叶油中黄樟 油素的含量可高达 98.09%。
关键词:超声 -微波协同萃取;香桂叶油;正交实验法;提取率
中图分类号:S727.32 文献标志码:A 文章编号:1673-923X(2016)11-0125-04
Orthogonal array design tests for optimizing ultrasonic-microwave
synergistic extraction of Cinnamomum petrophilum leaves oil
YANG Yan-hong, LI Xiang-zhou, TANG Ke-jun
(College of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)
Abstract: The extraction technology of Cinnamomu petrophilum leaves essential oil(CPL oil)of Western Hunan was studied. The
conditions of ultrasonic-microwave extracting CPL oil were discussed by using the ultrasonic-microwave extraction system ,including
microwave power,extraction time, ratio of material and solvent ,the concentration of NaCl and extraction times. And the optimized
conditions of ultrasonic-microwave synergistic extracting CPL oil once were obtained by orthogonal experiments : microwave power
was 75w; extraction time was 30 minutes; ratio of solvent and material was 10 (mL/g) ; the concentration of NaCl was 4%. Ultrasonic-
microwave synergistic extraction was time saving and gave a higher extraction yield (3.288%)of CPL oil, when compared with the
conventional water distillation extraction method(2.411%).Safrole content of the extract was 98.09% by GC-MS.
Key words: ultrasonic-microwave synergistic extr action; Cinnamomum petrophilum leaves oil; orthogonal array design; extraction yield
杨艳红,等:正交实验法优化香桂叶油的超声 -微波协同提取工艺126 第 11期
的空化作用和微波的高能作用,对活性物质的提
取更加高效 [13-16]。与传统萃取法相比,超声 -微波
协同水蒸气蒸馏法可以大大缩短提取时间,降低
能耗,提高生产效率 [17-19]。同时也可为其它活性
物质的提取提供科学参考。
1 材料与方法
1.1 实验材料及试剂
香桂叶采自湖南湘西自治州永顺县,经阴 干
后粉碎;蒸馏水(自制);氯化钠(分析纯),
西陇化工股份有限公司。
1.2 实验仪器、设备
CW-2000超声 -微波协同萃取仪(上海新拓
分析仪器科技有限公司);Perkin Elmer Clarus 600
气相色谱质谱联用仪(美国 PE公司)。
1.3 实验方法
1.3.1 传统水蒸气蒸馏提取法
将称取的 50.00 g的香桂叶粉,进行传统水蒸
气蒸馏,直到香桂油的体积没有再增加为止(耗
时约为 8 h)。得到油 1.10 mL。由式(1)计算
可得传统水蒸气蒸馏法所得香桂叶油的提取率为
2.411%。
1.3.2 超声 -微波协同提取法
称取香桂叶粉,量取一定体积的蒸馏水,装
入特制500 mL烧瓶中,联接好油水分离器、冷凝管,
关好超声 -微波协同萃取仪炉门,打开冷凝管的自
来水阀,设置好相关实验参数,进行水蒸气蒸馏。
实验结束后,关闭超声 -微波协同萃取仪,读取香
桂叶油的体积。
1.3.3 提取率的计算
提取率 =
m
Vρ  ×100%。 (1)
式(1)中:ρ为香桂叶油密度,g/mL;V为香桂
叶油体积,mL;m为香桂叶质量,g。
1.3.4 GC-MS检测分析 [10,20]
GC条件:毛细管柱(30 m× 0.25 mm ×0.25
μm),载气为高纯氦气,柱温:80~ 220 ℃,检
测器温度:250 ℃,进样量:1 μL,进样温度:250 ℃,
升温程序:50 ℃(停留 4 min),10 ℃ /min频率
升温至 100 ℃(停留 1 min),再 15 ℃ /min频率
升温至 130 ℃(停留 3 min),再 25 min频率升温
至 230℃(停留 6 min),柱流量:1.0 mL/min,
柱前压:200 kPa,分流比 50∶ 1。
MS 条件:电离方式 EI,电子能量 70 eV,离
子源温度 230 ℃,传输线温度:250 ℃,质量扫描
范围 m/z:35~ 450,四极杆温度:150℃。
2 结果与分析
2.1 超声 -微波协同提取法单因素实验
2.1.1 提取次数对提取率的影响
称取香桂叶 20.00 g,在液固比为 12(mL/g),
微波功率为 75 w,时间 30 min,氯化钠浓度为 3%
的条件下,提取多次,考察提取次数对香桂叶油
提取率的影响规律。由图 1可看出,经过一次提
取后,提取率增加并不太大。故增加提取次数意
义不大,以下均为提取一次的实验结果。
图 1 提取次数对香桂叶油提取率的影响
Fig. 1 Effect of extraction times on yield of CPL oil
图 2 微波功率对香桂叶油提取率的影响
Fig.2 Effect of microwave power on yield of CPL oil
2.1.2 微波功率对提取率的影响
随机称取香桂叶 20.00 g,固定液固比为 12
(mL/g),提取时间为 30 min,氯化钠浓度为
3%。在不同微波功率下考察其对香桂叶油提取率
的影响规律。由图 2可知,随着微波功率的升高,
香桂叶油的提取率先增加后下降,在 75 w时达到
最高值。分析原因可能是因为当微波功率在 75 w
以下时 ,香桂叶的细胞壁破裂的较少,香桂叶油被
提取出来的量较少,当微波功率超过 75 w时,香
桂叶油有少量可能会溶于蒸馏水中。
127第 36卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
2.1.3 提取时间对提取率的影响
随机称取香桂叶 20.00 g,在液固比为 12
(mL/g),微波功率 75 w,氯化钠浓度为 3%下,
考察不同的提取时间对香桂叶油的提取率的影响
规律。由图 3可知,香桂叶油的提取率随着提取
时间的增加而增加。分析原因可能是因为随着提
取过程的进行,香桂叶中的香桂叶油更完全的被
提取出来了。
了氯化钠减少了香桂叶油的溶解度,氯化钠对被
分离组分的相对挥发度产生了不同影响,氯化钠
溶液在香桂叶内外的渗透压差使精油更容易渗出
而被蒸出 [21-23]。另外,加入盐还可以起到盐析的
作用,使精油品质得到了提高。
2.2 正交实验
根据据单因素实验的结果,来考察微波功率、
提取时间、液固比、氯化钠浓度对香桂叶油提取
率的影响规律,以确定优化的提取条件。实验采
用 L9(34)正交表,选取 3个水平进行实验。香
桂叶油提取正交实验结果及分析见表 1。
表 1 正交实验设计及极差分析结果
Table 1 Orthogonal test results and analysis
序号 微波功率/w
液固比
/(mL·g-1)
时间
/min
氯化钠浓度
/%
提取率
/%
1 40 8 20 3 2.192
2 40 10 25 4 2.192
3 40 12 30 5 2.148
4 50 8 25 5 2.324
5 50 10 30 3 2.630
6 50 12 20 4 2.148
7 75 8 30 4 3.069
8 75 10 20 5 2.904
9 75 12 25 3 1.973
k1 2.177 2.528 2.415 2.265
k2 2.367 2.575 2.163 2.469
k3 2.649 2.089 2.615 2.458
R 0.472 0. 486 0.452 0.204
由极差分析可知,对于香桂叶油的提取,影
响因素的主次是液固比>微波功率>提取时间>
氯化钠浓度。因此可得香桂叶油的提取优化条件
是:微波功率 75 W,液固比为 10(mL/g),时间
30 min,氯化钠浓度为 4%,这与单因素实验结果
一致。在此条件下,重复验证实验 3次,得出香
桂叶油的平均提取率可达 3.288%。
图 5 氯化钠浓度对香桂叶油提取率的影响
Fig. 5 Effect of the concentration of NaCl on yield of CPL
oil
图 3 提取时间对香桂叶油提取率的影响
Fig.3 Effect of extraction time on yield of CPL oil
图 4 液固比对香桂叶油提取率的影响
Fig.4 Effect of ratio of solvent and material on yield of
CPL oil
2.1.4 液固比对提取率的影响
实验固定提取时间 30 min,微波功率为 75 w,
氯化钠浓度为 3%,考察不同液固比对香桂叶油提
取率的影响规律。从图 4可以看出随着液固比的
增大,香桂叶油提取率先增加后减小。分析可能
因为蒸馏水越多,香桂叶油提取出的更多,但当
蒸馏水量增加到一定程度时,香桂叶油在蒸馏水
中的溶解量越大,反而使香桂叶油的提取率降低。
2.1.5 氯化钠浓度对提取率的影响
称取香桂叶 20.00 g,调节液固比为 12(mL/g),
微波功率为 75 w,时间 30 min,考察氯化钠浓度
对香桂叶油提取率的影响规律。由图 5可看出,
随着氯化钠浓度的升高,香桂叶油的提取率先升
高后降低,在 4%达到最大,分析原因如下:加入
杨艳红,等:正交实验法优化香桂叶油的超声 -微波协同提取工艺128 第 11期
2.3 对提取物的 GC-MS检测
将超声 -微波协同萃取的香桂叶油用气相色谱
-质谱联用仪进行化学成分的鉴定(图 6),并对
各组分进行定量分析,结果见表 2。
图 6 香桂叶油的 GC-MS分析总离子流程图像
Fig.6 Total ion current chromatogram of CPL oil by GC-MS
表 2 香桂叶油化学组分的相对含量
Table 2 Relative contents of chemical components of CPL
oil
峰号 化合物 含量 /%
1 α- 蒎烯 α-pinene 0.226
2 桧烯 sabinene 0.100
3 月桂烯 myrcene 0.036
4 柠檬烯 limonene 0.717
5 桉叶油醇 cineole 0.200
6 芳樟醇 linalool 0.353
7 橙花醛 neral 0.04
8 黄樟油素 safrole 98.09
9 异丁香酚 isoeugenol 0.066
10 3,4-亚甲二氧基肉桂醛
3,4-methylenedioxy
cinnamyl aldehyde 0.074
11
1-[(1,2,3,4,7,7a-六氢
-1,4,4,5-四甲基 -1,3a-
乙醇胺 -3aH-因登 )-6-
基 ]乙酰基
1-[(1,2,3,4,7,7a-Hexahydro
-1,4,4,5-tetramethyl-1,3a-
ethano-3aH-inden)-6-yl]
ethanone
0.097
已鉴定成分的总量 /% 99.999
超声 -微波协同萃取的香桂叶精油,通过气相色
谱 -质谱联用仪分析,共检测出 13个组分,鉴定出
已知化合物 11个(见表 2)。其中黄樟油素的含量
高达98.09%,其它化合物如柠檬烯、芳樟醇、α-蒎烯、
桉叶油醇和桧烯等在香桂叶油中也有一定的含量。
3 结 论
(1)采用超声 -微波协同水蒸汽蒸馏法提取
香桂叶油,单因素实验表明各提取因素对香桂叶
油提取率的影响规律为:随着微波功率的升高,
香桂叶油提取率先增加后下降;香桂叶油的提取
率随着提取时间的增加而增大;随着液固比的增
大,香桂叶油的提取率先增加后减小;氯化钠浓
度在 4%时,香桂叶油的提取率最大。
(2)通过正交实验,得出超声 -微波协同水蒸
汽蒸馏法的各提取因素对香桂叶油提取率的影响依
次为为:液固比>微波功率>提取时间>氯化钠浓度。
(3)通过正交实验优化超声 -微波协同水蒸
汽提取香桂叶油的工艺条件与单因素试验结果一
致,均为:微波功率 75 w,液固比为 10(mL/g)
提取时间 30 min,氯化钠浓度为 4%,在此条件下,
香桂叶油的提取率可达到 3.288%。
(4)在提取一次的条件下,传统水蒸汽蒸馏
法提取香桂油需 8小时,提取率仅为 2.411%。与
之相比,超声 -微波协同萃取法大大缩短了蒸馏时
间,且香桂叶油的提取率也得到了有效提高。
参考文献:
[1] 中国医药集团上海化学试剂公司 .试剂手册 [M].上海 :上海
科学技术出版社 ,2002.
[2] 朱太平 ,刘 亮 ,朱 明 .中国资源植物 [M].北京 :科学出版
社 ,2007.
[3] 蓝文祥 .香桂叶油合成胡椒基丁醚 [J].化学研究与应用 ,2001,
13(3): 296-298.
[4] 蓝文祥 ,谭 群 ,巫建国 .胡椒基丙酮的绿色合成方法 [J].重
庆大学学报 (自然科学版 ),2001,24(3):146-149.
[5] 刘兆刚 .新洋茉莉醛合成新工艺的研究 [D].南京 :南京林业
大学 ,2007:3-8.
[6] 唐 健 .黄樟油素的开发与利用 [J].河北化工 ,2009,32(5):2-4.
[7] 刘志秋 ,陈 进 ,许 勇 .黄樟素植物资源的开发利用现状及
前景 [J].香料香精化妆品 ,2001(4):14-19.
[8] 罗小龙 . 黄樟油素的生产及应用 [J]. 林产化工通讯 ,
1998(5):24-27. (下转第 136页)
冯 燕,等:南方林下饲用植物压缩蠕变研究136 第 11期
[2] 罗迎社 .金属流变成形的理论、实验与应用研究 [D].长沙 :
国防科学技术大学 ,2000.
[3] 李汝莘 ,耿爱军 .碎玉米秸秆卷压过程的流变行为试验 [J].
农业工程学报 ,2012,28(18)30-35.
[4] 高梦祥 ,郭康权 .玉米秸秆的力学特性测试研究 [J].农业机
械学报 ,2003,34(4):47-52.
[5] 戈晓康 ,高连兴 .影响切碎棉杆压缩成型过程的探讨 [J].农
机化研究 ,2008(1):226-228.
[6] 卢宝贤 .粘弹性模型在木材蠕变中的应用 [J].力学与实践 ,
1989, 11(2):41-44.
[7] 李小昱 ,王 为 ,孙 骊 .农业物料流变特性试验机的研制 [J].
西北农业大学学报 ,1996,24(6):105-107.
[8] 邓 彪 .荷载、含水率及温度作用下桉树木材蠕变特性研究
[D].长沙 :中南林业科技大学 ,2013.
[9] 肖志红 ,李昌珠 ,刘汝宽 ,等 .蓖麻籽单轴压榨油过程中压缩
比与残油率曲线拟合及其数学模型 [J].中南林业科技大学学
报 ,2016,36(2):106-109.
[10] 刘 俊 .9YWD-18型移动卧式压捆机 [J].产品市场 ,2004(6): 30.
[11] 49 YK-10型卧式液机 .http://www.bdwd.heagri.gov.cn/default3.
aspxid=6871.
[12] Reece F N. Temperature pressure and time relationships
in forming dense hay wafers[J] . Transact ions of the
ASAE.,1966,(9):749-751.
[13] Dariusz A, Grochowicz J. Effect of the moisture content
on compression energy andstrength characteristic of lupine
briquettes[J]. Journal of Food. Engineering ,2007,83:116-120.
[14] Smith I E, Probert S D, Stokes R E, et al. The briquetting of
wheat straw[J].Journal of agricultural Engineering Research,
1977, 22(2):105-111.
[15] O’Dougherty M J, Wheeler J A. Compression of Straw to High
Densities in Closed Cylindrical Dies[J]. Agric.Engng.Res., 1984,
29(1):61-72.
[本文编校:吴 毅 ]
[9] 赵运林 ,喻勋林 ,傅晓华 ,等 .湖南药用植物资源 [M].湖南 :
湖南科学出版社 ,2009.
[10] 钱正强 ,周金江 ,杨明挚 .不同年龄香桂叶精油含量及成分差
异分析 [J].云南大学学报 (自然科学版 ),2009,31(s2):464-467.
[11] 尹礼国 ,卿海军 ,曾林久 ,等 .三种方法制备的岩桂叶精油
(浸膏 )的分析 [J].林产化学与工业 ,2009,29(6):69-72.
[12] 刘志超 .岩桂叶精油蒸馏出油率及化学成分变化的研究 [J].
林产化学与工业 ,1995,15(1):59-62.
[13] 王 霞 ,吴玉娥 ,颜 洁 ,等 .超声波 -微波辅助柠檬酸催化
纤维素水解条件 [J].化工进展 ,2014,33(3):634-637.
[14] Yang G E, Wang G W, Li X Z, et al. Study on New Extraction
Technology and Chemical Composition of Litsea Cubeba
Essential Oil[J]. The Ope n Materials Science Journal, 2011(5):
93-99.
[15] Chen Y Y, Gu X H, Huang SQ,etal. Optimization of ultrasonic/
microwave assisted extraction (UMAE) of polysaccharides from
Inonotus obliquus and evaluation of its anti-tumor activities[J].
International Journal of Biological Macromolecules, 2010, 46(4):
429-435
[16] Wang P, Ma C Y, Chen S W,etal. Ionic Liquid-Based Ultrasonic/
Microwave-Assisted Extraction of Steroidal Saponins from
Dioscorea zingiberensis C. H. Wright[J]. Tropical Journal of
Pharmaceutical Research, 2014,13(8):1339-1345.
[17] 韩艳利 ,旷春桃 ,李湘洲 ,等 .用不同方法提取山苍子油的比
较研究 [J].中南林业科技大学学报 , 2013,33(11):175-178.
[18] V. S. Morozova, S. A. Eremina, P. N. Nesterenko,etal. Microwave
and Ultrasonic Extraction of Chlorophenoxy Acidsfrom
Soil and Their Determination by Fluorescence Polarization
Immunoassay[J]. Journal of Analytical Chemistry, 2008,63(2):
127-134.
[19] Alev Emine İNCE, Serpil ŞAHİN, Servet Gülüm ŞÜMN.
Extraction of phenolic compounds from melissa using microwave
and ultrasound[J].Turkish Journal of Agriculture and Forestry,
2013, 37(1):69-72.
[20] 俞志雄 ,杨贤辉 ,李晓芳 ,等 .细叶香桂叶油的化学成分 [J].
江西农业大学学报 ,1998,20(3):361-364.
[21] 周荣琪 .天然香料分离技术的研究 [J].化工进展 ,1995(6):
21-24.
[22] 吉 礼 ,车振明 ,黄伟 ,等 .水蒸汽蒸馏法提取橙皮精油的研
究 [J].食品研究与开发 , 2008,29(4):92-94.
[23] 彭 滨 ,朱自强 ,李继胜 ,等 .柑桔皮中提取香精油联产果胶
的研究之一 [J].五邑大学学报 (自然科学版 ), 2000,14(2):77-79.
[本文编校:吴 毅 ]
(上接第 128页)