响应面法优化竹叶精油的微波辅助提取工艺

杨 兰，吴 肖，甘 羿

(1.广东轻工职业技术学院，广东广州510300;2.广东汇香源生物科技股份有限公司，广东广州510663)

响应面法优化竹叶精油的微波辅助提取工艺

杨 兰1，吴 肖2，甘 羿2

(1.广东轻工职业技术学院，广东广州510300;2.广东汇香源生物科技股份有限公司，广东广州510663)

目的:探讨通过微波辅助水蒸汽蒸馏法提取竹叶精油的工艺。方法:考察液固比、辐射功率、辐射时间等单因素对精油提取率的影响，并用响应面法进行优化，再对优化方案进行验证。结论:液固比30∶1，辐射功率560W，辐射时间280s。结果:此条件下竹叶精油提取率可达0.589%。

竹叶精油，微波辅助提取，响应面分析法

Abstract:Object:the optimization of extraction conditions for essential oil from bamboo leaves were studied.Method:Effects of ratio of liquid－to－solid，microwave power and irradiation time were investigated.Results:Results of response surface analysis showed that the optimum conditions were as follows:the ratio of liquid－to－solid was 30∶1，microwave power was 560W and irradiation time was 280s.Conclusion:The highest extraction rate of 0.589%was obtained.

Key words:essential oil from bamboo leaves;microwave－assisted extraction;response surface analysis

竹子是禾本科(Poaceae)竹亚科(Bambusoidae)多年生常绿植物，全世界约有65属1250多种，主要分布于亚洲。中国素有“竹子王国”之称，种类、面积和竹材产量均占世界1/3左右［1］。日本的柴田等［2］对竹叶提取物进行的药理学研究表明，竹叶提取物对食道、膀胱、肾脏、肺、肝和子宫癌的疗效显著。而韩国学者Sook［3］的研究结果则表明，毛竹叶精油对革兰氏阴性菌的抑制作用优于其对革兰氏阳性菌的抑制作用。近年来，享有“液体黄金”美誉之称的天然什物精油已被广泛用于医疗保健、化妆美容、食品工业等方面［4］，为此加大力度开发我国丰富的竹叶资源、提高其附加价值，尤其是竹叶精油具有十分重要的意义。常用的传统精油提取方法是水蒸汽蒸馏或结合有机溶剂萃取的方法来获取精油，提取过程中要使用大量的有机溶剂，不但增加了生产成本，而且还带来了脱除溶剂、污染环境等许多问题［5］。微波辅助提取技术由于其选择性高、耗时少、能耗低、设备投资低等优点已成为目前国内外天然产物提取的研究热点［6］。因此，在本次研究中采用微波辅助水蒸汽蒸馏法(Microwave－assisted hydrodistillation)提取竹叶中的精油，并借助SAS 9.1.3软件，采用中心组合实验设计原理，以竹叶精油的提取率为考察指标，对液固比、微波功率、辐射时间之间的交互作用进行研究，得出提取竹叶精油的最佳工艺参数，以期为竹叶资源的利用、竹叶精油提取的研究提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

慈竹叶 采自四川省梁平县农村。

NJL07－3实验专用微波炉 南京杰全微波设备有限公司;HSG－ⅡB－6电热恒温水浴锅 上海仪表集团;101A－2数显电热鼓风干燥箱 上海浦东跃欣科学仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 提取流程 慈竹叶→烘干→粉碎→过筛→浸提→微波辐射→蒸馏→收集→分离→精油

1.2.2 操作要点 将慈竹叶在研磨机中磨碎后，过40目筛，按不同比例加入水，在40℃条件下，浸泡30min，在不同功率下进行微波辐射处理不同时间，然后加入少量的沸石，于水蒸汽蒸馏4h后停止加热。待提取液静置分层后，收集上层精油。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 不同液固比对慈竹叶精油提取率的影响选取经烘干、粉碎、过筛后的慈竹叶，加入不同量的水至液固比分别为 10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1，40℃恒温浸泡30min，经辐射功率为480W，辐射时间为225s后，用水蒸汽蒸馏4h，待提取液静置分层后，收集上层精油，计算精油提取率。

1.2.3.2 不同微波辐射功率对慈竹叶精油提取率的影响 选取经烘干、粉碎、过筛后的慈竹叶，加入水至液固比为30∶1，40℃恒温浸泡30min，选取辐射功率分别为 210、320、480、640、750W，经辐射时间为225s后，用水蒸汽蒸馏4h，待提取液静置分层后，收集上层精油，计算精油提取率。

1.2.3.3 不同微波辐射时间对慈竹叶精油提取率的影响 选取经烘干、粉碎、过筛后的慈竹叶，加入水至液固比为30∶1，40℃恒温浸泡30min，在辐射功率480W 下，分别经辐射时间 75、150、225、300、375s后，用水蒸汽蒸馏4h，待提取液静置分层后，收集上层精油，计算精油提取率。

1.2.4 工艺条件的优化 采用响应面分析法，进行中心组合实验设计原理，以竹叶精油的提取率为响应值，选用液固比、辐射功率、辐射时间为变量，选用二次回归方程，进行精油提取工艺条件的优化。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 不同液固比对慈竹叶精油提取率的影响 因为水是介电常数较大的物质，能够有效地吸收微波能，产生温度差［7］，所以在微波辅助提取过程中，水量会影响提取效果。从图1可见，随着水量的增大，提取率呈现先增大后变化平缓的趋势，可能是随着水量增加，精油与水接触面处的浓度差增大，有利于精油的扩散和溶解，从而提高传质速率。液固比为30∶1时，提取率达最大。但当加水量进一步增大至40∶1、50∶1 时，提取率变化趋势平缓。

图1 不同液固比对提取率的影响

2.1.2 不同辐射功率对慈竹叶精油提取率的影响不同植物的精油不同，要求微波提取时微波的功率也要有所不同。微波辐射功率的选择以最有效地提取目标物为原则，一般所选的辐射功率在200～1000W之间，功率不宜过大，否则易引起体系过热，导致控温不准，甚至发生危险［8］。如图2所示，在辐射功率320～640W范围内，对提取率的提高作用较明显。

图2 不同辐射功率对提取率的影响

2.1.3 不同辐射时间对慈竹叶精油提取率的影响辐射时间对慈竹叶精油的提取也有影响，时间太短，则效果不明显，时间太长，则可能导致挥发油不稳定成分的降解。如图3所示，随着辐射时间的增加，提取率也逐渐增大，在225s时达最大值，其后提取率出现下降的趋势。

图3 不同辐射时间对提取率的影响

2.2 响应面优化提取工艺

2.2.1 工艺优化方案 根据单因素实验所得结果，选取液固比、辐射功率、辐射时间三个因素进行中心组合。设定三因素的取值范围:液固比20∶1～30∶1，辐射功率320～640W，辐射时间225～375s，以慈竹叶精油提取率为标准进行响应面分析，实验结果如表1所示。

表1 工艺优化的中心组合设计及实验结果

2.2.2 优化方案对慈竹叶精油提取率的影响 根据实验结果建立的数学模型为:

提取率=0.53+0.044A+0.053B－0.017C+7.851×10－3AB－6.875 ×10－3AC+0.020BC+2.340 ×10－3A2－0.055B2－0.034C2

式中:A为液固比，B为辐射功率，C为辐射时间。

对此模型进行方差分析及显著性检验，结果如表2、表3所示。

表2 提取率二次多项模型方差分析

表3 提取率模型方程系数显著性检验

由表3可以看出，在α=0.01水平时，模型回归显著(P＜0.05)。从表3可知，A、B、AC为显著性影响因素，在各影响因素中，微波功率(B)对提取率的影响最大，其次是液固比(A)。

根据模型方程做响应面，如图4～图6所示，通过该组动态图可评价诸因素之间对提取率的影响作用，同时可确定各因素的最佳水平及组合。

图4 液固比和辐射功率交互影响提取率的曲面图

图5 辐射功率和辐射时间交互影响提取率的曲面图

2.2.3 方案的优化及验证 将提取率设定为最大值，软件给出的最优配方为:液固比30.00∶1，辐射功率562.34W，辐射时间 284.66s，其理论提取率为0.594%。为了实际操作的可行性及简化工艺，将优化工艺修正为:液固比30∶1，辐射功率560W，辐射时间280s，根据修正后的最优配方进行实验验证，其提取率为0.589%。

图6 辐射时间和液固比交互影响提取率的曲面图

3 结论

本文对采用微波辅助水蒸汽蒸馏法提取慈竹叶的精油，考察了液固比、辐射功率及辐射时间对提取率的影响。主要结论如下:

3.1 通过单因素实验，得出提取过程中三因素的合适范围:液固比 20∶1～30∶1，辐射功率 320～640W，辐射时间 225～375s。

3.2 采用响应曲面设计优化了提取工艺。方差分析表明，辐射功率、液固比对提取率的影响较显著(P＜0.05)。软件给出最优工艺为:液固比30.00∶1，辐射功率562.34W，辐射时间284.66s，其理论提取率为0.594%。验证实验中液固比30∶1，辐射功率560W，辐射时间280s，提取率为0.589%。与理论最优配方基本一致。

［1］杨兰，白勇.竹叶黄酮类化合物的研究［J］.食品研究与开发，2002，23(5):23－25.

［2］柴田丸，山竹美和，坂本満夫，等.クマ笹の薬理学的研究［J］.日薬理誌，1975，71:481－490.

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［8］Liompart M P，Lorenzo R A，Cela R，et al.Evaluation of supercritical fluid extraction，microwave－ assisted extraction and sonication in the determination of some phenolic compounds from various soil matrices［J］.Journal of Chromatography A，2007，774(1):243－251.

Study on optimization of microwave－assisted extraction process for essential oil from bamboo leaves

YANG Lan1，WU Xiao2，GAN Yi2
(1.Guongdong Light Industry College of Technology，Guangzhou 510300，China;2.Guangdong H－Bio Biotech Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，China)

TS201.1

B

1002－0306(2010)08－0280－03

2010－05－11

杨兰(1974－)，女，在读博士研究生，讲师，研究方向:食品生物技术与调味品工艺技术。