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）

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）

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%。

超声-微波协同萃取；香桂叶油；正交实验法；提取率

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

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

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。

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

2.1.3 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。

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

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。

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

2.1.5 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。

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

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

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%。

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

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。

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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)

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%. Ultrasonicmicrowave 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.

ultrasonic-microwave synergistic extraction; Cinnamomum petrophilum leaves oil; orthogonal array design; extraction yield

S727.32

A

1673-923X(2016)11-0125-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.022

2015-03-16

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）

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

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.

[本文编校：吴 毅]