响应面法优化水蒸气蒸馏提取牡丹根皮挥发油工艺＊

李星元，王 正，赵 奎，梁旭华

（商洛学院 生物医药与食品工程学院，陕西 商洛726000）

1 引言

牡丹皮为毛茛科植物牡丹的干燥根皮，药用历史悠久，药性微寒，味辛、苦，归心、肝、肾经，具清热凉血，活血化瘀之功效，还有抗肿瘤、抗心律失常、增强免疫力和保护脑组织缺血的作用[1-2]。牡丹皮的药用成分为挥发油，主要含萜类、烷烃、烯烃、醇类、酯类、含羟基类和羧基类物质，具有抗炎、抗过敏、抗微生物、抗癌、酶抑制等多种生物活性，在医药化学、食品、化妆品等行业广泛应用[3]。挥发油具有特殊香味，提取后的挥发油呈淡黄色油状液体，常温下可挥发，可依据香味来评价提取品质。

国内外对挥发油的提取方法和工艺进行了大量探索，开发出水蒸气蒸馏法、溶剂萃取法、超声波辅助提取法等经典提取方法。姚琰[4]采用共水蒸馏法、间接水蒸气蒸馏法、超临界CO2萃取法等不同方法对牡丹挥发油进行提取，结果证明水蒸气蒸馏法最终挥发油得率高，且实验操作简便、重复性好。尽管如此，由于挥发油成分复杂，各种提取方法对不同挥发油的提取在工艺上也存在较大区别。

本课题研究拟采用水蒸气蒸馏法提取牡丹根皮中的挥发油，并采用响应面法对提取工艺进行优化，以牡丹根皮挥发油提取率作为曲面实验中的响应值，对水蒸气蒸馏法提取牡丹根皮挥发油的最佳提取工艺进行了探索。

2 材料与方法

2.1 材料与试剂

牡丹根皮，由商洛市旭初农林开发有限公司提供；乙醇、硫酸钠等试剂均为国产分析纯，购自西安天易化玻试剂有限公司；去离子水为实验室自制。

实验所用到的材料如下：KDM 型可调式电热套（江苏其乐电子科技有限公司）、KQ-250E 型超声波清洗机（昆山市超声仪器有限公司）、S-114 型电子天平（丹佛仪器北京有限公司）、DHG-9123A 型电热恒温鼓风干燥箱（上海齐欣科学仪器有限公司）、GG-17 型挥发油提取器（清扬仪器有限公司）。

2.2 水蒸气蒸馏法提取牡丹根皮挥发油

准确称取40 g 牡丹根皮粉末，置于1 L 的圆底烧瓶中，加入适量人造沸石，按单因素实验设计的料液比加入蒸馏水，浸泡4 h，转移至电热套进行加热，同时进行冷凝回流。在分离器刻度管中加入蒸馏水与刻度线齐平，水蒸气随着沸腾进入冷凝管冷却，随后进入油水分离器，进行油水分离。将获得的挥发油收集在一起，利用微量进样器吸出精油底部的水珠，将上述精油通过装有Na2SO4的干燥器将得到纯精油，测量其体积，利用挥发油密度得出挥发油质量后转入精油瓶，并保存备用。利用挥发油的质量和原料的比值计算挥发油提取率[5]。

2.3 单因素实验

2．3．1 液料比对挥发油提取率的影响

准确称取40 g 牡丹根皮粉末分别置于5 个1 000 mL 的圆底烧瓶中，在提取时间4 h、提取温度100 ℃的条件下，确定液料比为（V水∶V丹皮）2，4，6，8，10 等与牡丹根皮挥发油得率的关系，考察液料比对精油得率的影响，确定最优液料比的区间。

2．3．2 提取时间对挥发油提取率的影响

准确称取40 g 牡丹根皮粉末分别置于5 个1 000 mL 的圆底烧瓶中，在液料比为4、提取温度100 ℃的条件下，确定提取时间为1 h、2 h、4 h、6 h、8 h 等与牡丹根皮挥发油得率的关系，考察提取时间对精油得率的影响，确定最优提取时间的区间。

2．3．3 提取温度对挥发油提取率的影响

准确称取40 g 牡丹根皮粉末分别置于5 个1 000 mL 的圆底烧瓶中，在液料比为4、提取时间4 h 的条件下，确定提取温度为80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃等与牡丹根皮挥发油得率的关系，考察提取温度对精油得率的影响，确定最优提取温度的区间。

2.4 响应面试验设计

采用响应面法对提取工艺进行优化，以挥发油提取率为曲面实验的响应值，依据单因素实验所得出来的结果，选取液料比、提取时间、提取温度这3 个主要影响因素作为自变量，进行中心组合设计（CCD），并对牡丹根皮挥发油的提取工艺进行优化，按照相同条件做3 次实验进行对照，因素水平如表1 所示。

表1 响应面实验因素水平表

3 结果与分析

3.1 单因素分析

3．1．1 液料比对牡丹根皮挥发油提取率的影响

不同液料比对牡丹根皮挥发油提取率的影响如表2所示。

表2 不同液料比条件下的挥发油提取率

由表2 可知，当液料比从2∶1 增加到4∶1 时，挥发油的出油率不断上升，而在液料比超过4∶1 时，挥发油的得率却随着液料比的增大而下降。其原因可能是液料比较小时，材料浸泡不完全，同时，材料吸收提取液导致表面温度比提取环境温度高，而使挥发油出油率降低；而液料比过大，溶于水中的挥发油的量就会增加，使出油率下降，这样会浪费材料。因此，挥发油合适的液料比范围为2～6。

3．1．2 提取时间对牡丹根皮挥发油提取率的影响

不同提取时间条件下的挥发油提取率如表3 所示，提取时间在4 h 之前，挥发油得率随着提取时间的推移而提升；而当提取时间到4 h 以后，出油率反而下降，这是因为牡丹根皮挥发油已基本被蒸馏出来，再延长提取时间，牡丹根皮挥发油提取率不会提升，反而会下降。因为牡丹根皮挥发油是容易挥发的物质，长时间提取会导致挥发油的挥发而使挥发油损失，而且还会增加生产成本，而短时间提取使挥发油提取不完全。本实验挥发油提取时间的合适范围为2～6 h。

表3 不同提取时间条件下的挥发油提取率

3．1．3 提取温度对牡丹根皮挥发油提取率的影响

不同提取温度条件下的挥发油提取率如表4 所示。当提取温度范围在80～100 ℃时，随着提取温度升高，牡丹根皮挥发油提取率也随之上升；在90～100 ℃时提取率上升幅度最大；在提取温度到达100 ℃时，提取率达到最大，而在温度超过100 ℃后提取率反而随着温度的升高而不断降低。这是因为温度过低达不到溶剂的沸点，不能使溶于其中的挥发油挥出，使出油率变低；而温度过高会使挥发油不断挥发，同样会影响挥发油提取率。本实验中牡丹根皮挥发油提取温度的范围为90～110 ℃。

表4 不同提取温度条件下的挥发油提取率

3.2 响应面实验结果及曲面分析

根据实验数据，软件最终得到的3D 响应面图及等高线图如图1、图2、图3 所示，响应面可以很直观地反映出提取温度、液料比、提取时间对牡丹根皮挥发油提取率的影响。在测试范围内，随着3 个因素所起的作用增大（变化），挥发油得率呈现出先增高后降低的趋势，表明提取温度、液料比、提取时间在测试范围内具有相互影响作用。

图1 提取时间和料液比对挥发油提取率的影响

图2 提取温度和料液比对挥发油提取率的影响

图3 提取温度和提取时间对挥发油提取率的影响

响应面曲面斜率越大说明对应的因素对提取影响越显著，综合观察发现，提取温度对挥发油提取影响最大，液料比次之。运用Design-expert 软件对模拟模型进行预测，得出红挥发油提取最佳工艺为：提取温度100 ℃、液料比4∶1、提取时间4 h。在此条件下，挥发油得率为2.12%，实际值与理论值基本相符，说明模型对牡丹根皮挥发油提取工艺条件参数优化可行。

4 结论

本实验通过采用水蒸气蒸馏法对牡丹根皮挥发油进行提取，并利用响应面分析法进行优化，得到牡丹根皮挥发油的最佳提取工艺条件液料比为4∶1、提取温度为100 ℃、提取时间为4 h，在该条件下牡丹根皮挥发油提取率达到2.12%。相比于武子敬等人[6]提取所得的0.5%的挥发油得率，本研究的最终挥发油得率大大提高，而且水蒸气蒸馏法容易操作，本实验对其进行优化，提升了该方法的挥发油得率，使其可以得到广泛应用，为将来丹皮药材的开发利用提供了有效数据。