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摘 要 以花叶艳山姜叶片为材料，采用水蒸气蒸馏法，对其精油提取工艺进行优化。通过对蒸馏时间、浸泡时间、料液比和氯化钠浓度4个因素进行单因素试验和正交试验。结果表明，各因素对精油得率都有影响，影响大小顺序为：蒸馏时间>料液比>氯化钠浓度>浸泡时间。同时确定了最优提取工艺条件为蒸馏时间1.5 h、料液比1 ∶ 6、浸泡时间30 min和氯化钠浓度1.5%，在此条件下精油得率为0.216%。
关键词 花叶艳山姜；精油；水蒸气蒸馏；工艺优化
中图分类号 Q946.85；S682.36 文献标识码 A
植物精油是一类植物次生代谢产物的萃取物，可随水蒸气蒸出。许多植物精油及其成分除具香气外，还有抗癌、抗炎症、抗病毒、抗氧化、抗真菌和抗虫等多种生物活性[1-8]，被广泛应用于医疗保健、果蔬保鲜、日化工业和农业等多个领域，具有极高的应用价值。
花叶艳山姜（Alpinia zerumbet‘Variegata’）是姜科（Zingiberaceae）山姜属（Alpinia）植物。花叶艳山姜是艳山姜的主要园艺栽培品种，据报道艳山姜叶片精油具有多种生物活性[9-14]，但关于花叶艳山姜叶片精油的研究极少。花叶艳山姜叶片具有抗氧化和抑菌活性[15-16]，并具独特香气，适应性强，资源丰富，可作为提取植物精油的优选材料。花叶艳山姜叶片精油具有广阔的开发前景，不仅可应用于化妆品领域，并还有望应用于其它许多领域，因此对其进行提取并加以研究利用具有重要的实用意义。但目前花叶艳山姜主要作为观赏之用，对其利用非常有限，造成了资源的严重浪费。
精油提取最传统的方法是水蒸气蒸馏法，此外还有溶剂萃取法、微波萃取法、超临界萃取法等。相较于其它方法，水蒸气蒸馏法以蒸馏水为溶剂，安全环保成本低廉，设备简易、操作简单，易于工艺条件放大，利于实际生产转化。本研究选取花叶艳山姜叶片为材料，并采用水蒸气蒸馏法对其进行精油提取工艺的优化，以期为其进一步开发应用奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料、试剂与仪器
试验材料：新鲜花叶艳山姜叶片取自福建农林大学，选取新鲜无病叶片洗净，晾干叶片表面水分，剪碎，置于-20 ℃条件下保存备用。
试验试剂：氯化钠（分析纯级）。
试验仪器：精油提取器（上海满贤经贸有限公司）；CP2102电子天平（OHAUS公司）；98-1-B电子调温电热套（天津市泰斯特仪器有限公司）。
1.2 方法
1.2.1 精油提取方法 取100 g处理好的花叶艳山姜叶片于圆底烧瓶中，依据试验条件加入一定量的蒸馏水及氯化钠，浸泡，于精油提取器中蒸馏提取，提取完成后静置，待读数稳定后读取精油体积读数，计算得率。每个试验重复3次。
精油得率=×100%
1.2.2 单因素试验 选取蒸馏时间、料液比、浸泡时间和氯化钠浓度4个因素进行单因素试验，按1.2.1方法进行提取，并以精油得率为指标进行考察。其中蒸馏时间选取0.25、0.5、1、2、3、4、5 h等7个水平，料液比选取1 ∶ 4、1 ∶ 5、1 ∶ 6、1 ∶ 7、1 ∶ 8 5个水平，浸泡时间选取0、30、60、90、120 min 5个水平，氯化钠浓度选取0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 5个水平。
1.2.3 正交试验 在单因素试验基础上，设计L9（34）正交表进行正交试验，进一步优化提取工艺。
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果与分析
2.1.1 蒸馏时间对精油得率的影响 不同蒸馏时间处理，在前4 h内，随着蒸馏时间的延长，花叶艳山姜叶片精油得率也随之增高，并在4 h时达到最高；但蒸馏时间5 h得率反而下降。前4 h内随着蒸馏时间的延长，叶片中所含精油被逐渐提取完全，故得率上升；而之后更长时间的高温蒸馏可能导致成分挥发损失增加或某些成分的破坏，故其得率又下降。
2.1.2 浸泡时间对精油得率的影响 固定其它提取条件，考察不同浸泡时间对花叶艳山姜叶片精油得率的影响。随着浸泡时间的延长，花叶艳山姜叶片精油得率先升后降，在浸泡时间30 min时得率达到最高，之后随着浸泡时间的延长，精油得率逐渐降低；并在浸泡120 min时与浸泡30 min结果差异显著不同浸泡时间下花叶艳山姜叶片精油得率先升后降的可能原因是：一定时间（前30 min内）的浸泡有利细胞内外溶液的动态交换，从而有利精油提取；但更长时间的浸泡可能引起部分精油成分的挥发或水解[17]，造成得率的下降。
2.1.3 料液比对精油得率的影响 固定其它提取条件，考察不同料液比对花叶艳山姜叶片精油得率的影响。结果表明，随着料液比的增大，精油得率逐渐增加；料液比1 ∶ 4时精油得率最低，并与料液比1 ∶ 7和1 ∶ 8的得率差异显著。随着料液比的增大，增多的溶剂降低了精油浓度，增加了两者的接触面积，提高了传质速率[18]，利于精油提取，从而增加精油得率；这可能是花叶艳山姜叶片精油得率随料液比增大而升高的原因。
2.1.4 氯化钠浓度对精油得率的影响 不同氯化钠浓度下花叶艳山姜叶片精油得率结果显示，在0～1.5%氯化钠浓度范围内，花叶艳山姜叶片精油得率逐渐增大，在1.5%浓度时得率最大，并与0和0.5%浓度的得率差异显著；而之后氯化钠浓度继续增加，精油得率反而有所下降。一定浓度的氯化钠溶液一方面可改变叶片细胞渗透压，促进细胞内精油释放到溶液中，另一方面还可降低精油在水中的溶解度[19]，因此有利于精油提取，故在0～1.5%氯化钠浓度范围内花叶艳山姜叶片精油得率逐渐升高。但过高浓度的氯化钠溶液可能使胞内其它物质过多释放到溶液中，一定程度上阻滞了精油的提取，故精油得率又下降。
2.2 正交试验结果与分析 在单因素试验的基础上，采用正交试验对花叶艳山姜叶片精油提取工艺进一步优化，以确定其在试验范围内的最佳工艺条件。根据单因素试验结果，精油得率在蒸馏0.5 h后增加不显著，且长时间的蒸馏不仅耗电而且可能造成某些成分的破坏，从经济省时角度出发，选取0.5、1、1.5 h 3个水平继续条件优化。料液比1 ∶ 5之后，精油得率之间差异不显著，过高的料液比不仅浪费水资源且蒸馏过程易暴沸，因此本着节约易行的原则，正交试验选取料液比1 ∶ 5、1 ∶ 6和1 ∶ 7 3个水平。试验结果表明，在9组试验中，2号试验精油得率最高为0.216%，其组合为A1B2C2D2即蒸馏时间1.5 h、料液比1 ∶ 6、浸泡时间30 min和1.5%氯化钠是几组试验中的最优条件；而从每列K值大小预测本试验的最优组合为A1B2C2D2，这与2号试验结果相符，说明A1B2C2D2组合是本试验考察范围内的最优条件（表2）。极差（R）结果为RA>RB>RD>RC，表明这4个因素对花叶艳山姜叶片精油得率的影响程度不同，其影响大小顺序为：蒸馏时间>料液比>氯化钠浓度>浸泡时间。可见，蒸馏时间对精油得率影响尤为关键，其次是料液比，而浸泡时间影响较小。
3 讨论与结论
许多植物叶片精油往往需要较长时间的浸泡和蒸馏才能提取完全，戴余军等[19]对香柏叶片精油提取工艺进行研究发现，其最佳提取工艺中浸泡时间为6 h，明显高于本研究最佳浸泡时间（30 min）。马尾松松针精油得率在蒸馏3 h后变化不明显[17]，而花叶艳山姜叶片精油得率在蒸馏0.5 h时为0.191%，已达蒸馏4 h时（0.213%）的89.67%，且之后得率增加不显著。这可能与花叶艳山姜叶片所含精油成分沸点较低，易在短时间内被蒸馏挥发而提取有关。两者叶片结构的差异也可能导致所需提取时间不同。此外，本研究在处理材料时将其剪碎，受损的叶片细胞可能利于精油释放到溶液中而被快速提取。
本研究中最优氯化钠溶液浓度为1.5%，而香柏叶片精油提取中4%的氯化钠浓度最优[19]。氯化钠在精油提取中可通过增加离子浓度改变细胞渗透压从而促进精油渗出，此外还可增加溶液浓度降低精油溶解度以利提取。不同植物细胞耐盐力不同，因此利于精油渗出的氯化钠浓度也有所不同，这可能是导致花叶艳山姜与香柏叶片精油提取最优氯化钠浓度差异的原因。由于氯化钠在精油提取中的主要作用是增加离子浓度，因此也可选用其它添加剂作为离子来源如氯化钾、氯化钙等。彭黎花等[20]通过添加不同化合物（氯化钠、氯化钙、氯化钾等）研究其对柑橘精油出油率的影响，结果表明氯化钠效果最优。可见氯化钠对精油提取增效好，且其价廉易得，因此最常作为精油提取的离子添加剂。除了本研究所选取的各因素外，其它因素如材料的破碎程度、叶片的老嫩程度和材料的产地等也会对精油得率产生影响，这些因素可作为今后进一步优化花叶艳山姜叶片精油提取工艺的考察条件。
通过优化，本研究确定了在考察范围内花叶艳山姜叶片精油的最优提取条件为蒸馏时间1.5 h、料液比1 ∶ 6、浸泡时间30 min和1.5%氯化钠浓度，在此条件下得率为0.216%。本研究结果可为花叶艳山姜叶片精油进一步开发利用奠定基础，具有重要的理论及实际应用意义。
参考文献
[1] Oyemitan I A， Elusiyan C A， Akanmu M A， et al. Hypnotic， anticonvulsant and anxiolytic effects of 1-nitro-2-phenylethane isolated from the essential oil of Dennettia tripetala in mice[J]. Phytomedicine， 2013， 20（14）： 1 315-1 322.
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[12] Araújo F Y R D， Silva M I G， Moura B A， et al. Central nervous system effects of the essential oil of the leaves of Alpinia zerumbet in mice[J]. Journal of Pharmacy and Pharmacology， 2009， 61（11）： 1 521-1 527.
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[20] 彭黎花， 何 玲， 杨 飞， 等. 微波-水蒸气法提取柑橘精油的研究[J]. 林业实用技术， 2011， （5）： 60-61.
责任编辑：叶庆亮
关键词 花叶艳山姜；精油；水蒸气蒸馏；工艺优化
中图分类号 Q946.85；S682.36 文献标识码 A
植物精油是一类植物次生代谢产物的萃取物，可随水蒸气蒸出。许多植物精油及其成分除具香气外，还有抗癌、抗炎症、抗病毒、抗氧化、抗真菌和抗虫等多种生物活性[1-8]，被广泛应用于医疗保健、果蔬保鲜、日化工业和农业等多个领域，具有极高的应用价值。
花叶艳山姜（Alpinia zerumbet‘Variegata’）是姜科（Zingiberaceae）山姜属（Alpinia）植物。花叶艳山姜是艳山姜的主要园艺栽培品种，据报道艳山姜叶片精油具有多种生物活性[9-14]，但关于花叶艳山姜叶片精油的研究极少。花叶艳山姜叶片具有抗氧化和抑菌活性[15-16]，并具独特香气，适应性强，资源丰富，可作为提取植物精油的优选材料。花叶艳山姜叶片精油具有广阔的开发前景，不仅可应用于化妆品领域，并还有望应用于其它许多领域，因此对其进行提取并加以研究利用具有重要的实用意义。但目前花叶艳山姜主要作为观赏之用，对其利用非常有限，造成了资源的严重浪费。
精油提取最传统的方法是水蒸气蒸馏法，此外还有溶剂萃取法、微波萃取法、超临界萃取法等。相较于其它方法，水蒸气蒸馏法以蒸馏水为溶剂，安全环保成本低廉，设备简易、操作简单，易于工艺条件放大，利于实际生产转化。本研究选取花叶艳山姜叶片为材料，并采用水蒸气蒸馏法对其进行精油提取工艺的优化，以期为其进一步开发应用奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料、试剂与仪器
试验材料：新鲜花叶艳山姜叶片取自福建农林大学，选取新鲜无病叶片洗净，晾干叶片表面水分，剪碎，置于-20 ℃条件下保存备用。
试验试剂：氯化钠（分析纯级）。
试验仪器：精油提取器（上海满贤经贸有限公司）；CP2102电子天平（OHAUS公司）；98-1-B电子调温电热套（天津市泰斯特仪器有限公司）。
1.2 方法
1.2.1 精油提取方法 取100 g处理好的花叶艳山姜叶片于圆底烧瓶中，依据试验条件加入一定量的蒸馏水及氯化钠，浸泡，于精油提取器中蒸馏提取，提取完成后静置，待读数稳定后读取精油体积读数，计算得率。每个试验重复3次。
精油得率=×100%
1.2.2 单因素试验 选取蒸馏时间、料液比、浸泡时间和氯化钠浓度4个因素进行单因素试验，按1.2.1方法进行提取，并以精油得率为指标进行考察。其中蒸馏时间选取0.25、0.5、1、2、3、4、5 h等7个水平，料液比选取1 ∶ 4、1 ∶ 5、1 ∶ 6、1 ∶ 7、1 ∶ 8 5个水平，浸泡时间选取0、30、60、90、120 min 5个水平，氯化钠浓度选取0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 5个水平。
1.2.3 正交试验 在单因素试验基础上，设计L9（34）正交表进行正交试验，进一步优化提取工艺。
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果与分析
2.1.1 蒸馏时间对精油得率的影响 不同蒸馏时间处理，在前4 h内，随着蒸馏时间的延长，花叶艳山姜叶片精油得率也随之增高，并在4 h时达到最高；但蒸馏时间5 h得率反而下降。前4 h内随着蒸馏时间的延长，叶片中所含精油被逐渐提取完全，故得率上升；而之后更长时间的高温蒸馏可能导致成分挥发损失增加或某些成分的破坏，故其得率又下降。
2.1.2 浸泡时间对精油得率的影响 固定其它提取条件，考察不同浸泡时间对花叶艳山姜叶片精油得率的影响。随着浸泡时间的延长，花叶艳山姜叶片精油得率先升后降，在浸泡时间30 min时得率达到最高，之后随着浸泡时间的延长，精油得率逐渐降低；并在浸泡120 min时与浸泡30 min结果差异显著不同浸泡时间下花叶艳山姜叶片精油得率先升后降的可能原因是：一定时间（前30 min内）的浸泡有利细胞内外溶液的动态交换，从而有利精油提取；但更长时间的浸泡可能引起部分精油成分的挥发或水解[17]，造成得率的下降。
2.1.3 料液比对精油得率的影响 固定其它提取条件，考察不同料液比对花叶艳山姜叶片精油得率的影响。结果表明，随着料液比的增大，精油得率逐渐增加；料液比1 ∶ 4时精油得率最低，并与料液比1 ∶ 7和1 ∶ 8的得率差异显著。随着料液比的增大，增多的溶剂降低了精油浓度，增加了两者的接触面积，提高了传质速率[18]，利于精油提取，从而增加精油得率；这可能是花叶艳山姜叶片精油得率随料液比增大而升高的原因。
2.1.4 氯化钠浓度对精油得率的影响 不同氯化钠浓度下花叶艳山姜叶片精油得率结果显示，在0～1.5%氯化钠浓度范围内，花叶艳山姜叶片精油得率逐渐增大，在1.5%浓度时得率最大，并与0和0.5%浓度的得率差异显著；而之后氯化钠浓度继续增加，精油得率反而有所下降。一定浓度的氯化钠溶液一方面可改变叶片细胞渗透压，促进细胞内精油释放到溶液中，另一方面还可降低精油在水中的溶解度[19]，因此有利于精油提取，故在0～1.5%氯化钠浓度范围内花叶艳山姜叶片精油得率逐渐升高。但过高浓度的氯化钠溶液可能使胞内其它物质过多释放到溶液中，一定程度上阻滞了精油的提取，故精油得率又下降。
2.2 正交试验结果与分析 在单因素试验的基础上，采用正交试验对花叶艳山姜叶片精油提取工艺进一步优化，以确定其在试验范围内的最佳工艺条件。根据单因素试验结果，精油得率在蒸馏0.5 h后增加不显著，且长时间的蒸馏不仅耗电而且可能造成某些成分的破坏，从经济省时角度出发，选取0.5、1、1.5 h 3个水平继续条件优化。料液比1 ∶ 5之后，精油得率之间差异不显著，过高的料液比不仅浪费水资源且蒸馏过程易暴沸，因此本着节约易行的原则，正交试验选取料液比1 ∶ 5、1 ∶ 6和1 ∶ 7 3个水平。试验结果表明，在9组试验中，2号试验精油得率最高为0.216%，其组合为A1B2C2D2即蒸馏时间1.5 h、料液比1 ∶ 6、浸泡时间30 min和1.5%氯化钠是几组试验中的最优条件；而从每列K值大小预测本试验的最优组合为A1B2C2D2，这与2号试验结果相符，说明A1B2C2D2组合是本试验考察范围内的最优条件（表2）。极差（R）结果为RA>RB>RD>RC，表明这4个因素对花叶艳山姜叶片精油得率的影响程度不同，其影响大小顺序为：蒸馏时间>料液比>氯化钠浓度>浸泡时间。可见，蒸馏时间对精油得率影响尤为关键，其次是料液比，而浸泡时间影响较小。
3 讨论与结论
许多植物叶片精油往往需要较长时间的浸泡和蒸馏才能提取完全，戴余军等[19]对香柏叶片精油提取工艺进行研究发现，其最佳提取工艺中浸泡时间为6 h，明显高于本研究最佳浸泡时间（30 min）。马尾松松针精油得率在蒸馏3 h后变化不明显[17]，而花叶艳山姜叶片精油得率在蒸馏0.5 h时为0.191%，已达蒸馏4 h时（0.213%）的89.67%，且之后得率增加不显著。这可能与花叶艳山姜叶片所含精油成分沸点较低，易在短时间内被蒸馏挥发而提取有关。两者叶片结构的差异也可能导致所需提取时间不同。此外，本研究在处理材料时将其剪碎，受损的叶片细胞可能利于精油释放到溶液中而被快速提取。
本研究中最优氯化钠溶液浓度为1.5%，而香柏叶片精油提取中4%的氯化钠浓度最优[19]。氯化钠在精油提取中可通过增加离子浓度改变细胞渗透压从而促进精油渗出，此外还可增加溶液浓度降低精油溶解度以利提取。不同植物细胞耐盐力不同，因此利于精油渗出的氯化钠浓度也有所不同，这可能是导致花叶艳山姜与香柏叶片精油提取最优氯化钠浓度差异的原因。由于氯化钠在精油提取中的主要作用是增加离子浓度，因此也可选用其它添加剂作为离子来源如氯化钾、氯化钙等。彭黎花等[20]通过添加不同化合物（氯化钠、氯化钙、氯化钾等）研究其对柑橘精油出油率的影响，结果表明氯化钠效果最优。可见氯化钠对精油提取增效好，且其价廉易得，因此最常作为精油提取的离子添加剂。除了本研究所选取的各因素外，其它因素如材料的破碎程度、叶片的老嫩程度和材料的产地等也会对精油得率产生影响，这些因素可作为今后进一步优化花叶艳山姜叶片精油提取工艺的考察条件。
通过优化，本研究确定了在考察范围内花叶艳山姜叶片精油的最优提取条件为蒸馏时间1.5 h、料液比1 ∶ 6、浸泡时间30 min和1.5%氯化钠浓度，在此条件下得率为0.216%。本研究结果可为花叶艳山姜叶片精油进一步开发利用奠定基础，具有重要的理论及实际应用意义。
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责任编辑：叶庆亮