荆芥穗挥发油提取工艺优化

荆芥穗挥发油提取工艺优化

刘勇 2，郑宇婕 1，胡婉莹 1，赵宏光 3，张晨 3，梁宗锁 1，夏鹏国 1*

1. 浙江省植物次生代谢调控重点实验室，浙江理工大学生命科学与医药学院，浙江 杭州 310018； 2. 陕西省药品技术审核查验中心，陕西 西安 710065； 3. 陕西天士力植物药业有限责任公司，陕西 商洛 726000；

摘要：目的：优选水蒸气蒸馏法提取荆芥穗挥发油的最佳工艺条件。方法：以提取时间、蒸汽流量、冷凝温度为影响因素，以挥发油出油率为指标，在单因素实验基础上，采用正交设计优化荆芥穗挥发油的提取工艺。结果：影响荆芥穗挥发油出油率大小的因素依次为：提取时间＞蒸汽流量＞冷凝温度。通过正交实验得到优化后的工艺为：蒸汽流量8.3 L/h，提取时间15 min，冷凝温度为20℃，此时荆芥穗挥发油出油率为1.90%，提取率为74.80%。结论：本研究优化的提取工艺稳定，使其可以得到广泛应用，为将来荆芥药材的开发利用提供了有效数据。

关键词：荆芥穗；挥发油；提取工艺

中国图书分类号：XXXXXX 文献标识码：XXXXXX

Optimization of extraction process of volatile oil from spikes of Schizonepeta tenuisfolia

LIU Yong²，ZHENG Yu-jie¹, HU Wan-ying¹, ZHAO Hong-guang³, ZHANG Chen³, LIANG Zong-suo¹, XIA Peng-guo^1*

1. Laboratory of Plant Secondary Metabolism and Regulation of Zhejiang Province, College of Life Sciences and Medicine, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou Zhejiang 310018, China;

2. Shaanxi Provincial Drug Technical Examination and Approval Center, Xi 'an Shaanxi 710065, China

3. Shaanxi Tasly Plant Pharmaceutical CO., LTD, Shangluo Shaanxi 726000, China)

Abstract: Objective: To optimize the optimal technological conditions for extracting volatile oil from spikes of Schizonepeta tenuisfolia by steam distillation. Methods: With the extraction time, steam flow and condensation temperature as the influencing factors, and the yield of volatile oil as the index, based on the single factor experiment, the orthogonal design was used to optimize the extraction process of the volatile oil from spikes of Schizonepeta tenuisfolia. Results: The factors affecting the yield of volatile oil were: extraction time> steam flow> condensation temperature. The optimized process obtained through orthogonal experiments was as follows: steam flow was 8.3 L/h, extraction time was 15 min, and condensation temperature was 20℃. At this time, the yield of volatile oil from spikes of Schizonepeta tenuisfolia was 1.90%, and the extraction rate was 74.80%. Conclusion: The optimized extraction process in this study was stable, so that it can be widely used, and provides effective data for the future development and utilization of

Schizonepeta tenuisfolia medicinal materials.

Key words: spikes of Schizonepeta tenuisfolia; volatile oil; extraction technology

荆芥穗为唇形科植物荆芥（Schizonepeta tenuisfolia Briq.）的干燥花穗，其气芳香，味微涩，辛凉。荆芥为中医常用的一种疏风解表中药，药用历史悠久，在《神农本草经》、《本草经考注》、《本草蒙筌》等中均有记载，具有解表散风、透疹的功效，常用于治疗感冒、头痛、麻疹不透、荨麻疹初期、疮疖；炒炭止血、治便血、崩漏^[1-3]。荆芥目前在全国大部分地区均有种植，主要分布在河北、江苏、浙江、江西、湖北、湖南和东北三省等地^[4]。

现代药理研究发现，荆芥具有解热、镇痛、抗炎、抗病原微生物、止血和抗氧化等作用^[5-7]。荆芥挥发油是荆芥的主要有效物质基础之一^[8-10]，其挥发油主要含单萜类、倍半萜类及少量醛、酮、醌、醇等化合物，其中胡薄荷酮和薄荷酮为主要成分，约占挥发油总量的70%以上^[11,12]，具有抗炎、抗菌、抗病毒、解热、抑制肿瘤细胞增殖等药理作用^[13]。其抗炎作用机制具有多靶点性，主要与影响花生四烯酸代谢途径、Toll样受体介导的信号通路转导及氧化反应相关；抗流感病毒作用与抑制TLR7/IFN表达相关^[14]。目前荆芥穗挥发油的提取，主要有水蒸气蒸馏法、溶剂提取法以及蒸馏-萃取联用的方法等，但最常规的仍以水蒸气蒸馏法为主^[13]。本文以荆芥穗为原料，在单因素实验的基础上，采用正交实验进行优化，考察水蒸气蒸馏法提取过程中冷凝温度、提取时间和蒸汽流量三种因素对荆芥穗挥发油得率的影响，优选出荆芥穗挥发油提取的最优条件。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

本研究中所用荆芥穗均产自陕西天士力植物药业有限责任公司试验田。

1.1.2 仪器

挥发油测定仪器装置（5000 ml圆底烧瓶、挥发油测定器、冷凝管、电热套等），精油提取机（全自动电热蒸汽发生器、提取罐、风冷箱式冷水机组、挥发油分离器等）。

1.2 方法

1.2.1 荆芥穗中挥发油含量的测定

精确称取荆芥穗样品100.00 g，置于5000 mL圆底烧瓶中，加蒸馏水2000 mL与玻璃珠数粒，振摇混合后，连接挥发油测定器和回流冷凝管，自冷凝管上端加水使其充满挥发油测定器的刻度部分，并溢流入烧瓶内为止。置于电热套中缓缓加热至微沸，并保持微沸3 h，至测定器中油量不再增加，停止加热，待提取系统冷却至常温且油水分离完全后，开启挥发油测定器下端的活塞，将水层缓缓放出，至油层上端到达刻度0线上5 mm处为止，静置1 h以上，再开启活塞使油层下降至其上端与刻度0线齐平，读取挥发油量，并计算荆芥穗中挥发油含量(‰)，公式如下：

1.2.2 荆芥穗中挥发油的提取方法

称取一定量荆芥穗，置于物料栏中，盖好提取罐上盖，并旋紧螺栓；水箱中加水至水箱高度三分之二处，设定冷凝温度为20℃，启动冷水机组；通过蒸汽发生器出口阀门调整蒸汽流量至设定值(阀门开启大小与蒸汽流量呈正比)，启动蒸汽发生器；以冷凝器出口有蒸馏液流出为开始计时点，提取一定时间；提取终点时，将油水分离器出口阀门关闭，使油水分离器中液面逐渐升高，在出油口收集挥发油，测量并计算荆芥穗挥发油的出油率和提取率，公式如下所示：

1.2.3 荆芥穗挥发油的单因素研究

称取一定量的荆芥穗，在室温下分别考察不同提取时间、蒸汽流量和冷凝温度对荆芥穗出油率的影响，试验因素及条件范围如表1所示。

表1 试验因素和条件范围

1.2.4 荆芥穗挥发油的正交试验

根据单因素试验结果，选择提取时间、蒸汽流量和冷凝温度为研究因素，采用L9(43)表进行正交试验设计^[15,16]，试验因素及水平表见表2，每组试验重复三次，取平均值后以直观分析法进行分析。

表2 正交试验因素和水平

2 结果与分析

2.1 荆芥穗挥发油含量的测定

对荆芥穗挥发油含量进行测量，结果见表3，荆芥穗中挥发油含量为2.54%，相对标准偏差(RSD)=3.06%＜5%，显示检测结果精确可靠。

表3 荆芥穗中挥发油含量

2.2 单因素实验分析

2.2.1 提取时间对出油率的影响

图1 提取时间对荆芥穗挥发油出油率的影响

不同提取时间条件下的荆芥穗挥发油得率如图1所示，在0~50 min的提取时间内，荆芥穗挥发油出油率呈现出逐渐增加的趋势，在15分钟左右趋于平缓，此时荆芥穗挥发油出油率为1.79%，提取率达到70.47%。出油率在45 min时达到最高，为1.95%，但出油率较15 min时涨幅不明显，因此，荆芥穗挥发油的最佳提取时间为15 min。

2.2.2 蒸汽流量对出油率的影响

图2反映了蒸汽流量对出油率的影响，从图中可以看出，在5.0~20.0 L/h的蒸汽流量范围内，荆芥穗挥发油出油率随蒸汽流量的增加呈现先增加再降低的趋势，在蒸汽流量为8.33 L/h时，出油率达到最大，为1.80%，此时提取率为74.02%。蒸汽流量越大，提取罐中液料温度越大，使挥发油在固体颗粒内部和固液表面的扩散系数越大，从而提取到的挥发油含量越高。由于液料本身的特性，液料温度不会随蒸汽流量的增大而一直升高，反而可能抑制了挥发油的提取，导致出油率随蒸汽流量增加而下降。因此，荆芥穗提取过程中最适的蒸汽流量为8.33 L/h。

图2 蒸汽流量对荆芥穗挥发油出油率的影响

2.2.3 冷凝温度对出油率的影响

图3 冷凝温度对荆芥穗挥发油出油率的影响

冷暖温度对荆芥穗出油率的影响如图3所示，在7~25℃的冷凝温度范围内，荆芥穗挥发油出油率随冷凝温度的增加呈现先上升后降低的趋势，在10℃时出油率达到最大，为2.19%，提取率为86.22%。冷凝温度的选取会影响油水分离的速度，当冷凝温度处于10~20℃范围内时，荆芥穗出油率均高于2.1%，因此10~20℃的冷凝温度较适于荆芥穗挥发油的提取。

2.3 荆芥穗挥发油正交试验结果

正交试验直观分析结果如表4所示，综合各因素水平的极差分析，影响荆芥穗挥发油出油率大小依次为：提取时间＞蒸汽流量＞冷凝温度。为了获得较高的荆芥穗挥发油提取率，本研究得出的最佳提取工艺为：蒸汽流量8.3 L/h，提取时间15 min，冷凝温度为20℃，此时荆芥穗挥发油出油率为1.90%，提取率为74.80%。

表4 荆芥穗油出油率正交试验直观分析

3 讨论

荆芥穗挥发油作为常用解表药的原料药，其提取分离技术广受关注。黄蓓^[17]等采用正交设计，获得的荆芥穗挥发油最佳提取条件为药材不用浸泡，药材粉碎度为10目，超声时间60 min。黄慧莲^[18]等研究了水蒸汽蒸馏法的提取最佳工艺为荆芥穗不粉碎、浸泡40 min、回流提取时间5 h。陈赟^[1]等通过超临界CO₂萃取荆芥穗有效成分，认为在萃取压力20MPa下，萃取温度50℃，提取时间90 min，二氧化碳流量40 L/h，分离釜I压力10 MPa，温度50℃, 分离釜II压力5 MPa，温度30℃的条件时，有效成分得率最高。

水蒸气蒸馏法是提取荆芥穗挥发油最常用的方法，能萃取出大量醇类、倍半萜类、小分子烷烃类挥发性成分；回流法和微波萃取法提取的挥发性成分组成比较相似，对醇类、酯类等提取效果较好，对倍半萜类的提取效果较差。顶空法对酯类和小分子烷烃的提取效果较差，很少能从其顶空气体中分析鉴定出酯类和小分子烷烃。水蒸气蒸馏法提取挥发油的关键技术是油水分离。提取时间、蒸汽流量和冷凝温度都会影响挥发油的出油率。若提取时间过短，挥发油不能被完全分离；提取时间过长，挥发油出油率达到饱和，会降低提取效率。蒸汽流量的大小会影响液料温度的高低，从而影响油水分离的效果。若冷凝温度较低，油水分离的速度较慢；冷凝温度较高，导致油水浑浊程度增加，造成较大的挥发油损失。

4 结论

本研究我们在单因素实验的基础上，采用正交实验进行优化，考察了冷凝温度、提取时间和蒸汽流量三种因素对荆芥穗挥发油得率的影响。从试验结果中可知，影响荆芥穗挥发油出油率大小的因素依次为：提取时间＞蒸汽流量＞冷凝温度。通过正交实验得到优化后的工艺为：蒸汽流量8.3 L/h，提取时间15 min，冷凝温度为20℃，此时荆芥穗挥发油出油率为1.90%，提取率为74.80%。水蒸气蒸馏法容易操作，本试验对其进行优化，提升了该方法的挥发油得率，使其可以得到广泛应用，为推动荆芥资源的深度开发利用提供一定的理论基础和参考依据，促进荆芥产业的良性循环发展，从而带来经济和社会价值。

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收稿日期: XXXXXXXXXX。修回日期：XXXXXXXXXX。

基金项目: 浙江省基础公益研究计划项目(LGN19H280004)；浙江理工大学科研业务费专项资金（2019Q046）。

作者简介: 刘勇(1971—)，男，陕西西安人，本科，从事药品生产、经营检查工作，E-mail: 1981824923@qq.com。

^*通信作者: 夏鹏国(1987—)，男，副教授，研究方向：药用植物学。Tel:15888806603，E-mail: xpg_xpg@126.com。