西南桦树皮精油提取工艺优化∗

王彩云 王春胜 曾 杰

（中国林业科学研究院热带林业研究所, 广州 510520）

植物精油是存在于植物组织中可随水蒸气蒸馏的一类次生代谢产物。大多数植物精油不但具有芳香气味，还具有抗氧化、抑菌消炎、抗癌、驱虫杀虫等功效[1]，因此，植物精油广泛用于医疗保健、天然保健型化妆品、食品添加剂等产品的研发[2]，具有极高的应用价值。

西南桦（Betula alnoidesBuch.-Ham. ex D. Don）是天然分布于我国华南地区以及东南亚、南亚地区的一个珍贵阔叶树种。其木材材性优良，可用于制作木地板、高档家具、单板贴面等[3]。其树皮具有独特的香气，提取物可用于治疗感冒、月经过多和跌打损伤等疾病[4]，还具有抗HIV-1 整合酶、抗炎、减肥、降血脂等功效[5-7]。我国西南桦种植面积目前已超过20 万hm2。开展西南桦树皮精油提取研究，不仅可以丰富天然产物资源，亦可提高林分经营效益，促进林农增收，对于实施乡村振兴和精准扶贫国家战略具有重要意义。

水蒸气蒸馏法提取植物精油，具有安全性高、易提取、成本低等优点，目前仍广为应用。其提取效率与原材料及其处理方式等多种因素有关[8]。如，浸泡时间、粉碎程度、料液比、提取时间显著影响柏木、圆柏[9]和肉桂[10]的精油得率。霍清等亦发现影响香柏精油得率的主要因素依次为NaCl浓度、浸泡时间、蒸馏时间[11]。因此，本研究采用水蒸气蒸馏法探讨精油提取条件对西南桦树皮精油得率的影响，优化提取工艺，进而为西南桦合理开发应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

西南桦树皮：于云南省勐腊县西南桦试验示范林内采集树体0～1.3m高度范围内的树皮，均匀混合后置于室内自然阴干[12-13]。根据试验要求，采用高速粉碎机和标准筛将树皮粉碎至设定目数待用。

1.2 设备

高速粉碎机(浙江屹立工贸有限公司)，标准筛(浙江上虞市华丰五金仪器有限公司)，电子天平(德国赛多利斯公司)，Molgene210a超纯水机(上海摩尔科学仪器有限公司)，精油提取器(国产, 定制)，移液枪及枪头(艾本德上海国际贸易有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

设计3 个单因素试验，探讨西南桦树皮出油率的影响因素，在此基础上选择出油率较高的试验水平，进一步开展正交试验，优化西南桦树皮精油提取工艺。各试验均重复3 次。

试验一：粉碎程度设置20、30、40、60、80、100目6 个处理，设定提取时间为60 min，料液比 (树皮：超纯水) 为1: 6，研究粉碎程度对西南桦树皮精油出油率的影响。

试验二：提取时间设置10、20、30、60、120、180、240 min 7 个处理，设定粉碎程度为60 目，料液比为1: 6，研究提取时间对西南桦树皮精油出油率的影响。

试验三：料液比设置1:3、1:4、1:5、1:6、1:8、1:10、1:12 共 7 个处理，设定粉碎程度为60 目，提取时间为180 min，研究料液比对西南桦树皮精油出油率的影响。

试验四：基于上述3 个试验，针对粉碎程度、提取时间、料液比3 个因素，各选择精油得率较高的3 个水平开展正交试验L9(34) (表1)，筛选西南桦树皮精油提取工艺的适宜组合。

表1 正交试验因素与水平Tab. 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3.2 精油提取方法

对于每次试验，应用电子天平称取1 000g树皮，放入自制的精油提取器，加入超纯水，依据上述试验设计进行回流提取。计算精油得率，其计算公式如下：

1.3.3 数据处理

运用SPSS 21 软件进行数据分析和处理。对于单因素试验，通过方差分析和多重比较揭示每个因素各水平间精油得率的差异显著性，多重比较采用Duncan方法。方差分析前，百分数数据进行反正弦转换。对于正交试验，计算每个因素各水平对应的精油得率均值，并进行极差分析，筛选适宜的工艺组合。

2 结果与分析

2.1 粉碎程度对精油得率的影响

由图1 可知，西南桦树皮粉碎后粒径从20 目增至100 目的过程中，树皮精油得率呈现出先升高后降低的趋势。当粒径为60 目时，出油率最高，达0.097%，且显著高于20 和30 目处理 (P＜0.05)，但与40、80 和100目处理差异不显著(P≥0.05)；80 目处理的精油得率亦显著高于20 目处理 (0.033%)；60 目处理的精油得率比20 目处理高2.94 倍。究其原因，可从以下三个方面得以解释：一是随着目数的增大，原料与水的接触面积增加，从而使精油得率升高；二是当达到一定目数后，颗粒之间的相互吸附力增大，使颗粒之间距离变小，从而导致溶剂在粒间和粒内扩散度变小，出油率反而降低；三是树皮粉碎时可能破坏细胞壁，部分精油释放而挥发，目数越大，破坏的细胞越多，亦使精油损失越大。

图1 不同粉碎程度处理的西南桦树皮精油得率比较Fig. 1 Comparison on essential oil yield from Betula alnoides barks under different treatments of particle size

2.2 提取时间对精油得率的影响

由图2 可以看出，西南桦树皮精油得率随提取时间延长呈现先升高后稳定的趋势。精油得率从10 min延长至60 min的过程中显著增加，60 min处理的精油得率 (0.080%) 显著高于10 min处理。其后各处理间精油得率增加缓慢，差异不显著。由此可见，延长提取时间，并不能显著提高西南桦树皮的出油率，而且长时间的高温蒸馏可能破坏一些成分，还会因此增加提取成本。

图2 不同提取时间处理的西南桦树皮精油得率比较Fig. 2 Comparisonon essential oil yield from Betula alnoides barks under different treatments of extracting time

2.3 料液比对精油得率的影响

由图3 可知，随着料液比从1:3 降至1:5，西南桦树皮精油提取率显著增加，当料液比为1:5 时，精油得率达到最大值 (0.080%)，显著高于1:3 料液比处理。此后随着料液比继续降低，其精油得率显著下降并趋于稳定，维持在0.06%左右。由此可见，随着料液比的增大，精油浓度被稀释，增大了精油与溶剂的接触面积，提高了传质速度，从而出油率会增加[14]；然而当料液比过大，会使精油在水中部分溶解，导致精油得率降低，亦增加资源浪费。

图3 不同料液比处理的西南桦树皮精油得率比较Fig. 3 Comparisonon essential oil yield from Betula alnoides barks under different treatments of solid to liquid ratio

2.4 提取工艺优化

在上述单因素试验的基础上，综合考虑粉碎粒径、提取时间和料液比，采用正交试验L9(34)筛选适宜工艺组合，试验结果见表2。在9 组试验中，9 号试验的精油得率最高 (0.074%)，其组合为粉碎程度为80 目、提取时间为180 min、料液比为1:5。

表2 正交试验结果Tab. 2 Results of orthogonal test

极差分析结果表明(表2)，3 个因素的极差由大到小依次排列为：粉碎程度＞提取时间＞料液比。这说明粉碎程度对精油得率的影响最大，其次是提取时间，料液比影响最小。比较每个因素各水平均值，粉碎程度为K3＞K2＞K1，提取时间K3＞K2＞K1，料液比K2＞K1＞K3，亦可以看出9 号试验组合工艺条件优于其他组合。

为验证优化组合工艺的稳定性，进一步将9 号试验重复3 次，得到出油率分别为0.08%、0.075%和0.073%。4 次试验的均值为0.076%，说明在适宜工艺条件下西南桦树皮精油得率约为0.076%。

2.5 分析与讨论

采用水蒸气蒸馏法提取植物精油，往往需要较长时间蒸馏才能被完全提取。王艳芳等[15]研究肉桂皮精油提取工艺发现，其最佳提取时间为90 min，明显短于本研究 (180 min)。这可能与肉桂皮所含精油成分沸点较低，在短时间内易挥发、提取有关[16]。Nath等[17]采用水蒸气蒸馏法提取印度Assam地区西南桦新鲜树皮的精油，其精油得率为0.18%，而越南河内地区西南桦新鲜树皮的精油得率为0.05%[18]，本研究中出油率低于前者，高于后者。这可能与材料处理差异有关，本文研究采用的是阴干材料，而印度和越南的研究为新鲜材料，在阴干的过程中可闻到浓烈香气，说明精油有较大损失，故而提取率相对较低；亦可能与产地或种源差异有关，采用水蒸气蒸馏法提取毛叶木姜子叶片精油亦是如此，四川宜宾的出油率为0.56%[19]，而湖北神农架为0.15%[20]。

采用水蒸气蒸馏法进行精油提取，尽管设备简易、操作简单、成本低，但容易造成热敏性低成分的破坏，导致提取率较低。目前较为盛行的超临界CO2萃取法，比水蒸气蒸馏法高1～2 倍[21-23]，具有萃取能力强、收率高、有效成分不被破坏等特点，但设备投资大，运行成本高。有研究发现采用盐析辅助水蒸气蒸馏法提取红松壳[24]、川穹[25]挥发油比水蒸气蒸馏法高1.4、1.6倍，而且成分不被破坏，生产成本低。因此未来可尝试采用多种辅助手段提高水蒸气蒸馏法的提取效率，进一步优化西南桦树皮精油提取工艺，从而提高精油品质和产量，增加西南桦人工林经营收益。

3 结论

本研究通过系列单因素试验和正交试验优化了西南桦树皮精油的水蒸气蒸馏提取工艺，确定粉碎粒径80 目、提取时间180 min和料液比1: 5 为适宜组合方案，在该工艺条件下精油得率为0.076%，而且效果稳定。本研究可为西南桦树皮精油深度开发利用奠定基础。