一种蝶豆花精油的超声波协助乙醇萃取工艺
技术领域
本发明涉及一种萃取工艺，具体涉及一种蝶豆花精油的超声波协助乙醇萃取工艺，属于精油提取技术领域。
背景技术
蝶豆花(学名：Clitoria ternatea)属于豆科蝶豆属的植物，是一种典型的热带藤蔓植物。蝶豆花英文名字是Butterfly Flower,拉丁语叫Clitoria ternatea，泰语叫”DokAnchan”,中文名是蝶豆花，也可称之为蓝蝶花，蝴蝶蓝花等。主要分布在泰国、印度、中国台湾岛等大部分热带地区以及中国大陆的福建、云南等地。花期一般为7到10月，喜欢生活在温暖湿润的环境。其叶子为深绿色椭圆形，花朵为紫蓝色的蝴蝶形状，有很高的观赏价值；其含丰富的花青素和维生素，其花瓣遇酸变紫色，遇碱变蓝色，被很多人用来泡花茶，制作星空饮料，具有很高的食用价值；蝶豆花中含有清热解暑、使血压降低的成分，可以减少胆色素含量，可以增加皮肤弹性，减少皱纹等，具有很高的营养价值。蝶豆花通常用作为食物较多，但其在精油提取中也会是一种很好的材料。
精油最传统的提取技术是古人遗留下来的水蒸汽蒸馏法和溶剂浸取法。然而，这些传统方法产量低，耗时长，甚至会会有有毒溶剂残留，不能满足当代精油工业中高品质精油的要求。人们只能寻找新的高效替代技术[1]。微波萃取法，超临界二氧化碳萃取法和超声波辅助萃取法都是目前比较新的萃取方法。本实验所用的超声波萃取技术具有时间短、温度低和产量高等优点[2]。它工作的原理就是利用超声波的空化效应物理破碎植物，从而加速物理的活性成分在溶剂中的溶解,促进植物精油的提取。
蝶豆花精油则是一种带有芳香气味的绿色精油，精油里富含花青素，可起到抗氧化，保护眼睛等作用。目前关于蝶豆花精油的相关研究报导还很少，在参考了其他众多植物精油提取的文献以及学校现有实验仪器的情况后，本文采用了超声波辅助萃取法萃取蝶豆花精油，并运用响应曲面设计方法优化工艺参数，从而为蝶豆花精油的进一步开发利用奠定科学基础。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种蝶豆花精油的超声波协助乙醇萃取工艺，该技术方案解决了提取精油过程中效率低、存在有毒溶剂残留等问题，利用蝶豆花为原料，采用超声波萃取技术提取蝶豆花精油，并设计单因素实验优化其提取条件，并利用GC-MS技术分析其成分组成。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种蝶豆花精油的超声波协助乙醇萃取工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
步骤1)蝶豆花干粉样品；
步骤2)超声波辅助萃取；
步骤3)真空抽滤；
步骤4)旋转蒸发；
步骤5)离心取上清液，真空干燥，制得蝶豆花精油。
作为本发明的一种改进，所述步骤1)蝶豆花干粉样品，具体如下，将蝶豆花干花用粉碎机粉碎成粉末，至粉末能从漏勺的孔中漏出，干燥保存。
作为本发明的一种改进，所述步骤2)超声波辅助萃取，具体如下，用电子分析天平准确称取粉碎好的蝶豆花粉末样品30克于250毫升锥形瓶中，加入萃取剂无水乙醇，用超声波萃取仪配套的密封塞将锥形瓶进行密封，防止溶剂或者挥发性油的挥发，将密封好的锥形瓶放置于超声波萃取仪中，插入变幅杆，并调整高度使变幅杆插入液面深度保持在2公分，以保证机器正常运行。打开超声光波，保证萃取时间在 20—60分钟，萃取温度30—50摄氏度，防止温度过高，乙醇挥发；液料比保持在14： 1——6：1的条件下开始萃取。
作为本发明的一种改进，所述步骤3)真空抽滤，具体如下，将萃取后的溶液用真空抽滤泵进行抽滤，取滤液。
作为本发明的一种改进，所述步骤4)旋转蒸发，具体如下，将滤液倒入500毫升圆底烧瓶中进行旋转蒸发操作，将萃取剂无水乙醇分离出来，得到蝶豆花精油。旋转蒸发时温度应控制在40-50摄氏度左右，避免温度过高使精油挥发，造成损失。
作为本发明的一种改进，所述步骤5)离心取上清液，具体如下，将旋转蒸发所得的蝶豆花精油至于超速离心机中离心两次，转速为8000r/s时间为10分钟，去沉淀，去上清液称重记录并保存在棕色进样瓶中。
作为本发明的一种改进，所述步骤2)中液料比为6：1，温度为40℃，时间为40 分钟，提取率可达到7.61％。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)该技术方案原料为蝶豆花，提取工艺为超声波协助乙醇萃取技术，其工作原理是利用超声波的空化效应物理破碎植物，从而加速植物的活性成分在溶剂中的溶解，促进植物精油的提取，其最佳液料比为6： 1，温度为40℃，时间为40分钟，置于50％超声波频率环境的超声波萃取仪中萃取； 2)该方案使用萃取溶剂为食品级无水乙醇，其纯度大于等于99.7％；3)该方案提取的最优条件的建立是在单因素实验的基础上，并通过响应曲面法优化得到：液料比为 6：0，温度为40℃，时间为40分钟，提取率可达到7.61％；4)该方案提取的精油成分中含有亚油酸和5-羟甲基糠醛不仅可降低血脂，软化血管和降低血压，还具有防治动脉粥样硬化及心血管疾病的保健效果，成分中含有1，3-二羟基-2-丙酮制成的防晒霜能起到保湿，防晒和防紫外线辐射的作用。
附图说明
图1时间对蝶豆花精油提取率的影响；
图2温度对蝶豆花精油提取率的影响；
图3液料比对蝶豆花精油提取率的影响；
图4标准化效应的Pareto图；
图5三因素交互作用对提取率影响的响应面分析。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1，一种蝶豆花精油的超声波协助乙醇萃取工艺，所述工艺包括以下步骤：
步骤1)蝶豆花干粉样品；
步骤2)超声波辅助萃取；
步骤3)真空抽滤；
步骤4)旋转蒸发；
步骤5)离心取上清液，真空干燥至恒重，制得蝶豆花精油；
所述步骤1)蝶豆花干粉样品，具体如下，将蝶豆花干花用粉碎机粉碎成粉末，至粉末能从漏勺的孔中漏出，至干燥保存；
所述步骤2)超声波辅助萃取，具体如下，用电子分析天平准确称取粉碎好的蝶豆花粉末样品30克于250毫升锥形瓶中，加入萃取剂无水乙醇，用超声波萃取仪配套的密封塞将锥形瓶进行密封，防止溶剂或者挥发性油的挥发，将密封好的锥形瓶放置于超声波萃取仪中，插入变幅杆，并调整高度使变幅杆插入液面深度保持在2公分，打开超声光波，保证萃取时间在20—60分钟，萃取温度30—50摄氏度，液料比保持在14：1——6：1的条件下开始萃取；
所述步骤3)真空抽滤，具体如下，将萃取后的溶液用真空抽滤泵进行抽滤，取滤液；
所述步骤4)旋转蒸发，具体如下，将滤液倒入500毫升圆底烧瓶中进行旋转蒸发操作，将萃取剂无水乙醇分离出来，得到蝶豆花精油。(旋转蒸发时温度应控制在 40-50摄氏度左右，避免温度过高使精油挥发，造成损失)
步骤5)离心取上清液，具体如下，将旋转蒸发所得的蝶豆花精油至于超速离心机中离心两次，转速为8000r/s时间为10分钟，去沉淀，去上清液称重记录并保存在棕色进样瓶中。
所述步骤2)中液料比为6：1，温度为40℃，时间为40分钟，提取率可达到7.61％。
对照实施例：实施例2：一种采用传统蒸馏提取精油的方法，所述工艺包括以下步骤：
步骤1)蝶豆花干粉样品
步骤2)拼接仪器
步骤3)检验装置气密性
步骤4)蒸馏
步骤5)收集并称量蒸馏过程中所得精油
所述步骤1)蝶豆花干粉样品，具体如下，将蝶豆花干花用粉碎机粉碎成粉末，至粉末能从漏勺的孔中漏出，至干燥保存；
所述步骤2)拼接仪器，具体如下，按照从下往上,从左往右的原则，依次为酒精灯、石棉网、蒸馏烧瓶、温度计、冷凝管、尾接管、锥形瓶。在圆底烧瓶中装入30 克蝶豆花花粉以及180毫升的无水乙醇。
所述步骤3)检验装置气密性，具体如下，将尾接管出口埋入烧杯的水中，用手掌焐热烧瓶，观察烧杯中管口是否有气泡逸出，过一会儿移开手，观察浸入水中的导管末端有无水上升形成水柱。焐时有气泡溢出，移开手有水柱形成，说明装置气密性良好，可以进行实验。
所述步骤4)蒸馏，具体如下，点燃酒精灯，时刻关注温度计变化，圆底烧瓶内液体变化。
所述步骤5)收集并称量蒸馏过程中所得精油，具体如下，先称量以下棕色小瓶的重量，再将锥形瓶中收集到的精油倒入棕色小瓶中，用所得重量减去棕色小瓶的重量，所得的数值即为精油的净重。
所述步骤5)中计算的精油产率为0.3％。
实施例3：一种蝶豆花精油的超声波协助乙醇萃取工艺与上述实施例1的实验条件不同，所述工艺包括以下步骤：
步骤1)蝶豆花干粉样品；
步骤2)超声波辅助萃取；
步骤3)真空抽滤；
步骤4)旋转蒸发；
步骤5)离心取上清液，真空干燥至恒重，制得蝶豆花精油；
所述步骤1)蝶豆花干粉样品，具体如下，将蝶豆花干花用粉碎机粉碎成粉末，至粉末能从漏勺的孔中漏出，至干燥保存；
所述步骤2)超声波辅助萃取，具体如下，用电子分析天平准确称取粉碎好的蝶豆花粉末样品30克于250毫升锥形瓶中，加入萃取剂无水乙醇，用超声波萃取仪配套的密封塞将锥形瓶进行密封，防止溶剂或者挥发性油的挥发，将密封好的锥形瓶放置于超声波萃取仪中，插入变幅杆，并调整高度使变幅杆插入液面深度保持在2公分，打开超声光波，保证萃取时间在20—60分钟，萃取温度30—50摄氏度，液料比保持在 14：1——6：1的条件下开始萃取；
所述步骤3)真空抽滤，具体如下，将萃取后的溶液用真空抽滤泵进行抽滤，取滤液；
所述步骤4)旋转蒸发，具体如下，将滤液倒入500毫升圆底烧瓶中进行旋转蒸发操作，将萃取剂无水乙醇分离出来，得到蝶豆花精油。(旋转蒸发时温度应控制在 40-50摄氏度左右，避免温度过高使精油挥发，造成损失)
步骤5)离心取上清液，具体如下，将旋转蒸发所得的蝶豆花精油至于超速离心机中离心两次，转速为8000r/s时间为10分钟，去沉淀，去上清液称重记录并保存在棕色进样瓶中。
所述步骤2)中液料比为6：1，温度为30℃，时间为30分钟，提取率可达到2.19％。通过实施例1、实施例3以及对照实施例2可以清楚的看到，该方案相对于传统的工艺提取率大大提高。
本发明的技术工艺主要通过下述技术方案得以优化：单因素实验方法：
(1)不同超声波时间下超声波萃取蝶豆花精油：
准确称取蝶豆花粉末30克各5份于250毫升锥形瓶中，按液料比6：1每瓶各加180毫升无水乙醇，搅拌之后置于40摄氏度以及50％超声波频率环境的超声波萃取仪中，萃取时间分别为20min,30min,40min,50min,60min,其余操作同上，测试并记录精油提取率，重复三次，并取平均值，参见图1为时间对蝶豆花精油提取率的影响；
(2)不同温度下超声波萃取蝶豆花精油：
准确称取蝶豆花粉末30克各5份于250毫升锥形瓶中，按液料比6：1每瓶各加 180毫升无水乙醇，搅拌之后置于40摄氏度以及50％超声波频率环境的超声波萃取仪中，萃取时间为40分钟，萃取温度分别为30摄氏度，35摄氏度，40摄氏度，45摄氏度，50摄氏度。其余操作同上，测试并记录精油提取率。重复三次，并取平均值，参见图2，温度对蝶豆花精油提取率的影响；
(3)不同液料比下超声波萃取蝶豆花精油：准确称取蝶豆花粉末30克各5份于适量大小的锥形瓶或三口烧瓶中，按照不同的液料比每瓶分别加入不同量的无水乙醇，液料比分别为6：1，8：1，10：1，12：1，14：1，搅拌之后置于40摄氏度以及50％超声波频率环境的超声波萃取仪中，萃取时间为40分钟，其余操作同上，测试并记录精油提取率，重复三次，并取平均值，图3为液料比对蝶豆花精油提取率的影响；
2.2.2响应曲面实验结果与分析；
在单因素实验的基础上，根据响应曲面设计的中心组合实验设计原理，对蝶豆花精油的提取工艺进行三因素三水平的响应优化设计，实验因素与水平设计见下表1。其中水平的“-1”“0”“1”分别对应低水平，中水平和高水平。
表1三因素三水平响应面分析实验设计表
实验按照随机顺序进行，将上述三因素三水平响应面分析实验设计表用Minitab15.0程序进行数据分析，并做出蝶豆花精油提取条件优化实验设计表(表2)，三因素三水平中心组合参数设计(表3)还有方差分析表(表4)
表2蝶豆花精油提取条件优化实验设计及结果
表3三因素三水平中心组合参数设计
P＜0.05代表影响显著；P＜0.01代表影响极为显著
由表可知：
S＝0.332736 PRESS＝12.3924
R-Sq＝96.53％ R-Sq(预测)＝44.58％ R-Sq(调整)＝92.08％
两个确定系数R-Sq与R-Sq(调整)，这两个值分别为96.53％和92.08％,两者之间差距比较小，这就表明模型的问题不大。同时计算结果显示的R-Sq与R-Sq(预测) 分别是96.53％和44.58％，这二者的差距较大，说明在此基础上设计模型还需进一步优化。
利用Minitab 15.0软件对实验数据进行分析，由表3可以得到拟合二次多项式方程：
Y＝4.3040+0.8713X1+0.9313X2+0.5625X3-0.1708X12＝0.5293X22+0.1688X32+0.6725X1 X2-0.7300X1X3-0.4150X2X3
从各项对应的P值可以看出，温度X1，时间X2，液料比X3，交互作用项X1X2和 X1X3对蝶豆花精油提取率的影响极为显著；温度X1的平方，液料比X3的平方和交互作用项X2X3对蝶豆花精油提取率的影响不显著。由于温度X1，时间X2和液料比X3这三个因素的P值几乎都是一样的，所以我们可以认为它们对蝶豆花精油提取率的影响程度几乎一样，都十分显著[7]。
表4方差分析
图4为标准化效应的Pareto图，Pareto图的纵坐标是各效应的t检验出的t值绝对值，并根据绝对值的大小对它们进行排序，按照选定的显著性水平给出t值临界值，一旦绝对值超过临界值，那么效应将被选中，这就表明这些效应是显著的。从图4 中，我们可以看出时间，温度，液料比，温度*液料比以及温度*时间是显著的，其中影响显著程度最大的是液料比，说明液料比直接关系到精油的提取率。而从表4我们可以知道模型的回归显著，交互作用较好。另外可以看出该方程对实验的拟合程度很好，实验误差小，因此可以用该回归方程代替实验的真实点对实验结果进行数据分析。同时做出中心组合设计实验所得的三组3D响应曲面图(图5)，响应曲面图形是特定的响应值(提取率)对应的三因素(时间，温度，液料比)构成的一个三维空间在二维平面上的等高图，从而能够直观的反映出各个因素之间的交互作用以及对响应值 (提取率)的影响，帮助我们分析。图5中可以看到响应曲面有最大值。图5三因素交互作用对提取率影响的响应面分析；
为了进一步优化这个模型，运用Minitab15.0软件的响应优化器对实验结果进行响应优化。得到超声波萃取蝶豆花精油的最佳工艺条件为：时间40min,温度40℃，液料比为6:1(ml:g),响应优化器预测的提取率为7.6087％。为了进一步检验响应面法优化结果的可靠性，重复上述最佳工艺条件实验3次进行验证，得到3次实际精油提取率的平均值为7.6123％，平均值与理论预测值相比较的相对误差很小[10]。因此，我们可以确定运用响应曲面法所得的最佳提取工艺参数是准确可靠的，对蝶豆花精油的提取的研究具有一定的实用价值。
GC-MS分析：
通过对超声波萃取法提取到的蝶豆花精油进行GC-MS分析，根据南京大学现代分析中心的谱图资料库对蝶豆花精油成分进行分析和鉴定得到表5。根据南京大学现代分析中心的精油检测报告，我们可以看到从超声波萃取法提取所得的蝶豆花精油中共分离出22种化合物，我们可以鉴定出来的化合物可见下表5。
表5蝶豆花精油成分分析结果
通过参考其他文献可知，蝶豆花精油中分离鉴定出的亚油酸和5-羟甲基糠醛不仅具有降低血脂，软化血管和降低血压等作用，同时还具有防治动脉粥样硬化及心血管疾病的保健效果。1，3-二羟基-2-丙酮经常被用作化妆品的配方原料，由它制成的防晒霜能起到保湿，防晒和防紫外线辐射的作用。十六酸在工业上常被用来制作沉淀剂、化学试剂及防水试剂等；十六酸与硬脂酸按照一定比例混合能够得到结晶的硬脂酸产品，这些产品可以运用到化妆品行业中去。综上所述，蝶豆花精油在医药和化妆品行业上具有良好的开发和应用前景。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
