The Study on the Microwave-Assisted Extraction on Essential Oil of Blumea balsamifera (L.) DCand Antibacterial Activity
-
摘要: 以艾纳香为原料，以艾纳香精油得率为指标，采用微波辅助水蒸气蒸馏法对艾纳香精油提取工艺进行单因素及Box-Behnken响应曲面试验进行优化，并用琼脂扩散法和琼脂稀释法对其抗菌能力进行研究。结果表明：艾纳香精油微波提取的最佳工艺条件为微波功率450 W、提取时间23 min、液料比为10（mL：g），此条件下提取的艾纳香精油得率为3.45%，提取工艺稳定可行。5种受试菌均有抑制活性，对比抑菌圈直径和MIC，抑制顺序为黄曲霉>黑曲霉>金黄色葡萄球菌>大肠杆菌>绿脓杆菌。
-
关键词:
- 艾纳香精油 /
- 微波提取 /
- Box-Behnken响应曲面试验 /
- 抗菌
Abstract: This study was designed to use essental oil of Blumea balsamifera (L.) DCby microwave-assisted extraction. Effects of microwave power, extraction time and solid-liquid ratio were studied via the single factor methodologies, and then the extraction parameters was determined by Box-Behnken response surface methodology. In addition, Agar diffusion method and agar dilution method were used to see whether the extracted oil has antibacterial effect. Study results showed that optimized extraction parameters wasmicrowave power 450 W, extraction time 23 min and solid-liquid ratio 10 mL/g. An oil yield of 3.45% was obtained under such conditions.Essential oil had antimicrobial activity to five kinds of microorganism.The order of antibacterial activity was aspergillus flavus > aspergillus niger > staphylococcus aureus > escherichia coli > pseudomonas aeruginosa. -
艾纳香始载于《本草拾遗》，性味辛温，具有温中活血、祛风除湿、杀菌止痒、消炎镇痛等作用。现代临床主要应用于抗菌、杀虫、保肝及降血压、扩张血管、抑制交感神经等[1-2]。在我国主要分布广西、贵州等长江以南地区。艾纳香的化学成分主要是挥发油及黄酮类化合物，是天然冰片(艾片)的重要来源，其挥发油也是制作艾油、艾粉的原料[3]，具有成为食品、化妆品的天然抗氧化剂及抗菌剂的潜力[4]。目前微波辅助提取技术已广泛应用于精油提取中[5-8]。该法能在较短时间内完成提取，减少挥发油因长时间高温所致的含氧化合物发生水解、氧化、热解等，具有提取速率快、能量利用率高、产品得率高、维持精油的天然品质等特点[9]。因此本文以艾纳香精油提取率为主要指标，通过单因素及Box-Behnken响应曲面试验进行优化微波辅助水蒸气蒸馏提取工艺条件，并用琼脂扩散法和琼脂稀释法对其抗菌能力进行研究，对艾纳香精油的药用和食用研究具有一定的参考价值。
1. 材料与方法
1.1 材料与试剂
艾纳香：2016年7月采自贵州江口县艾纳香种植基地；金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、黑曲霉、黄曲霉，(南通凯恒生物科技发展有限公司)；正己烷、无水乙醇等试剂均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)。
1.2 仪器与设备
Scientz-IIDM微波光波超声波萃取仪(宁波新芝生物科技股份有限公司)；FA1004B电子天平(上海越平科学仪器有限公司)；OLB-110DW水浴恒温振荡器(济南鑫贝西生物技术有限公司)；HH-1智能数显电热恒温水浴锅(杭州大卫科教仪器有限公司)；旋转蒸发器(上海上天精密仪器有限公司)。
1.3 试验方法
1.3.1 微波辅助提取艾纳香精油的工艺[10]
取艾纳香适量，加入一定比例正己烷于圆底烧瓶内，进行微波提取。根据试验要求设定微波功率与时间，提取后冷却至室温，抽滤，收集滤液，浓缩至适量，水浴蒸干得到微波提取物。再采用水蒸气蒸馏法收集艾纳香精油，计算精油得率。
1.3.2 单因素考查微波辅助提取工艺
本试验针对微波功率(150、300、450、600、750 W)、提取时间(10、15、20、25、30、35 min)、液料比(4:1、6:1、8:1、10:1、12:1, mL·g-1)3个因素，保持其中2个变量固定不变，对另1个变量进行单因素试验，以精油提取率为指标，以确定Box-Behnken响应曲面设计所需的水平范围。
1.3.3 Box-Behnken响应曲面法优选艾纳香精油提取工艺
在单因素试验的基础上，选取微波功率、提取时间、液料比3个对精油提取率影响较大的因素，采用Design-Expert8.0.6提供的Box-Behnken试验，以精油提取率为指标优化提取工艺参数，试验设计如表 1、2所示。
表 1 Box-Behnken响应面试验因子与水平Table 1. Factors and levels of Box-Behnken experiments水平 因素 A提取时间/min B微波功率/W C液料比/(mL:g) -1 15 300 6 0 22.5 375 8 1 30 450 10 表 2 艾纳香精油提取的Box-Behnken响应曲面试验设计及评价指标Table 2. Box-Behnken response surface test design and evaluation index for extracting essential oil of Blumea balsamifera (L.) DC序号 A提取时间
/minB微波功率
/WC液料比
/(mL:g)提取率
/%1 15.00 375.00 6.00 2.35 2 22.50 375.00 8.00 3.26 3 30.00 375.00 6.00 2.89 4 30.00 375.00 10.00 2.82 5 15.00 450.00 8.00 2.57 6 22.50 300.00 6.00 3.18 7 22.50 375.00 8.00 3.30 8 22.50 450.00 10.00 3.42 9 22.50 450.00 6.00 3.28 10 22.50 375.00 8.00 3.32 11 22.50 300.00 10.00 3.11 12 15.00 300.00 8.00 2.21 13 30.00 450.00 8.00 2.76 14 22.50 375.00 8.00 3.28 15 15.00 375.00 10.00 2.42 16 30.00 300.00 8.00 2.79 17 22.50 375.00 8.00 3.26 1.3.4 艾纳香精油抗菌活性研究[11-12]
(1) 菌悬液的制备：将受试细菌菌株按1:100进行接种活化，37℃在固体培养基(LB)上划线培养24 h后接种到液体培养基上震荡培养18 h，稀释细菌液浓度为CFU·mL-1。将受试真菌菌株在SDA液体培养基中融化分散，30℃培养24 h后在SDA固体培养基划线培养72 h，用吐温-80生理盐水溶液调整真菌液浓度为CFU·mL-1。
(2) 琼脂扩散法：在灭菌的滤纸片上分别加入90、50、10 mg·mL-1艾纳香精油DMSO溶液，无菌条件下贴在涂有菌液的固体培养基上，以DMSO为空白对照，0.1 mg·mL-1庆大霉素溶液为阳性对照，37℃下细菌培养24 h后测定抑菌圈直径，30℃下真菌培养72 h后测定抑菌圈直径，每组试验平行6份。
(3) 琼脂稀释法：以2倍稀释法用固体培养基对精油进行梯度稀释，庆大霉素溶液为阳性对照，DMSO为空白对照。37℃下细菌培养24 h，30℃下真菌培养72 h，观察记录最小抑菌浓度(minimum inhibitory concentration，MIC)，每组试验平行3次。
2. 结果与分析
2.1 单因素考查精油微波辅助提取工艺
2.1.1 微波功率对精油提取率的影响
由图 1-A可知，随着微波功率的升高，精油提取率呈现先上升后下降的趋势。当微波功率为450 W时，精油提取率为3.36%。可能是当功率升高时，温度过高低沸点物质随介质沸腾而有所损失。因此选定300~450 W为响应面设计的最佳水平。
![]()
图 1 不同提取因素对精油提取率的影响Figure 1. Effects of different extraction factors on extraction rate of essential oils2.1.2 提取时间对精油提取率的影响
由图 1-B可知，随着提取时间的增加，精油提取率先上升再下降的趋势。当提取时间为30 min时，提取率为3.27%，当继续增加提取时间，精油被破坏或除介质挥发从而出现提取率下降的趋势。因此选定15~30 min为响应面设计的水平范围。
2.1.3 液料比对精油提取率的影响
由图 1-C可知，随着液料比的增加，精油提取率先上升后稳定在一定水平，没有显著性增加。当液料比超过10:1(mL:g)时，提取率稳定在3.15%左右波动。因此选定6:1~10:1(mL:g)为响应面设计的水平。
2.2 Box-Behnken响应曲面设计优化精油微波辅助提取工艺
采用Design-Expert 8.0.6提供的Box-Behnken试验，对各因素进行拟合，得到多元回归方程为：
R提取率=-6.1005+0.0437A+0.0914B+0.8323C-3.5555×10-5AB+2.3333×10-4AC+0.0208BC-6.7900×10-5A2-4.8933×10-3B2-0.0851C2
对精油提取率的回归模型进行方差及显著性分析，结果见表 3。该模型方程有显著性影响(P < 0.0001)，失拟项不显著(P>0.05)，说明在本试验条件下，该回归模型所考查的因素足以反映试验中各提取工艺参数对精油提取率的影响。判定系数R2=0.996 8，Radj2=0.992 6，说明回归模型与试验值拟合均较好，可用于精油提取率的理论推测和分析，各因素影响大小依次为：提取时间>微波功率>液料比。由F检验可知，一次项中提取时间、微波功率对精油的提取率具有极显著影响(P < 0.01)，交互项中提取时间与微波功率之间的交互作用对精油提取率具有极显著影响(P < 0.01)、微波功率与料液比之间的交互作用对精油提取率具有显著影响(P < 0.05)，在二次项中提取时间对精油提取率具有极显著影响(P < 0.01)；其他因素之间不显著(P>0.05)。与图 2中3D效应面图反映出的各因素间的交互作用相吻合。
表 3 试验结果方差分析Table 3. Experimental results and variance analysis方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 回归模型 2.38 9 0.26 238.59 < 0.0001 A 0.37 1 0.37 330.35 < 0.0001 B 0.068 1 0.068 61.87 0.0001 C 6.125E-004 1 6.125E-004 0.55 0.4811 AB 0.038 1 0.038 34.37 0.0006 AC 4.900E-003 1 4.900E-003 4.43 0.0734 BC 0.011 1 0.011 9.96 0.0160 A2 1.86 1 1.86 1680.36 < 0.0001 B2 5.764E-003 1 5.764E-003 5.21 0.0564 C2 1.053E-006 1 1.053E-006 9.514E-004 0.9763 残差 7.745E-003 7 1.106E-003 失拟项 5.025E-003 3 1.675E-003 2.46 0.2021 净误差 2.720E-003 4 6.800E-004 总和 2.38 16 ![]()
图 2 处方比例对各指标影响的3D效应Figure 2. The proportion of the effect of the prescription on the index of the 3D effect of the map由Design-Expert8.0.6软件得出精油提取的最佳工艺参数是微波功率450 W、提取时间22.95 min、液料比为10:1(mL·g-1)，精油提取率的预测值为3.40%。为便于生产试验需求，定为微波功率450 W、提取时间23 min、液料比为10:1(mL·g-1)，进一步验证试验，得出的精油提取率为3.45%。该值与预测值比较近，因此选取此为微波辅助提取艾纳香精油的工艺参数。
2.3 抑菌活性的测定结果
选用3种细菌和2种真菌作为测试菌，通过抑菌圈和最小抑菌浓度(MIC)初步研究微波辅助提取艾纳香精油的抑菌活性。由表 4、5可知，艾纳香精油对供试菌株的抑菌效果呈一定的量效关系，随浓度的增加抑菌效果增强。通过对比抑菌圈直径和MIC可知，抑菌效果为：黄曲霉>黑曲霉>金黄色葡萄球菌>大肠杆菌>绿脓杆菌。其中对真菌的抑菌效果略强于细菌，对革兰氏阳性细菌的抑制效果明显好于阴性细菌，2种真菌的MIC为625 μg·mL-1，金黄色葡萄球菌的MIC为1 250 μg·mL-1，强于其他2种细菌。
表 4 精油对各供试菌株的抑菌圈直径(x±s，n=6)Table 4. The diameter of the inhibition zoneof the essential oil(x±s, n=6)菌种 抑菌圈直径/mm 艾纳香精油质量浓度/(mg·mL-1) 庆大霉素/(0.1 mg·mL-1) 空白 90 50 10 大肠杆菌 10.71±0.24 9.27±0.31 8.12±0.11 14.22±0.48 5.12±0.07 金黄色葡萄球菌 9.21±0.27 7.96±0.14 7.01±0.18 11.21±0.24 5.12±0.07 绿脓杆菌 7.98±0.08 6.45±0.16 5.78±0.26 9.27±0.15 5.12±0.07 黄曲霉 14.21±0.16 11.32±0.22 9.87±0.30 17.23±0.34 5.12±0.07 黑曲霉 12.18±0.32 10.13±0.23 8.12±0.04 9.21±0.14 5.12±0.07 表 5 样品精油对各供试菌种的最小抑菌浓度(n=3)Table 5. The minimum inhibitory concentrationof the essential oil on the tested strains(n=3)菌种 MIC/(μg·mL-1) 艾纳香精油 庆大霉素 大肠杆菌 2500 1 金黄色葡萄球菌 1250 0.5 绿脓杆菌 2500 1 黄曲霉 625 0.5 黑曲霉 625 0.5 3. 讨论与结论
精油为纯天然、成分复杂并具有良好香气的植物精华成分，具有抗炎、抗菌、驱虫、抗氧化和安神等功能活性，被应用于医药、食品、化妆品和医疗美容行业。艾纳香精油不仅具有治疗风湿性关节炎、湿疹、产后痛风的功效，而且具有抗菌和驱虫活性。艾纳香挥发油作为一类次生代谢产物，具有安全、无毒、无污染等特点，用其代替化学防腐剂具有很好的发展前景。目前在精油的提取方法中，水蒸气蒸馏、溶剂萃取、油脂吸收、压榨法等传统方法仍占主导地位，现代分离技术中酶法、CO2超临界流体萃取超声波辅助提取、微波辐射、微胶囊-双水相萃取已显示出各自优势。其中微波提取具有提取速率快、能量利用率高、产品得率高、维持精油的天然品质等特点。
本研究以艾纳香为主要原料采用Box-Behnken响应曲面设计对其精油微波辅助提取工艺条件进行优化，并对微波辅助提取的精油进行抗菌试验研究。结果微波辅助提取精油的最佳工艺条件为微波功率450 W、提取时间23 min、液料比为10:1(mL:g)，此条件下提取的艾纳香精油得率为3.45%。本试验精油提取工艺稳定可行，提取率高，具有较强的抗菌能力，对真菌的抑制效果明显强于细菌，对黄曲霉的抑制效果最佳。微波辅助提取是一种节能、高效、提取植物高品质精油的新技术，在植物开发以及食品研究中具有很好的应用前景，通过此法得到的艾纳香精油具有开发成为食品和化妆品天然抗菌剂的潜力。
-
![]()
图 1 不同提取因素对精油提取率的影响
Figure 1. Effects of different extraction factors on extraction rate of essential oils
![]()
图 2 处方比例对各指标影响的3D效应
Figure 2. The proportion of the effect of the prescription on the index of the 3D effect of the map
表 1 Box-Behnken响应面试验因子与水平
Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments
水平 因素 A提取时间/min B微波功率/W C液料比/(mL:g) -1 15 300 6 0 22.5 375 8 1 30 450 10 
下载: 导出CSV
表 2 艾纳香精油提取的Box-Behnken响应曲面试验设计及评价指标
Table 2 Box-Behnken response surface test design and evaluation index for extracting essential oil of Blumea balsamifera (L.) DC
序号 A提取时间
/minB微波功率
/WC液料比
/(mL:g)提取率
/%1 15.00 375.00 6.00 2.35 2 22.50 375.00 8.00 3.26 3 30.00 375.00 6.00 2.89 4 30.00 375.00 10.00 2.82 5 15.00 450.00 8.00 2.57 6 22.50 300.00 6.00 3.18 7 22.50 375.00 8.00 3.30 8 22.50 450.00 10.00 3.42 9 22.50 450.00 6.00 3.28 10 22.50 375.00 8.00 3.32 11 22.50 300.00 10.00 3.11 12 15.00 300.00 8.00 2.21 13 30.00 450.00 8.00 2.76 14 22.50 375.00 8.00 3.28 15 15.00 375.00 10.00 2.42 16 30.00 300.00 8.00 2.79 17 22.50 375.00 8.00 3.26
下载: 导出CSV
表 3 试验结果方差分析
Table 3 Experimental results and variance analysis
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 回归模型 2.38 9 0.26 238.59 < 0.0001 A 0.37 1 0.37 330.35 < 0.0001 B 0.068 1 0.068 61.87 0.0001 C 6.125E-004 1 6.125E-004 0.55 0.4811 AB 0.038 1 0.038 34.37 0.0006 AC 4.900E-003 1 4.900E-003 4.43 0.0734 BC 0.011 1 0.011 9.96 0.0160 A2 1.86 1 1.86 1680.36 < 0.0001 B2 5.764E-003 1 5.764E-003 5.21 0.0564 C2 1.053E-006 1 1.053E-006 9.514E-004 0.9763 残差 7.745E-003 7 1.106E-003 失拟项 5.025E-003 3 1.675E-003 2.46 0.2021 净误差 2.720E-003 4 6.800E-004 总和 2.38 16
下载: 导出CSV
表 4 精油对各供试菌株的抑菌圈直径(x±s，n=6)
Table 4 The diameter of the inhibition zoneof the essential oil(x±s, n=6)
菌种 抑菌圈直径/mm 艾纳香精油质量浓度/(mg·mL-1) 庆大霉素/(0.1 mg·mL-1) 空白 90 50 10 大肠杆菌 10.71±0.24 9.27±0.31 8.12±0.11 14.22±0.48 5.12±0.07 金黄色葡萄球菌 9.21±0.27 7.96±0.14 7.01±0.18 11.21±0.24 5.12±0.07 绿脓杆菌 7.98±0.08 6.45±0.16 5.78±0.26 9.27±0.15 5.12±0.07 黄曲霉 14.21±0.16 11.32±0.22 9.87±0.30 17.23±0.34 5.12±0.07 黑曲霉 12.18±0.32 10.13±0.23 8.12±0.04 9.21±0.14 5.12±0.07
下载: 导出CSV
表 5 样品精油对各供试菌种的最小抑菌浓度(n=3)
Table 5 The minimum inhibitory concentrationof the essential oil on the tested strains(n=3)
菌种 MIC/(μg·mL-1) 艾纳香精油 庆大霉素 大肠杆菌 2500 1 金黄色葡萄球菌 1250 0.5 绿脓杆菌 2500 1 黄曲霉 625 0.5 黑曲霉 625 0.5
下载: 导出CSV
-
[1] 师琴丽, 覃军章, 王用平.贵州优势苗族药物艾纳香及其产品[J].中药材, 2003, 26(S1):87-88. http://med.wanfangdata.com.cn/Paper/Detail?id=PeriodicalPaper_zyc2003z1039 [2] 袁媛, 庞玉新, 王文全, 等.中国艾纳香属植物资源调查[J].热带生物学报, 2011, 2(1):78-82. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HNNX201101017.htm [3] SAKEE U, MANEERAT S, CUSHNIE T T P, et al. Antimicrobial activity of Blumea balsamifera (Lin.) DC. extracts and essential oil[J]. Natural Product Ressearch, 2011, 25(19):1849-1856. DOI: 10.1080/14786419.2010.485573
[4] 唐晖慧, 金美东.琼产艾纳香叶精油的抗氧化和抗菌活性[J].食品与发酵工业, 2013, 29(6):47-51. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SPFX201306012.htm [5] GOLMAKANI T M, REZAEI K. Comparison of microwave-assisted hydrodistillation with the traditional hydrodistillation method in the extraction of essential oils from Thymus vulgaris L.[J]. Food Chem, 2008, 109(4):925-930. DOI: 10.1016/j.foodchem.2007.12.084
[6] CHEMAT F, LUCCHESI M E, SMADJA J, et al. Microwave accelerated steam diatillation of essential oil from lavender:A rapid, clean and environmentally friendly approach[J]. Anal Chim Acta, 2006, 555(1):157-160. DOI: 10.1016/j.aca.2005.08.071
[7] WANG Z M, DING L, LI T C, et al. Improved solvent-free microwave extraction of essential oil from dried Cuminum cyminum L.and Zanthoxylum bungeanum Maxim[J]. J Chromatogr A, 2006, 1102(1-2):11-17. DOI: 10.1016/j.chroma.2005.10.032
[8] VIANA M A, FERNANDEZ X, VISINONI F, et al. Microwave hydrodiffusion and gravity, a new technique or extraction of essential oils[J]. J Chromatogr A, 2008, 1190(1-2):14-17. DOI: 10.1016/j.chroma.2008.02.086
[9] 邹小兵, 陶进转, 夏之宁, 等.微波辅助提取挥发油的研究进展[J].中成药, 2010, 32(6):1014-1020. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZCYA201006042.htm [10] 谭承佳, 温荣伟, 马家骅, 等.微波提取柴胡挥发油的工艺研究[J].中成药, 2014, 36(6):1315-1317. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZCYA201406047.htm [11] 唐晖慧, 金美东.琼产艾纳香叶精油的抗氧化和抗菌活性[J].食品与发酵工业, 2013, 39(6):47-52. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SPFX201306012.htm [12] 夏嬿, 李祥, 陈建伟.不同提取方法对艾纳香挥发油化学组成的影响及其体外抗氧化活性[J].中成药, 2014, 36(10):2221-2224. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1528.2014.10.052 -
期刊类型引用(9)
1. 王国盼，杨达，陆安静，秦琳，张倩茹，王建梅，杨再文，何莉，谭道鹏. GC-MS分析艾纳香叶超临界提取物中的挥发性成分. 遵义医科大学学报. 2023(04): 415-423 . 
百度学术
2. 谢小丽，王凯，胡璇，王丹，官玲亮，于福来. 黎药复方牙膏的制备及其抑菌作用评价. 香料香精化妆品. 2023(06): 82-88 . 百度学术
3. 赵超，徐文芬，孙庆文，孙开芬，陈滕. 艾纳香挥发油萃取工艺优化及成分分析. 中国药房. 2022(08): 950-956 . 百度学术
4. 高月，王万林，彭俊超，蔡亚玲，廖加美，易琼，王鲁. 不同产源艾纳香油抗菌活性筛选及其对金黄色葡萄球菌抗菌作用的研究. 畜牧兽医学报. 2021(02): 525-534 . 百度学术
5. 万敏，姚于飞，付王威，吴睿婷，游慧婷，景智，李文娟. 黄金茶挥发油提取工艺优化、成分分析及抗氧化研究. 食品工业科技. 2021(15): 150-156 . 百度学术
6. 胡璇，王凯，于福来，王丹，谢小丽，庞玉新，陈鸿发. 艾纳香不同提取物GC-MS分析及其抑菌活性. 福建农业学报. 2021(10): 1131-1138 . 本站查看
7. 贺莹. 响应曲面优化微波辅助提取槐花精油的工艺. 食品工业. 2020(06): 28-31 . 百度学术
8. 宝艳儒，冯贻东，曾伟珍，叶文才，冯汉林. 艾纳香挥发油化学成分及药理研究进展. 人参研究. 2020(06): 59-64 . 百度学术
9. 胡永，段玉书，苑春茂，黄烈军，李霞，顾玮，郝小江. 艾纳香中1个新倍半萜内酯及其细胞毒活性研究. 中草药. 2019(14): 3274-3278 . 百度学术
其他类型引用(6)
计量
- 文章访问数: 1341
- HTML全文浏览量: 172
- PDF下载量: 211
- 被引次数: 15
