1.本发明涉及天然化学品提取和利用领域及相关行业，具体而言涉及一种植物挥发性精油的提取和测定装置及其使用方法。


背景技术：

2.植物精油是存在于植物组织中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。因此，植物精油可用于医疗保健，天然保健型化妆品，食品添加剂等研发，具有广泛的应用价值。
3.植物精油可采用萃取法、压榨法和蒸馏法提取。但对于挥发性植物精油的工业化提取，仍以水蒸气蒸馏法为主，以获得更为稳定的产品质量。为了提高植物精油的提取效率，业界工作者提出了对原料粉碎处理、破壁处理、加盐处理、表面活性剂处理等预处理手段，而对蒸馏过程则提出微波、超声波、共沸萃取等辅助手段。然而，这些手段对于提升植物组织蒸馏热效率、升温速率及温度均一性作用有限。其原因是固体植物组织本身导热系数很低，若采用间接加热则面临极大的传热阻力；而采用水或蒸汽作为介质直接加热不仅需将大量能量消耗在介质上，且仍然无法完全克服传热阻力的限制而很难获均匀加热，往往导致局部过热而影响精油产品质量，局部温度过低而影响精油得率等问题。
4.而在测定植物组织中挥发性精油含量时，也需要先提取后定量。较之有机溶剂萃取、超临界流体萃取而言，水蒸气蒸馏提取可获得更为纯净的精油产物，定量更为可靠。如在国家药典测定植物组织中精油含量的方法中，所用装置如图1 所示，将植物样品置于烧瓶中加水浸泡并加热蒸馏，收集蒸馏冷凝液中的精油并读取体积，进而根据蒸馏所得精油的体积与植物样品的质量计算精油含量。该方法通常需要5-6小时的蒸馏时间才能将植物样品中的精油提取充分，以获得较为可靠的测定数据；再加之植物样品的预处理(剪碎或破碎)、预浸泡、蒸馏后的冷却分层等环节，整体测定时间可长达8-10小时，不仅操作繁琐、耗时长，而且在植物样品规模较小或精油含量较低时可出现较大测定误差。除了上述以体积法对提取精油定量外，还有报道采用干燥失重法、紫外吸收等定量方法，但干扰因素过多很难普遍使用。


技术实现要素：

5.针对植物挥发性精油提取和测定中面临的上述问题，本发明提出基于植物组织欧姆热效应的精油蒸馏提取装置和方法，不仅操作简便、快速而且大幅提升了升温速率、温度均一性、精准性和过程热效率。在工业化提取精油的场合，便于实现机械化和自动化；在精油含量测定场合，可结合折光率定量方法实现植物组织样本精油含量的快速精确测定。
6.本发明的植物精油提取装置，包括：加热罐，包括罐体与置于罐体内并能与外部电源连接以形成欧姆加热器的上电极板和下电极板、及插入上电极板和下电极板之间的物料空间的中央循环管；冷凝-分液器，其包括冷凝器及连通于下方的油水分离器；气液循环管路，其包括蒸汽导管和回流管，它们连通在加热罐与冷凝-分液器之间以实现气液循环。其
中，在提取操作过程无需通过加热罐体壁面或输入热流体提供蒸馏热量。
7.本发明还涉及所述装置在植物挥发性精油提取中的应用。
8.在植物精油制取场合，所述应用包括步骤：
9.(1)破碎植物原料，获得植物破碎料；
10.(2)将植物破碎料与水混盒，获得浆料，优选的含水量为70-90％(质量百分比)。
11.(3)将浆料输入上电极板与下电极板之间，利用加压舱向下推动上电极板压紧浆料；
12.(4)启动连接上电极板与下电极板的外部电源进行欧姆加热，控制电压以保持加热罐内蒸汽不断输出，并与回流管冷凝液流量平衡；及
13.(5)于油水分离器中收集挥发性精油。
14.在植物精油含量测定场合，所述应用包括步骤：
15.(1)将一定质量的植物原料浸入水中，经机械破碎获得浆料，优选的含水量为50-90％(质量百分比)；
16.(2)将浆料输入上电极板与下电极板之间，利用加压舱向下推动上电极板压紧浆料；
17.(3)启动连接上电极板与下电极板的外部电源进行欧姆加热，控制电压以保持加热罐内蒸汽不断输出，并与回流管冷凝液流量平衡；
18.(4)至油水分离器中挥发性精油体积不再增加，停止加热；
19.(5)用溶剂萃取油水分离器中的挥发性精油并定容，再脱水得到无水的精油溶液，优选的溶剂为正己烷，且优选地用无水硫酸钠脱水；及
20.(6)测定无水的精油溶液的折光率，根据浓度和折光率的标准曲线计算溶液中精油浓度，再根据定容体积和植物原料的质量计算植物原料中精油含量。
21.利用本发明装置可以快速、节能地提取植物精油，也能快速、精确地测定植物组织中的挥发性精油含量。
附图说明
22.图1示出了国家药典法测定植物挥发性精油的水蒸气蒸馏装置；
23.图2为本发明植物挥发性精油提取和测定装置的示意图；
24.图3(a)和图3(b)示出了带有机械进料结构的加热罐示意图，其中图3(a) 为进料状态，上电极板提升；图3(b)为蒸馏操作状态，上电极板下降加压。
具体实施方式
25.植物组织的传统加热方式是直接加热(如以空气、蒸汽或水为介质)或间接加热(通过热壁面为接触的植物组织提供热量)，但均面临传热过程限制因素而很难实现精准控温和均匀加热；微波、红外、射频等辐射加热的能量往往被浅层物料优先吸收，故深、浅层组织的温度也难以平衡。欧姆加热是以植物组织本体的欧姆效应发热，故无需导热介质或热壁面提供热量，不受传热过程限制性因素影响。因此，本发明装置所用加热罐是无加热壁面也无热流体输入的。
26.在植物组织的挥发性精油水蒸气蒸馏提取过程中，水和精油汽化后进入冷凝
ꢀ‑
分
液器后液化并分层。其中，精油作为产品计量或输出，而水作为蒸馏介质需回流到植物组织中并循环参与蒸馏过程。在欧姆加热过程中，植物组织的含水量对介电特性及发热效果具有重大影响，因此必须保证冷凝回流的水尽快且均匀的分布到植物组织中。为此采用中央循环管，将冷凝水导入罐体中心并分布到各层植物组织中去。
27.欧姆加热装置的电极既可以采用水平布局，也可采用垂直布局，而后者是最常用的布置方式。但在本发明中，采用了立式圆筒罐和水平布置的电极板的组合，较之卧式加热罐体和垂直布置电极板的组合有三大优势：(1)可使绝大部分罐体空间置于电场之中(上下电极板之间)，物料有效装载系数高；(2)电极板可对物料形成垂直加压作用，减少植物组织的空隙和不均匀性，提升物料介电特性的均一性；(3)电极板能以中央循环管为轴心上下滑动，以适应植物组织物料体积的变化，从而提高操作的灵活性。相应的，为容纳垂直的中央循环管，电极板中心开孔而成环形。
28.具体地，如图2所示，本发明的植物精油提取装置包括加热罐3、置于加热罐内成对的上电极板5和下电极板1(其可与外部调压电源连接而形成欧姆加热器)、置于上电极板5上的加压舱6、及插入上下电极板之间物料填充/加热空间的中央循环管(中央回流液分布管)4。
29.本发明装置还包括用于安装在加热罐上方(或侧上方)的冷凝-分液器，其包括冷凝器10与油水分离器11(分液管)，油水分离器11上端口与冷凝器10下端口连通，用以接受来自冷凝器10的回流液以油水分离，两者也可一体制成。
30.本发明的装置还包括气液循环管路，其包含蒸汽导管9和回流管12，它们连通在加热罐与冷凝-分液器之间，以实现精油提取过程的气液循环。蒸汽导管9下端的蒸气出口7连通加热罐3，上端连通冷凝器10或油水分离器11以将欧姆加热器产生的蒸汽输送至冷凝器10。回流管12的一端连通油水分离器11下端部的回流液出口，另一端冷凝水回流口8穿过加热罐3顶部连通至中央循环管4的上端开口，以将回流液返回至物料加热空间。回流管12通常为u型回流管。
31.具体地，加热罐3为绝缘材料或其内壁面为绝缘材料，通常为圆筒状，具体可以是圆筒状聚四氟乙烯罐或聚四氟乙烯内衬的圆筒罐，物料在罐内加热。欧姆加热器通常设置在加热罐3下部，包括对置的通常为圆形的下电极板1和上电极板5。上下电极板之间形成为物料填充空间以容纳和加热植物原料和水等。
32.中央循环管4基本上位于加热罐中轴位置，上端开口与u型回流管12连通，下部通过上电极板5竖向插入物料填充空间。中央循环管4在其侧壁，尤其在上下电极板之间，形成有多个导水孔2以均匀分配回流液。优选地，回流液分布管的侧壁十字开孔，且管腔内可塞多孔纤维填充物，利用毛细作用使回流的水均匀扩散。导水孔2直径一般不大于中央循环管4直径的1/8，且导水小孔总面积不小于中央循环管的内管截面积。导水孔直径小于中央循环管直径的1/8是为避免回流冷凝水在各层中分布不均，而总面积不小于中央循环管内径又可保证回流水顺畅回流并保持平衡。
33.蒸汽导管9的下端口插入加热罐内上部空间，以导出来自下方欧姆加热器的蒸汽，上端口经回流冷凝器10或油水分离器11侧壁(例如靠近两者连通的位置) 上的进汽口与冷凝-分液器连通，以将蒸汽导入至回流冷凝器10进行冷凝。图2 所示的实施例中，蒸汽导管9的蒸气出口7连接至冷凝器10侧壁上的支管口(进汽口)。
34.为稳定回流液，回流管12可包括u型部段，优选地，其为可调节高度的柔性u型管，用于将分液所得水相通过冷凝水回流口8导入中央循环管4。如图2 所示，u型回流管12在其靠近油水分离器11的部分中包括u型部段。采用水蒸气蒸馏提取精油时，因不同操作阶段(如升温阶段、稳定蒸馏阶段和结束阶段等) 或操作因素影响可导致罐内气压发生变化，冷凝水回流的速度也因此而变化，导致不能稳定欧姆加热物料，对精油提取效率产生影响。采用柔性u型管可灵活调节冷凝水水柱高度，以使之匹配罐体内压力并建立稳定的冷凝水回流。而传统装置上一般仅设置了刚性管道，无法实现该调节功能。
35.另外，如图2所示，该u型部段相邻的下游部与蒸汽导管9之间还可包括连通两者的气体平衡管，用以桥接蒸汽导管9与u型回流管12，起到平衡加热罐内气压和回流管内气压的作用，防止虹吸现象的发生。操作时，气体平衡管不高于油水分离器11上的所述进汽口位置。气体平衡管与u型回流管12连接位置高度低于进汽口位置。
36.水蒸气蒸馏过程中有大量汽化物生成，并通过气液界面进入到气相中。在本发明中，采用了立式罐体和水平布局的电极板组合，需缩减上电极板面积以留出汽化界面，因此上电极板的外径可小于罐体内径；此外，也可在汽化界面处采用金属网结构，既能提供汽化界面，又能维持下方的电场及压料作用。相应的，下电极板置于加热罐底部，其外径可与罐体内径一致，可充分利用罐体空间构建加热电场。
37.具体地，上电极板5的大小与形状与加热罐内截面基本一致，但外周为网面，以提供汽化界面。或者，上电极板5为直径小于加热罐内径，其下侧面设置导电铁网，导电铁网的大小与加热罐内截面一致。精油蒸汽可从上电极板5外围的导电铁网部分通过。因此导电铁网能扩展被电场覆盖的物料范围，且能使蒸汽从铁网孔通过，从而起到增加电场作用面积和通气的作用。
38.通常，植物组织缺乏流动性，不便采用机械方式实现加热罐的自动化进出料，而需要采用人力装料，不仅劳动力消耗大、耗时长，而且往往导致装料不均匀，这是植物组织挥发性精油工业提取中面临的共性问题。为此，在本发明中采用将植物组织粉碎或破碎并与水搅拌混匀的方式制备植物组织浆料，不仅可精准控制浆料含水量使之具有适宜且均一的介电特性，而且还为机械进料提供了有利条件。例如，在本发明装置的一个具体实施例中，如图3(a)和3(b)所示，还可以在位于加热罐侧面、上电极板5下方的进料口上配置了进料螺旋输送机13，可将植物组织浆料输入加热罐；而位于加热罐侧面底部、下电极板1上方的出料口也配置了排料螺旋输送机15，可在活塞式加压舱14(后文详细描述)及上电极板5的辅助加压下，将蒸馏废弃浆料较为彻底地排出加热罐。从而可实现提取过程中的机械进料和排料，无需人工干预。无论对于精油提取操作还是对于精油含量测定操作，均可降低人工需求、提升物料介电性质的稳定性，有利于实现自动化操作并大幅提升效率。
39.因植物组织本身具有一定的刚性和弹性，可因“搭桥”现象而在浆料中局部保留空气泡或形成不均匀区域，需施加一定的压力以压实压密浆料，从而保持其介电性质的一致性；此外，为实现蒸馏废弃浆料的顺利排放，也需要提供均匀且持续的压力。
40.在本发明装置的一个具体实施例中，在上电极板上设置加压舱以对浆料形成压力。以下说明该设置可分别适配人工装料和机械装料两种结构中：
41.对于人工装料结构如图2所示，加压舱为结合在上电极板上表面的重力式加压舱6，其重力经上电极板传导到浆料上，为浆料提供持续且均一的压力。本发明所用方式利用
了电场上下布局的优势，且压力不随电场中物料厚度或深度的变化而改变，可保持电场中植物组织浆料压密程度和介电性质的均一性。
42.对于机械装料机构如图3(a)和3(b)所示，加压舱为结合在上电极板上表面的液(气)压活塞机构14，其液(气)体压力经上电极板传导到浆料上。当加热罐进料时(图3(a))，加压舱中的工作介质(水或空气)被抽出，活塞机构收缩而提升上电极板；当植物组织浆料进料完成后，加压舱中注入工作介质以推进活塞机构延申并对上电极板提供压力(图3(b))，压力大小可通过工作介质注入量控制；当精油的蒸馏提取完成后，加压舱中可进一步注入工作介质以推进活塞机构延申，使上电极板下降并为蒸馏废弃浆料的排出提供持续的压力。
43.需要进一步说明的是，本发明装置还可利用欧姆加热的自平衡效应改善蒸馏操作的稳定性。其原理是，当植物组织含水量较高时，电阻较小故加热功率较大，水汽生成速度高，可迅速排放更多水分；而当植物组织含水量较低时，电阻增大故加热功率自动下降，可留出较多时间回流待冷凝水分布后再恢复高功率加热。因此本发明装置可获得优于传统装置的操作稳定性。
44.以上描述的为精油提取装置本身。下面描述使用本发明装置进行精油提取和测定的方法，其中也能进一步说明本发明精油提取和测定装置的优点。
45.本发明尤其适合大规模精油提取过程，其原因包括：(1)将植物组织制成浆料后再实施水蒸气蒸馏，一方面可深度破坏植物组织结构有利于精油释放；另一方面也为机械化进、出料提供了条件，可减少人工需求；再者能够精确调节物料水分及介电特性，保障欧姆加热效果的稳定性；(2)利用加压舱可调节上电极板升降及对物料的压力，为装卸物料和保持植物组织介电特性均一性提供了便利； (3)电场强度及加热速率可通过电压调节，不仅方便灵敏而且可实现精准操作，对于起始阶段可以采用高电压以提升升温速率，对于稳定蒸馏阶段可以采用中低电压以保持蒸汽稳定输出，对于局部过热或结束阶段可立即断电避免滞后加热。
46.本发明装置用于植物挥发性精油提取，可通过以下步骤实施：
47.(1)截短或粉碎植物原料，获得植物破碎料；
48.(2)将植物破碎料与水搅拌混匀，获得含水量在70％-90％之间的浆料；
49.(3)抽出加压舱活塞中的水或空气以使活塞收缩并使上电极板升高；启动进料口螺旋输送机，将浆料输入加热罐的成对电极板之间；
50.(4)向加压舱活塞中注入水或空气并推动上电极板压紧浆料；
51.(5)启动调压电源加热，控制电压以保持加热罐内蒸汽不断输出，并与回流冷凝液流量平衡；
52.(6)观察油水分液器(管)中挥发性精油体积，达到预期得率收集挥发性精油产品；
53.(7)关闭电源；启动排料口螺旋输送机并排出蒸馏废弃浆料，期间继续向加压舱活塞中注入水或空气并推进浆料排放。
54.本发明方法也同样适合精油快速测定场合。在蒸馏前，需要对植物组织进行预处理，如国家药典法就剪碎、浸泡、手工装入蒸馏瓶等环节，而本发明方法采用机械湿法制浆，不仅节省耗时，而且避免干法破碎过程中精油的挥发损失，还提升了蒸馏装料的便利性(在采用机械装料方式时，可以提升自动化水平)。在蒸馏过程中，欧姆加热的高效性、均一性和
精确性均优于国家药典法的间接加热方式，蒸馏时间可缩减到国家药典法的30％以内。在定量过程中，国家药典法采用读取精油体积的方式，而本发明方法采用读取折光率的方式，不仅灵敏度和精密度都有所提升，而且可大幅降低测定所需原料量，对于精油含量低的物料也可获得可靠测定结果。需要指出，制备植物组织浆料时应准确控制含水量，过低将导致浆料电导率偏低而无法获得足够的加热电流和功率，过高则将完全导通而导致电场击穿。各类植物组织浆料的介电特性差异很大，经研究发现含水量70-90％ (质量百分比)对于多数植物浆料是比较合适的。
55.本发明装置用于植物挥发性精油含量测定，可通过以下步骤实施：
56.(1)将植物原料浸入温度不超过20℃的去离子水中，机械剪切或粉碎成浆料，获得含水量在50-90％之间的浆料；
57.(2)将浆料输入加热罐的成对电极板之间并用上电极板压紧浆料；
58.(3)启动调压电源加热，控制电压以保持加热罐内蒸汽不断输出，并与回流冷凝液流量平衡；
59.(4)观察油水分液管中挥发性精油体积，在15分钟内体积不增加关闭调压电源；
60.(5)用正己烷萃取油水分液管中的挥发性精油并定容，加入无水硫酸钠脱水得到无水的精油正己烷溶液；
61.(6)测定无水的精油正己烷溶液的折光率，根据浓度和折光率的标准曲线方程计算所测溶液中精油浓度，再根据定容体积和测定所用植物原料质量计算原料中精油含量。
62.需要指出，制备植物组织浆料时应准确控制含水量，过低将导致浆料电导率偏低而无法获得足够的加热电流和功率，过高则将完全导通而导致电场击穿。在测定植物挥发性精油含量的场合，因样本处理规模较小，可采用较浅的料层深度或采用高电压操作，从而可适当降低制备浆料时的含水量，含水量50-90％(质量百分比)对于多数植物浆料是比较合适的。
63.以下通过对照例和实施例对比说明本发明装置及方法的优越性：
64.对照例1：采用国家药典法水蒸气蒸馏装置(如图1所示)测定艾叶精油含量。在1l的平底烧瓶中加入900ml的自来水和80g经剪刀间碎的艾草，2kw的电炉加热5h，提取精油体积为0.511ml，测定的精油含量为6.39ul/g艾叶，三次平行测定变异系数为2.6％。
65.对照例2：采用国家药典法水蒸气蒸馏装置(如图1所示)测定艾绒精油含量。在1l的平底烧瓶中加入900ml的自来水和100g艾绒，2kw的电炉加热5h，提取精油体积为0.087ml，测定的精油含量为0.87ul/g艾叶，三次平行测定变异系数为13.1％。
66.上述对照例反映了传统水蒸气蒸馏装置及其操作工艺所能达到的典型技术水平，对于挥发性精油含量较高的样品，药典法定量是比较可靠的；但对于精油含量很低的样品，药典法定量会出现较大误差。国家药典法测定过程总耗时8-10h，从开始加热到出现回流的升温时间1h以上，期间升温速率不高于1.5℃/min，热效率不高于5％。
67.实施例1：利用本发明装置，根据前述植物挥发性精油含量测定步骤，用欧姆加热法测定艾草精油含量。15g艾草(含水量10.91％)加水粉碎1min,加入的水量是91.9g，欧姆加热2h,电场强度14v/cm，频率50hz，稳定加热功率为65-70w，提取精油加正己烷萃取，定容后测折光率，再根据精油浓度与折光率的标准曲线方程计算得到精油体积为0.0924ml。由此测定精油含量6.16ul/g，回收率为96.29％ (相对于对照例中国家药典法)，采用三次平
行测定变异系数为2.9％。
68.实施例2：利用本发明装置，根据前述植物挥发性精油含量测定步骤，用欧姆加热法测定艾绒精油含量。100g艾绒(含水量7.86％)中补加去离子水500ml，在电场强度18v/cm，频率50hz，稳定加热功率为360-400w下欧姆加热2h，冷凝分液器中获得精油加正己烷萃取，定容后测折光率，再根据精油浓度与折光率的标准曲线方程计算得到精油体积为0.094ml。由此测定精油含量0.94ul/g，回收率为108.04％(相对于对照例中国家药典法)，采用三平行测定变异系数为3.7％。
69.上述实施例反映了采用本发明欧姆加热装置测定操作工艺所能达到的技术水平，当植物组织样本精油含量较高时，本发明方法的测定值与国家药典法基本一致，精密度良好；当植物组织样本精油含量较低时，本发明方法的测定值高于国家药典法，且精密度显著优于国家药典法。表明精油提取更彻底，且采用折光率定量替代体积定量精密度更高。测定过程总耗时4h，耗时为药典法的42.5-50％。升温时间6-8min升温速率10-12℃/min，热效率可达94％。
70.实施例3：利用本发明装置，根据前述植物挥发性精油含量测定步骤，用欧姆加热法测定艾草精油含量。80g艾草(含水量10.91％)加水粉碎1min,加入的去离子水460ml，在电场强度18v/cm，频率50hz，稳定加热功率为380-400w下欧姆加热2h，冷凝分液器中获得精油体积为0.497ml，由此测得精油含量为6.21 ul/g。
71.该实施例反映了若采用较大的样本规模，也可采用体积法测定植物组织中挥发性精油含量，回收率为97.2％(相对于国家药典法)，其测定结果与国家药典法基本一致，但测定时间大幅缩短了。
72.以上实施例或对照例仅用于说明本发明装置及操作方法的有效性，所用原料不限于艾叶，也可通用于各类含有挥发性植物精油的原料；所用场合也不限于测定挥发性精油含量，也可通用于不同规模的精油提取生产，在时间、能耗、人力消耗等方面均可获得优于传统水蒸气蒸馏装置及工艺的效益。