王晓霞
(咸阳职业技术学院，陕西 西安 712000)
天然植物精油多为无色油状液体，是植物体自身的次级代谢物质，一般分子质量较小，采用蒸气法就可以将其蒸出；
植物精油在医药和化学领域常被称为挥发油，在商业领域称为芳香油。天然植物精油有着多种功能特性，应用广泛。基于此，本文研究尝试利用粘胶纺丝液中加入以柠檬精油、香桂精油和洋甘菊精油来进行提取，并且通过测试纺制纤维的性能测试评价了纺制工艺的可行性，为拓展粘胶纤维的功能应用领域提供借鉴。
天然植物精油取自植物的花、根、叶、果实和种子等部位，其成分较为复杂，其主要组成成分有芳香族化合物、萜类化合物、含氮含硫化合物和脂肪族化合物等。
1.1 萜类化合物
天然植物精油中最主要的成分就是萜类化合物，其能够在植物精油中占到70%以上，该类化合物在自然界也广泛存在。其含氧衍生物大多具有芳香气味，例如：醇、酚、酯等。萜类化合物分为单萜类、倍半萜和多萜类等，例如：柠檬醛、薰衣草醇、香茅醇属于单萜；
金合欢烯、愈创木醇属于倍半萜类；
维生素A醇和类杉醇属于双萜类。
1.2 芳香族化合物
天然植物精油中第2大类化合物即为芳香族化合物，主要分为苯丙烷类衍生物和萜源衍生物，前者例如榄香素、桂皮醛；
后者例如α姜黄烯和百里香草酚。含萜源衍生物的植物精油通常会作为辛香型香料参与香料的生产。
1.3 含氮、含硫化合物
植物香辛料精油中含氮、含硫化合物较多，该类化合物主要存在于大蒜、洋葱这类辛辣刺激的植物中。含硫化合物，如大蒜素、黑芥子中的异硫氰酸烯丙酯、洋葱中的三硫化合物等；
含氮化合物，如柠檬中的吡咯、茉莉中的吲哚，相比于含硫化合物，其在植物精油中的含量较少。草本植物的种类、提取部位、提取工艺不同，提取到的天然植物精油的成分和含量也会有一定的差异。
1.4 脂肪族化合物
几乎全部种类的植物精油中都含有脂肪族化合物，大多存在于植物的果实部分，虽然只有极少的含量，也属于植物精油的次要成分。如柠檬精油中的异戊醛、桂花精油中的正葵烷、沙棘精油中的乙酸乙酯等都属于脂肪族化合物。相关资料表明，植物精油中最常见的该类化合物为异戊醛和异戊酸。
2.1 聚合度测试
采用铜氨溶液法测试以上不同天然植物精油制备的不同含量的粘胶纤维聚合度。
纤维力学性能测试
采用酮溶液与蒸馏水依次将以上利用不同天然植物精油制备的不同含量、洗净后在105 ℃的容器中烘干备用；
设置温度、湿度恒温状态试验箱相对湿度为 65%、温度为 20 ℃的标准环境对制备的粘胶纤维进行调湿处理24 h备用。使用 XQ-1A 型纤维强伸度仪对纤维的力学断裂强度进行测试，其中 XQ-1A 型纤维强伸度仪参数设置为：纤维夹持长度为 20 mm，纤维拉伸速度为 20 mm/min，每种类的粘胶纤维测试30 根，剔除测试中出现的异常数据后取测试值的平均值。
纤维摩擦因数测试
按照“2.1.1”纤维力学性能测试中纤维的调湿方法对粘胶纤维进行调湿，将调湿后的粘胶纤维两端夹于张力仪夹头上，张力仪质量为100 mg，利用 Y151 纤维摩擦系数测定仪对上述不同天然植物精油制备的不同含量粘胶纤维与其自身纤维制备的纤维辊间的纤维摩擦系数。Y151 纤维摩擦系数测定仪测试参数设置为：30 r/min 的转速下测试纤维的动态摩擦系数；
0.9 r/min 的转速下测试纤维的静态摩擦系数。各种类的粘胶纤维测试 30 根纤维，剔除测试中出现的异常数据后取测试值的平均值。
红外光谱测试
将溴化钾与精油质量含量为 20%的柠檬醛、香桂叶、洋甘菊制成试样压片，调整红外光谱仪参数使其在分辨率 0.5 cm，波数4 000～400 cm参数下对制备的溴化钾纤维压片进行红外曲线测试。
X衍射曲线测试
利用 D8 DISCOVER型X-射线衍射仪对功能粘胶纤维进行大角度衍射，扫描速度为5°/min ；
纤维压片在5°～45°进行X-衍射曲线测试。
2.2 纤维性能分析模型
恒幅循环载荷下的模型构建
通过干涉分析理论可知，当粘胶纤维制成的结构件处于恒幅循环载荷状态下时，材料的可靠度可以根据式(1)进行分析：
(1)
式中：()表示粘胶纤维基于疲劳寿命定义的可靠度函数；
表示载荷循环次数；
表示疲劳寿命的形状参数；
表示疲劳寿命的尺度参数。当外部载荷和循环次数为一恒定、有规律值时，基本上可认定材料剩余强度和疲劳寿命的形状参数、疲劳寿命的尺度参数高度相关。
不确定性恒幅循环载荷下的模型构建
当粘胶纤维工程结构件所处的载荷环境为交变载荷、反复作用时，材料内部的疲劳损伤类型通常会更为复杂。从宏观上表现为材料的剩余强度随载荷作用时间的增加而逐渐降低，材料的剩余寿命也会随之逐渐减小。通常情况下，不确定性恒幅循环载荷数学模型构建需要从剩余强度和剩余寿命2个视角进行分析，具体损伤函数如式(2)、式(3)所示：
(2)
(3)
式中：()表示不确定性恒幅循环载荷下基于剩余强度定义的粘胶纤维疲劳损伤函数；
()表示基于寿命定义的疲劳损伤函数；
表示材料的原始强度；
()表示材料在外部载荷作用次以后的剩余强度；
表示材料的原始寿命。利用式(2)、式(3)分别计算出不确定性恒幅循环载荷下的材料剩余强度和剩余寿命。
随机循环载荷下的模型构建
一般的材料剩余强度数学模型通常反映的是恒幅循环盈利与粘胶纤维所能承受的最大载荷循环次数之间的对应关系，对于较为复杂的随机循环载荷下的模型分析尚不能明确展示材料内部复杂的疲劳损伤种类的各种疲劳损伤之间的相互作用机制。通常情况下，当外部载荷为随机循环载荷时，一般粘胶纤维外部载荷的峰值和谷值并不是稳定或有规律可循的数值。此时构建材料剩余强度数学模型需要借助特定的疲劳累积损伤理论或失效准则。本文假设为一随机应力母体，(=1，2,3，…，)为中的一个盈利样本，根据式(1)～式(3)反映的材料剩余强度分析函数可得：
=
(4)
式中：表示材料的原始寿命；
(=1，2,3， …,)表示样本作用下的复合材料疲劳寿命。将式(4)引入Miner累积损伤准则可得：
(5)
式(5)除能够反映粘胶纤维在收到外部随机循环载荷时的剩余强度变化规律外，还具有分析简单、实际工程应用价值高等特点。
综上所述，笔者以新工科为“一主体”，结合本科专业教学质量国家标准、工程教育专业认证标准为“二翼”的指引，针对实验教学中存在的问题，建立标准化实验教学体系，构建标准化实验教学大纲，实施标准化实验操作流程，完善标准化实验室建设，从而升级改造制药类专业实验教学环节，达到新工科对于专业实践教学的新要求，让学生的知识、能力和素质满足医药行业的实际需求，提升制药工程专业实践教学质量[15]，为地方高校制药工程实验教学的改进提供一定的指导和借鉴。
3.1 超临界CO2流体萃取法
该方法是一种新型精油提取方法，其原理为：通过控制压力和温度，调整超临界CO的溶解能力，对植物材料中的特殊天然产物进行溶解，然后在超临界状态下，将溶解在超临界CO中的不同分子量、沸点、极性等的精油成分依次萃取出来。目前，采用该方法已经能够提取出很多种类的天然植物精油，且得油率都能够超过6.0%。有研究人员采用超临界CO流体萃取技术，其萃取工艺流程如图1所示。
图1 超临界CO2流体萃取工艺流程图Fig. 1 Flow chart of supercritical CO2 fluid extraction process
由图1可知，该技术下精油提取与分离基本流程为：CO气体贮罐净化系统冷却系统高压泵萃取釜分离釜1、分离釜2。在压力10.9 MPa、温度42 ℃的条件下进行萃取，分离釜1中的压力设定为8 MPa、温度为45 ℃；
分离釜2中的压力设定为5 MPa、温度为30 ℃，最终得到的精油萃取率为8.43%。
分离技术优缺点：与以往的水蒸气蒸馏法相比，采用该方法进行植物精油的提取与分离，能够减少某些精油组分的流失或分解，因为其反应温度不高，通常在35～55 ℃，且CO气体的存在能够有效减少精油中热敏组分的分解和流失；
CO属于不可燃性气体，无味、无毒，整个植物精油的提取与分离过程较为安全，且不添加任何有机溶剂，因此无化学残留，较好保证了植物精油的纯天然特性。该技术较为适合高档植物精油的提取和制备。但该技术所需成本较高，以致于目前还没有被普遍投入工业化生产中。
3.2 同时蒸馏-萃取法
该方法也是一种新型精油提取方法，其原理为：在密闭的装置中，将样品溶液和萃取剂分别放置2个蒸馏瓶，加热升温至沸腾，由于各组分的沸点不同，各组分在低于各自沸点时被蒸出，在冷凝管中与萃取溶剂的蒸汽充分混合冷凝，萃取剂蒸汽将目标成分萃取出来。当某一组分被完全蒸出后，蒸馏瓶中样品的温度才会上升，直至将样品其余组分蒸出。依据水和萃取剂不相容且密度不同，将水与萃取液分离，最后回收萃取液，就可获取目标植物精油成分。
水蒸气蒸馏法的温度较高，精油中的热敏性成分容易被热分解，易水解成分被水解，甚至导致原料焦化现象，不仅耗能耗时，还影响精油产品的质量。选择新疆产原产地罗马洋甘菊作为原料，采用蒸馏-萃取法提取了洋甘菊精油，并将该方法和以往的水蒸气蒸馏法作对比。将罗马洋甘菊置于鼓风式干燥箱中，在40 ℃温度条件下持续干燥6 h，取干燥后的100 g 罗马洋甘菊样品，在氯化钠水溶液中浸泡3 h，采用水蒸气蒸馏法和新型的同时蒸馏-萃取法，分别制备得到罗马洋甘菊精油样品1和样品2。不同提取与分离方式下罗马洋甘菊精油得油率如表1所示。
表1 2种方法下罗马洋甘菊精油得油率[10]Tab.1 Oil yield of chamomile essential oil under the two methods
采用气相色谱-质谱联用仪对2种植物精油样品进行成分分析，样品1中检测到51种化学成分；
样品2中检测出69种化学成分。相比于传统的水蒸气蒸馏法，同时蒸馏-萃取法提取的洋甘菊精油油得率明显较高。
同时蒸馏-萃取法优缺点：该方法显著简化了实验步骤，提升了提取效率，能够用较少的溶剂量提取较多植物精油；
能够吸附器壁上的残留精油，减少样品转移的损失。该方法也存在一定不足，在实验温度过高时，使得植物精油的香气有一定程度的失真；
该方法所用实验器材大多为全玻璃器皿，不易用于工业化大规模生产。
3.3 微波辅助提取法
其原理为：通过调节微波各项参数，对样品加热，植物样品在微波磁场中吸收大量能量，以细胞内部吸收较多，周围的提取剂吸收较少，提取成分的细胞内部热应力的产生使得细胞破裂，目标成分直接与较冷的提取剂接触，促进提取剂对细胞内部目标成分的提取。
针对香桂叶采用微波辅助提取技术，提取香桂精油。主要使用仪器为CW2000超声-微波协同萃取仪。主要原料有：香桂叶、酵母提取物、胰蛋白胨、青霉素钠试剂等。将适量香桂叶和蒸馏水一起放入萃取仪，设定合适的微波功率与提取时间进行精油提取，收集提取液后静置分层，最终获得香桂植物精油。微波辅助提取法提取香桂精油装置图如图2所示。
图2 微波辅助提取法香桂精油提取装置图Fig.2 Microwave-assisted extraction device of cinnamon essential oil
将该工艺与传统水蒸气蒸馏法工艺进行比较，不同方法下香桂精油的得油情况如表2所示。
表2 不同方法下香桂精油得油率Tab.2 Oil yield of cinnamon essential oil under different methods
由表2可知，相较于水蒸气蒸馏法，微波辅助提取法的得油率更高，且该方法有着操作简单、提取时间短、节省能源等优势。其不足之处：虽然对以往的精油提取工艺进行了优化，但通常只作为辅助方式使用，需要和其他植物精油提取技术结合使用，才能发挥其应用优势。
3.4 天然植物精油粘胶纤维应用场景
植物精油粘胶纤维最大的特点是源自天然纤维，回归自然完全不污染环境，可以成为自然和谐有机的一部分。真正做到取自自然、回归自然、全生命周期不污染环境，完全契合环保理念。天然植物精油粘胶纤维未来的应用场景主要集中在以下几方面。
食品外包装
天然植物精油粘胶纤维环保性强、污染性几乎可以忽略不计，因而可以取代传统的粘胶材料用于进行食品外包装的生产，例如农产品外包装中的鸡蛋包装、水果包装、采摘盒等；
快餐和食品包装中的快餐盒、饮料杯、杯盖、咖啡托、打包盒等；
超市食品包装中的蔬菜、水果、肉食、海鲜等。
育苗序列
育苗序列中的粘胶材料主要指的是育苗盘、育苗托等，这些设备在组装和使用过程中会应用到部分粘胶纤维。天然植物精油粘胶纤维在育苗序列中的应用可以大幅降低设备中甲醛等成分的含量，对花卉、农作物等的育种具有积极作用。
纺织材料
植物精油中的玫瑰精油等具有调整人体内分泌、缓解疼痛、改善人体状态的功效。以植物精油制备而成的粘胶纤维能够具备部分植物精油的作用，已知基础加工而成的纺织材料可具有保湿、抑菌等功能，可以进一步拓宽天然植物精油粘胶纤维的应用场景。
综上所述，天然植物精油有着来源广、绿色、高生物活性等优点，其成分较为复杂，大致可分为萜类化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物和含氮、含硫化合物。天然植物精油在食品、化妆品、医药等领域有着广阔的应用空间。新型的天然植物精油提取与分离方法得到不断开发与应用，超临界CO流体萃取法较为安全，也能够较好保证精油的纯天然特性；
同时蒸馏-萃取法步骤简便、效率较高；
微波辅助提取法操作简单、提取时间短。但这些新型方法也存在缺点，研发一种适用于所有植物精油的高效、可用于工业化生产的提取与分离方法将会是今后重要的研究方向。