創新實驗設計
作者：鄭衛東 馬春生
《高中生物（選修1）》“生物技術實踐”的專題6“植物有效成分的提取”課題1“植物芳香油的提取”是生物技術實踐的重要學習內容，通過該課題的學習與實踐，能夠加深學生對植物有效成分的認識、增進對實驗原理的理解，鍛煉學生設計和安裝實驗裝置的能力，培養學生的科學思維能力，養成良好的科學素養。
教材中介紹了 “植物芳香油的提取” 常用的水中蒸餾、水上蒸餾、水氣蒸餾等方法。
教材中推薦的實驗方法是水中蒸餾法。其實驗的優點是：裝置簡單、易於裝配、操作簡便。 缺點是：控製稍難，會出現原料糊焦和有效成分水解等問題。為克服水中蒸餾法的缺點，更高效提取植物芳香油，筆者對該實驗進行了改進，用水擴散法提取植物芳香油。
水擴散法也叫水擴散蒸氣蒸餾。即利用水蒸氣將揮發性較強的植物芳香油攜帶出來，與常規蒸餾相比，其進汽方式不同，水蒸氣是在常壓下自上而下的通過植物層，首先將料層內的空氣向下推出，水擴散還存在滲透過程，植物芳香油在水蒸氣的作用下，從植物油腺中向外擴散，在上部稍大的水氣壓力（上部進水氣和下部冷卻的原因，使上部壓力略大於下部）及重力作用下，水蒸氣將植物芳香油帶入冷凝器，蒸氣由上往下作快速補充。芳香油無須全部氣化即可到達裝置底部並進入冷凝器。水擴散蒸餾裝置具有易安裝、操作簡單、節約蒸氣、蒸餾均勻、一致、蒸餾速率高、蒸餾產物收集率高、精油產量高、質量好等優點。
一、實驗原理與裝置
在圓底燒瓶內產生水蒸氣進入三口燒瓶，水蒸氣首先將裝置內的空氣向下推出，並在常壓下自上而下地通過植物層，經過滲透擴散等過程，將揮發性較強的植物芳香油攜帶出來，在重力及蒸氣壓力差的作用下，水蒸氣將植物芳香油帶入冷凝器，冷凝後，錐形瓶內收集得油水混合物。
二、實驗操作
按圖1安裝裝置，在圓底燒瓶內加入適量的水和少量沸石。從三口燒瓶的中間口加入經過洗滌並瀝幹的花瓣，加入少量的水，水量以倒置後水充滿三口燒瓶的3個瓶頸為準。連接好實驗裝置，並保證氣密性完好。加熱產生蒸氣進行實驗，實驗過程中如果產生蒸氣過快，使裝置內壓力過大時，可打開A處活塞以減壓並適時關閉，如果感覺三口燒瓶內的壓力較大，可打開安全管下的B處活塞減壓。實驗結束時先打開A處活塞，使裝置內外壓強一致，然後熄滅酒精燈。取錐形瓶內的水油混合物進行觀察和進行後續實驗。
三、實驗注意事項
連接圓底燒瓶和三口燒瓶之間的導管從左向右要略微抬高些，使冷凝的水能夠回流到圓底燒瓶中。如果實驗時此處導管中冷凝水較多，可打開A處活塞排水。
三口燒瓶的3個瓶頸內都用玻璃絲填充。最好在加入的植物原料中也拌有玻璃絲，以保持上下通導。在做實驗時也可用鋁箔加工成細絲來替代玻璃絲。
進氣導管及安全管上部管口不要太規則，或者在管口上纏繞鋁條或銅絲，以防植物原料堵塞管口（不可用鐵絲，因為鐵絲可能與水氣及植物有效成分發生反應）。
注意防止橡皮塞脫落。實驗前要塞緊，同時可用橡皮筋纏繞或加棉線纏繞捆紮，以防內壓過大時膠塞及導管向下脫落，也可用鐵絲夾將其固定。
四、對比分析
用水蒸氣蒸餾法提取植物芳香油，通常分為水中蒸餾（如圖2所示）、水上蒸餾、水氣蒸餾（如圖3所示）。現將的水擴散法與這三種方法的優缺點加以比較分析（見表1）：
五、結束語
水擴散法是在通常使用的水蒸氣蒸餾的基礎上改進設計的，與水蒸氣蒸餾相比，特點是餾出物無需全部氣化即可進入冷凝裝置。具有原理簡單、構思新穎、設計合理、便於安裝、操作簡便、高效節能等優點。充分考慮了實驗過程的安全性等問題，采用防暴沸、防脫落、防堵塞、保通導、保安全等措施，保證了高質量、高收率。今後還待進一步做以下的研究：適用範圍、產物收集率。即哪些植物適合用此法進行芳香油的提取；用此法提取各種植物有效成分的收集率是多少。