微波-超聲輔助提取黑胡椒油

吉惠杰，成樂琴，張儉，趙文卓，程振玉，盛志遠

(吉林化工學院 化學與制藥工程學院，吉林 吉林，132022)

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微波-超聲輔助提取黑胡椒油

吉惠杰，成樂琴*，張儉，趙文卓，程振玉，盛志遠

(吉林化工學院 化學與制藥工程學院，吉林 吉林，132022)

摘要以揮發(fā)油提取率為研究指標，在考察單因素實驗的基礎上，設計正交實驗對超聲-微波協同法的工藝條件進行優(yōu)化，并利用GC-MS對揮發(fā)油的化學成分進行分離和鑒定。最佳工藝條件為：黑胡椒顆粒60目，加8倍溶劑量，提取溫度50 ℃，微波-超聲協同萃取35 min；在此最佳條件下，揮發(fā)油的平均提取率為2.89%。微波-超聲輔助法提取胡椒精油用時短、溫度低、溶劑用量少且提取率高，為黑胡椒揮發(fā)油的工業(yè)化生產提供了一定的理論依據。

關鍵詞黑胡椒；揮發(fā)油；微波-超聲輔助提??；正交實驗

揮發(fā)油(volatile oils)又稱精油(essential oils)、香精油或芳香油，精油組成成分以萜類化合物(主要是單萜和倍半萜)為主，還有非萜類芳香族和脂肪族。揮發(fā)油(精油)作為胡椒有效成分之一，具有多種生物活性及生理功效，在心腦血管系統、神經系統、消化系統、感染和腫瘤[1]等方面有顯著作用；因其對多種細菌及真菌有良好的抑制作用，可加速局部組織血液循環(huán)，并可促進上皮細胞再生，故可起到解毒[2]、減肥、美容和保濕等功效；另外可應用于食品加工業(yè)，作為食品的保鮮劑和調味劑，可改善食物香味[3]。胡椒精油無任何毒副作用，可加工不同用途的產品。

楊小艷[4]等以水蒸氣蒸餾法提取白胡椒揮發(fā)油，選取揮發(fā)油提取率為指標設計正交實驗，優(yōu)選出提取條件。劉學武[5]等用超臨界流體萃取試驗裝置，考察了胡椒揮發(fā)油的最佳提取工藝。雖然具有高效、低溫、產率高、綠色化、無溶劑殘留等優(yōu)點，但設備投資大、工藝技術要求高，局限性很大。陳文學[6]等利用乙醇做溶劑，采用均勻設計實驗提取胡椒成分。雖然設備簡單、廉價、產率高，但需要大量有機溶劑，所含雜質多。

本研究嘗試微波和超聲波2種技術相結合，建立操作簡便、快速高效、對環(huán)境友好的方法。為提高胡椒精油的得率，采用正交實驗優(yōu)選出提取黑胡椒揮發(fā)油的最佳工藝。

1材料與方法

1.1材料與儀器

黑胡椒，購于文昌市，產地為海南。無水乙醇，所用試劑均為分析純。

CW-2000A型超聲-微波協同萃取/反應儀，上海新拓分析儀器科技有限公司；FA2004N電子分析天平，上海精密科學儀器有限公司；RE-52A旋轉蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；SHB-3循環(huán)水多用真空泵，鄭州杜甫儀器廠；KQ2200B 超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

1.2黑胡椒揮發(fā)油提取方法的確定

不同的提取方法對溫度及時間的要求有所不同，溫度過高會對黑胡椒揮發(fā)油中不穩(wěn)定成分造成破壞，使油的味道及藥理活性都有所改變，因此對提取方法的研究是很有必要[7]。

1.3黑胡椒揮發(fā)油的提取方法

黑胡椒粉碎過分樣篩，選取適當目數20 g于燒瓶中，然后在燒瓶中加入體積分數(下同)90%乙醇溶液，放入超聲-微波協同萃取/反應儀中進行提取，抽濾得濾液，濃縮所得濾液，冷藏12 h。再次過濾，濾液經減壓蒸餾，收集揮發(fā)性成分。

2結果與分析

2.1提取方法的分析

在相同的實驗條件下，以微波-超聲輔助提取法、超聲波輔助提取法、蒸餾-萃取法、索氏提取法分別對黑胡椒中揮發(fā)油進行提取，比較所得揮發(fā)油的質量及性狀，以確定最佳的提取方法。

表1　不同提取法對黑胡椒揮發(fā)油提取率的影響

由表1可知，微波-超聲輔助提取法提取揮發(fā)油提取率最高，用時短，所用的溶劑沸點較低，可回收重復利用；蒸餾-萃取法提取揮發(fā)油為傳統的方法，雖然無污染，但所需的溫度相對較高，對揮發(fā)油及其他成分的結構有所破壞，影響揮發(fā)油的品質；其他2種提取方法提取的揮發(fā)油得率都不高。最終選擇微波-超聲輔助提取法為黑胡椒揮發(fā)油提取的最佳方法。

2.2不同因素對揮發(fā)油提取率的影響

2.2.1顆粒度對揮發(fā)油提取率的影響

稱取目數不同的黑胡椒粉，分別加入溶劑量為8倍的90%乙醇溶液，設定提取時間50 min，提取溫度為45 ℃，得到顆粒度對揮發(fā)油提取率的影響見圖1。

圖1　顆粒度對揮發(fā)油提取率的影響Fig.1　Effect of particle size on the extraction rate of volatile oil

由圖1可知，原料顆粒度在60目時提取率最高，隨著目數的增大，提取率反而下降，由于原料粉碎過細，在增加成分擴散速度的同時也增加了原料的吸附，再則也會使大量的鞣質等提取出來，不利于提取液的分離與純化。為進一步考察原料顆粒度對揮發(fā)油提取率的影響，選擇50、60、70目的黑胡椒進行正交試驗。

2.2.2提取時間對揮發(fā)油提取率的影響

稱取60目黑胡椒粉，分別加入溶劑量為8倍的90%乙醇溶液，提取溫度為45 ℃，改變提取時間，得到提取時間對揮發(fā)油提取率的影響見圖2。

圖2　提取時間對揮發(fā)油提取率的影響Fig.2 Effect of extraction time on the extraction rate of volatile oil

由圖2可知，提取初期，原料細胞內外活性成分未達到平衡時，提取率隨著提取時間的延長而增加，當細胞內外濃度平衡時，活性成分就不再溶出，提取效率反而下降。故最適宜的時間為40 min。為進一步考察提取時間對揮發(fā)油提取率的影響，選擇黑胡椒揮發(fā)油提取時間分別為35、40、45 min進行正交試驗。

2.2.3提取溫度對揮發(fā)油提取率的影響

稱取60目黑胡椒粉，分別加入溶劑量為8倍的90%乙醇溶液，提取時間40 min，改變提取溫度，得到提取溫度對揮發(fā)油得率的影響見圖3。

圖3　提取溫度對揮發(fā)油提取率的影響Fig.3　Effect of temperature on extraction rate of volatile oil

由圖3可知，隨著提取溫度的增加，溫度達到50 ℃，揮發(fā)油提取率最高，之后逐漸下降，由于揮發(fā)油高溫易揮發(fā)，也易破壞其結構影響其生物活性，故提取溫度50 ℃作為最佳實驗條件。為進一步考察提取溫度對揮發(fā)油提取率的影響，選擇黑胡椒揮發(fā)油提取溫度分別為45、50、55 ℃進行正交試驗。

2.2.4溶劑量對揮發(fā)油提取率的影響

稱取60目黑胡椒粉，分別加入90%乙醇溶液不同倍數，提取時間40 min，提取溫度為50 ℃，溶劑量對揮發(fā)油提取率率的影響見圖4。

圖4　溶劑量對揮發(fā)油提取率的影響Fig.4　Effect of solvent amount on the extraction rate of volatile oil

結果表明，溶劑量對提取效率的影響非常顯著。以乙醇作為溶劑，濃度偏高更利于揮發(fā)油成分的提取。當溶劑過少時，不能使有效成分充分溶于溶劑中，因提取液達到飽和而阻止有效成分的溶出。當溶劑過多時，又會造成溶劑的浪費。選擇8倍溶劑量為最佳條件。為進一步考察溶劑量對揮發(fā)油提取率的影響，選擇溶劑量為7、8、9倍進行正交試驗。

2.3對黑胡椒揮發(fā)油提取工藝的優(yōu)化

根據單因素試驗的結果，通過正交實驗對微波-超聲輔助提取黑胡椒揮發(fā)油工藝進行優(yōu)化。

2.3.1因素、水平選擇

選擇L9(34)正交優(yōu)化提取工藝，因素水平的選擇見表2。

表2　正交實驗因素水平表

2.3.2正交實驗結果與分析

以揮發(fā)油提取效率為考察指標，L9(34)正交實驗結果與分析見表3。

由表3可以看出，各個因素對黑胡椒精油的提取率的影響程度依次為：B>A>C>D，即溶劑用量>提取時間>提取溫度>顆粒度，且以A1B2C2D2水平為最佳,即60目黑胡椒粉、8倍溶劑量、提取時間35 min、提取溫度50 ℃，揮發(fā)油提取率為2.85%。

2.3.3最佳工藝驗證試驗

為了考察上述優(yōu)化工藝的穩(wěn)定性，應用最佳工藝條件，進行3次驗證性試驗，得到黑胡椒精油提取率分別為2.91%、2.90%、2.87%，平均為2.89%，說明優(yōu)選的工藝穩(wěn)定可靠。

表3　正交試驗方案及結果

2.4GC-MS定性分析

2.4.1GC-MS分析條件

色譜條件：RTX-5MS石英毛細柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)；汽化溫度：290 ℃；升溫程序：60 ℃保持3 min，以3 ℃/min速率升至100 ℃，以5 ℃/min速率升至200 ℃，以8 ℃/min速率升至290 ℃保持20 min；載氣為氦氣(99.999%)，流速1.90 mL/min，壓力32.1 kPa，隔膜吹掃3.0 mL/min；分流比50∶1；0.2 μL進樣。

質譜條件：電子能量70 eV；傳輸線溫度250 ℃；離子源溫度230 ℃；檢測電壓0.90 kv；質量掃描范圍m/z：33～600；記錄3～65 min。

2.4.2結果分析

通過GC-MS Solution色譜工作站數據處理系統檢索NIST05譜圖庫的標準譜圖進行對照、復合，結合有關文獻進行人工譜圖解析各峰相應的質譜圖，確認黑胡椒揮發(fā)油的化學成分，鑒定結果見表4。

表4　黑胡椒揮發(fā)油中化學成分鑒定結果

續(xù)表4

序號保留時間/min化合物名稱相對含量/%67.26α-蒎烯(α-pinene)9.2877.35香葉烯(myrcene)2.4587.89α-水芹烯(phellandrene)5.5998.043-蒈烯(3-carene)20.32108.564-蒈烯(4-carene)0.25118.91檸檬烯(limonene)17.32129.04r-松油烯(r-terpinene)1.08139.18芳樟醇(llinalool)1.08149.45α-松油醇(α-terpineol)0.63159.56可巴烯(copaene)0.93169.68胡椒酮(pepperketone)0.021711.54δ-欖香烯(δ-elemene)2.651811.84羅勒烯(ocimene)3.821912.36石竹烯(caryophyllene)28.492012.432-甲基-5-異丙基-1,3-環(huán)己二烯(2-methyl-5-isopropyl-1,3-cyclo-hexadiene)0.192112.45β-欖香烯(β-elemene)1.572212.89石竹烯氧化物(oxidecaryo-phyllene)13.52313.21β-金合歡烯(β-farnesene)0.072414.67α-橙椒烯(α-cubebene)0.012515.36檸檬烯氧化物(oxidelimonene)1.99

3結論

(1) 經單因素探索實驗及正交實驗的優(yōu)化，確定了最佳工藝條件為：黑胡椒粉顆粒60目，8倍溶劑量，提取溫度50 ℃，微波-超聲協同萃取35 min，在最佳條件下進行3次驗證試驗，黑胡椒精油提取率平均為2.89%，表明微波-超聲輔助提取法可用于胡椒精油提取。

(2) 利用GC-MS聯用技術，在黑胡椒揮發(fā)油中初步鑒定出20多種化合物，其中16個主要化合物的含量占揮發(fā)油總量的97.58%，其中蒈烯、檸蒙烯、石竹烯含量較高。

參考文獻

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Study on the extraction of black pepper oil with microwave-ultrasonic assisted

JI Hui-jie， CHENG Le-qin*, ZHANG Jian,ZHAO Wen-zhuo, CHENG Zhen-yu, SHENG Zhi-yuan

(College of chemical and Pharmaceutical Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022,China)

ABSTRACTTo investigate the extraction conditions of black pepper volatile oil by microwave-ultrasonic assisted method, extraction rate of volatile oil was select as the index. On the basis of single factor, orthogonal tests were adopted to optimize the extraction conditions, and the chemical constituents of volatile oil were also isolated and identified by GC-MS. Results showed that the optimal extraction conditions were as follows: black pepper grains sieved with 60 mesh, ratio of liquid to solid 8∶1, extraction temperature 50 ℃, extraction time 35 min. Under these optimal conditions, the extraction rate was up to 2.89%. The method proposed in this study has the advantages of less-time, low-temperature, small amount of solvent and high extraction rate of volatile oil. The research provided certain theoretical basis for industrial production.

Key wordsblack pepper; volatile oil; microwave-ultrasonic assisted extraction; orthogonal experiment

收稿日期：2015-08-10，改回日期：2015-10-29

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201604042

第一作者：學士，實驗師(成樂琴教授為通訊作者，E-mail: 1052060008@qq.com)。