鄭義+朱玲昱+丁寧+張煥新
摘要:通過單因素和正交優(yōu)化試驗(yàn),對超聲波提取新鮮桂花精油的工藝進(jìn)行優(yōu)化。把桂花精油提取工藝中的料液比、超聲波頻率、提取時(shí)間、提取溫度逐一進(jìn)行單因素考察,并在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行正交優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,獲得的最佳提取工藝條件為料液比1 g ∶9 mL、超聲頻率60 kHz、提取時(shí)間45 min、提取溫度60 ℃,在此優(yōu)化工藝條件下桂花精油的提取率為3.580%;氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析和相關(guān)鑒定結(jié)果顯示,桂花精油中的香氣成分主要有芳樟醇類、紫羅蘭酮、少量的醇、脂肪酸及酯類等化合物。
關(guān)鍵詞:超聲波提??;桂花精油;成分分析;GC-MS;提取工藝
中圖分類號(hào): TS225.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2017)23-0188-03
同時(shí)作為一種天然香料,桂花精油是糖果、飲料、化妝品等的重要賦香劑、調(diào)味劑。近年來,植物香料以其綠色、天然、安全、環(huán)保的特點(diǎn)越來越得到廣大消費(fèi)者的喜愛,植物香料應(yīng)用的范圍也越來越廣泛,需求量不斷增加[1]。因此,獲得產(chǎn)量高、品質(zhì)好的桂花精油尤為重要。
目前,從桂花中提取精油的方法較少,最常用的有水蒸氣蒸餾法、揮發(fā)溶劑浸提法、榨磨法等[2-4],但受工藝限制,傳統(tǒng)方法的精油提取率較低,為1.1%~2.3%[5-6],有效成分損失多,工藝繁瑣,耗能大。超聲波提取技術(shù)作為一種新的提取分離技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入油脂工業(yè)[7],它是利用超聲波的空化作用和機(jī)械作用,使溶劑分子滲透到組織細(xì)胞中去,更好地與溶劑分子接觸,使細(xì)胞中可溶性成分更好更快地釋放出來。因此,超聲波可強(qiáng)化萃取分離過程的傳質(zhì)速率和效果,有利于油脂的提取。目前,超聲波提取技術(shù)在紅棗精油、丁香花精油、薰衣草精油等油脂提取方面已得到了廣泛的應(yīng)用[8],在桂花精油提取方面還鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)應(yīng)用超聲波輔助法從桂花中提取精油,考察不同因素對精油提取率的影響,優(yōu)化提取工藝,并用氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)分析所提取精油的成分,為桂花精油的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和開發(fā)提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)材料與設(shè)備
桂花(大花金桂,采自江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院,65 ℃烘干備用);石油醚(沸程60~90 ℃,分析純);無水硫酸鈉(分析純)。
三頻超聲波清洗機(jī)(KQ100VDE),購自上海五相儀器儀表有限公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-52A),購自上海亞容生化儀器廠;電子天平(FA2104N),購自上海精密科學(xué)儀器有限公司;SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵,購自河南省鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent 7890A-5975E型),購自美國安捷倫科技公司。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1桂花精油的制備方法稱取50 g干桂花置于已加入500 mL石油醚的燒杯中,待其均勻混合后,將桂花料液置于超聲波處理器中處理,調(diào)節(jié)超聲波的頻率、時(shí)間、溫度進(jìn)行超聲波浸提。超聲提取后靜置,料液分離后進(jìn)行抽濾,將提取液與水渣分離。對抽濾得到的提取液進(jìn)行濃縮,在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(轉(zhuǎn)速調(diào)至100 r/min,溫度調(diào)至20 ℃,待溫度穩(wěn)定后再調(diào)至60 ℃)上濃縮后,加適量的無水硫酸鈉脫水干燥,稱其質(zhì)量并計(jì)算精油的提取率,再按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14454.2—2008香料香氣評定法[9]對桂花精油進(jìn)行感官評定,3次平行試驗(yàn)。桂花精油的提取率按公示(1)計(jì)算。
w=m1-m2m×100%。(1)
式中:w為桂花精油提取率;m1為瓶和瓶內(nèi)桂花精油的質(zhì)量,g;m2為瓶的質(zhì)量,g;m為桂花的質(zhì)量,g。
1.2.2桂花精油成分的定性與定量分析[10]色譜條件:色譜柱為HP-5MS,石英毛細(xì)管柱(30 m×25 mm×0.25 μm);載氣為高純氮?dú)狻_M(jìn)樣方式:進(jìn)樣量1 μL,分流比為50 ∶1;口溫度250 ℃。程序升溫:初始溫度為50 ℃,以5 ℃/min升至200 ℃,再以10 ℃/min升至280 ℃。
質(zhì)譜條件:離子源為EI源;離子源溫度230 ℃,4級桿溫度150 ℃,接口溫度280 ℃。電子能量70 eV;掃描質(zhì)量范圍為30~550 amu。標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫利用Wiley275.L和 NIST98.L 標(biāo)準(zhǔn)譜庫[11]。
1.2.3單因素試驗(yàn)超聲提取法的單因素影響因子有料液比、超聲波頻率、提取時(shí)間和提取溫度。試驗(yàn)中控制超聲功率為100 W,超聲波頻率為60 kHz,提取時(shí)間為45 min,提取溫度為60 ℃,探討料液比為1 ∶5、1 ∶6、1 ∶7、1 ∶8、1 ∶9、1 ∶10(g ∶mL) 時(shí)的桂花精油提取率,選出最佳料液比,以此類推,得出另外幾種單因素最佳的試驗(yàn)參數(shù)。
1.2.4正交優(yōu)化試驗(yàn)在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,選取料液比、超聲波頻率、提取時(shí)間、提取溫度為試驗(yàn)因素,以精油提取率為考察指標(biāo),通過L16(44)正交試驗(yàn)[12]優(yōu)化超聲波提取工藝條件,得到最佳的提取工藝。正交試驗(yàn)的因素水平如表1所示。
2結(jié)果與分析
2.1料液比對桂花精油提取率的影響
本試驗(yàn)在超聲波頻率為60 kHz、提取時(shí)間為45 min、提取溫度為60 ℃的基礎(chǔ)上,配制桂花與乙醚的料液比分別為 1 ∶5、1 ∶6、1 ∶7、1 ∶8、1 ∶9、1 ∶10(g ∶mL),以精油的提取率作為指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。由表2可知,在料液比為1 ∶5~1 ∶9(g ∶mL) 范圍內(nèi),隨著料液比的增加,桂花精油的提取率明顯增大,當(dāng)料液比超過1 g ∶9 mL時(shí),提取率增加不明顯。這主要是因?yàn)閷τ谝欢康墓鸹ǎ弦罕仍酱?,桂花與石油醚接觸面的濃度差就越大,提高了滲透壓,加快了油脂與石油醚的擴(kuò)散速度,有利于油脂從桂花組織中脫離出來,桂花精油的提取率便隨之增加;但過大的料液比使得石油醚用量、能量消耗增加,成本上升,對石油醚的回收不利。因此,從降低成本、溶劑回收等綜合因素考慮,在本試驗(yàn)條件下料液比選擇1 g ∶9 mL最為適宜。endprint
2.2超聲波頻率對桂花精油提取率的影響
對特定的物質(zhì),超聲波作用的效果取決于超聲波頻率和提取物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì),不同的提取物有不同的超聲波頻率。本試驗(yàn)在料液比為1 g ∶9 mL、提取時(shí)間為45 min、提取溫度為60 ℃的基礎(chǔ)上,改變超聲波頻率分別為20、40、60、80、100 kHz,以桂花精油的提取率為指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。由表3可知,超聲波頻率在20~60 kHz范圍內(nèi),精油的提取率隨超聲波頻率的增加而增大,當(dāng)超聲波頻率為60 kHz時(shí),提取率達(dá)到最大值,當(dāng)超聲波頻率超過60 kHz時(shí),提取率隨著超聲波頻率的增加反而減小。這可能是由于超聲波具有無選擇性的破壞作用,高頻率條件下,空化作用不僅破碎細(xì)胞壁,也破壞了提取物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。因此,本試驗(yàn)條件下最佳的超聲波頻率為 60 kHz。
2.4提取溫度對桂花精油提取率的影響
與其他形式的能一樣,超聲能也會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能,超聲波可以瞬間使溶液內(nèi)部的溫度升高,加速有效成分的溶解。超聲波溫度對精油的提取率有較大的影響[13]。本試驗(yàn)采用石油醚為溶劑,在料液比為1 g ∶9 mL,提取時(shí)間為45 min,超聲波頻率為 60 kHz 的基礎(chǔ)上,提取溫度分別設(shè)置為45、50、55、60、65、70 ℃,以桂花精油的提取率為指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。由表5可知,隨著提取溫度的升高,精油的提取率逐漸增大,當(dāng)提取溫度達(dá)到60 ℃時(shí),桂花精油的提取率達(dá)到最大值,當(dāng)提取溫度超過60 ℃時(shí),桂花精油的提取率反而有所下降。這是因?yàn)樘崛囟仍?5~60 ℃時(shí),溫度的升高增加了溶劑分子和油脂分子的動(dòng)能,促進(jìn)了擴(kuò)散作用的進(jìn)行,使精油提取率增大;但溫度超過 60 ℃ 時(shí),隨著溫度的升高,接近石油醚的沸點(diǎn)(60 ℃),溶劑的揮發(fā)不斷加快,減小了溶劑與桂花的有效接觸面積,導(dǎo)致精油提取率下降。因此,在本試驗(yàn)條件下 60 ℃ 是比較理想的提取溫度。
準(zhǔn)確稱取50 g干桂花,按最優(yōu)工藝條件料液比 1 g ∶9 mL、超聲波頻率60 kHz、提取時(shí)間45 min、提取溫度 60 ℃ 進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),3次重復(fù),桂花精油的提取率為 3.580%,相對誤差小于1.0%;提取所得桂花精油呈半透明液體狀,色澤呈橙黃,具有濃郁的桂花香味,符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14454.2—2008《香料香氣評定法》[9]的感官標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)果表明,采用正交試驗(yàn)優(yōu)化得到的工藝參數(shù)具有較高的可信度。
2.7桂花精油的成分分析結(jié)果
按上述氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)條件對桂花精油進(jìn)行分析鑒定,啟動(dòng)G1701DA MSD ChemStation化學(xué)工作站,檢索Wiley275.L和NIST98.L譜圖庫,并結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行人工檢索確定桂花精油的化學(xué)成分,采用峰面積歸一化法[14]確定各成分在揮發(fā)油中的百分量[15]。桂花精油總離子流圖和桂花精油的香氣成分及其相對含量分別如圖1、表7所示。由表7可知,本試驗(yàn)在桂花精油中檢測出了多種香氣成分,其中,芳樟醇、紫羅蘭酮、紫羅蘭醇、脂肪酸及其酯類為主要香氣成分,未見環(huán)境雌激素——鄰苯二甲酸酯類化合物[16]。其中,芳樟醇類的含量最高,為23.84%,包括氧化、順式、環(huán)芳樟醇;其次是二氫β紫羅蘭酮的含量,為22.68%,它是桂花特征香味的成分,帶有果香和花木香,是配制很多高級香精不可缺少的香料;甲基-5,11,14,17-二十烷脂鯉烯醇的含量為10.26%;另外還有少量的脂肪酸及其酯類,包括棕櫚酸、亞麻酸甲酯,還有烯類物質(zhì),如六羥基紫杉烯,高級不飽脂肪酸棕櫚酸可以有效改善血液循環(huán),達(dá)到延年益壽的功效,而其中酯類帶有蠟香氣味,它能使桂花的香氣更加濃郁。
3結(jié)論
本試驗(yàn)首先通過單因素試驗(yàn)考察了超聲波提取桂花精油工藝中的主要因素對提取率的影響,結(jié)果表明,最佳料液比為1 g ∶9 mL、最佳超聲波頻率為60 kHz、最佳提取時(shí)間為 45 min、最佳提取溫度為60 ℃。通過正交試驗(yàn)法對桂花精油的提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明,最佳提取工藝參數(shù)為料液比1 g ∶9 mL、超聲波頻率60 kHz、提取時(shí)間45 min、提取溫度60 ℃。用此工藝對桂花精油進(jìn)行提取,得到的桂花精油提取率為3.580%。采用GC-MS對超聲波提取的桂花精油進(jìn)行定量和定性分析,在桂花精油中檢測出了多種化合物。
超聲波提取技術(shù)提取桂花精油具有用時(shí)短、能耗低、效率高、節(jié)省溶劑、環(huán)保、操作易于控制等優(yōu)點(diǎn),提取的精油內(nèi)含有的有效香氣成分和含量也比傳統(tǒng)方法有所提高[5]。因此, 本
提取工藝對指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)有一定的應(yīng)用意義,在經(jīng)濟(jì)上也具有一定的競爭力。本研究還存在一些缺陷,仍須對一些方面作進(jìn)一步的研究和探討,選用一些其他提取方法,如超臨界CO2萃取法、動(dòng)態(tài)頂空吸附法等從而提高桂花精油的提取率和精油中芳香成分的含量。
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