茴香精油提取工艺优化及成分分析
2023-11-20
来源:步旅网
2013年3月 中国粮油学报 Journal of the Chinese Cereals and Oils Association Vo1.28,No.3 Mar.2013 第28卷第3期 茴香精油提取工艺优化及成分分析 敬思群 艾合买提江・艾海提 (新疆大学生命科学与技术学院 ,乌鲁木齐(新疆中亚食品研发中心 ,乌鲁木齐摘要杨玉新 830046) 830000) 分别采用水蒸气蒸馏法、同时蒸馏萃取法(SDE)提取茴香种子精油,运用Minitabl5.0数据分析 软件,通过三因素三水平的响应面法优化茴香精油提取工艺条件,并利用气相色谱质谱(GC—MS)分析茴香精 油组成。结果表明:水蒸气蒸馏法制备茴香种子精油的最佳工艺条件为:功率为66 w,液料比为6:1,蒸馏时 间为2.5 h,茴香精油的提取率为6.25%。同时蒸馏萃取法制备茴香种子精油的最佳工艺条件为:功率为110 w,液料比为7:1,蒸馏时间为4.0 h,茴香种子精油的提取率为3.98%。GC—MS分析结果表明茴香种子精油 主要由酮类和烯类组成,酮类占48.86%,烯类占33.O7%。此外,茴香脑9.78%。 关键词 茴香精油提取工艺优化成分分析 文章编号:1003—0174(2013)03—0053—06 1.2试验方法 中图分类号:TS225.1 文献标识码:A 欧洲茴香(Pimpinella anisum L.),原生地多半在 欧洲大陆和美国西海岸。伞形科茴香属多年生草本 植物,花黄色,春秋播种,生长期100 d,耐寒耐旱耐 贫瘠。具特殊清香味,茎叶可食用,叶能补脑,提高 记忆力,并可作为海鲜及沙拉的配料,增加口感。种 子可用于面包、咖啡、鱼酱等调味。种子咀嚼后可以 使口气清新,帮助消化化解便秘。叶、茎、种子发芽 后可拌凉菜。精油可用于制作牙膏,根部的提取物 1.2.1原料处理 茴香种子经热风干燥24 h,粉碎过4O目筛,密封 常温保存备用。预试验结果表明,颗粒在40目时精 油提取效果好。随着颗粒变细挥发油得率逐渐增 加,但40目后增加幅度不明显甚至下降,由于颗粒 过细,会导致油室或油细胞破碎过多,在粉碎过程中 造成挥发油散失。因此试验原料取40目筛茴香种 子粉末。 具解毒利尿和减肥作用,土耳其将这种植物广泛使 用在白酒生产中 -2]。种子和叶片炼取液可深层清 洁皮肤,使用少量精油按摩肌肉,可减缓疲劳。有研 究报道茴香精油具有抗氧化和抑菌能力 J。本研 究从欧洲茴香的种子部位提取精油并优化提取工 艺,对精油组成进行分析,为茴香精油的开发利用提 供科学依据。 1.2.2水蒸气蒸馏法单因素试验 1.2.2.1 功率对茴香精油提取率的影响 称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份,按液料 比10:l加去离子水200 mL于1 000 mL蒸馏烧瓶 中,分别置于加热功率为44、66、88、110、132 W(分 别对应于火力2、3、4、5、6)的电热套中,回流萃取 3 h。直接读取油层体积。然后将水从仪器出口放出, 剩余部分无水硫酸钠干燥或者采用速冻法将水结冰 后取油。 1 材料和方法 1.1主要材料和仪器 茴香种子:新疆中亚食品研发中心。 1.2.2.2液料比对茴香精油提取率的影响 同时蒸馏萃取(SDE)装置:天长市优信电器设 备有限公司;GC/MS—QP2OlO型气相色谱一质谱联 用仪:日本SHIMADZU公司;HH—S型恒温水浴锅: 巩义市英峪予华有限公司;RE一52AA旋转蒸发器: 上海亚荣生化仪器厂。 收稿13期:2012—05—07 作者简介:敬思群,女,1966年出生,教授,食品科学 称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份,在液料 比分别为6:1、8:1、10:1、12:1、15:1条件下,置于功 率为88 w的电热套中,回流萃取3 h。其余操作同 1.2.2.1。 1.2.2.3 提取时间对茴香精油提取率的影响 称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份,液料比 为10:1,置于功率为88 w的电热套中,回流萃取时 中国粮油学报 2013年第3期 间分别为2、3、4、5 h。其余操作同1.2.2.1。 1.2.3同时蒸馏萃取单因素试验 一7_ 1.2.3.1功率对茴香精油提取率的影响 称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份,按10:1 的料液比加去离子水200 mL于500 mL蒸馏烧瓶 中,置于同时蒸馏萃取仪的一端;取80 mL乙醚于 500 mL圆底烧瓶中,置于同时蒸馏萃取仪的另一端, 分别置于功率为44、66、88、110、132 W(分别对应 于火力2、3、4、5、6)的电热套中,回流萃取3 h。萃取 结束后,从萃取仪的中间出口放出乙醚提取产物(萃 取液),将萃取液用无水硫酸钠干燥后旋转蒸发浓 缩,即得茴香精油,密封后将精油置于4。(=条件下避 光保存。 茴香精油提取率计算 精油提取率=(萃取后瓶质量一萃取前瓶质 量)/样品质量×100% 1.2.3.2液料比对茴香精油提取率的影响 称取过4O目筛茴香种子粉末20 g 5份,在液料 比分别为6:1、8:1、10:1、12:1、15:1条件下,置于功 率为110 W的电热套中,回流萃取3 h。其余操作同 1.2.2.1。 1.2.3.3提取时间对茴香精油提取率的影响 称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份,液料比 为12:1,置于功率为110 W的电热套中,回流萃取时 间分别为2、3、4、5 h。其余操作同1.2.2.1。 1.2.4茴香精油的GC—MS分析 通过气相色谱一质谱联用技术分析茴香精油组 成,获得GC—MS分析的总离子流图。通过人工图 谱解析及NIST27和NIST147谱库检索定性,并用面 积归一法定量分析各成分的相对质量分数。 GC—MS分析条件: GC条件:RTX一5MS型弹性石英毛细管色谱柱 (0.25 mm×30 mm,0.25 m);进样口温度为240 ℃;升温程序:从130℃开始,先以5℃/rain升至240 ℃;载气为高纯度氦气,柱前压96.1 kPa,柱内载气 流量1.13 mL/min,分流比为30:1,进样量2 L。 MS条件:EI离子源,电子能量7O eV,离子源温 度200℃,接口温度250℃,倍增器电压0.7 kV,扫 描范围30~500 amu。 2 结果与分析 2.1精油提取工艺确定 研究不同工艺参数(功率、液料比、提取时间)对 提取茴香精油影响规律,通过响应面法优化提取工 艺条件。 2.1.1水蒸气蒸馏法 2.1.1.1单因素试验结果 由图1可知,随着功率的增加,茴香精油的提取 率出现变化,在功率为88 w时茴香精油的提取率达 到最大值,增大功率,茴香精油提取率有所下降,这 可能是因为精油在一定的温度下会发生挥发,高于 功率范围,挥发加快,则提取率下降;由图2可知,随 着液料比的升高,茴香精油的提取率增加,在10:1 时达到最高,但随着料液比的继续升高,提取率反而 降低,这可能是因为料液比过大,容积太少,溶解不 完全,提取率就降低。由图3可知,随着时间的延 长,茴香精油的提取率增加,在3.5 h时提取率最大。 图1 功率对茴香精油提取率的影响 图2液料比对茴香精油提取率的影响 图3 时间对茴香花精油提取率的影响 第28卷第3期 敬思群等茴香精油提取工艺优化及成分分析 55 2.1.1.2响应曲面法优化试验 结合单因素试验结果,根据Box—Behnken响应 曲面设计的中心组合试验设计原理 ,运用Minitab 15数据统计分析软件,选取功率、液料比、蒸馏时间 3个影响因子,采用三因素三水平的响应曲面分析方 法,对提取条件进行优化设计。试验因素与水平设 计见表1。 表1 三因素三水平响应面分析试验设计表 响应曲面法的试验设计及结果见表2。运用 Minitab 15数据统计分析软件对试验数据进行多元 回归拟合,回归模型系数及显著性检验结果见表5。 由此可得二次回归方程为:Y=4.79—0.156 25X 一 0.031 25X2+0.062 5X3+0.605X1 +0.23X2 + 0.417 5X3 一0.062 5X X3—0.062 5X2X3。 表2茴香种子精油提取条件优化试验设计与结果 表3 回归模型系数及显著性检验结果 对上述方程进行方差分析,结果见表4。由方程 及表4可知,在本试验范围内,对提取率影响因素大 小依次为:功率、蒸馏时间和液料比。一次项P都大 于0.05,影响不显著,二次项P除功率外,都大于 0.05,功率二次项影响显著,交互项影响不显著,说 明提取率与各因素不是简单的线性关系。此模型的 回归系数为80.87%,方程与实际情况拟合情况较 好。 表4回归模型的显著性检验 运用Minitabl5软件的响应优化器对试验结果 进行优化,得到模型的最优解:功率为66 w,液料比 为6:1,蒸馏时间为2.5 h,预测的提取率为6.29%。 为了检验响应面法所得结果的可靠性,采用上 述优化条件进行提取试验。在此条件下,测得茴香 精油的提取率为6.25%,与理论预测值相比,其相对 误差约为0.64%。由响应曲面法得到的优化工艺参 数比较准确,具有实用意义。 2.1.2同时蒸馏萃取法 2.1.2.1单因素试验 由图4可知,随着功率的增加,茴香精油的提取 率提高,在功率为110 W时茴香精油的提取率达到 最大值,增大功率,茴香精油提取率有所下降,这可 能是因为精油在一定的温度下会挥发,高于功率范 围,挥发加快,则提取率下降;由图5可知,随着液料 比的升高,茴香精油的提取率增加,在8:1时达到最 图4功率对茴香精油提取率的影响 56 中国粮油学报 2013年第3期 图5液料比对茴香精油提取率的影响 图6时I司对面香精油提取率的影响 高,但随着料液比的继续升高,提取率反而降低,这 可能是因为料液比过大,容积太少,溶解不完全,图 区不彻底,提取率就降低;由图6可知,随着时间的 延长,茴香精油的提取率增加,在4 h时提取率最大。 2.1.2.2响应曲面法优化试验 结合单因素试验结果,根据Box—Behnken响应 曲面设计的中心组合试验设计原理,运用Minitab 15 数据统计分析软件,选取功率、液料比、蒸馏时间3 个影响因子,采用三因素三水平的响应曲面分析方 法,对提取条件进行优化设计。试验因素与水平设 计见表5。 表5三因素三水平响应面分析试验设计表 响应曲面法的试验设计及结果见表6。运用 Minitab 15数据统计分析软件对试验数据进行多元 回归拟合,回归模型系数及显著性检验结果见表7。 由此可得二次回归方程为:Y=3.971 67—0.227 5X + 0.016 88x2+0.030 62X3—0.172 71X1 一0.263 96Xz 一 1.041 46X3 +0.32X1 一0.252 5X】 +0.063 75 。 表6茴香种子精油提取条件优化试验设计与结果 表7 回归模型系数及显著性检验结果 对上述方程进行方差分析,结果见表8。由方程 及表8可知,在本试验范围内,对提取率影响因素大 小依次为:功率、蒸馏时间和液料比。一次项P都大 于0.05,影响不显著,二次项P除蒸馏时间外,都大 于0.05,二次项蒸馏时间影响显著,交互项影响不显 著,说明提取率与各因素不是简单的线性关系。此 模型的回归系数为73.64%,方程与实际情况拟合情 况较好。 表8 回归模型的显著性检验 运用Minitabl5软件的响应优化器对试验结果 进行优化,得到模型的最优解:功率为110 W,液料比 第28卷第3期 敬思群等茴香精油提取工艺优化及成分分析 57 为6.889:1,蒸馏时间为4.056 h,预测的提取率为 4.128%。 为了检验响应面法所得结果的可靠性,采用上 I= n 窒 述优化条件进行提取试验。实际操作中提取工艺参 数修正为:功率为110 W,液料比为7:1,蒸馏时间为 卜 o。 。o 4.0 h,在此条件下,测得茴香精油的提取率为 3.98%,与理论预测值相比,其相对误差约为 【▲ ….3.59%。由响应曲面法得到的优化工艺参数比较准 1_.. 1.O 10.O 20.0 30.0 40.U 48.0 确,具有实用意义。 t|min 从精油提取率上分析,水蒸气蒸馏法好,但是同 图7茴香种子精油总离子流图 时蒸馏萃取法纯度高。考虑到产业化问题,最终选 由表9可以看出,水蒸汽蒸馏法制备的茴香种 取水蒸气蒸馏法提取精油为合适方案。 子精油主要成分是酮类和烯类,酮类占48.86%,烯 2.2 GC—MS分析 类占33.07%,其中质量分数最高的是香芹酮 2.2.1 水蒸汽蒸馏法制备的茴香种子精油的GC— (24.70%),其次是双戊烯(23.89%),二氢香芹酮 MS分析 (16.29%),茴香脑(即对丙烯基茴香醚,4种组分占全部被检出组分的74.66%,初步确定为 一 一一一一一一9.78%),这 一。一寸 一 一~茴香种子精油组成见表9。茴香种子精油的 GC—MS分析见图7。 茴香种子精油的主要化学成分。 壅!堕垂 王 垫堕坌坌堑笙墨 2.2.2 同时蒸馏萃取法制备的茴香种子精油的 霉保/号 n留mi 间 化合物 例 分数/% 分子式 GC—MS分析 茴香种子精油的GC—MS分析见图8。茴香种 1 1.862 丙酮0.42 2 7.671 2一蒎烯0.58 子精油组成见表1O。 3 9.428 月桂烯 1.04 4 9.887 水芹烯 5.36 5 11.029 双戊烯 23.89 6 12.374 4一异丙烯基甲苯 2.12 7 13.25 反式一薄荷基一2,8一二烯一1一醇0.2 8 13.533 (+)一氧化柠檬烯 1.34 9 13.655 (E)一柠檬烯氧化物0.71 10 14.924 氢香豆酮 基一2,3,3a,4,5,7a一六1‘. 61 11 15.333 反式二氢香芹酮 3.18 12 15.657 二氢香芹酮 16.29 1.0 10.0 2O.0 30.0 04.0 48.0 l3 l7.321 香芹酮 24.70 t/rain 14 17.392 1一二十六烯0.29 图8茴香种子精油总离子流图 15 17.498 右旋香芹酮 2.66 表1O茴香种子精油成分分析结果 16 17.575 6_一氧杂双环[ 4.1 .0 ]庚烷一二 2-1 "-… 17 18.69l 反式香芹醋酸酯0.52 5一18 19.262 烯异丙 二 一甲基一2一环己0.。 一1一基酯 。 35 l9 21.863 D一大牛儿烯0.57 2O 22.836 肉豆蔻醚0.05 21 25.111 茴香脑 9.78 由表10可知,同时蒸馏萃取法制备的茴香种子 22 26.992 乙酸二氢香芹酯0.44 精油的主要成分是丙酮,占83.03%。可见水蒸气法 23 31.404 棕榈酸0.6 提取全部产物是挥发性精油成分,提取完全,得率较 24 34.948 硬脂酸 0.58 高。 统计 烯类 33.o7 酮类 48.86 3 结论 醇类 0.2 3.1水蒸气蒸馏法制备茴香种子精油的最佳工艺 58 中国粮油学报 2013年第3期 条件为:功率为66 W,液料比为6:1,蒸馏时间为 [3]Singh G,Kapoor I P s,Pandey S K,et a1.Studies of essentila oils.Part 10.Antibacterial activity of volatile oils of some 2.5 h,茴香精油的提取率为6.25%。同时蒸馏萃取 法制备茴香种子精油的最佳工艺条件为:功率为1 10 w,液料比为7:l,蒸馏时间为4.0 h,在此条件下,茴 香精油的提取率为3.98%。 spices[J].Phytotherapy Research,2002,16(17),680—682 [4]Soliman K M,Badeaa R I.Effect of oil extracted from some medicinal plants on different mycotoxigenic fungi[J].Food Chemical Toxicology,2002,40(1 1):1669—1675 3.2 茴香种子精油的主要成分是酮类和烯类,酮类 占48.86%,烯类占33.07%。此外,茴香脑9.78%。 参考文献 [5]Gurdip Singh,Sumitra Maurya,C Catlaan,et a1.Chemical Constituents,Antifungal and antioxidative effects of ajwain es— sentila oil and its acetone 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Optimization of Extraction Technique and Component Analysis of Fennel Essential Oil Jing Siqun Ahemaitijiang・IHAITI Yang Yuxin (College of Lifo Sciences&Technology,Xinjiang University ,Wulumuqi 830046) (Research and Development Center of Xinjiang Central Asia Food ,Wulumuqi 830000) Abstract The fonnel seed essential oil was respectively extracted by steam distillation and simultaneous distil— lation extraction(SDE)methods to optimize the extraction technical condition of fennel essential oil,by adopting the method of response surface analysis with 3 factors and 3 levels combined with Minitab15.0 data analysis software.Gas chromatography mass spectrum(GC—MS)was employed to analyze the composition of fennel essentila oil.According to the above results,the optimal technical conditions,which were suitblea for manufacturing fennel seed essential oil through steam distillation,were as follows:heat power of66 W,liquid—solid ratio of6:l,2.5 h of distillation and fen— Bel essential oil extraction yield of 6.25%.At the same time。the optimal technical conditions,which were suitable for manufacturing fennel seed essential oil through SDE,were as follows:heat power of ll0 W,liquid—solid ratio of 7:1, 4.0 h of distillation and fennel essentil oial extraction yield of 3.98%.The analysis of Gas Chromatography—Mass Spectrometric f GC—MS)showed that the main components of fennel essentila oil were ketones and alkenes with pro— portions of 48.86%and 33.07%respectively.as well as anethole of 9.78%. Key words fennel essentil oil,distiallation technique,optimization,component analysis