分子蒸餾純化姜精油工藝的響應面法優(yōu)化

梁 崢，胡雪芳，趙 航，李淑燕，倪元穎*

(中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083)

分子蒸餾純化姜精油工藝的響應面法優(yōu)化

梁 崢，胡雪芳，趙 航，李淑燕，倪元穎*

(中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083)

利用分子蒸餾對超臨界CO2萃取得到的姜油樹脂進行純化從而得到姜精油。通過單因素試驗選取分子蒸餾的溫度和壓力作為中心復合設計變量，以姜精油得率和α-姜烯含量為指標進行響應面法優(yōu)化。結果顯示分子蒸餾溫度、壓力及其交互作用對純化姜精油的得率及姜精油中α-姜烯含量均有顯著影響；優(yōu)化得到的工藝參數(shù)為溫度76℃、壓力147Pa。在此條件下，姜精油得率為(42.23±1.65)%，α-姜烯含量為(445.48±6.95)mg/g，與回歸方程的預測值基本吻合。

分子蒸餾；響應面；姜精油；α-姜烯

生姜是姜科草本植物姜(Zingiber officinale Roscoe)的根莖，它既是一種歷史悠久的香辛料，又是常用的傳統(tǒng)中醫(yī)藥材。

姜精油是從姜的根莖中提取的透明、淺黃或金黃色揮發(fā)性油狀液體，幾乎不含高沸點成分，具有生姜的特征性芳香氣味，是生姜的主要呈香成分[1-3]，其中所含的α-姜烯是其主要成分和功效物質，具有多種生理活性[4]。作為醫(yī)藥制劑原料、化妝品和食品工業(yè)原料，姜精油具有廣闊的市場[5]。

分子蒸餾技術是一種特殊的液-液分離技術，能在極高真空下操作，使蒸氣分子的平均自由程大于蒸發(fā)表面與冷凝表面之間的距離，從而依據(jù)分子運動平均自由程的差別造成各組分蒸發(fā)速率的差異，對液體混合物進行分離[6]。分子蒸餾能使物質在遠低于其沸點的溫度下分離，因此，在天然產(chǎn)物提取分離方面，具有良好的應用前景。在國外已有多篇關于分子蒸餾在天然產(chǎn)物分離純化中應用的報道，如Batistella等[7]應用分子蒸餾從棕櫚油中純化胡蘿卜素，Posada等[8]從棕櫚油中純化生育三烯酚，Compton等[9]從植物油中純化天然二?；视王サ取?/p>

本實驗在超臨界萃取得到天然優(yōu)質姜油樹脂的基礎上，利用分子蒸餾技術純化姜精油，并以姜精油得率和姜精油中的特征成分α-姜烯為指標，通過響應面法進行純化工藝的優(yōu)化，以期得到量多質優(yōu)的姜精油產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

小黃姜姜粉(云南產(chǎn)小黃姜品種) 北京美全食品有限公司。鮮姜清洗—→切片—→熱風干燥—→粉碎—→過60目篩—→紫外殺菌—→裝箱。經(jīng)測定，水分含量為6.0%。

CO2(純度＞99.99%) 北京京高氣體有限公司；C7～C30正構烷烴標準溶液 Sigma-aldrich公司；異丙醇(色譜純，純度＞99.7%) 天津市津科精細化工研究所；液氮。

HA220-50-07型超臨界CO2流體萃取裝置 江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；GC-14C氣相色譜儀 島津公司；刮膜式2英寸分子蒸餾設備 美國Pope公司；RV3型真空泵 Edwards公司；7890A-5975C型氣相色譜/質譜聯(lián)用儀 Agilent公司；分析天平 Sartorious公司；恒溫循環(huán)泵。

1.2 方法

1.2.1 超臨界CO2萃取姜油樹脂[10-12]

稱取姜粉1.3kg置于萃取釜中，設定萃取溫度35℃，萃取壓力40MPa，在此條件下萃取3h。CO2經(jīng)壓縮成流體后將姜中的油樹脂萃取出來并帶入分離釜中，分離釜中壓力為6MPa，CO2成為氣體與姜油樹脂分離，姜油樹脂在分離釜中被收集。所得姜油樹脂為棕紅色黏稠液體，萃取率為3.7%，姜油樹脂中α-姜烯含量為(157.48±3.45)mg/g(由1.2.3.2節(jié)中的定量分析方法測定)，用于下一步的分子蒸餾純化。

1.2.2 分子蒸餾純化姜精油

將一定量的超臨界萃取所得的姜油樹脂裝入分子蒸餾的物料瓶中，在冷阱中裝入液氮后，打開真空泵，對姜油樹脂進行脫氣，待脫氣完畢后，設定所需的蒸發(fā)面溫度和系統(tǒng)壓力，固定冷凝面溫度5℃，設定蒸餾刮膜轉速為150r/min，調節(jié)進料閥保持進料流量為約1mL/min(1滴/3s)，進而進行分子蒸餾純化(在蒸餾過程中視液氮揮發(fā)程度及時補充冷阱中的液氮)，對所得餾出物(姜精油)和餾余物分別進行收集，分別稱量并進行計算后得到姜精油的得率：

1.2.3 分析方法

1.2.3.1 GC-MS結合保留指數(shù)法進行定性分析[13-15]

采用GC-MS對超臨界CO2萃取得到的姜油樹脂進行定性分析。氣相色譜配有HP-5MS毛細管色譜柱(0.25mm ×0.25μm，30m)，載氣為高純氦氣(99.999%)，流速1mL/min，分流比為50:1，進樣口溫度260℃，升溫程序：50℃保持1min，以3℃/min速率升至280℃，并保持20min。質譜條件：接口溫度和離子源溫度分別為280℃和250℃，采用EI離子源，電子能量70eV。

結合GC-MS分析結果，對超臨界CO2萃取得到的姜油樹脂和分子蒸餾得到的姜精油，進行程序升溫下的保留指數(shù)法定性[16-17]。采用配有FID檢測器和DB-5毛細管色譜柱(0.25mm×30m，0.25μm)的氣相色譜儀，載氣為高純氮氣(99.99%)，柱前壓90kPa，分流比20:1；進樣口和檢測器溫度分別為290℃和300℃。升溫程序：70℃保持2min，以10℃/min速率升至280℃，保持15min。

1.2.3.2 定量分析

根據(jù)定性分析的結果，以姜精油中含量最高的特征性物質α-姜烯作為純化指標進行定量分析。色譜條件同1.2.3.1節(jié)中的保留指數(shù)法定性的條件。

定量方法采用內標法，選取與姜烯性質相近的γ-萜品烯作為內標物。

式中：相對質量校正因子采用有效碳數(shù)的方法進行估算[18]。每個測定點做3次重復取樣，經(jīng)測定后取平均值。

1.3 中心復合試驗設計

在單因素試驗的基礎上，應用Design Expert 7.0軟件，以溫度x1和壓力x2為變量對分子蒸餾純化姜精油試驗進行中心復合設計(CCD)[19-20]，按方程Xi=(xi－x0)/Δx對自變量進行編碼。其中，Xi為自變量的編碼值，xi為自變量的真實值，x0為實驗中心點處自變量的真實值，Δx為自變量的變化步長。以姜精油的得率及α-姜烯含量的含量作為響應值Y，每個試驗點做3次平行取平均值，建立響應曲面數(shù)學模型：

式中：X1和X2分別為自變量溫度、壓力的編碼值，An為預測的二次多項式模型的各項系數(shù)。

2 結果與分析

2.1 分子蒸餾純化姜精油的單因素試驗

2.1.1 溫度對姜精油得率及姜精油中的α-姜烯含量的影響

圖1為在固定分子蒸餾系統(tǒng)壓力(200Pa)下，分子蒸餾的蒸發(fā)面溫度對姜精油得率和α-姜烯含量的影響。由圖1可看出，在蒸發(fā)面溫度為40～90℃范圍內，姜精油得率和α-姜烯含量均隨溫度升高而增大。在40～70℃，隨溫度升高而增加的速率較快，增大趨勢明顯，而在70～90℃，增大趨勢較為平緩。通過SAS8.2軟件進行多重比較后發(fā)現(xiàn)，70℃和90℃條件下姜精油得率的結果之間存在顯著性差異；而對于姜精油中α-姜烯含量而言，70、80、90℃條件下得到的結果之間均無顯著性差異。由于當蒸發(fā)面溫度超過100℃時，溫度范圍已接近水蒸氣蒸餾的溫度，姜精油中的一些成分可能會發(fā)生變化[21]，而分子蒸餾的優(yōu)勢也不能得以發(fā)揮。因此，將響應面法優(yōu)化的溫度條件上限設定在90℃，下限設定在60℃為宜。

圖1 分子蒸餾溫度對姜精油得率和姜精油中α-姜烯含量的影響Fig.1 Effect of distillation temperature on oil yield andα-zingiberene content in the extract

2.1.2 壓力對姜精油得率及姜精油中α-姜烯含量的影響

圖2 分子蒸餾壓力對姜精油得率和姜精油中α-姜烯含量的影響Fig.2 Effect of distillation pressure on oil yield andα-zingiberene content in the extract

圖2 為在固定分子蒸餾蒸發(fā)面溫度(70℃)下，分子蒸餾的系統(tǒng)壓力對姜精油得率和α-姜烯含量的影響。

由圖2可看出，在壓力20～380Pa時，姜精油得率和α-姜烯含量均隨壓力升高有先增大后減小的趨勢。通過SAS8.2軟件進行多重比較后發(fā)現(xiàn)，在80、140、200Pa下得到的姜精油得率的結果之間均不存在顯著性差異，而對于姜精油中α-姜烯含量而言，200Pa和260Pa下得到的結果之間均無顯著性差異。因此，在響應面優(yōu)化中將壓力的上下限分別選擇為260Pa和80Pa即可。但考慮到編碼值和實際值的換算，將壓力上下限定為280Pa和80Pa。

2.2 響應曲面法優(yōu)化分子蒸餾純化姜精油

2.2.1 姜精油純化中心復合設計(CCD)的因素和水平選擇

根據(jù)單因素試驗結果，采用響應面優(yōu)化試驗中的中心復合設計方案，進行兩因素五水平試驗設計。選取的因素水平結果見表1。通過如下變換：X1=(x1－75)/15，X2=(x2－180)/100，對各試驗組的因素參數(shù)進行編碼。

表1 CCD兩因素五水平試驗設計Table1 Factors and levels in the central composition design

2.2.2 姜精油純化中心復合設計(CCD)的試驗方案及結果

根據(jù)響應面法中的中心復合試驗設計方案，進行分子蒸餾純化姜精油的試驗(表2)。

表2 分子蒸餾純化姜精油CCD試驗方案及結果Table2 Central composition design arrangement and experimental results

通過多元回歸分析，分別得到以姜精油的得率(Y1)和α-姜烯含量(Y2)作為響應值，蒸餾溫度編碼值(X1)和蒸餾壓力編碼值(X2)為變量的二元二次回歸方程：

式中：方程(2)的相關系數(shù)R2為95.63%，調整判定系數(shù)R2Adj為92.52%；方程(3)的相關系數(shù)R2為93.31%，調整判定系數(shù)R2Adj為88.53%。

方程各項系數(shù)的顯著性分析結果見表3，結果顯示，溫度、壓力及其交互項系數(shù)均達到顯著水平。模型的方差分析結果見表4，結果顯示，姜精油得率的模型和α-姜烯含量模型均達到顯著水平，蒸餾溫度和蒸餾壓力與姜精油得率之間存在顯著的回歸關系，與姜精油中α-姜烯的含量也存在顯著的回歸關系。因此，(2)和(3)兩方程模型可以用來預測蒸餾溫度和壓力對分子蒸餾純化姜精油結果的影響。蒸餾溫度和壓力對分子蒸餾純化姜精油結果的影響如圖3、4所示。

表3 姜精油得率模型和α-姜烯含量模型的回歸方程各項系數(shù)的方差分析(ANOVA)Table3 Analysis of variance (ANOVA): estimated regression coefficients for the quadratic polynomial models for oil yield and α-zingiberene content in the extract

表4 姜精油得率模型和α-姜烯含量模型的方差分析(ANOVA)結果Table4 Analysis of variance (ANOVA): the quadratic polynomial models for oil yield andα-zingiberene content in the extract

圖3 分子蒸餾的溫度和壓力對姜精油得率影響的響應曲面Fig.3 Response surface plot showing the interactive effects of distillation temperature and pressure on oil yield

圖4 分子蒸餾的溫度和壓力對姜精油中α-姜烯含量影響的響應曲面Fig.4 Response surface plot showing the interactive effects of distillation temperature and pressure onα-zingiberene content in the extract

2.2.3 響應面法優(yōu)化姜精油純化工藝

根據(jù)響應面模型，對試驗結果進行優(yōu)化選擇。利用Design Expert 7.0軟件中的優(yōu)化程序，對相關參數(shù)進行范圍和要求的選擇，得出優(yōu)化方案。由于本實驗需要在盡可能大的姜精油得率下，提高姜精油中α-姜烯含量，因此對參數(shù)進行以下設定，見表5。

根據(jù)響應面模型及設定條件，得到優(yōu)化方案為溫度76℃、壓力147Pa，根據(jù)回歸方程，預測的姜精油得率為42.25%，α-姜烯含量為448mg/g。在上述條件下進行驗證實驗，得到姜精油的得率為(42.23±1.65)%，α-姜烯含量為(445.48±6.95)mg/g，與回歸方程的預測值基本吻合，驗證了實驗模型的合理性。

3 討論與結論

本研究將響應面法中的兩因素五水平中心復合設計用于分子蒸餾純化姜精油的工藝優(yōu)化。研究數(shù)據(jù)顯示分子蒸餾的蒸發(fā)面溫度、系統(tǒng)壓力及其交互作用對純化姜精油的得率及α-姜烯含量均有顯著影響；在本研究實驗范圍內建立響應曲面模型能夠較準確的預測分子蒸餾純化姜精油的結果，最佳工藝參數(shù)為溫度7 6℃、壓力147Pa。在此條件下，超臨界CO2萃取得到的姜油樹脂中α-姜烯含量從157.48mg/g提高到(445.48±6.95)mg/g。

本實驗將超臨界CO2萃取得到的棕紅色黏稠狀姜油樹脂進行分子蒸餾純化，從而得到色澤淺黃透明、流動性好、香氣馥郁、無溶劑殘留的優(yōu)質姜精油產(chǎn)品，且較低的蒸餾溫度保護了姜精油中的萜烯類熱敏成分。分子蒸餾技術與超臨界CO2流體萃取技術聯(lián)用，可以發(fā)揮綠色工藝的優(yōu)勢，獲得高品質的姜精油，保持姜原有的風味和功能成分。經(jīng)分子蒸餾純化后的姜精油純凈、綠色無污染，經(jīng)合理的微膠囊化或其他方法穩(wěn)態(tài)化后，可以作為天然的止吐、消炎、保肝護肝等藥物或功能食品。分子蒸餾純化技術在天然產(chǎn)物提取純化方面具有良好的應用前景。

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Optimizing Conditions for the Purification of Ginger Essential Oil by Molecular Distillation Using Response Surface Methodology

LIANG Zheng，HU Xue-fang，ZHAO Hang，LI Shu-yan，NI Yuan-ying*
(College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Molecular distillation was used to purify the essential oil from ginger oleoresin extracted with supercritical CO2. Based on single factor investigations, the optimization of distillation temperature and pressure by central composition design coupled with response surface methodology was performed for achieving both higher oil yield and α-zingiberene content. The two factors and the interaction between them all significantly affected oil yield andα-zingiberene content. Distillation temperature of 76 ℃and distillation pressure of 147 Pa were found optimal, and the resultant oil yield andα-zingiberene content were (42.33 ± 1.65)% and (445.48 ± 6.95) mg/g, respectively.

molecular distillation；response surface methodology；ginger essential oil；α-zingiberene

TQ65；TS255

A

1002-6630(2010)20-0067-05

2010-01-08

梁崢(1985—)，女，碩士研究生，研究方向為天然產(chǎn)物提取與功能食品開發(fā)。E-mail：liangzheng.cau@gmail.com

*通信作者：倪元穎(1960—)，女，教授，碩士，研究方向為果蔬加工、天然產(chǎn)物提取和功能食品開發(fā)。E-mail：niyuany@163.com