茴香精油提取工藝優(yōu)化及成分分析

敬思群 艾合買提江·艾海提 楊玉新

(新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1，烏魯木齊 830046)

(新疆中亞食品研發(fā)中心2，烏魯木齊 830000)

歐洲茴香(Pimpinella anisum L.)，原生地多半在歐洲大陸和美國(guó)西海岸。傘形科茴香屬多年生草本植物，花黃色，春秋播種，生長(zhǎng)期100 d，耐寒耐旱耐貧瘠。具特殊清香味，莖葉可食用，葉能補(bǔ)腦，提高記憶力，并可作為海鮮及沙拉的配料，增加口感。種子可用于面包、咖啡、魚醬等調(diào)味。種子咀嚼后可以使口氣清新，幫助消化化解便秘。葉、莖、種子發(fā)芽后可拌涼菜。精油可用于制作牙膏，根部的提取物具解毒利尿和減肥作用，土耳其將這種植物廣泛使用在白酒生產(chǎn)中［1－2］。種子和葉片煉取液可深層清潔皮膚，使用少量精油按摩肌肉，可減緩疲勞。有研究報(bào)道茴香精油具有抗氧化和抑菌能力［3－5］。本研究從歐洲茴香的種子部位提取精油并優(yōu)化提取工藝，對(duì)精油組成進(jìn)行分析，為茴香精油的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 主要材料和儀器

茴香種子:新疆中亞食品研發(fā)中心。

同時(shí)蒸餾萃取(SDE)裝置:天長(zhǎng)市優(yōu)信電器設(shè)備有限公司;GC/MS－QP2010型氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀:日本SHIMADZU公司;HH－S型恒溫水浴鍋:鞏義市英峪予華有限公司;RE－52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海亞榮生化儀器廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 原料處理

茴香種子經(jīng)熱風(fēng)干燥24 h，粉碎過40目篩，密封常溫保存?zhèn)溆谩ｎA(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，顆粒在40目時(shí)精油提取效果好。隨著顆粒變細(xì)揮發(fā)油得率逐漸增加，但40目后增加幅度不明顯甚至下降，由于顆粒過細(xì)，會(huì)導(dǎo)致油室或油細(xì)胞破碎過多，在粉碎過程中造成揮發(fā)油散失。因此試驗(yàn)原料取40目篩茴香種子粉末。

1.2.2 水蒸氣蒸餾法單因素試驗(yàn)

1.2.2.1 功率對(duì)茴香精油提取率的影響

稱取過40目篩茴香種子粉末20 g 5份，按液料比10∶1加去離子水200 mL于1 000 mL蒸餾燒瓶中，分別置于加熱功率為44、66 、88 、110 、132 W(分別對(duì)應(yīng)于火力 2、3、4、5、6)的電熱套中，回流萃取3 h。直接讀取油層體積。然后將水從儀器出口放出，剩余部分無水硫酸鈉干燥或者采用速凍法將水結(jié)冰后取油。

1.2.2.2 液料比對(duì)茴香精油提取率的影響

稱取過40目篩茴香種子粉末20 g 5份，在液料比分別為 6∶1 、8∶1、10∶1、12∶1、15∶1 條件下，置于功率為88 W的電熱套中，回流萃取3 h。其余操作同1.2.2.1。

1.2.2.3 提取時(shí)間對(duì)茴香精油提取率的影響

稱取過40目篩茴香種子粉末20 g 5份，液料比為10∶1，置于功率為88 W的電熱套中，回流萃取時(shí)間分別為 2、3、4、5 h。其余操作同 1.2.2.1。

1.2.3 同時(shí)蒸餾萃取單因素試驗(yàn)［6－7］

1.2.3.1 功率對(duì)茴香精油提取率的影響

稱取過40目篩茴香種子粉末20 g 5份，按10∶1的料液比加去離子水200 mL于500 mL蒸餾燒瓶中，置于同時(shí)蒸餾萃取儀的一端;取80 mL乙醚于500 mL圓底燒瓶中，置于同時(shí)蒸餾萃取儀的另一端，分別置于功率為44、66、88、110、132 W(分別對(duì)應(yīng)于火力 2、3、4、5、6)的電熱套中，回流萃取 3 h。萃取結(jié)束后，從萃取儀的中間出口放出乙醚提取產(chǎn)物(萃取液)，將萃取液用無水硫酸鈉干燥后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，即得茴香精油，密封后將精油置于4℃條件下避光保存。

茴香精油提取率計(jì)算

精油提取率=(萃取后瓶質(zhì)量－萃取前瓶質(zhì)量)/樣品質(zhì)量×100%

1.2.3.2 液料比對(duì)茴香精油提取率的影響

稱取過40目篩茴香種子粉末20 g 5份，在液料比分別為6∶1 、8∶1、10∶1、12∶1、15∶1 條件下，置于功率為110 W的電熱套中，回流萃取3 h。其余操作同1.2.2.1。

1.2.3.3 提取時(shí)間對(duì)茴香精油提取率的影響

稱取過40目篩茴香種子粉末20 g 5份，液料比為12∶1，置于功率為110 W的電熱套中，回流萃取時(shí)間分別為 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

通過氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析茴香精油組成，獲得GC－MS分析的總離子流圖。通過人工圖譜解析及NIST27和NIST147譜庫(kù)檢索定性，并用面積歸一法定量分析各成分的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

GC－MS分析條件:

GC條件:RTX－5MS型彈性石英毛細(xì)管色譜柱(0.25 mm × 30 mm，0.25 μm);進(jìn)樣口溫度為 240℃;升溫程序:從130℃開始，先以5℃/min升至240℃;載氣為高純度氦氣，柱前壓96.1 kPa，柱內(nèi)載氣流量 1.13 mL/min，分流比為 30∶1，進(jìn)樣量 2 μL。

MS條件:EI離子源，電子能量70 eV，離子源溫度200℃，接口溫度250℃，倍增器電壓 0.7 kV，掃描范圍30～500 amu。

2 結(jié)果與分析

2.1 精油提取工藝確定

研究不同工藝參數(shù)(功率、液料比、提取時(shí)間)對(duì)提取茴香精油影響規(guī)律，通過響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝條件。

2.1.1 水蒸氣蒸餾法

2.1.1.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，隨著功率的增加，茴香精油的提取率出現(xiàn)變化，在功率為88 W時(shí)茴香精油的提取率達(dá)到最大值，增大功率，茴香精油提取率有所下降，這可能是因?yàn)榫驮谝欢ǖ臏囟认聲?huì)發(fā)生揮發(fā)，高于功率范圍，揮發(fā)加快，則提取率下降;由圖2可知，隨著液料比的升高，茴香精油的提取率增加，在10∶1時(shí)達(dá)到最高，但隨著料液比的繼續(xù)升高，提取率反而降低，這可能是因?yàn)榱弦罕冗^大，容積太少，溶解不完全，提取率就降低。由圖3可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，茴香精油的提取率增加，在3.5 h時(shí)提取率最大。

2.1.1.2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Box－Behnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理［8］，運(yùn)用Minitab 15數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件，選取功率、液料比、蒸餾時(shí)間3個(gè)影響因子，采用三因素三水平的響應(yīng)曲面分析方法，對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 三因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

響應(yīng)曲面法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。運(yùn)用Minitab 15數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表5。由此可得二次回歸方程為:Y=4.79－0.156 25X1－0.031 25X2+0.062 5X3+0.605X12+0.23X22+0.417 5X32－0.062 5X1X3－0.062 5X2X3。

表2 茴香種子精油提取條件優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表3 回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。由方程及表4可知，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)提取率影響因素大小依次為:功率、蒸餾時(shí)間和液料比。一次項(xiàng)P都大于0.05，影響不顯著，二次項(xiàng) P除功率外，都大于0.05，功率二次項(xiàng)影響顯著，交互項(xiàng)影響不顯著，說明提取率與各因素不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。此模型的回歸系數(shù)為80.87%，方程與實(shí)際情況擬合情況較好。

運(yùn)用Minitab15軟件的響應(yīng)優(yōu)化器對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到模型的最優(yōu)解:功率為66 W，液料比為 6∶1，蒸餾時(shí)間為 2.5 h，預(yù)測(cè)的提取率為 6.29%。

為了檢驗(yàn)響應(yīng)面法所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行提取試驗(yàn)。在此條件下，測(cè)得茴香精油的提取率為6.25%，與理論預(yù)測(cè)值相比，其相對(duì)誤差約為0.64%。由響應(yīng)曲面法得到的優(yōu)化工藝參數(shù)比較準(zhǔn)確，具有實(shí)用意義。

2.1.2 同時(shí)蒸餾萃取法

2.1.2.1 單因素試驗(yàn)

由圖4可知，隨著功率的增加，茴香精油的提取率提高，在功率為110 W時(shí)茴香精油的提取率達(dá)到最大值，增大功率，茴香精油提取率有所下降，這可能是因?yàn)榫驮谝欢ǖ臏囟认聲?huì)揮發(fā)，高于功率范圍，揮發(fā)加快，則提取率下降;由圖5可知，隨著液料比的升高，茴香精油的提取率增加，在8∶1時(shí)達(dá)到最高，但隨著料液比的繼續(xù)升高，提取率反而降低，這可能是因?yàn)榱弦罕冗^大，容積太少，溶解不完全，圖區(qū)不徹底，提取率就降低;由圖6可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，茴香精油的提取率增加，在4 h時(shí)提取率最大。

圖4 功率對(duì)茴香精油提取率的影響

2.1.2.2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Box－Behnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用Minitab 15數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件，選取功率、液料比、蒸餾時(shí)間3個(gè)影響因子，采用三因素三水平的響應(yīng)曲面分析方法，對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表5。

表5 三因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

響應(yīng)曲面法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表6。運(yùn)用Minitab 15數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表7。由此可得二次回歸方程為:Y=3.971 67－0.227 5X1+0.016 88X2+0.030 62X3－0.172 71X12－0.263 96X22－1.041 46X32+0.32X1X2－0.252 5X1X3+0.063 75X2X3。

表6 茴香種子精油提取條件優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表7 回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表8。由方程及表8可知，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)提取率影響因素大小依次為:功率、蒸餾時(shí)間和液料比。一次項(xiàng)P都大于0.05，影響不顯著，二次項(xiàng)P除蒸餾時(shí)間外，都大于0.05，二次項(xiàng)蒸餾時(shí)間影響顯著，交互項(xiàng)影響不顯著，說明提取率與各因素不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。此模型的回歸系數(shù)為73.64%，方程與實(shí)際情況擬合情況較好。

運(yùn)用Minitab15軟件的響應(yīng)優(yōu)化器對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到模型的最優(yōu)解:功率為110 W，液料比為 6.889∶1，蒸餾時(shí)間為 4.056 h，預(yù)測(cè)的提取率為4.128%。

為了檢驗(yàn)響應(yīng)面法所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行提取試驗(yàn)。實(shí)際操作中提取工藝參數(shù)修正為:功率為110 W，液料比為7∶1，蒸餾時(shí)間為4.0 h，在此條件下，測(cè)得茴香精油的提取率為3.98%，與理論預(yù)測(cè)值相比，其相對(duì)誤差約為3.59%。由響應(yīng)曲面法得到的優(yōu)化工藝參數(shù)比較準(zhǔn)確，具有實(shí)用意義。

從精油提取率上分析，水蒸氣蒸餾法好，但是同時(shí)蒸餾萃取法純度高?？紤]到產(chǎn)業(yè)化問題，最終選取水蒸氣蒸餾法提取精油為合適方案。

2.2 GC －MS分析

2.2.1 水蒸汽蒸餾法制備的茴香種子精油的GCMS分析

茴香種子精油組成見表9。茴香種子精油的GC－MS分析見圖7。

表9 茴香種子精油成分分析結(jié)果

圖7 茴香種子精油總離子流圖

由表9可以看出，水蒸汽蒸餾法制備的茴香種子精油主要成分是酮類和烯類，酮類占48.86%，烯類占 33.07%，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的是香芹酮(24.70%)，其次是雙戊烯(23.89%)，二氫香芹酮(16.29%)，茴香腦(即對(duì)丙烯基茴香醚，9.78%)，這4種組分占全部被檢出組分的74.66%，初步確定為茴香種子精油的主要化學(xué)成分。

2.2.2 同時(shí)蒸餾萃取法制備的茴香種子精油的GC－MS分析

茴香種子精油的GC－MS分析見圖8。茴香種子精油組成見表10。

圖8 茴香種子精油總離子流圖

表10 茴香種子精油成分分析結(jié)果

由表10可知，同時(shí)蒸餾萃取法制備的茴香種子精油的主要成分是丙酮，占83.03%?？梢娝魵夥ㄌ崛∪慨a(chǎn)物是揮發(fā)性精油成分，提取完全，得率較高。

3 結(jié)論

3.1 水蒸氣蒸餾法制備茴香種子精油的最佳工藝條件為:功率為66 W，液料比為6∶1，蒸餾時(shí)間為2.5 h，茴香精油的提取率為6.25%。同時(shí)蒸餾萃取法制備茴香種子精油的最佳工藝條件為:功率為110 W，液料比為7∶1，蒸餾時(shí)間為4.0 h，在此條件下，茴香精油的提取率為3.98%。

3.2 茴香種子精油的主要成分是酮類和烯類，酮類占48.86%，烯類占33.07%。此外，茴香腦9.78%。

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