高效分離杉木精油中柏木醇的研究

潘潔塵， 湯一川， 束成杰， 石寶俊*, 朱 凱, 李 偉

(1.南京中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2.南京野生植物綜合利用研究所，江蘇 南京 211100； 3.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037； 4.南京中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院·養(yǎng)生康復(fù)學(xué)院，江蘇 南京 210029)

柏木醇(柏木腦)，是一種高沸點(diǎn)的倍半萜醇，純品為白色結(jié)晶，常被用于木香、辛香和東方型香精中[1]，具有改善睡眠、緩解壓力、鎮(zhèn)靜等作用[2-3]。柏木醇主要來自于柏木油中，其在柏木油中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～25%。我國是世界上生產(chǎn)柏木油的第一大國，每年柏木油產(chǎn)量達(dá)1 000余噸，目前上市的香精中有60%含有柏木油，但是柏木生長成林較慢，75年長為可開采的成熟林，而且柏木對于水土資源的保持有很重要的意義，因此生產(chǎn)柏木油、分離柏木醇的成本較高[4]。而柏木醇也是杉木精油中具有抗菌、殺蟲活性的主要成分之一[5-6]。杉木精油與柏木油成分相近[7]，以柏木醇為主，且含有少量的柏木烯等[8-10]，完全可以替代部分柏木油產(chǎn)品。但是目前杉木精油產(chǎn)品化學(xué)組成不確定，香氣不穩(wěn)定，沒有統(tǒng)一的符合調(diào)香要求的杉木精油標(biāo)準(zhǔn)，無法替代柏木油用于調(diào)香。常規(guī)提取方法無法分離柏木醇，而且溫度過高會導(dǎo)致精油中某些單體成分品質(zhì)降低[11]。減壓精餾是分離提純精油中單體成分的有效方法之一，適用于在常壓蒸餾時(shí)未達(dá)到沸點(diǎn)即已受熱分解、氧化或聚合的物質(zhì)。分離出的單體成分可通過冷凍結(jié)晶進(jìn)一步提純，利用混合物中各成分在溶劑中溶解度的不同達(dá)到分離[12-13]。本研究通過減壓精餾技術(shù)從杉木精油中分離柏木醇，提高了柏木醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及回收率，收集質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的餾分，利用正交分析確定冷凍結(jié)晶試驗(yàn)的最佳條件以進(jìn)一步提高柏木醇的純度，以期為杉木精油及柏木醇能更好地應(yīng)用于香精配制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

杉木精油，淡黃色液體，柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.96%，由黃山市巨龍生物能源科技有限公司提供。乙醇(純度99.5%)，分析純。

可調(diào)式低溫冰箱；Agilent7820A/5975氣質(zhì)色譜/質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS)儀,安捷倫科技有限公司；SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵；精餾裝置，φ29×1 000 mm透明電加熱保溫控溫精餾柱，柱內(nèi)裝有φ3 mm×3 mm不銹鋼填料，塔頂有蛇形冷凝管，塔釜為200 mL圓口燒瓶，控制柜REJL-2，許昌瑞泰豐科技有限公司。

1.2 冷凍結(jié)晶條件優(yōu)化

采用減壓精餾分離提純柏木醇純度通常在50%～70%左右[12]，需要進(jìn)一步提純。杉木精油中主要成分柏木醇熔點(diǎn)為87 ℃,與其他成分相差較大，可通過溶劑冷凍結(jié)晶將它進(jìn)一步分離出來[13]。因此，作者優(yōu)先探討了冷凍結(jié)晶的最佳工藝條件。

分別稱取杉木精油20 g,按照一定的料液比加入乙醇，混合攪拌均勻后放入設(shè)定好結(jié)晶溫度的冰箱中冷藏，結(jié)晶時(shí)間為24 h[12-13]。結(jié)晶后，將樣品抽濾，得到白色結(jié)晶，GC/MS測定產(chǎn)品中柏木醇純度。以杉木精油為原料，柏木醇純度為考察目標(biāo)，選定結(jié)晶溫度(5、 2和0 ℃)，乙醇體積分?jǐn)?shù)(90%、 85%和80%)，料液比(1 ∶3、 1 ∶4和1 ∶5，g ∶mL)作為因素。根據(jù)L9(34)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確定最佳工藝條件。之后，在最佳工藝條件下，稱取3份杉木精油10 g進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，GC/MS測定產(chǎn)品中柏木醇純度。

1.3 高效分離柏木醇

1.3.1塔預(yù)處理 在四口燒瓶中加入400 mL體積分?jǐn)?shù)95%的乙醇，調(diào)節(jié)塔底溫度和塔柱保溫套的溫度，回流60 min清洗塔，冷卻靜置。然后，重新在塔釜中加入300 mL水，調(diào)節(jié)塔底溫度和塔柱保溫套的溫度，回流60 min,使水在填料表面充分潤濕。

1.3.2減壓精餾 稱取400 g杉木精油，加入到四口燒瓶中塞好瓶塞，打開真空泵，在2～3 kPa下，調(diào)整好塔底溫度和塔柱保溫套的溫度，使物料沸騰，蒸氣上升到精餾柱內(nèi)，在柱內(nèi)進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，低沸點(diǎn)組分不斷上升到柱頂，高沸點(diǎn)組分逐步冷凝流回?zé)恐小?/p>

在減壓精餾收集柏木醇含量較高組分時(shí)，要根據(jù)不同的壓力控制收集餾分時(shí)的溫度；在壓力確定的情況下，全回流時(shí)間、分流比會影響輕、重組分的分離程度。設(shè)定全回流時(shí)間，使柱內(nèi)各組分達(dá)到平衡，然后打開接收系統(tǒng)，設(shè)定塔頂冷凝器返回塔內(nèi)的液體與送出塔外的塔頂產(chǎn)品液體流量之比(回流比)，分別收集不同餾分，分析主要成分柏木醇、α-柏木烯的含量, 據(jù)此來調(diào)整減壓精餾的工藝條件[14]。計(jì)算柏木醇含量最高餾分的回收率，公式如下：

式中：η—柏木醇回收率，%;m1—餾分質(zhì)量，g;w1—餾分中柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;m2—物料質(zhì)量，g;w2—物料中柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

1.3.3冷凍結(jié)晶 減壓精餾收集柏木醇含量最高的組分，將餾分根據(jù)1.2節(jié)確定的最佳條件進(jìn)行冷凍結(jié)晶，結(jié)晶24 h。取出白色混合物，抽濾，得到白色結(jié)晶，GC/MS分析，測產(chǎn)品純度。

1.4 GC/MS分析

色譜條件：HP-5毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，載氣為He，流量10 mL/min，進(jìn)樣分流比20 ∶1；起始溫度100 ℃，停留2 min，3 ℃/min升至200 ℃，停留2 min，再以10 ℃/min升至240 ℃。質(zhì)譜條件：質(zhì)譜離子源為 EI，離子源溫度200 ℃，四極桿溫度150 ℃，電子能量 70 eV，電子倍增器電壓 1.7 kV，掃描范圍50～550 u，溶劑延遲為3 min[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷凍結(jié)晶條件優(yōu)化

正交試驗(yàn)因素、水平及結(jié)果見表1，方差分析結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

表2 方差分析結(jié)果

由極差和方差分析可以看出影響柏木醇純度的各因素主次順序?yàn)锽>C>A，乙醇體積分?jǐn)?shù)對試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，其余因素影響不顯著。最優(yōu)的工藝條件為A1B1C1，即結(jié)晶溫度5 ℃、結(jié)晶溶劑乙醇體積分?jǐn)?shù)為90%、料液比1 ∶5(g ∶mL)。依據(jù)這個(gè)條件對后續(xù)減壓精餾出的柏木醇高含量餾分進(jìn)行結(jié)晶，可提高柏木醇純度。

根據(jù)最佳工藝條件：結(jié)晶溫度5 ℃、結(jié)晶溶劑乙醇體積分?jǐn)?shù)90%、料液比1 ∶5，進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，柏木醇的純度從27.96%分別提高至79.4%、 79.35%和79.02%。

2.2 減壓精餾工藝條件的確定

2.2.1不同溫度下主要成分的含量分布 設(shè)定全回流時(shí)間60 min，回流比(R)值為3，其他條件同1.3.2節(jié)。在不同的塔頂溫度下收集餾分，測定餾分質(zhì)量，GC/MS分析主要成分柏木醇、α-柏木烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表3。

根據(jù)表3可以看出，塔頂溫度在130 ℃以下時(shí)，餾分中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的成分為α-柏木烯；在塔頂溫度為130～140 ℃時(shí)，即餾分4開始，柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，α-柏木烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。這表明在一定的真空回流比下，可以利用塔頂溫度不同收集餾分達(dá)到分離提純的目的。柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為70.84%，因此收集餾分5作為后續(xù)冷凍結(jié)晶時(shí)的實(shí)驗(yàn)樣品。

表3 不同溫度下各餾分中柏木醇、α-柏木烯的含量分布

2.2.2全回流時(shí)間影響 設(shè)定全回流時(shí)間分別為20、 40、 60 min，R值為3，塔頂溫度140～148 ℃，其他條件同1.3.2節(jié)。根據(jù)塔頂溫度收集各餾程內(nèi)的餾分，GC/MS分析餾分5中柏木醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表4。

表4 不同工藝條件對回收率、柏木醇的影響

全回流時(shí)間的長短不僅影響整個(gè)精餾時(shí)間的長短，而且會對被精餾組分中輕(α-柏木烯)、重組分(柏木醇)的分離程度有影響。當(dāng)全回流時(shí)間較長時(shí)，體系逐漸達(dá)到穩(wěn)定，分離效果較好；但是當(dāng)全回流時(shí)間過長時(shí)，被精餾的物質(zhì)中敏感組分會受熱變質(zhì)，精餾效果變差。從表中可以看出，全回流時(shí)間為20 min時(shí)，柏木醇含量較低、回收率也較低；隨著全回流時(shí)間增加到40、 60 min時(shí)，柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到71.99%、 70.84%；全回流時(shí)間為60 min時(shí)，回收率最高。因此，在后續(xù)試驗(yàn)中設(shè)定全回流時(shí)間為60 min。

2.2.3不同回流比的影響 設(shè)定全回流時(shí)間60 min，塔頂溫度140～148 ℃，其他條件同1.3.2節(jié)，結(jié)果見表4。

由表4可知，當(dāng)回流比7 ∶1時(shí)，最后得到的餾分質(zhì)量較多，柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大?；亓鞅葘p、重組分的分離效果有影響。回流比增大，有利于輕重組分的分離；但是回流比越大，所需精餾時(shí)間越長，熱敏物質(zhì)也會損失。因此在進(jìn)行減壓精餾實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要適宜的回流比，以便于更好地分離精油中的單體成分。

表5 減壓精餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.4減壓精餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)2.2.1～2.2.3節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定減壓精餾工藝條件為：在2～3 kPa下，全回流時(shí)間60 min，收集餾分1、 2、 4和5時(shí)R值為3，餾分3時(shí)R值為7，收集塔頂溫度140～148 ℃下分離出的柏木醇，GC/MS分析柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算回收率，重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5。

2.3 柏木醇的高效分離

為了進(jìn)一步提高純度，取10.0 g2.2.4節(jié)減壓精餾分離出的柏木醇含量最高的餾分10.0 g，以體積分?jǐn)?shù)90%的乙醇為結(jié)晶溶劑，在料液比1 ∶5(g ∶mL)、結(jié)晶溫度5 ℃的條件下，對餾分5進(jìn)一步冷凍結(jié)晶，結(jié)晶24 h后得到純白色結(jié)晶，經(jīng)GC/MS分析可得其純度為98.43%。

2.4 討論

常用的提取杉木精油的方法有常壓水蒸氣蒸餾法、干餾法等。水蒸氣蒸餾法[16-17]從杉木屑中提取的杉木精油，得油率在1.0%～1.5%之間，柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為39.98%；干餾工藝[9]提取杉木精油，產(chǎn)品得率為6.08%，GC/MS法對100～250 ℃的精油化學(xué)成分進(jìn)行了分析，柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.51%。水蒸氣蒸餾法提取的杉木精油氣味清香，但是蒸餾時(shí)間過長，某些成分會發(fā)生分解、氧化，精油顏色變深、品質(zhì)降低；高溫密閉隔氧干餾工藝提取率高，但是香味不如水蒸氣蒸餾法香純。而且常規(guī)的提取方法并不能分離杉木精油中的柏木醇，柏木醇是杉木精油中高沸點(diǎn)的成分，水蒸氣蒸餾提取出的主要是α-柏木烯等輕沸點(diǎn)成分。本實(shí)驗(yàn)首先采用減壓精餾的方法，在2～3 kPa下，全回流時(shí)間60 min，收集餾分1、 2、 4和5時(shí)R為3，餾分3時(shí)R為7，收集塔頂溫度140～148 ℃下分離出柏木醇,不僅不破壞杉木精油中易受熱分解、氧化或聚合的物質(zhì)，而且將輕、重沸點(diǎn)的成分有效分離，提高柏木醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為97.89%，回收率為87.52%；將餾分進(jìn)一步溶解于乙醇結(jié)晶，結(jié)晶溫度5 ℃、結(jié)晶溶劑乙醇體積分?jǐn)?shù)為90%、料液比1 ∶5(g ∶mL)，將熔點(diǎn)高的柏木醇結(jié)晶出來，最終柏木醇的結(jié)晶純度達(dá)到98.43%，回收率為83.61%。此外，在進(jìn)行減壓精餾實(shí)驗(yàn)，收集柏木醇含量較高的餾分時(shí)，柏木醇容易迅速結(jié)晶，因此收集餾分以及冷凍結(jié)晶時(shí)要充分溶解，以防柏木醇成分無法分離。

3 結(jié) 論

采用先減壓精餾再冷凍結(jié)晶的方法對杉木精油進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn)，通過設(shè)定全回流時(shí)間、不同回流比條件對減壓精餾工藝進(jìn)行優(yōu)化，減壓精餾最優(yōu)的分離條件為：在2～3 kPa的壓力下，全回流時(shí)間為1 h，回流比值3～7，塔頂溫度140～148 ℃收集的餾分中柏木醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到97.89%，回收率87.52%，分離效果高；再將樣品經(jīng)過冷凍結(jié)晶，得到純度為98.43%的柏木醇結(jié)晶。