程　　晶，石寶俊，姜洪芳，朱羽堯，張衛(wèi)明，*

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇南京210095；2.南京野生植物綜合利用研究院，江蘇南京210042）

從山蒼子油中提純高品質(zhì)檸檬醛工藝的研究

程晶1，2，石寶俊2，姜洪芳2，朱羽堯2，張衛(wèi)明2，*

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇南京210095；2.南京野生植物綜合利用研究院，江蘇南京210042）

以山蒼子油為研究對象，用GC-MS聯(lián)用儀對山蒼子油的重組分餾余物進(jìn)行分析，用以香草醛為內(nèi)標(biāo)物的內(nèi)標(biāo)法對檸檬醛進(jìn)行定量測定。采用分子蒸餾技術(shù)，先通過單因素試驗(yàn)，探討蒸餾溫度、蒸餾壓力、物料流速對檸檬醛純度及得率的影響。在此基礎(chǔ)上，以檸檬醛純度及得率的綜合權(quán)重評分為指標(biāo)，采用L9（34）正交試驗(yàn)，確定最佳水平組合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳工藝條件為：蒸餾溫度55℃、蒸餾壓力0.18kPa、物料流速15mL/min，在此條件下，檸檬醛的純度高達(dá)98.0%，得率高達(dá)77.2%。經(jīng)中試試驗(yàn)驗(yàn)證，此最佳工藝條件可以運(yùn)用到工業(yè)化生產(chǎn)中。

檸檬醛，分子蒸餾，山蒼子油，提純，內(nèi)標(biāo)法

山蒼子，又名山胡椒、木姜子、山雞椒、蓽澄茄等，廣泛分布于我國四川、湖南、福建、廣西等長江以南的地區(qū)。山蒼子油是一種成分復(fù)雜的天然香料，其中檸檬醛為主要成分，一般含量在60%～80%之間，有的可高達(dá)90%［1-6］，其含量隨產(chǎn)地，收獲期不同而有所差異。本實(shí)驗(yàn)所購買的山蒼子油原料中檸檬醛的含量經(jīng)測定為80.9%。檸檬醛是調(diào)配、合成香料及制藥工業(yè)的中間體，在食品工業(yè)中，是一種良好的天然增香劑、防腐劑［7-9］。精制的山蒼子油可直接用于糖果糕點(diǎn)、調(diào)味油、醬類調(diào)味品的調(diào)味增香，并且對多種霉菌具有較強(qiáng)的抗菌作用，可作為天然防腐劑，安全有效的延長食品的保質(zhì)期［9-11］。

分子蒸餾（Molecular Distillation，簡稱MD）技術(shù)，是一種較新型的液—液分離技術(shù)，采用分子蒸餾高純化山蒼子油中的檸檬醛，是一種高效，綠色的工藝過程。這一分離技術(shù)，保持了原料的天然性，有效提高了醛的含量［12-13］。因此，利用分子蒸餾法提純山蒼子油中的檸檬醛從而得到高品質(zhì)檸檬醛的研究有利于野生植物的綜合利用開發(fā)，并具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前，對于檸檬醛含量的測定多采用面積歸一法［2，12］，而這種方法要求所有組分都要出峰并分離良好，因此具有一定的局限性，測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。由于GC-MS進(jìn)樣量小，微小進(jìn)樣變化及色譜條件改變，都會(huì)引起測量結(jié)果的不準(zhǔn)確，而內(nèi)標(biāo)法則可以有效減小誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確［14］。本實(shí)驗(yàn)采用分子蒸餾技術(shù)提純山蒼子油中的檸檬醛，以香草醛為內(nèi)標(biāo)物的內(nèi)標(biāo)法測定檸檬醛的含量，并且進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以確定最優(yōu)工藝條件，從而得到高品質(zhì)的檸檬醛，旨為工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

山蒼子油江西雪松天然藥用油有限公司；丙酮分析純，南京化學(xué)試劑有限公司；檸檬醛標(biāo)準(zhǔn)品≥99.2%，Dr.Ehrenstorfer GmbH-Bgm.-Schlosser-Str.6A-86199 Augsburg-Germany；香草醛標(biāo)準(zhǔn)品天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

7820A氣相串聯(lián)5975質(zhì)譜檢測器氣（GC-MS） 安捷倫科技有限公司；分子蒸餾設(shè)備無錫海源生化設(shè)備有限公司；FA2004電子天平感量0.0001g，上海越平科學(xué)儀器有限公司；100μL移液針安捷倫科技有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1內(nèi)標(biāo)物的確定選擇合適的內(nèi)標(biāo)物是內(nèi)標(biāo)法的關(guān)鍵。將適量香草醛標(biāo)準(zhǔn)品與山蒼子油原料的混合液，稀釋至合適濃度，分別進(jìn)行GC-MS測定，對其總離子圖進(jìn)行分析，從而確定內(nèi)標(biāo)物。

1.2.2標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制標(biāo)準(zhǔn)品母液：精密稱取0.0786g檸檬醛標(biāo)準(zhǔn)品，用丙酮定容至1mL容量瓶中，搖勻，得到溶液濃度約為為78.6mg/mL。

標(biāo)準(zhǔn)工作溶液：分別用移液針準(zhǔn)確移取200、150、100、50、25μL。標(biāo)準(zhǔn)品母液于2mL容量瓶，再分別準(zhǔn)確移取內(nèi)標(biāo)物母液各200μL，用丙酮定容至刻度，搖勻。得到標(biāo)準(zhǔn)工作溶液檸檬醛純度分別為7.860、5.895、3.930、1.965、0.9825mg/mL，內(nèi)標(biāo)物香草醛的濃度為3.0mg/mL。

以標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中檸檬醛的濃度Ci為橫坐標(biāo)，檸檬醛峰面積與香草醛峰面積比值A(chǔ)i/As為縱坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3樣品準(zhǔn)備及檸檬醛得率的測定準(zhǔn)確稱取一定量的不同蒸餾條件下的山蒼子油重組分餾余物（約9mg），準(zhǔn)確移取濃度為3mg/mL的內(nèi)標(biāo)物母液200μL，用丙酮定容至2mL棕色容量，搖勻，用GC-MS上機(jī)檢測。從標(biāo)準(zhǔn)曲線方程得到樣品的檸檬醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按下式計(jì)算檸檬醛得率。

檸檬醛得率（%）=重組分餾余物量/總進(jìn)樣量×（檸檬醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)/原料中檸檬醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)）×100

1.2.4單因素實(shí)驗(yàn)在分子蒸餾提純檸檬醛的實(shí)驗(yàn)中，選擇蒸餾壓力、蒸餾溫度、物料流速三個(gè)影響因子作為分離選擇因素，在刮膜蒸餾轉(zhuǎn)速為400r/min，投料量1L，冷卻水溫度在12℃左右條件下，設(shè)定蒸餾溫度為50℃，進(jìn)料速率為10ml/min，改變蒸餾壓力（分別為0.10、0.18、0.28、0.50、0.70、1.00、2.00kPa）；設(shè)定蒸餾壓力為0.28kPa，進(jìn)料速度為10mL/min，改變蒸餾溫度（分別為35、40、45、50、55、60、65℃）；設(shè)定蒸餾溫度為50℃，蒸餾壓力為0.18kPa，改變進(jìn)料速度（分別為5、10、15、20、25、30mL/min）。以檸檬醛純度為主要參考指標(biāo)，檸檬醛得率為次要參考指標(biāo)（在滿足純度要求的情況下，盡量提高檸檬醛得率，以適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)），平行取樣并重復(fù)三次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2.5正交實(shí)驗(yàn)根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，以綜合權(quán)重評分為指標(biāo)，采用L9（34）正交實(shí)驗(yàn)來確定蒸餾溫度（A），蒸餾壓力（B），進(jìn)料速度（C）三個(gè)影響因素的對檸檬醛純度及得率的影響，每個(gè)因素均設(shè)計(jì)了3個(gè)水平，見表1。通過正交實(shí)驗(yàn)，確定用分子蒸餾技術(shù)從山蒼子油中生產(chǎn)高純度檸檬醛的最佳工藝條件。

表1　正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1　The level of orthogonal design

1.2.6綜合權(quán)重評分［15-16］根據(jù)生產(chǎn)要求以及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定主要參考指標(biāo)檸檬醛純度的權(quán)ω1=2.5，次要參考指標(biāo)檸檬醛得率的權(quán)ω2=0.5，兩個(gè)指標(biāo)均是越大越好。綜合權(quán)重評分=ω1×檸檬醛純度+ω2×檸檬醛得率。

1.2.7GC-MS檢測條件色譜條件氣相色譜條件：Agilent HP-5MS（30m×0.25mm×0.25μm）；程序升溫：100℃保持5min，以3℃/min升至140℃，以8℃/min升至240℃；檢測溫度250C；載氣氮?dú)饬魉?mL/min；尾吹氣流速2mL/min；分流比為100∶1。

質(zhì)譜條件：離子源溫度250℃，四極桿溫度150℃，EI離子源，電子能量70eV，質(zhì)量掃描范圍33～600amu，溶劑延遲3min。標(biāo)準(zhǔn)譜庫NIST11.L檢索，內(nèi)標(biāo)法計(jì)算各組分相對百分含量。

2　結(jié)果與分析

2.1內(nèi)標(biāo)物的確定

對配制好的山蒼子油原液、香草醛與山蒼子油原液的混合溶液分別進(jìn)行GC-MS測定，得到總離子流圖如圖1、圖2。根據(jù)圖1和圖2可以看出，香草醛（14.871min時(shí)出峰）與山蒼子油中的組分峰不重疊，且與兩種檸檬醛出峰時(shí)間（8.929、9.960min）較為接近，香草醛性質(zhì)穩(wěn)定，不與被測物檸檬醛發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以香草醛可以作為內(nèi)標(biāo)物。

2.2標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

以標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中檸檬醛的濃度Ci為橫坐標(biāo)，檸檬醛峰面積與香草醛峰面積比值A(chǔ)i/As為縱坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖3，得到回歸方程Y=0.2243X+0.0545，R2=0.9994，檸檬醛濃度為1～7.86mg/mL范圍內(nèi)，呈良好的線性關(guān)系。

圖1　山蒼子油原料總離子流圖Fig.1　GC-MS total ion chromatogram of Litsea cubeba oil feedstock

圖2　香草醛和山蒼子油原料總離子流圖Fig.2　GC-MS total ion chromatogram of Vanillin and Litsea cubeba oil feedstock

圖3　檸檬醛標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3　The standard curve of citral

2.3蒸餾條件的單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1蒸餾溫度對檸檬醛純度及得率的影響由圖4可以看出，隨著溫度的升高，檸檬醛得率減小。檸檬醛純度在35～55℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高而增大，超過55℃，純度基本保持不變。在35～45℃范圍內(nèi)，由于溫度的升高會(huì)使物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程增大，輕分子的平均自由程增大，大量的輕組分被蒸發(fā)到冷凝面上被冷凝收集；而少數(shù)的重組分獲得能量平均自由程也增大，也被冷凝收集，隨著輕組分餾出；因此檸檬醛的純度增大，而檸檬醛的得率減小。溫度繼續(xù)升高，大量重組分平均自由程增大，被冷凝收集，因此在45℃后，出現(xiàn)檸檬醛得率急劇下降的現(xiàn)象。在35～55℃范圍內(nèi)由于輕組分被冷凝餾出，所以檸檬醛的純度從84.3%升高到92.4%，溫度超55℃過后，由于沸點(diǎn)小于檸檬醛的成分基本全部從輕組分收集罐中被冷凝收集，且部分檸檬醛也從輕組分中被餾出，因此重組分中檸檬醛純度略有下降。因此，從檸檬醛的純度以及得率兩方面綜合考慮，選擇45～55℃，作為正交實(shí)驗(yàn)的溫度范圍。

圖4　蒸餾溫度對檸檬醛純度和得率的影響Fig.4　The effect of distillation temperature on citral purity and the yield rate

2.3.2蒸餾壓力對檸檬醛純度及得率的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5　蒸餾壓力對檸檬醛純度和得率的影響Fig.5　The effect of distillation pressure on citral purity and the yield rate

由圖5可以看出，隨著壓力的增大，檸檬醛的純度減小，而檸檬醛的得率增大。在0.10～0.70kPa范圍內(nèi)，由于在溫度一定時(shí)，隨著壓力的增大，分子的平均自由程減小，有些較輕分子平均自由程小于冷凝面與蒸發(fā)面的距離，與重分子一起從重組分餾余物中餾出，因此輕組分餾余物減少，而重組分餾余物增多。重組分餾余物中的主要成分檸檬醛的得率，隨著壓力的增大而增大，由于輕分子雜質(zhì)被收集到重組分中，因此檸檬醛純度隨著壓力的增大而減小。因此檸檬醛得率急劇升高，從68.3%升高到98.0%，而檸檬醛的純度也有大幅下降，從98.9%降低到88.4%。0.70kPa后，能夠達(dá)到冷凝面的輕組分量、檸檬醛得率及檸檬醛純度均隨著壓力的增大，趨于平衡。綜合考慮檸檬醛純度和得率，選擇0.18kPa～0.70kPa作為正交實(shí)驗(yàn)的壓力范圍。

2.3.3進(jìn)料速度對檸檬醛純度及得率的影響由圖6可見，隨著進(jìn)料速度的增加，檸檬醛純度減小，檸檬醛得率增加。在分子蒸餾過程中，進(jìn)料速率的大小，會(huì)影響物料在蒸發(fā)面的受熱程度和停留時(shí)間，進(jìn)而影響檸檬醛的純度及得率。進(jìn)料速度在5～15mL/min范圍內(nèi)，進(jìn)料速率太小，停留時(shí)間長，部分檸檬醛與輕分子雜質(zhì)一起蒸到冷凝面上被收集，導(dǎo)致檸檬醛得率低，但輕組分能夠比較充分的被冷凝收集，因此檸檬醛純度較高。當(dāng)進(jìn)料速度大于15mL/min時(shí)，由于物料在蒸發(fā)面停留時(shí)間較短，輕組分還沒來得及蒸發(fā)到冷凝面上，就隨著重組分一起餾出來，所以檸檬醛純度急劇下降，而被冷凝收集的檸檬醛會(huì)逐漸減少，檸檬醛得率會(huì)逐漸增大。進(jìn)料速率從5mL/min提高到10mL/min時(shí)，檸檬醛含量從97.4%降到97.0%，減小幅度很小。從10mL/min提高到20mL/min時(shí)，檸檬醛含量從97.2%降低到90.1%，降低幅度稍大；但是在10～20mL/min范圍內(nèi)檸檬醛得率從74.5%增加到84.6%?？紤]到在生產(chǎn)中，進(jìn)料速率過小，會(huì)影響到生產(chǎn)效率，因此，結(jié)合檸檬醛純度，檸檬醛得率以及生產(chǎn)率等因素綜合考慮，進(jìn)料速率選擇在10～20mL/min。

圖6　進(jìn)料速度對檸檬醛純度和得率的影響Fig.6　The effect of feeding rate on citral purity and the yield rate

2.4正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇合適的實(shí)驗(yàn)范圍，以綜合權(quán)重評分為指標(biāo)，建立L9（34）正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2。方差分析表見表3。

根據(jù)正交表統(tǒng)計(jì)分析，各因素對檸檬醛純度和得率的影響順序是：蒸餾壓力（B）＞蒸餾溫度（A）＞進(jìn)料速度（C）。由表3可以看出，三個(gè)因素中，蒸餾壓力的影響顯著（p＜0.05）。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，優(yōu)化最佳水平組合為A3B1C2，即蒸餾溫度55℃、蒸餾壓力0.18kPa、進(jìn)料速度15mL/min。

2.5驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及中試實(shí)驗(yàn)

在A3B1C2條件下，做三次投料量為1L的平行實(shí)驗(yàn)，檸檬醛的純度平均值為98.0%，得率為77.2%，綜合權(quán)重評分283.6，高于表2中的其他水平組合。為了模擬工業(yè)化生產(chǎn)，在此優(yōu)化條件下做了投料量為20L的中試實(shí)驗(yàn)，檸檬醛的純度為97.9%，得率為77.5%。因此，此最佳工藝條件，可以運(yùn)用到工業(yè)化生產(chǎn)中。

3　結(jié)論

從山蒼子油中提純高品質(zhì)檸檬醛的最佳優(yōu)化工藝條件在刮膜蒸餾轉(zhuǎn)速為400r/min、投料量1L、冷卻水溫度12℃左右的條件下，蒸餾溫度55℃、蒸餾壓力0.18kPa、物料流速15mL/min。在實(shí)驗(yàn)水平范圍內(nèi)，三個(gè)影響因素中蒸餾壓力影響顯著，蒸餾溫度的影響次之，進(jìn)料速度影響最不明顯。此最佳工藝條件也適合山蒼子油量放大的中試實(shí)驗(yàn)，本研究為未來產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

表2　L9（34）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2　Results of L9（34）orthogonal design

［1］周欣，莫彬彬.山蒼子油化學(xué)成分的氣相色譜-質(zhì)譜分析［J］.分析測試學(xué)報(bào)，2009，20（S1）：75-76.

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Study on purifying high quality citral from Litsea cubeba oil

CHENG Jing1，2，SHI Bao-jun2，JIANG Hong-fang2，ZHU Yu-yao2，ZHANG Wei-ming2，*
（1.College of Food Science and Technology，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China；2.Nanjing Research Institute for Comprehensive Utilization of Wild Plants，Nanjing 210042，China）

Taking the Litsea cubeba oil the research object，the heavy constituent residue fractionation of Litsea cubeba oil was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry system（GC-MS）using vanillin as an internal standard to determined quantity of citral.The experiment explored the effect of distillation temperature，distillation pressure and material flow on citral purity and the yield rate molecular distillation technology by single factor experiment firstly.On the basis，the experiment applied L9（34）orthogonal test with the comprehensive weight score of citral content and yield rate as the indicators to determine the optimal combination of three factors.The experimental results showed that the optimum conditions was 55℃distillation temperature，0.18kPa distillation pressure，15mL/min material flow with 1L inventory.Under this condition，the purity of citral was up to 98%and the yield rate was up to 77.2%.The pilot test verified that this optimum conditions could be applied to industrial production.

citral；molecular distillation；Litsea cubeba；purification；internal standard method

TS202.3

B

1002-0306（2015）12-0231-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.040

2014－08－29

程晶（1989-），女，碩士研究生，研究方向：食品科學(xué)與工程。

張衛(wèi)明（1957-），男，碩士研究生，研究員，研究方向：野生植物綜合利用。

科研院所發(fā)展專項(xiàng)基金（2013EG163228）。