彭曉敏

（渤海大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，遼寧錦州 121000）

分子蒸餾純化姜精油工藝的響應(yīng)面法優(yōu)化研究

彭曉敏

（渤海大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，遼寧錦州 121000）

借助分子蒸餾技術(shù)來對超臨界CO2進(jìn)行相應(yīng)的萃取就可以獲取姜油樹脂，然后借助相關(guān)手段對其進(jìn)行純化處理后就得到了姜精油。以單因素實驗過程中所涉及到的分子蒸餾的壓力和溫度作為中心復(fù)合設(shè)計變量，以α-姜烯含量和姜精油收率作為指標(biāo)來實現(xiàn)對響應(yīng)面法的優(yōu)化。結(jié)果表明∶分子蒸餾的壓力、溫度對姜精油中α-姜烯含量及純化姜精油的收率有一定的影響。

分子蒸餾；純化姜精油；響應(yīng)面法

實際上，姜精油一般是從姜的根莖中借助一定的技術(shù)手段所提取出來的金黃或淺黃色、透明揮發(fā)性油狀液體，沸點比較低，并且具有生姜的芳香氣味，而α-姜烯是其中比較重要的功效物質(zhì)。作為化妝品、醫(yī)藥制劑原料和食品工業(yè)原料，姜精油有著非常廣闊的發(fā)展前景。分子蒸餾技術(shù)屬于液-液分離技術(shù)，借助極高真空條件來使提高蒸氣分子的平均自由程，并且大于冷凝表面與蒸發(fā)表面間的距離，并根據(jù)分子運(yùn)動平均自由程之間的區(qū)別來實現(xiàn)對液體混合物的有效分離。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

所選擇的材料為北京美全食品有限公司生產(chǎn)的小黃姜姜粉。首先需要對鮮姜進(jìn)行清洗，然后將其切成片并放置于通風(fēng)的位置進(jìn)行熱風(fēng)干燥，干燥完成之后將其粉碎，并用60目篩進(jìn)行篩選，將篩選后的姜粉通過紫外線進(jìn)行殺菌處理，然后裝箱。對其進(jìn)行測定后可以發(fā)現(xiàn)水分含量為6.0%。

選擇純度＞99.99%的CO2（北京京高氣體有限公司）；純度＞ 99.7%的異丙醇（天津市津科精細(xì)化工研究所）；由Sigma-aldrich公司生產(chǎn)的C7～C30正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液；液氮。

本次使用的超臨界CO2流體萃取裝置的型號為HA220-50-07型；由島津公司生產(chǎn)的GC-14C氣相色譜儀；由Edwards公司生產(chǎn)的RV3型真空泵；由美國Pope公司生產(chǎn)的刮膜式2英寸分子蒸餾設(shè)備；由Agilent公司生產(chǎn)的氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀，型號為7890A-5975C；由Sartorious公司生產(chǎn)的分析天平。

1.2 方法

1.2.1 借助超臨界 CO2來進(jìn)行姜油樹脂的萃取

按照要求才稱取1.3kg姜粉，并將其放置于萃取釜中，設(shè)定40MPa的萃取壓力，35℃的萃取溫度，萃取3h后會使CO2變成流體[1]，然后可以萃取姜中的油樹脂，并將其帶入到6MPa的分離釜中，減壓使CO2轉(zhuǎn)化為氣體從而實現(xiàn)與姜油樹脂的有效分離，這樣一來就可以通過分離釜把姜油樹脂收集起來。該過程的萃取率為3.7%，姜油樹脂為棕紅色黏稠液體，α-姜烯含量為（157.48 ±3.45）mg/g，并把其作為下一步分子蒸餾純化的原材料。

1.2.2 分子蒸餾純化姜精油

將1.2.1中獲取的姜油樹脂按照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)裝入分子蒸餾物料瓶內(nèi)，將液氮裝入冷阱中，打開真空泵，以實現(xiàn)對姜油樹脂的脫氣處理，待脫氣完成之后，就可以按照要求設(shè)定需要的系統(tǒng)壓力和蒸發(fā)面溫度，設(shè)定150r/min的蒸餾刮膜轉(zhuǎn)速，5℃的固定冷凝面溫度，并使進(jìn)料閥的進(jìn)料流量維持在大概1mL/ min（1滴/3s）左右進(jìn)行分子蒸餾純化。在蒸餾階段需要根據(jù)液氮揮發(fā)程度來適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充冷阱中的液氮，并分別收集餾余物和餾出物（姜精油），通過下式就可以計算出姜精油收率∶

精油收率/%=（餾出物質(zhì)量）/（餾出物質(zhì)量+餾余物質(zhì)量）×100

1.2.3 分析方法

1.2.3.1 GC-MS 結(jié)合保留指數(shù)法對其進(jìn)行定性分析

借助GC-MS結(jié)合保留指數(shù)法來實現(xiàn)對超臨界CO2萃取姜油樹脂的定性分析。氣相色譜配有0.25mm×0.25μm的HP-5MS毛細(xì)管色譜柱；流速1mL/min；載氣為高純氦氣（99.999%）；分流比為50∶1；升溫程序∶50℃/min，并且以3℃/min的速率逐漸升高到280℃，然后維持該溫度20min；進(jìn)樣口溫度260℃。質(zhì)譜條件∶要求離子源溫度和接口溫度分別為250℃和280℃，選擇電子能量為70eV的EI離子源。

根據(jù)GC-MS分析結(jié)果來對分子蒸餾得到的姜精油和超臨界CO2萃取獲取的姜油樹脂，通過程序升溫的方式來進(jìn)行定性分析[2]。選擇配有DB-5毛細(xì)管色譜柱（0.25mm×30m，0.25μm）和FID檢測器的氣相色譜儀，柱前壓90kPa、載氣為高純氮氣（99.99%）、分流比20∶1；檢測器溫度和進(jìn)樣口溫度分別為300℃和290℃。升溫程序∶保持70℃/2min的速度進(jìn)行升溫，并以10℃/min的速率逐漸升高到280℃，然后維持該溫度15min。

1.2.3.2 定量分析

通過上述定性分析得到結(jié)果后，以α-姜烯作為純化指標(biāo)來對其進(jìn)行定量分析。本次分析過程中所選擇的色譜條件與1.2.3.1中所選擇的色譜條件相同。采用內(nèi)標(biāo)法來對其進(jìn)行定量方法，分析過程中選擇了與姜烯性質(zhì)比較靠近的γ-萜品烯作為內(nèi)標(biāo)物。

1.3 中心復(fù)合實驗

通過對姜精油進(jìn)行單因素實驗分析的基礎(chǔ)上，選擇Design Expert 7.0軟件來對其進(jìn)行中心復(fù)合實驗，實驗過程中以壓力x1和溫度x2作為變量來對分子蒸餾純化姜精油進(jìn)行中心復(fù)合設(shè)計（CCD），按照Xi=（xi-x0）/Δx方程式來對其自變量進(jìn)行編碼。式中Xi代表自變量的編碼值，x0代表實驗中心點位置自變量的真實值，xi代表自變量的真實值，Δx代表自變量變化過程的步長。

響應(yīng)值Y由α-姜烯含量以及姜精油收率表示，每個試驗點都需要進(jìn)行3次實驗，并取其平均值，將它們結(jié)合在一起就構(gòu)成了響應(yīng)曲面數(shù)學(xué)模型∶

式中∶X1、X2代表自變量壓力、溫度的編碼值，An為二次多項式模型的系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對α-姜烯含量及姜精油收率的影響

圖1是在200Pa固定分子蒸餾系統(tǒng)壓力作用下，溫度對α-姜烯含量及姜精油收率的影響。通過對圖1進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在40～90℃時，α-姜烯含量及姜精油收率會隨著溫度的升高而逐漸升高，并且在40～70℃時其升高速率明顯加快，而到70～90℃，增大趨勢開始變緩。借助SAS8.2軟件對其進(jìn)行多重比較后可以得知，70℃和 90℃溫度下姜精油收率之間所存在的差異明顯。而在70、80、90℃溫度下，α-姜烯含量之間所存在的差異不明顯。導(dǎo)致上述現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是當(dāng)溫度大于100℃時，分子蒸餾溫度已經(jīng)逐漸趨近于水蒸氣蒸餾的溫度[3]，此時分子蒸餾的優(yōu)勢將會不明顯，并且引起姜精油中一些成分發(fā)生改變。因此，在進(jìn)行分子蒸餾純化姜精油過程中，最好將響應(yīng)面法優(yōu)化的溫度下限設(shè)定為60℃，上限設(shè)定為90℃。

圖1 分子蒸餾溫度對α-姜烯含量及姜精油收率的影響

2.2 壓力對α-姜烯含量及姜精油收率的影響

圖2是在70℃固定溫度下，分子蒸餾壓力對α-姜烯含量及姜精油收率的影響。通過對圖2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在20～380Pa壓力條件下，α-姜烯含量及姜精油收率會隨著壓力的升高出現(xiàn)先升高后降低的趨勢。借助SAS8.2軟件對其進(jìn)行多重比較后可以得知，在80、140、200Pa條件下，姜精油收率之間所存在的差異不明顯。而200Pa 和 260Pa姜精油中α-姜烯含量之間所存在的差異明顯。因此，在進(jìn)行分子蒸餾純化姜精油過程中，最好將響應(yīng)面法優(yōu)化的壓力下限設(shè)定為80Pa，上限設(shè)定為260Pa。

圖2 分子蒸餾壓力對α-姜烯含量及姜精油收率的影響

3 響應(yīng)曲面法優(yōu)化分子蒸餾純化姜精油

借助Design Expert 7.0軟件中可以實現(xiàn)對響應(yīng)曲面法進(jìn)行優(yōu)化處理，其一般通過對相關(guān)參數(shù)的基本要求和使用范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得出優(yōu)化方案。響應(yīng)曲面法優(yōu)化的主要目的是為了提高姜精油中α-姜烯含量，提高姜精油收率。通過優(yōu)化分析可以發(fā)現(xiàn)響應(yīng)曲面法優(yōu)化參數(shù)如表1所示。

表1 Design Expert 7.0軟件下響應(yīng)曲面法優(yōu)化參數(shù)

根據(jù)響應(yīng)面模型和表1中的優(yōu)化參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)分子蒸餾純化姜精油最為優(yōu)化的壓力為147 Pa，溫度為76℃。根據(jù)回歸方程，可以發(fā)現(xiàn)α-姜烯含量為 448mg/g，姜精油收率為42.25%。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，分子蒸餾的系統(tǒng)壓力、蒸發(fā)面溫度等會對α-姜烯含量及姜精油收率產(chǎn)生不同程度的影響，通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化后可以得到分子蒸餾純化姜精油的最佳工藝壓力為147Pa，溫度為76℃，有效地提高了α-姜烯含量及姜精油收率，因此具有非常廣闊的發(fā)展前景。

[1] 呂宗瑩，曾桂鳳，周永生.響應(yīng)面法優(yōu)化分子蒸餾提純C22-環(huán)脂三酸二丁一甲酯工藝[J].中國油脂，2016，8，（12）∶155-156.

[2] 操麗麗，龐敏，吳學(xué)鳳.分子蒸餾法純化低熱量結(jié)構(gòu)脂質(zhì)的工藝優(yōu)化[J].食品科學(xué)，2014，11（15）∶56-57.

[3] 胡雪芳，甘芝霖，李淑燕.響應(yīng)面法優(yōu)化分子蒸餾技術(shù)純化孜然精油工藝[J].食品科學(xué)，2011，3（6）∶112-113.

Study on the Optimization of the Process of Distillation of Ginger Essential Oil by Molecular Distillation

Peng Xiao-min

Ginger oil can be obtained by means of molecular distillation technology to extract ginger oil resin by supercritical CO2extraction，and then purified by the relevant means to obtain ginger essential oil.In this paper，the pressure and temperature of the molecular distillation involved in the single factor test are taken as the central composite design variables.The optimization of the response surface method is achieved by using the α-gingerene content and the ginger essential oil yield as the index to obtain the molecular The pressure and temperature of distillation will have a certain influence on the content of α-gingerene in ginger essential oil and the yield of refined ginger essential oil.

molecular distillation；purified ginger essential oil；response surface method1

TS225.1

A

1003-6490（2017）02-0078-02