房一明 譚園園 秦曉威 初 眾 徐 飛 谷風(fēng)林

(1中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所 海南萬寧 571533；2國家重要熱帶作物工程技術(shù)研究中心 海南萬寧 571533；3海南省熱帶香料飲料作物工程技術(shù)研究中心 海南萬寧 571533；4長江師范學(xué)院 重慶涪陵 408100)

肉桂，又稱玉桂、牡桂等[1]，為樟科樟屬常綠喬木，是著名的香料和重要的藥食兩用植物，具有強(qiáng)烈的芳香辛辣味[2]。肉桂原料及初級產(chǎn)品桂油通常作調(diào)味料食用，但使用時香味成分會損失及產(chǎn)品中含有大量的夾雜物[3]。肉桂中可提取油樹脂，肉桂油樹脂主要為食品增香劑使用，油樹脂為半流動性粘稠液體，不僅包含揮發(fā)性香料精油成分，還包含不易揮發(fā)性成分，如刺激性成分和熱感性成分、不揮發(fā)性油脂、多糖類化合物、色素及脂肪酸等，其完整保存了香料風(fēng)味[4]。

不同的香辛料含有不同的風(fēng)味物質(zhì)，不同的風(fēng)味成分在不同溶劑中溶解度也不相同。劉熊等[5]通過多種有機(jī)溶劑對比得知，丙酮、乙醇可作為常用的油樹脂提取溶劑。黃啟強(qiáng)等[6]采用氣質(zhì)聯(lián)用儀，對超臨界CO2萃取法和有機(jī)溶劑提取法提取的肉桂油樹脂進(jìn)行了成分對比分析，發(fā)現(xiàn)兩種方法所提取的油樹脂化學(xué)成分大體上相似，二者主要成分肉桂醛的含量均在70%左右，相較于超臨界CO2萃取法，有機(jī)溶劑提取可更降低成本。李萍等[7]研究發(fā)現(xiàn)，肉桂油樹脂具有良好的抑菌活性，在食品保鮮領(lǐng)域可進(jìn)行開發(fā)利用，又采用索氏提取法，通過正交實驗優(yōu)化了油樹脂的提取工藝。目前，關(guān)于有機(jī)溶劑提取肉桂中主要風(fēng)味組分油樹脂響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝的研究未見報道。

本實驗開展肉桂脂溶性油樹脂提取技術(shù)的研究，以乙醇濃度、提取溫度、提取時間、料液比為因素，采用響應(yīng)曲面分析法，以油樹脂得率為考察指標(biāo)，對肉桂油樹脂提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，為開發(fā)高附加值的肉桂新型產(chǎn)品，促進(jìn)天然香料精深加工的產(chǎn)業(yè)化升級提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料

肉桂(采于廣西岑溪波塘鎮(zhèn))，無水乙醇、95%乙醇均為分析級試劑。

1.1.2 儀器與設(shè)備

快速水分測定儀(MB45)，美國奧豪斯；電子天平(AL104)，美國METTLER TOLEDO；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(R-215)，瑞士步琪；恒溫振蕩器(SHZ-B)，上海博訊；實驗室專用超純水系統(tǒng)(Master-s-plus UVF)，中國和泰。

1.2 方法

1.2.1 實驗材料制備

取干燥的廣西肉桂，將表面清理干凈，經(jīng)多功能粉碎機(jī)粉碎，用60目標(biāo)準(zhǔn)篩過篩，密封后置于棕色干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 單因素試驗

以乙醇濃度、提取溫度、提取時間、料液比為因素條件進(jìn)行單因素試驗，考察肉桂油樹脂得率的變化情況(表1)。

表1 單因素試驗因素及水平

1.2.3 響應(yīng)面試驗

在單因素實驗基礎(chǔ)上，根據(jù) Box-Behnken設(shè)計原理，以肉桂油樹脂得率為響應(yīng)值，設(shè)置乙醇濃度(A)、料液比(B)、提取時間(C)和提取溫度(D)4因素3水平響應(yīng)面分析試驗。實驗因素水平設(shè)計見表2。

表2 Box-Behnken實驗因素水平

1.2.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel 2010進(jìn)行方差分析，用以評估不同提取條件對肉桂油樹脂得率的影響，運用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，優(yōu)化肉桂油樹脂的最佳提取工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 乙醇濃度對肉桂油樹脂得率的影響

Y-J法利用的是相似相融原理，乙醇濃度不同導(dǎo)致溶劑極性大小不同，對肉桂油樹脂的溶出效果有影響[11]，因此應(yīng)確定其最佳乙醇濃度。

由圖1可知，采用Y-J法提取肉桂油樹脂時，乙醇濃度對肉桂油樹脂得率有影響。肉桂油樹脂得率隨乙醇濃度增大而逐漸升高。乙醇濃度為85%時，肉桂油樹脂得率達(dá)到最高值，隨后開始降低。這可能是由于隨著乙醇濃度增大，其他醇溶性物質(zhì)開始大量溶出使得肉桂油樹脂得率減小[12]。因此，提取肉桂油樹脂最佳乙醇濃度為75%～85%。

圖1 乙醇濃度對肉桂油樹脂得率的影響

2.1.2 料液比對肉桂油樹脂得率的影響

料液比不同，液相和固相之間形成的濃度差不同[13]，導(dǎo)致固相在液相中的擴(kuò)散速度及溶解速度受到影響，因此應(yīng)確定其最佳料液比。

由圖2可知，料液比對肉桂油樹脂得率有影響。隨溶劑用量增加，肉桂油樹脂得率明顯增加，料液比1∶10時達(dá)最大值，隨料液比逐漸增大，肉桂油樹脂得率變化情況不明顯并有降低趨勢，這可能是由于當(dāng)料液比為1∶10時，肉桂油樹脂在乙醇中已充分溶出，達(dá)到溶解動態(tài)平衡。因此，繼續(xù)增加乙醇用量并不能提高肉桂油樹脂的提取得率[14]。所以，肉桂油樹脂提取的最佳料液比為1∶5～1∶15。

圖2 料液比對肉桂油樹脂得率的影響

2.1.3 提取時間對肉桂油樹脂得率的影響

溶劑與肉桂油樹脂有效成分的接觸時間決定肉桂油樹脂提取得率，因此應(yīng)確定其最佳提取時間[15]。

由圖3可知，提取時間對肉桂油樹脂得率的影響較大。肉桂油樹脂得率隨提取時間延長呈先增加后降低趨勢，這是由于在一定提取時間內(nèi)，肉桂與溶劑充分接觸，使得油樹脂得率升高。隨提取時間延長，部分油樹脂成分因長時間提取而受到破壞，導(dǎo)致得率下降，同時，原料中的雜質(zhì)析出增加[16]，因此，肉桂油樹脂提取的最佳提取時間為3～5 h。

圖3 時間對肉桂油樹脂得率的影響

2.1.4 提取溫度對肉桂油樹脂得率的影響

較高溫度有利于活性成分的提取，同時溫度過高可能會導(dǎo)致部分活性成分損失[17]，因此應(yīng)確定其最佳提取溫度。

由圖4可知，提取溫度對肉桂油樹脂得率的影響較大。隨溫度升高，油樹脂得率呈先增加后降低趨勢，這是由于溫度升高有利于油樹脂提取，油樹脂成分的擴(kuò)散速度和溶解速度逐漸增大，得率增加，但隨溫度持續(xù)升高會導(dǎo)致油樹脂中部分低沸點成分揮發(fā)損失[18]，造成提取得率下降。因此，肉桂油樹脂提取的最佳溫度為60～80℃。

2.2 響應(yīng)曲面分析

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計與分析

在單因素試驗考察后，以4個響應(yīng)因子為自變量，肉桂油樹脂得率為因變量響應(yīng)值，運用中心組合試驗設(shè)計原理，進(jìn)行四因素三水平29個實驗點的測定，結(jié)果如表3所示。

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)回歸擬合，以肉桂油樹脂得率為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程為：

圖4 溫度對肉桂油樹脂得率的影響

表3 響應(yīng)面實驗結(jié)果

Y＝19.64－0.46 A＋1.89 B－0.28 C－0.088 D－0.015 AB＋0.60 AC－0.29 AD－0.31 BC＋0.14 BD＋0.16CD－0.68 A2－1.21B2－0.99 C2－0.97 D2。

在方程中，A表示乙醇濃度，B表示料液比，C表示提取時間，D表示提取溫度，各項系數(shù)的大小和正負(fù)表示自變量(因素水平)對因變量(得率)的影響程度和方向[19]。根據(jù)回歸方程可得知，B(料液比)對肉桂油樹脂提取得率影響最大，A(乙醇濃度)和C(時間)的交互項、B(料液比)的二次項和C(時間)的二次項對肉桂油樹脂提取得率的影響較大。

2.2.2 回歸模型分析

對回歸模型進(jìn)行方差分析，檢驗方程有效性，方差分析結(jié)果見表4。

表4 回歸模型方差分析結(jié)果

由表4可知，該模型(p＜0.000 1)極顯著，說明模型成立，失擬項(p＝0.111 5＞0.05)不顯著，說明模型與真實值之間無顯著差異，二者表明了模型擬合程度高，試驗方案設(shè)計可行[20]。模型中回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2＝0.957 8，說明模型精確度高，可準(zhǔn)確地對試驗結(jié)果進(jìn)行預(yù)測和分析，變異系數(shù)C.V.%＝2.51，表明試驗結(jié)果與真實值存在2.51%的偏差，模型可靠性較高[21]，調(diào)整系數(shù)R2adj＝0.915 6，表明該模型能解釋91.56%的響應(yīng)值變化，擬合度良好，精確度較高，實驗誤差小，重復(fù)性好[22]。由一次項、二次項的p值可知，一次項中，A(乙醇濃度)、 B(料液比)和C(時間)的p值均小于0.05， 表現(xiàn)出顯著性，說明這三個因素對響應(yīng)值的影響作用明顯，D(溫度)的p值大于0.05，表明其對響應(yīng)值的影響作用不明顯，由此得出四個因素對響應(yīng)值影響大小的順序為：B(料液比)＞A(乙醇濃度)＞C(時間)＞D(溫度)；二次項的p值均小于0.01，表現(xiàn)出極顯著性。綜上所述，該模型可對肉桂油樹脂提取試驗進(jìn)行預(yù)測和分析。

2.2.3 肉桂油樹脂的響應(yīng)曲面圖分析

3D立體圖中最高點為等高線圖中最小橢圓形的圓心，其曲面的陡峭程度可直觀地反映兩兩因素的交互作用對響應(yīng)值的影響情況，曲面越陡峭，交互作用越明顯，反之不明顯，等高線的形狀越趨于橢圓形，表明兩個因素之間交互作用顯著，反之則不顯著[23]。經(jīng)響應(yīng)面分析得出各因素間的兩兩交互作用見圖5。

圖5 各因素交互作用對肉桂油樹脂得率的影響

圖5 各因素交互作用對肉桂油樹脂得率的影響

由圖5可知，各圖均成開口向下，凸形的曲面，并且都存在極值。由a、d、e可知，A(乙醇濃度)與B(料液比)、 B(料液比)與C(時間)、 B(料液比)與D(溫度)的交互作用對響應(yīng)值影響較大，整個曲面陡峭，等高線形狀趨近于橢圓形，說明兩兩因素交互作用顯著。由a可知，料液比對肉桂油樹脂得率的影響大于乙醇濃度；由d可知，料液比對肉桂油樹脂得率的影響大于時間；由e可知，料液比對肉桂油樹脂得率的影響大于溫度。由b、c、f可知，等高線形狀趨近于圓形，說明兩兩因素交互作用不顯著。由b可知，乙醇濃度對肉桂油樹脂得率的影響大于時間；由c可知，乙醇濃度對肉桂油樹脂得率的影響大于溫度；由f可知，時間對肉桂油樹脂得率的影響大于溫度。因此，各因素影響肉桂油樹脂得率依次為B(料液比)＞A(乙醇濃度)＞C(時間)＞D(溫度)，其結(jié)果與方差分析結(jié)果相同，證明了該模型可靠性高。

2.2.4 驗證實驗

通過Design-Expert 8.0.6對回歸方程求解，得出肉桂油樹脂提取最佳條件：乙醇濃度為79.5%，料液比為1∶14.2(m/v，g/mL)，提取時間為3.59 h，提取溫度為70.61℃，在此條件下肉桂油樹脂得率的理論值為20.62%。

考慮實際操作可行性，將最佳條件修正為：乙醇濃度為80%，料液比為1∶14，時間為3.6 h，溫度為71℃，經(jīng)三次平行試驗驗證，肉桂油樹脂平均得率為20.46%，結(jié)果與理論值相差不大，由此表明試驗?zāi)Ｐ涂煽浚瑢嶒灲Y(jié)果理想。

3 結(jié)論

通過有機(jī)溶劑提取肉桂油樹脂，采用響應(yīng)面試驗設(shè)計方法，以油樹脂得率、提取工藝為探討目標(biāo)，研究不同條件對肉桂油樹脂提取得率的影響情況，建立了肉桂油樹脂提取的最佳工藝條件，驗證實驗表明建立的模型可靠準(zhǔn)確。結(jié)果表明：乙醇濃度為80%，料液比為1∶14(m/v，g/mL)，提取時間為3.6 h，提取溫度為71℃時，此條件下，提取效果最佳，此時肉桂油樹脂得率為20.46%。油樹脂是肉桂中主要的呈味物質(zhì)，該研究的目的是確定肉桂中油樹脂的最優(yōu)提取條件，得到最優(yōu)的萃取工藝，為我國肉桂中油樹脂的有效開發(fā)利用提供一定的借鑒基礎(chǔ)。