馬 鈐，郭川川，張峰軼，李 鎵，楊壹芳

（四川天味食品集團(tuán)股份有限公司，四川 成都 610200）

白豆蔻（Amomum cardamomum）為芭蕉目姜科豆蔻屬植物白豆蔻的果實(shí)，可藥食兼用。按產(chǎn)地不同分成國產(chǎn)豆蔻和進(jìn)口豆蔻。氣味苦香，味道辛涼微苦，烹飪中可去異味、增辛香，常用于鹵水以及火鍋等[1-2]。目前，國內(nèi)外白豆蔻精油的提取方法主要有水蒸氣蒸餾萃取（steam distillation extraction，SDE）法[3-4]、微波輔助萃?。╩icrowave assisted extraction，MAE）法[5]、超臨界流體萃取（supercritical fluid extraction，SFE）法等[6-7]。水蒸氣蒸餾提取精油香氣濃郁，但幾乎無滋味物質(zhì)，并且提取得率較低，導(dǎo)致價(jià)格昂貴。微波萃取法是指使用適當(dāng)?shù)娜軇┰谖⒉ǚ磻?yīng)器中從植物、礦物、動(dòng)物組織等中提取各種化學(xué)成分的技術(shù)和方法。微波是指頻率在300 MHz至300 GHz的電磁波，利用電磁場的作用使半固體或固體物質(zhì)中的某些有機(jī)物成分與基體有效的分隔，并能保持分析對(duì)象化合物狀態(tài)不變[8]。其主要優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用面廣、消耗樣品少、提取時(shí)間短、操作簡單，但需要借助有機(jī)溶劑，導(dǎo)致后期可能存在溶劑殘留。而超臨界CO2提取法作為一種綠色的、重要的工業(yè)化精油生產(chǎn)方法[9]，使用CO2提取的精油無化學(xué)污染，并且萃取能力強(qiáng)、提取率高，操作溫度較低，能防止熱敏性物質(zhì)的功能性被破壞[10]，但由于其設(shè)備昂貴，還未在白豆蔻精油的工業(yè)化生產(chǎn)上普遍應(yīng)用。因此，本試驗(yàn)選取超臨界流體萃?。⊿FE）法進(jìn)行研究，對(duì)萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間、CO2流量4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究，并根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行了正交試驗(yàn)，獲得白豆蔻精油最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)，并將最優(yōu)工藝條件下生產(chǎn)的白豆蔻精油采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析其組成，并用水蒸氣蒸餾法（SDE）加以對(duì)比，從而為白豆蔻揮發(fā)性成分的進(jìn)一步研究開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮白豆蔻：印度尼西亞；CO2（純度＞99.9%）、氦氣（He）（純度＞99.99%）：成都科源氣體有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

3P多功能熱泵干燥車間：廣東凱能電器科技有限公司裝置；WFJ-60食品香料粉碎機(jī)：江陰市普友粉體設(shè)備有限公司；HA231-50-25超臨界萃取裝置：南通華安超臨界萃取設(shè)備公司；Agilent 9000氣相色譜儀、5977B 質(zhì)譜儀：美國安捷倫公司；THT-4揮發(fā)油提取縮罐冷凝裝置：北京國衛(wèi)和教醫(yī)藥設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 白豆蔻粉預(yù)處理

新鮮白豆蔻置于多功能熱泵干燥車間中，設(shè)置溫度60 ℃連續(xù)干燥，調(diào)節(jié)水分約至12%。干燥好的白豆蔻用食品干燥粉碎機(jī)粉碎，過40目篩。制得白豆蔻粉于常溫（25 ℃）干燥儲(chǔ)藏。

1.3.2 超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化單因素試驗(yàn)

萃取壓力的確定：稱取600 kg粉碎后的白豆蔻，裝入萃取罐中，分別設(shè)置萃取壓力為25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa，固定設(shè)置萃取溫度為40 ℃，萃取時(shí)間3.5 h，萃取流量12 mL/min，解吸壓力6 MPa，解吸溫度65 ℃，研究萃取壓力對(duì)精油得率的影響。

萃取溫度的確定：稱取600 kg粉碎后的白豆蔻，裝入萃取罐中，設(shè)置萃取壓力為25 MPa，分別設(shè)置萃取溫度為40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃，萃取時(shí)間3.5 h，萃取流量12 mL/min，解吸壓力6 MPa，解吸溫度65 ℃，研究萃取溫度對(duì)精油得率的影響。

萃取時(shí)間的確定：稱取600 kg粉碎后的白豆蔻，裝入萃取罐中，設(shè)置萃取壓力為25 MPa，萃取溫度為40 ℃，分別設(shè)置萃取時(shí)間3.5 h、4.0 h、4.5 h、5.0 h、5.5 h，萃取流量12 mL/min，解吸壓力6 MPa，解吸溫度65 ℃，研究萃取時(shí)間對(duì)精油得率的影響。

CO2流量的確定：稱取600 kg粉碎后的白豆蔻，裝入萃取罐中，設(shè)置萃取壓力為25 MPa，萃取溫度為40 ℃，設(shè)置萃取時(shí)間3.5 h，分別設(shè)置萃取流量為8 mL/min、10 mL/min、12 mL/min、14 mL/min、16 mL/min，解吸壓力6 MPa，解吸溫度65 ℃，研究CO2流量對(duì)精油得率的影響。

1.3.3 超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以揮發(fā)油萃取得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察4個(gè)因素（萃取壓力、萃取溫度、CO2流量和萃取時(shí)間）對(duì)白豆蔻精油得率的影響。設(shè)置L9（34）試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行4因素3水平正交試驗(yàn)，以確定最佳提取工藝。正交試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for supercritical CO2 extraction process optimization

1.3.4 水蒸氣蒸餾法提取白豆蔻精油

取150 kg白豆蔻加入500 L濃縮罐中，以300 L蒸餾水為溶劑，浸泡3 h后通入冷凝水，加熱回流4 h，停止加熱，自然冷卻至室溫。從揮發(fā)油提取裝置中收集白豆蔻揮發(fā)油，稱量，記錄數(shù)據(jù)，平行試驗(yàn)3次，精油得率計(jì)算公式如下：

1.3.5 GC-MS分析

采用氣質(zhì)聯(lián)用法，分析不同條件提取的白豆蔻精油的揮發(fā)性物質(zhì)。GC-MS條件和參數(shù)如下：AgilentJ&WDB-WAX色譜柱（30 m×250 μm×0.25 μm），載氣為高純氦氣（He），流速1 mL/min，分流進(jìn)樣（分流比20∶1），升溫程序：起始溫度50 ℃，從10 ℃/min升至160 ℃，保持2 min；以8 ℃/min升至220 ℃，保持10 min。掃描范圍35～600m/z。利用Mass Hunter工作站，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（national institute of standards and technology，NIST）17質(zhì)譜庫檢索鑒定各種化學(xué)成分，按峰面積歸一化法確定各組分的相對(duì)含量。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)樣品均有3次以上獨(dú)立重復(fù)，所有數(shù)據(jù)采集均使用Microsoft Office Excel 2010統(tǒng)計(jì)。正交試驗(yàn)采用SPSS 2.0軟件設(shè)計(jì)分析。差異顯著性分析采用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（data processing system，DPS）7.5，P＜0.05認(rèn)為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃取工藝優(yōu)化單因素試驗(yàn)

2.1.1 超臨界CO2萃取壓力對(duì)白豆蔻精油得率的影響

壓力是影響CO2超臨界萃取的關(guān)鍵因素之一。隨著超臨界流體壓力的增加，不同化合物的溶解度普遍急劇增加。特別是在臨界壓力附近，各種化合物的溶解度參數(shù)的增加值可達(dá)到兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。研究發(fā)現(xiàn)超臨界的溶解能力與壓力的關(guān)系可用超臨界流體的密度表示，其溶解能力一般隨著密度的增加而增加[11-12]。在臨界點(diǎn)附近，壓力對(duì)密度的影響特別明顯，流體的密度隨壓力的增加而迅速提高，溶解度增加效應(yīng)越大。超過此范圍則壓力對(duì)密度增加的影響變小，溶解度增加效應(yīng)也趨于緩慢。當(dāng)?shù)孜镆约捌渌蛩匾欢〞r(shí)，隨著壓力的進(jìn)一步增大，精油得率不再增加。

CO2超臨界萃取壓力對(duì)白豆蔻精油得率的影響結(jié)果見圖1。由圖1可知，隨著萃取壓力在25～45 MPa范圍內(nèi)的增加，白豆蔻精油得率總體有先上升后下降的趨勢。當(dāng)萃取壓力在25～30 MPa時(shí)，白豆蔻精油得率顯著增加（P＜0.05）；當(dāng)萃取壓力在30 MPa時(shí)，白豆蔻精油得率最高，為6%；當(dāng)萃取壓力＞30 MPa之后，白豆蔻精油得率呈緩慢下降趨勢。因此，選擇最佳萃取壓力為30 MPa。

圖1 萃取壓力對(duì)精油得率的影響Fig.1 Effect of extraction pressure on essential oil yield

2.1.2 萃取溫度對(duì)白豆蔻精油得率的影響

溫度對(duì)超臨界萃取的影響比壓力更為復(fù)雜，主要包含兩個(gè)方面，即溫度對(duì)超臨界流體密度的影響和溫度對(duì)物質(zhì)蒸汽壓的影響[13-14]。一般來說，隨著溫度的升高，密度降低，使物質(zhì)在超臨界CO2流體中的溶解度下降。而溫度對(duì)物質(zhì)蒸汽壓也有一定的影響，隨著溫度的升高，物質(zhì)的蒸汽壓增大，使物質(zhì)的溶解度增大。這兩個(gè)相反的影響導(dǎo)致在一定壓力下達(dá)到等壓溶解度的最低點(diǎn)。在最低溫度以下，前者占優(yōu)勢，溶解度呈下降趨勢，在最低溫度以上，后者占優(yōu)勢，溶解度呈上升趨勢。

CO2超臨界萃取溫度對(duì)白豆蔻精油得率的影響結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著萃取溫度的升高，白豆蔻精油得率總體有先上升后下降的趨勢。當(dāng)萃取溫度在40～50 ℃時(shí)，白豆蔻精油得率隨之顯著增加（P＜0.05），且萃取溫度由45 ℃升高至50 ℃時(shí)的精油得率增長率高于40 ℃到45 ℃；當(dāng)萃取溫度在50 ℃時(shí)，白豆蔻精油得率最高6%；當(dāng)萃取溫度在50～60 ℃時(shí)，白豆蔻精油得率連續(xù)顯著降低（P＜0.05）。因此，選擇最佳萃取溫度為50 ℃。

圖2 萃取溫度對(duì)精油得率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on essential oil yield

2.1.3 萃取時(shí)間對(duì)白豆蔻精油得率的影響

萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響可以從底物的量與萃取時(shí)間的關(guān)系來考慮[15-16]。在萃取底物及其他因素一定時(shí)，白豆蔻精油最大萃取量是一定的。隨著萃取時(shí)間的延長萃取率相應(yīng)增加，但增加的曲線斜率逐漸減小，最后趨近于平緩，所以一般萃取時(shí)間控制在一定范圍內(nèi)。

CO2超臨界萃取時(shí)間對(duì)白豆蔻精油得率的影響見圖3。由圖3可知，隨著萃取時(shí)間在3.5～4.5 h范圍內(nèi)的增加，白豆蔻精油得率總體有先上升后趨于平緩的趨勢。當(dāng)萃取時(shí)間在3.5～4.5 h時(shí)，白豆蔻精油得率隨之顯著增加（P＜0.05）；當(dāng)萃取時(shí)間在4.5 h時(shí)，白豆蔻精油得率最高，為5.90%；當(dāng)萃取時(shí)間在4.5～5.5 h時(shí)，白豆蔻精油得率不再有顯著變化（P＞0.05）。因此，選擇最佳萃取時(shí)間為4.5 h。

圖3 萃取時(shí)間對(duì)精油得率的影響Fig.3 Effect of extraction time on essential oil yield

2.1.4 CO2流量對(duì)白豆蔻精油得率的影響

流量是萃取過程中的一個(gè)經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)，也是影響得率的重要因素之一。流量的變化對(duì)萃取率的影響應(yīng)從兩方面考慮，即流量對(duì)傳質(zhì)速率的影響和流量對(duì)萃取時(shí)間的影響[17-18]。流量的增加導(dǎo)致萃取器內(nèi)流速增加，流體與原料的萃取作用時(shí)間減少，萃取效率降低；但是，隨著流量的增加，與物質(zhì)間相作用的單位時(shí)間流體溶劑增大，新鮮不含精油的流體溶劑，原料中精油物質(zhì)向容劑中的傳質(zhì)濃度梯度增大，精油向溶劑中的擴(kuò)散速率提高，從而使萃取速率增大。CO2超臨界萃取流量對(duì)白豆蔻精油得率的影響結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著萃取CO2流量在8～16 mL/min范圍內(nèi)的增加，白豆蔻精油得率總體有先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢。當(dāng)萃取CO2流量由8～12 mL/min時(shí)，白豆蔻精油得率隨之顯著增加（P＜0.05），且萃取CO2流量由10 mL/min增長12 mL/min時(shí)的精油得率增長率高于8 mL/min到10 mL/min；當(dāng)萃取CO2流量在12 mL/min時(shí)，白豆蔻精油得率最高，為5.70%；當(dāng)萃取CO2流量在12～16 mL/min時(shí)，白豆蔻精油得率無顯著性變化（P＞0.05）。因此，選擇最佳萃取CO2流量為12 mL/min。

圖4 CO2流量對(duì)精油得率的影響Fig.4 Effect of CO2 flow rate on essential oil yield

2.2 超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以揮發(fā)油萃取得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察萃取壓力（A）、萃取溫度（B）、CO2流量（C）和萃取時(shí)間（D）對(duì)白豆蔻精油得率的影響，設(shè)置L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行4因素3水平正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見表1。

由表2可知，對(duì)結(jié)果影響由大到小順序?yàn)檩腿毫Γ据腿囟龋綜O2流量＞萃取時(shí)間，最優(yōu)組合為A1B2C3D1，即萃取壓力25 MPa、萃取溫度50 ℃、CO2流量14 mL/min、萃取時(shí)間4 h。在此最佳萃取工藝條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，三次萃取平均白豆蔻精油得率為6.16%，且在此條件下白豆蔻精油的提取率高于正交試驗(yàn)方案中的最高值（6.09%），說明該優(yōu)化方案是可行的[19-22]。由表3可知，萃取壓力對(duì)結(jié)果影響顯著（P＜0.05），萃取溫度、CO2流量及萃取時(shí)間對(duì)結(jié)果影響不顯著（P＞0.05）。

表2 超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal experiments for process optimization by supercritical CO2 extraction

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal tests results

2.3 GC-MS分析白豆蔻精油揮發(fā)性成分分析

2.3.1 總離子色譜圖

兩種不同方法提取白豆蔻精油揮發(fā)性成分GC-MS分析總離子流色譜圖見圖5。由圖5可知，水蒸氣蒸餾和超臨界萃取前幾個(gè)峰的峰型幾乎相似，說明兩種萃取精油中沸點(diǎn)低的易揮發(fā)性物質(zhì)成分相似。水蒸汽蒸餾揮發(fā)性成分的GC-MS圖譜中10.766 min的化合物為乙酸松油酯（CAS.80-26-2），超臨界CO2萃取中10.790 min的化合物為L-α-松油醇（CAS.10482-56-1），不是同一種物質(zhì)。

圖5 白豆蔻水蒸氣蒸餾萃?。╝）及超臨界CO2萃?。╞）提取精油揮發(fā)性成分GC-MS分析總離子流色譜圖Fig.5 Total ion chromatogram of volatile compounds of Amomum cardamomum essential oil by steam distillation extraction (a)and supercritical CO2 extraction (b) analyzed by GC-MS

2.3.2 兩種提取方法提取的白豆蔻精油揮發(fā)性化合物分析

兩種不同方法提取白豆蔻精油揮發(fā)性成分GC-MS分析結(jié)果見表4。兩種提取方法提取的白豆蔻精油揮發(fā)性化合物種類及峰面積對(duì)比見表5。由表4及表5可知，兩種提取方法提取的白豆蔻精油中共檢出揮發(fā)性化合物158種，其中水蒸氣蒸餾法共檢出97種，獨(dú)有的化合物有47種；超臨界萃取法共檢出111種，獨(dú)有的化合物有61種；兩種提取法中共有的化合物有50種。水蒸氣蒸餾提取法中沒有檢出茚類，但檢出醚類。從檢出化合物的種類數(shù)量上比較，超臨界萃取法中檢出了更多種類的揮發(fā)性化合物。

表4 白豆蔻精油揮發(fā)成分測定結(jié)果Table 4 Determination results of volatile components in Amomum cardamomum essential oil

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

表5 兩種提取方法提取的白豆蔻精油中揮發(fā)性化合物種類及峰面積比較Table 5 Comparison of volatile compound types and peak areas in cardamom essential oil between two extraction methods

由表5可知，超臨界CO2萃取法樣品中總峰面積是水蒸氣蒸餾提取法中的2.70倍，其中醇類、烯烴類、醛類、酸類、烷烴類和萘類是峰面積增加的主要揮發(fā)性化合物，分別增加了8.07、4.39、8.39、13.07、18.72、16.47倍。從檢出化合物的峰面積大小來看，超臨界CO2萃取法能提取出更多的揮發(fā)性化合物，提取效果更佳。

2.3.3 兩種提取方法提取的白豆蔻精油中主要揮發(fā)性成分比較

兩種提取方法提取的白豆蔻精油中主要揮發(fā)性成分對(duì)比結(jié)果見表6。由表6可知，采用水蒸氣蒸餾法共檢測出97種揮發(fā)性化合物，其中主要的成分有：桉葉油醇、α-蒎烯、4-異丙基甲苯、順式十五烯酸、棕櫚酸、乙酸松油酯等。采用超臨界CO2萃取法共檢測出111種揮發(fā)性化合物，其中主要的成分有：桉葉油醇、棕櫚酸、油酸、α-蒎烯、順式十五烯酸、9（E）,11（E）-共軛亞油酸、4-異丙基甲苯、L-α-松油醇、1-亞甲基-4-（1-甲基乙烯基）-環(huán)己烷、蒎烯、（4aS順式）-2,4a,5,6,7,8,9,9a-八氫-3,5,5-三甲基-9-亞甲基-1H-苯并環(huán)庚烯、山萮醇、4-亞甲基-1-（1-甲基乙基）-雙環(huán)[3.1.0]己烷、Z-11-十六碳烯酸、三十二烷、D-檸檬烯、亞油酸、（1S-cis）-1,2,3,5,6,8a-六氫-4,7-二甲基-1-（1-甲基乙基）-萘、3-苯基-2-丙烯醛等。從檢出的主要揮發(fā)性化合物種類來看，水蒸氣蒸餾為6種，超臨界CO2萃取為19種，均包含桉葉油醇、α-蒎烯、4-異丙基甲苯、順式十五烯酸、棕櫚酸5種；超臨界CO2萃取法提取的揮發(fā)性化合物種類更多，但未檢出乙酸松油酯。

由表6可知，從檢出的總峰面積來看，超臨界CO2萃取是水蒸氣蒸餾提取的2.41倍，超臨界萃取明顯地提升了順式十五烯酸和棕櫚酸的提取率，其峰面積分別是水蒸氣蒸餾提取法的6.33、8.78倍。綜上所述，用超臨界CO2萃取提取白豆蔻精油，效果更佳。

表6 兩種提取方法提取的白豆蔻精油中主要揮發(fā)性化合物及峰面積比較Table 6 Comparison of major volatile compounds and peak areas in Amomum cardamomum essential oil between two extraction methods

劉金敏等[23]采用頂空固相微萃取法-氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)從白豆蔻中鑒定出了40種成分，其中含量最高的是桉油精（即桉葉油醇），其相對(duì)百分含量為32.95%；其次是，烯烴類化合物豐富，相對(duì)百分含量為39.12%；王芳[5]使用聚二甲基硅氧烷固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)分析白豆蔻精油32種揮發(fā)性成分，其中主要的化合物有1,8-桉樹腦（即桉葉油醇）、β-蒎烯、α-蒎烯、α-松油醇等。張耀華等[25]采用非極性溶劑微波萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法測定白豆蔻中的揮發(fā)油成分，共鑒定出60種揮發(fā)性化學(xué)成分，其中主要的化合物為桉油精（即桉葉油醇，70.34%）、β-蒎烯（6.81%）、α-松油醇（3.36%）和α-蒎烯（2.54%）等。張耀華等[25]采用超聲波輔助水蒸氣蒸餾法提取白豆蔻揮發(fā)油進(jìn)行氣質(zhì)分析，共鑒定出23個(gè)化合物，主要包括桉油精（即桉葉油醇，75.16%）、α-蒎烯（1.73%）、β-蒎烯（3.88%）、4-松油烯醇（1.37%）、乙酸松油酯（6.73%）等。以上研究成果中的主要成分，均與本次結(jié)果相似，再次驗(yàn)證了本次分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本研究采用超臨界CO2萃取裝置對(duì)白豆蔻進(jìn)行萃取，以精油得率為考察指標(biāo)，在單因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過正交試驗(yàn)得出最佳的萃取條件為：萃取壓力25 MPa、萃取溫度50 ℃、CO2流量14 mL/min、萃取時(shí)間4 h，同時(shí)進(jìn)行水蒸氣蒸餾萃取，通過GC-MS對(duì)所制備的精油進(jìn)行分析，白豆蔻精油中主要含有桉葉油醇、α-蒎烯、乙酸松油酯、α-松油醇等揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，超臨界CO2萃取法比水蒸氣蒸餾萃取法檢測出主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的含量更高，且檢測出的種類更豐富。超臨界CO2萃取法應(yīng)用于白豆蔻精油的提取，效果更優(yōu)，為白豆蔻的進(jìn)一步開發(fā)利用提供了研究基礎(chǔ)。