超声辅助减压蒸馏技术提取山苍子油的研究

杜惠蓉 朱辉 陈安银

摘要：在超声辅助条件下，通过减压蒸馏技术结合响应面法优化山苍子油的提取条件，以期建立更高效的提取方法。在单因素设计基础上，选取液料比、粒度大小、超声时间、减压蒸馏温度4个影响山苍子油提取率的主要因素，建立多元回归拟合分析，确定山苍子油提取的最佳工艺条件为：液料比3.2∶1，减压蒸馏温度76℃，粒度大小80目，超声时间35 min。该条件下山苍子油的提取率为6.94%，比常规水蒸气蒸馏法提取率提高33.98%。气相色谱仪分析结果表明，所得山苍子油中柠檬醛含量为87.65%，品质较好。

关键词：山苍子油；超声辅助；减压蒸馏；响应面法；提取率

中图分类号：S573+.809.2 文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）02-0133-06

Abstract To establish a higher efficient method for extracting Litsea cubeba oil，the extraction conditions were optimized by the combination of vacuum distillation technique with the response surface method under the ultrasonic-assisted condition. Based on the single factor design， the effects of liquid to solid ratio， particle size， ultrasonic time and distillation temperature on the extraction rate of Litsea cubeba oil were analyzed for establishing the quadratic regression model equation. The optimum conditions for L. cubeba oil extraction were selected as liquid to solid ratio of 3.2∶1， distillation temperature of 76℃， particle size of 80 mesh and ultrasound time of 35 minutes. The extraction rate of L. cubeba oil under the optimum conditions was 6.94%， which was 33.98% higher than the extraction rate of the conventional steam distillation method.The gas chromatography analysis showed that the citral content in the L. cubeba oil was 87.65%， and the quality was better.

Keywords Litsea cubeba oil； Ultrasonic-assisted； Vacuum distillation； Response surface method； Extraction rate

山苍子（Litsea cubeba）是一种重要的香料植物，又名山鸡椒、山胡椒或木姜子，属樟科木姜子属落叶灌木或小乔木，广泛分布在我国南方的四川、云南、贵州、广西等省份。从山苍子果实中提取的浅黄色山苍子油，具有柠檬香气，其主要成分为柠檬醛，是合成多种高档香料的主要原料，其在医药、食品、化工方面也具有广泛应用[1]。

我国山苍子资源丰富，山蒼子油产量大，但由于加工技术手段落后，这一宝贵资源的开发利用长期处于粗制贱卖状态[2]。目前提取山苍子油的方法有水蒸气蒸馏法、超临界二氧化碳萃取法、有机溶剂萃取法、压榨法等[3]。水蒸气蒸馏法是传统提取方法，存在产率低、油品质差等问题；超临界二氧化碳萃取法工艺设备要求高；有机溶剂萃取法易造成溶剂残留和引入新的杂质等问题；压榨法产率低，杂质较多。目前急需一种提取率高且对工艺设备要求和投入低、适宜大规模生产的提取方法。

本试验首次将超声辅助提取法[4]和减压蒸馏技术相结合对山苍子油的提取工艺进行研究。该提取工艺具有以下优点：减压蒸馏状态下，山苍子中挥发性成分较易提取；提取温度较低，可减少柠檬醛的氧化；响应面法（RSM）全面考察和优化山苍子油的提取工艺条件[5-8] ，提高出油率和柠檬醛纯度。本研究还参考李丹等[9]的方法，对山苍子油进行了品质分析和评价。本研究可为提高山苍子的出油率和制备高纯度柠檬醛提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料及仪器

山苍子于2017年7月上旬采摘于四川达州凤凰山，由成都中医药大学马云桐教授鉴定。GC-2014C型气相色谱仪（日本岛津有限公司）；DS-3510DTH型超声波提取仪（上海生析超声仪器有限公司）；2XZ-15型真空泵（上海酷瑞泵阀制造有限公司）；FZ102型微型植物粉碎机（上海书培实验设备有限公司）；减压蒸馏装置由本实验室搭建。

1.2 试验方法

1.2.1 提取工艺和操作要点 山苍子鲜果（称重）→剥皮（除核）→粉碎→过筛→称重→浸泡→超声→减压蒸馏→山苍子油。

山苍子油提取率（%）= 山苍子油质量/山苍子果肉质量×100。

剥皮除核过程中要避免长时间暴露在高温环境中，从而减少山苍子油挥发；浸泡过程中加入果肉质量0.1%的NaCl；减压蒸馏操作中，抽真空后再加热蒸馏，降低高温条件下柠檬醛的氧化速率。

1.2.2 单因素试验设计 按照1.2.1 提取工艺进行单因素分析，分别考察液料比、粒度大小、超声时间、减压蒸馏温度4个因素对山苍子油提取率的影响。在进行单因素试验时，除被考察单因素外，其他3个因素均设定为相同的固定值。设置3个平行试验，取其平均值。

1.2.3 响应面优化试验设计 采用响应面法对减压蒸馏提取山苍子油工艺条件进行四因素三水平试验分析。利用Design-Expert 8.0.6软件综合评价单因素最佳组合，最终确定最优的山苍子油提取工艺条件[10，11]。

1.2.4 山苍子油成分气相分析 色谱柱：HP-5弹性石英毛细管柱（30.0 m×0.25 mm×0.25 μm）；载气：N2， 流速1.5 mL/min，恒流模式；进样口温度230℃；分流比 10∶1；柱温：初始温度70℃，保持4 min，以5℃/min升至200℃；检测器温度250℃。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 液料比对山苍子油提取率的影响 在减压蒸馏温度70℃、粒度60目、超声时间60 min条件下，配置不同的液料比并提取山苍子油，计算其提取率，结果如图1所示。当液料比低于3时，随液料比的增加，提取率逐渐提高，其中液料比在1～2之间时提取率增幅较为明显；当液料比高于3时，提取率呈下降趋势；当液料比为3时，提取率最高，为6.66%。在液料比小的情况下，山苍子果肉在水中不能充分摩擦沸腾，导致出油率较低；当液料比增加到一定程度，山苍子油在水中的溶解度增加，也使提取率下降。因此，选取液料比2∶1、3∶1、4∶1三个水平进行响应面分析。

2.1.2 减压蒸馏温度对山苍子油提取率的影响 在液料比3∶1、粒度60目、超声时间60 min条件下，设置不同的减压蒸馏温度并提取山苍子油，计算其提取率，结果如图2所示。当温度低于80℃时，提取率随温度的升高而提高；温度高于80℃，提取率反而降低；当减压蒸馏温度为80℃时，提取率最高，为6.81%。随着温度的升高，山苍子油的挥发加快，当蒸馏温度高于80℃时，提取率降低，推测可能与设备不能充分冷却收集挥发油有关，也可能随着温度的升高山苍子油在水中溶解度提高，间接导致了提取率降低。因此选取减压蒸馏温度70、80、90℃三个水平因子进行响应面分析。

2.1.3 粒度大小对山苍子油提取率的影响 在液料比3∶1、减压蒸馏温度70℃、超声时间60 min条件下，选取不同粒度大小的物料并提取山苍子油，计算其提取率，结果如图3所示。随物料粒度目数的增加，提取率越来越高，当粒度目数为80时，提取率最高，为6.74%。随着粒度目数增加提取率提高的原因，可能是因为粒度目数越大山苍子果肉的表面积也越大，其接触溶剂的面积增加，挥发油越易挥发，提取率提高。但是，如果粒度目数过大，山苍子果肉过细，在提取过程中易导致受热不均而发生顶冲和糊化等现象，不利于仪器的操作控制。且一旦发生顶冲，必须重新提取，加大工作量。所以合适的粒度大小是高效提取山苍子油的必要条件。因此选取粒度大小40、60、80目三个水平进行响应面分析。

2.1.4 超声时间对山苍子油提取率的影响 在液料比3∶1、减压蒸馏温度70℃、粒度60目条件下，选择不同的超声时间并提取山苍子油，计算其提取率，结果如图4所示。随着超声时间的增加，提取率呈现先升高后缓慢降低的趋势，且超声时间为30 min时，提取率最高，为6.73%。其后随着超声时间的延长提取率降低的原因，初步推断可能在超声过程中，物质之间相互摩擦，导致溶剂温度升高，加快山苍子油挥发，间接导致提取率降低。因此选取超声时间10、30、60 min三个水平进行响应面分析。

2.2 响应面优化山苍子油提取工艺

2.2.1 试验因素和水平设计 在单因素试验基础上，对山苍子油提取率有明显影响的液料比、粒度大小、超声时间、减压蒸馏温度4个因素，采用四因素三水平的响应面法进行综合分析，确定提取山苍子油的最优组合工艺条件。试验水平和因素设计见表1。

2.2.2 響应面优化结果分析 根据Design-Expert 8.0.6软件进行试验设计，山苍子油提取工艺试验方案和结果见表2。分为24个析因试验和5个中心试验，析因试验是自变量A、B、C、D所组成的三维定点模型的析因点；中心试验是零点区域所在的中心点，进行5次重复，并估算试验误差。

所得数据进行多元回归拟合分析，以山苍子油提取率为响应值，得到自变量与提取率的二次多项回归模型为：Y=6.39+0.12A-0.50B+0.46C-0.042D+0.34AB+0.13AC+0.05AD -0.005BC+0.08BD-0.18CD-0.35A2-0.22B2-0.10C2-0.05D2 。

式中：Y为山苍子油提取率；A为液料比；B为减压蒸馏温度；C为粒度大小；D为超声时间。

响应面回归模型方差分析和显著性检验结果（表3）表明，模型F值为3.82，P值为0.0086（P<0.01），说明该模型具有高度的显著性。F值、P值证明了此模型的可靠性，能较好分析和预测山苍子油提取率。因素B和C对山苍子油提取率有极显著影响，A2和失拟项对山苍子油提取率有显著影响。根据F值大小可知，对山苍子油提取率影响的优先条件依次为：B、C、A、D，即减压蒸馏温度、粒度大小、液料比、超声时间。

对公式进行一阶偏导数分析，带入公式得出最佳工艺条件为液料比3.15∶1，减压蒸馏温度75.5℃，粒度大小77目，超声时间34.5 min。此条件下山苍子油提取率预测值为7.04%。

2.2.3 最佳条件验证 为验证此方法的准确性，根据现实操作条件，将最佳提取条件更改为：液料比3.2∶1，减压蒸馏温度76℃，粒度大小80目，超声时间35 min，此条件下的山苍子油提取率为6.94%，为预测值的98.58%。为进一步验证本提取技术的效率，在同等条件下采用水蒸气蒸馏法提取山苍子油，提取率为5.18%。因此，超声辅助减压蒸馏技术比常规水蒸气蒸馏法的提取率提高了33.98%，增幅较为显著。可见此模型能够较好地反映减压蒸馏技术提取山苍子油的条件和有效性。

2.2.4 因素相互交叉作用分析 把四因素中任意两个保持在最佳水平，另外两个因素对山苍子油提取率的影响如图5所示。

响应曲面越陡峭说明两因素交叉影响越显著，反之响应曲面越平缓，两因素对提取率交叉影响不大。图5结果表明，减压蒸馏温度对山苍子油提取率的影响最大，然后依次为粒度大小、液料比和超声时间，该结果与响应面回归模型方差分析的结果相一致。

2.3 山苍子油成分分析

对最佳条件下提取的山苍子油进行气相分析，结果如图6所示。扣除溶剂峰后采用峰面积归一化法计算各个峰的相对百分含量，其中峰1为柠檬醛a（40.94%），峰2为柠檬醛b（46.71%）。由于柠檬醛包括柠檬醛a和柠檬醛b两个很难分开的顺反异构体，在测定分析柠檬醛含量时，通常是柠檬醛a和柠檬醛b两种成分的总和。本研究所得山苍子油中柠檬醛含量为87.65%，表明此工艺所得山苍子油品质优于同类产品。

3 讨论与结论

本研究利用减压蒸馏技术提取山苍子油，提取率达6.94%，其中柠檬醛含量为87.65%，比目前常用的高压蒸气蒸馏技术提取山苍子油的提取率高1.34个百分点[12]；邓楠等[13] 研究表明，山苍子油提取率为3.06%，通过GC-MS分析，得到了26种化合物，而柠檬醛含量仅为32.52%。本研究以提取柠檬醛为目的，优化其提取工艺，而忽略山苍子油中其他成分的提取，說明提取方法的差异，导致柠檬醛含量差异较大。利用响应面优化法对影响山苍子油提取率的几个因素进行综合分析，发现减压蒸馏温度对提取率的影响极为显著，在因素相互交叉作用分析中也进一步证实了该结论。另外，在设备投入上，减压蒸馏技术对设备的要求和高压蒸气蒸馏技术相当，比超临界萃取技术要求低；在工艺复杂程度上，和高压蒸气蒸馏技术相当，比超临界萃取技术和溶剂萃取技术要低。

在单因素试验和响应面法的基础之上，根据回归模型方差分析和最佳条件验证，确定了超声辅助减压蒸馏技术提取山苍子油的最优条件为：液料比3.2∶1，减压蒸馏温度76℃，粒度大小80目，超声时间35 min。该条件下山苍子油提取率为6.94%，仅比预测值低0.10个百分点。山苍子油气相分析结果表明，山苍子油中柠檬醛含量为87.65%，品质较好。采用超声辅助减压蒸馏技术显著提高了山苍子油的提取率和品质。该提取方法设备简单、投入低，适合产地工业化应用，可在一定程度上解决山苍子果实采摘后易腐烂的问题。

参 考 文 献：

[1] 陈学恒.我国山苍子资源利用现状和产业化前景评述[J].林业科学，2003，39（4）：134-139.

[2] 鲍逸培.中国山苍子油研究概况与进展[J].林产化学与工业，1995，15（2）：73-77.

[3] 韩艳利，旷春桃，李湘洲，等.用不同方法提取山苍子油的比较研究[J].中南林业科技大学学报，2013，33（11）：175-178.

[4] 陈涛，刘永玲，王萍，等.唐古特大黄中大黄酚苷超声提取工艺的响应面优化及HPLC测定[J].分析试验室，2012，31（9）：9-12.

[5] 张文娟，刘祥义，孙航，等.响应面法优化超声辅助提取紫茎泽兰总黄酮工艺研究[J].西南林业大学学报，2017，37（2）：216-220.

[6] 武中庸，王晓静，赫欣睿，等.早胜牛中牛磺酸提取及检测方法[J].分析试验室，2016，35（10）：1147-1151.

[7] 包振伟，顾林，白东辉，等.响应面法优化黑胡椒油树脂提取工艺[J].食品科学，2013，34（14）：17-21.

[8] 宋磊，孟国庆，郭燕风，等.发酵液中透明质酸提取纯化工艺的研究[J].山东农业科学，2017，49（3）：134-139.

[9] 李丹，纪晴，王连春，等.3个鲜食枣品种果实品质对比分析[J].西南林业大学学报，2017，37（2）：80-84.

[10]付勇，严善春，李小平.响应面法优化黄粉虫幼虫虫油脂提取工艺[J].林业科学，2010，46（8）：125-129.

[11]牟会荣，陈昆，王晓岚，等.正交试验法与响应面法在桑叶黄酮提取工艺优化中的应用和比较[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2016，30（1）：88-93.

[12]钟昌勇，李月娟.山苍子油高效蒸馏装置技术参数探讨[J].广西林业科学，2012，41（4）：383-384.

[13]邓楠，旷春桃，王玲芝，等.山苍子油的提取、化学成分及其动力学的研究[J].中国食品添加剂， 2014（9）：80-84.