超声波法辅助提取肉桂醛的工艺研究

姚杭村，崔飞鹤，王娟

（华南理工大学食品科学与工程学院，广东广州510641）

肉桂，也叫大桂、平安树等，归属樟科。樟科植物普遍含有挥发性精油，陈鸿等使用索氏提取法提取了5种常见樟属植物的精油，发现在樟树、猴樟、大叶桂、阴香及肉桂这5种植物中，肉桂叶片所含精油最少，呈淡黄色，其平均出油率仅有0.32%[1-3]。

目前植物精油的提取主要有水蒸气蒸馏法、超声波辅助提取法、溶剂浸提法、连续亚临界水萃取法和超临界二氧化碳萃取法等。其中水蒸汽蒸馏法是目前企业生产中普遍使用的操作方法，肉桂醛得率较好，但同时存在温度高，能耗大的问题；溶剂提取法主要是利用相似相溶的原理，将沸点不太高的有机溶剂（如正己烷、乙酸乙酯、石油醚）加入到固体原料中，将其中的某些组分浸提出来，得到的肉桂醛得率低，同时容易污染环境[4-6]；连续亚临界水萃取法无毒，残留量低，设备简单，萃取时间短，但是亚临界水的温度很高，对萃取化合物的热稳定性有着较高的要求；超临界二氧化碳萃取法萃取出来的植物精油会非常接近植物内原有的芳香物质组成，但这种提取法需要的器材数量庞大且价格昂贵。

超声波提取技术是一种新型提取技术。超声波提取机有一个探头，机器通过压电换能器在探头上产生机械振动波，然后浸在液体中的探头就可以把这种能量传递给提取剂，因此能很大程度上提高提取剂中的物质分子运动的速度和频率，有利于溶剂分子更快更容易的穿透提取物细胞，让被提取物更快的溶出。由于机械振动而产生的，还有空化、扰动、击碎、扩散、乳化等。又因为超声波提取对操作要求比较简单，同时又有比较高的提取率，所以受到越来越多的青睐[7-8]。

李顺峰等利用超声波辅助提取蘑菇菇柄中的蛋白质，其将蘑菇菇柄干燥粉碎后，取一定质量的菇粉，按照试验设定好的料液比，超声功率，溶剂pH值及超声时间进行超声波破碎提取。采用先单因素试验后正交试验的思路，最终优化出超声波提取的最佳条件：超声功率150 W，料液比1∶35，pH10.0，提取率达到6.87%。另外作者还进行了对比试验，在传统的碱法提取蛋白质中，提取率仅仅1.95%，为超声波提取的29%[9]。冯颖等使用超声波对无梗五加果的多糖提取过程进行了优化，其中采用了响应面分析法。先是选定了提取功率、提取时间、料液比和提取温度4个因素进行了单因素试验，后又根据中心组合设计进行了四因素三水平的响应面分析，最终测得多糖得率为3.491%，与理论值3.700%十分接近[10]。

因此，利用超声波辅助提取精油不失为一种选择。从环保、节能和企业盈利的角度出发，超声波作为一种现代提取技术，如果运用到各种动植物有效成分的提取工艺中，一能为企业降低成本，节约时间，带来直接的经济效益；二是对环境更友好，减少能源消耗，减少企业二氧化碳排放。同时超声提取设备价格不高，适用性广，综合性价比高。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

肉桂粉：罗定市浩良香料有限公司；无水乙醇（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；肉桂醛（分析纯）：天津市富宇精细化工有限公司；蒸馏水：华南理工大学食品科学与工程学院自制；电子天秤：上海精科有限公司；JY92-II DN超声波细胞破碎机：宁波新芝生物科技股份有限公司；UV-1800紫外-可见分光光度计：日本岛津公司；TDL-5-A离心机：上海安亭科学仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 肉桂醛标准曲线的制作

肉桂醛标准曲线制备方法：取0.5 mL肉桂醛标准溶液，用乙醇稀释至50 mL，取出1 mL稀释至50 mL，分别取1.5、2.0 mL稀释至50 mL，用紫外-可见分光光度计进行全波长扫描，确定其最大吸收波长为289 nm；分别取 0、0.5、1.0、1.5、2.0 mL 稀释至 50 mL。在 289 nm处测试吸光度，以吸光度为纵坐标，以体积浓度为横坐标，绘制标准曲线为y=186 000x+0.046，R2=0.999 1。

1.2.2 超声波处理

取 50 g的肉桂粉，过 20目筛，分别以 1∶8、1∶10、1 ∶12、1 ∶15（g/mL）的料液比，混合均匀后，置于一定参数（工作3 s，间隙2 s）下的超声波机器下处理一段时间，之后取出放入离心机，常温下按3 000 r/min的转速离心10 min，取上清液稀释500倍后测试吸光度，记为Y1，根据标准曲线可得体积浓度X1。

式中：P为提取率，%；X1为体积浓度；V为提取液体积，mL；M为肉桂粉的质量，g。

1.2.3 以水为溶剂进行的单因素试验

以水为溶剂，分别进行以下3组单因素试验，参数分别为：1）料液比[物料与提取剂比例分别取1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1 ∶15（g/mL）]，功率密度取 10 W/mL，处理时间取 40 min；2）料液比取 1 ∶10（g/mL），超声处理时间（分别取 20、30、40、50、60 min），功率密度取 10 W/mL；3）超声功率密度（分别设定 6、8、10、12、14 W/mL），料液比取 1 ∶10（g/mL），超声时间取 40 min；每组进行3次平行试验，从而确定各因素较优的萃取范围。

1.2.4 以乙醇为溶剂进行的单因素试验

以乙醇为溶剂，分别进行以下4组单因素试验，参数分别为：1）乙醇浓度（分别取0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%），料液比取1 ∶8（g/mL），功率密度取 12 W/mL，处理时间取 30 min；2）乙醇浓度取 50%，料液比[分别取 1 ∶6、1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12、1 ∶15（g/mL）]，超声处理时间 40 min，超声功率密度 12 W/mL；3）乙醇浓度取 50%，料液比取 1 ∶8（g/mL），超声处理时间（分别取 10、20、30、40、50、60 min），功率密度取12 W/mL；（4）乙醇浓度取50%，超声功率密度（分别设定 6、8、10、12、14 W/mL），料液比取1∶8(g/mL），超声时间取40 min；每组进行3次平行试验，从而确定各因素较优的萃取范围。

1.2.5 正交试验

根据之前的单因素试验，给每个因素确定3个最优水平，超声波辅助提取肉桂醛的因素水平表（以水为溶剂）见表1，乙醇中超声波提取肉桂醛的因素水平表（以乙醇为溶剂）见表2，以肉桂醛得率为指标进行正交试验，每组试验分别做3个平行，对最终的试验结果进行极差分析。

表1 超声波辅助提取肉桂醛的因素水平表（以水为溶剂）Table 1 Factor level table of ultrasound-assisted extraction of cinnamaldehyde(water as solvent）

表2 乙醇中超声波辅助提取肉桂醛的因素水平表（以乙醇为溶剂）Table 2 Factor level table of ethanol ultrasonic-assisted extraction cinnamaldehyde（ethanol as solvent）

2 结果与分析

2.1 超声波辅助提取肉桂醛（以水为溶剂）

2.1.1 料液比对肉桂醛得率的影响

料液比对肉桂醛提取率的影响见图1。

图1 料液比对肉桂醛提取率的影响Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of cinnamaldehyde

如图1所示，物料与提取剂比例小于1∶10（g/mL）时，提取率随提取剂增多而增大，当料液比为1∶10（g/mL）时，超声处理得到的肉桂醛得率有最大值为0.58%，在此之后得率渐渐下降。分析原因如下：随着溶剂比例的提高，溶液中肉桂醛浓度降低，扩散的压力差增大，有利于肉桂醛扩散；由于肉桂醛扩散量一定，故继续增加溶剂体积，也不会促进肉桂醛扩散[11]。

2.1.2 处理时间对肉桂醛得率的影响

处理时间对肉桂醛提取率的影响见图2。

图2 处理时间对肉桂醛提取率的影响Fig.2 Effect of processing time on the cinnamaldehyde extraction rate

如图2所示，当处理时间延长时，肉桂醛提取率变大，当处理时间为40 min时取得最大值0.58%，之后由于超声时间过长，溶质分子剧烈碰撞等使肉桂加热过久，最终肉桂醛挥发严重导致提取率下降[12]。

2.1.3 功率密度对肉桂醛得率的影响

功率密度对肉桂醛提取率的影响见图3。

图3 功率密度对肉桂醛提取率的影响Fig.3 Effect of power density on cinnamaldehyde extraction rate

如图3所示，随着功率密度的增加，肉桂醛提取率增加，当功率密度为10 W/mL时有最高提取率0.60%。10 W/mL之后，由于超声功率较大，加热明显，肉桂醛挥发严重而导致提取率下降[13]。

2.1.4 超声波辅助肉桂醛（以水为溶剂）工艺条件优化

为了确定最佳工艺条件，以料液比、功率密度、超声处理时间为3个因素，选用L9（33）进行正交试验。每组试验做3个平行试验，肉桂醛提取率取3次试验的平均值。正交试验结果见表3。

表3 正交试验结果Table 3 Orthogonal experimental results

由表3可知，所选择的3个因素对肉桂醛提取率的影响顺序：料液比＞处理时间＞功率密度，优化后的工艺条件为：料液比 1 ∶12（g/mL），处理时间 30 min，功率密度为12 W/mL。该组合为正交试验里面的第六组，肉桂醛得率为（0.69±0.01）%。

2.2 超声波辅助提取肉桂醛（以乙醇为溶剂）

2.2.1 乙醇浓度对肉桂醛得率的影响

乙醇浓度对超声波提取肉桂醛得率的影响见图4。

图4 乙醇浓度对超声波提取肉桂醛得率的影响Fig.4 Effect of ethanol concentration on the ultrasonic extraction of cinnamaldehyde yield

如图4所示，随着乙醇浓度的增大，肉桂醛提取率也明显增大，当乙醇浓度为70%时有最大值1.93%，当浓度继续升高直至使用无水乙醇时，肉桂醛得率反而下降。分析原因如下：肉桂醛易溶于乙醇之中，故随着乙醇浓度的增大，肉桂醛提取率也增大，但当乙醇浓度过高时，同时一些醇溶性类亲脂性强的成分溶出与肉桂醛同溶剂结合，使得肉桂醛提取率下降[14]。

2.2.2 料液比对肉桂醛得率的影响

在50%的乙醇溶液作为提取剂的情况下，当处理时间为40 min，功率密度为12 W/mL时，比较不同料液比对肉桂醛提取率的影响，见图5。

图5 料液比对乙醇溶液中肉桂醛提取率的影响Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on cinnamaldehyde extraction rate in ethanol solution

如图5所示，肉桂醛得率在料液比为1∶8（g/mL）时有最大值2.08%。

2.2.3 处理时间对肉桂醛得率的影响

在50%的乙醇溶液作为提取剂的情况下，当料液比为 1∶8（g/mL），功率密度为 12 W/mL时，比较不同处理时间对肉桂醛提取率的影响，见图6。

图6 处理时间对乙醇溶液中肉桂醛提取率的影响Fig.6 Effect of treatment time on the extraction rate of cinnamaldehyde in ethanol solution

由图6可知，在40 min以前，提取率随时间延长而增加，而在40 min以后，时间因素对提取率并没有明显作用，反而稍有降低。分析原因如下：溶质分子剧烈碰撞等使肉桂加热过久，最终肉桂醛挥发严重导致提取率下降[12]。

2.2.4 功率密度对肉桂醛得率的影响

在50%的乙醇溶液作为提取剂的情况下，当料液比为1∶8（g/mL），提取时间为40 min时，比较不同功率密度对肉桂醛提取率的影响，见图7。

图7 功率密度对乙醇溶液中肉桂醛提取率的影响Fig.7 Effect of power density on the extraction rate of cinnamaldehyde in ethanol solution

由图7可知，开始时，肉桂醛提取率随功率密度的增加而增加，在12 W/mL时有最大提取率2.05%，之后功率密度虽然增加，但是肉桂醛提取率下降，因为超声波的机械振动引起的热效应会对易挥发产物的提取有负面影响[15]。

2.2.5 超声波辅助肉桂醛（以乙醇为溶剂）工艺条件优化

为了确定在乙醇溶液中提取肉桂醛的最佳工艺条件，以乙醇提取剂浓度、超声提取时间、超声波功率密度和物料与提取剂比例为4个正交因素，根据单因素试验的结果，在使各单因素试验取最大值的点及附近给每个因素取3个水平，每组试验做3个平行试验，肉桂醛最终提取率取3次试验的平均值。因素水平设计见表4。

表4 正交试验表Table 4 Orthogonal experiment table

续表4 正交试验表Continue table 4 Orthogonal experiment table

由表4所得，各因素对肉桂醛提取率影响的重要程度为：乙醇浓度＞超声处理时间＞料液比＞超声功率密度。由正交试验可以得知在乙醇溶液作为溶剂来提取肉桂醛的最佳工艺条件为：乙醇浓度为70%，料液比为1∶10（g/mL），处理时间60 min，功率密度为14 W/mL。以此最佳处理条件做补充试验，得到肉桂醛得率2.36%。

3 结论

本文研究了超声波破碎提取肉桂粉中肉桂醛的最佳工艺条件，分别以水和乙醇溶液为提取剂，研究了料液比、超声时间、功率密度对肉桂醛得率的影响。通过先单因素后正交的试验思路，确定了试验因素的优先级。

1）对于提取剂为水的情况，正交试验显示影响最大的因素是料液比，其次为超声时间，最后为功率密度。其最佳工艺条件为：料液比1∶12（g/mL），处理时间30 min，功率密度为12 W/mL。在此基础上，肉桂醛得率为0.69%。

2）对于乙醇为提取溶剂时，正交试验表明：对肉桂醛得率影响最大的因素是乙醇浓度，其次是功率密度，以及料液比和时间。最佳组合为：乙醇浓度为70%，料液比为1∶10（g/mL），处理时间60 min，功率密度为14 W/mL。以此最佳处理条件做补充试验，得到肉桂醛得率2.36%。

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