肉桂中主要风味组分油树脂的提取工艺优化①

房一明 谭园园 秦晓威 初 众 徐 飞 谷风林

(1中国热带农业科学院香料饮料研究所 海南万宁 571533；2国家重要热带作物工程技术研究中心 海南万宁 571533；3海南省热带香料饮料作物工程技术研究中心 海南万宁 571533；4长江师范学院 重庆涪陵 408100)

肉桂，又称玉桂、牡桂等[1]，为樟科樟属常绿乔木，是著名的香料和重要的药食两用植物，具有强烈的芳香辛辣味[2]。肉桂原料及初级产品桂油通常作调味料食用，但使用时香味成分会损失及产品中含有大量的夹杂物[3]。肉桂中可提取油树脂，肉桂油树脂主要为食品增香剂使用，油树脂为半流动性粘稠液体，不仅包含挥发性香料精油成分，还包含不易挥发性成分，如刺激性成分和热感性成分、不挥发性油脂、多糖类化合物、色素及脂肪酸等，其完整保存了香料风味[4]。

不同的香辛料含有不同的风味物质，不同的风味成分在不同溶剂中溶解度也不相同。刘熊等[5]通过多种有机溶剂对比得知，丙酮、乙醇可作为常用的油树脂提取溶剂。黄启强等[6]采用气质联用仪，对超临界CO2萃取法和有机溶剂提取法提取的肉桂油树脂进行了成分对比分析，发现两种方法所提取的油树脂化学成分大体上相似，二者主要成分肉桂醛的含量均在70%左右，相较于超临界CO2萃取法，有机溶剂提取可更降低成本。李萍等[7]研究发现，肉桂油树脂具有良好的抑菌活性，在食品保鲜领域可进行开发利用，又采用索氏提取法，通过正交实验优化了油树脂的提取工艺。目前，关于有机溶剂提取肉桂中主要风味组分油树脂响应面优化提取工艺的研究未见报道。

本实验开展肉桂脂溶性油树脂提取技术的研究，以乙醇浓度、提取温度、提取时间、料液比为因素，采用响应曲面分析法，以油树脂得率为考察指标，对肉桂油树脂提取工艺进行优化，为开发高附加值的肉桂新型产品，促进天然香料精深加工的产业化升级提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试材料

肉桂(采于广西岑溪波塘镇)，无水乙醇、95%乙醇均为分析级试剂。

1.1.2 仪器与设备

快速水分测定仪(MB45)，美国奥豪斯；电子天平(AL104)，美国METTLER TOLEDO；旋转蒸发仪(R-215)，瑞士步琪；恒温振荡器(SHZ-B)，上海博讯；实验室专用超纯水系统(Master-s-plus UVF)，中国和泰。

1.2 方法

1.2.1 实验材料制备

取干燥的广西肉桂，将表面清理干净，经多功能粉碎机粉碎，用60目标准筛过筛，密封后置于棕色干燥器中保存备用。

1.2.2 单因素试验

以乙醇浓度、提取温度、提取时间、料液比为因素条件进行单因素试验，考察肉桂油树脂得率的变化情况(表1)。

表1 单因素试验因素及水平

1.2.3 响应面试验

在单因素实验基础上，根据 Box-Behnken设计原理，以肉桂油树脂得率为响应值，设置乙醇浓度(A)、料液比(B)、提取时间(C)和提取温度(D)4因素3水平响应面分析试验。实验因素水平设计见表2。

表2 Box-Behnken实验因素水平

1.2.4 数据处理分析

采用Excel 2010进行方差分析，用以评估不同提取条件对肉桂油树脂得率的影响，运用Design-Expert 8.0.6软件进行响应面分析，优化肉桂油树脂的最佳提取工艺。

2 结果与分析

2.1 单因素试验分析

2.1.1 乙醇浓度对肉桂油树脂得率的影响

Y-J法利用的是相似相融原理，乙醇浓度不同导致溶剂极性大小不同，对肉桂油树脂的溶出效果有影响[11]，因此应确定其最佳乙醇浓度。

由图1可知，采用Y-J法提取肉桂油树脂时，乙醇浓度对肉桂油树脂得率有影响。肉桂油树脂得率随乙醇浓度增大而逐渐升高。乙醇浓度为85%时，肉桂油树脂得率达到最高值，随后开始降低。这可能是由于随着乙醇浓度增大，其他醇溶性物质开始大量溶出使得肉桂油树脂得率减小[12]。因此，提取肉桂油树脂最佳乙醇浓度为75%～85%。

图1 乙醇浓度对肉桂油树脂得率的影响

2.1.2 料液比对肉桂油树脂得率的影响

料液比不同，液相和固相之间形成的浓度差不同[13]，导致固相在液相中的扩散速度及溶解速度受到影响，因此应确定其最佳料液比。

由图2可知，料液比对肉桂油树脂得率有影响。随溶剂用量增加，肉桂油树脂得率明显增加，料液比1∶10时达最大值，随料液比逐渐增大，肉桂油树脂得率变化情况不明显并有降低趋势，这可能是由于当料液比为1∶10时，肉桂油树脂在乙醇中已充分溶出，达到溶解动态平衡。因此，继续增加乙醇用量并不能提高肉桂油树脂的提取得率[14]。所以，肉桂油树脂提取的最佳料液比为1∶5～1∶15。

图2 料液比对肉桂油树脂得率的影响

2.1.3 提取时间对肉桂油树脂得率的影响

溶剂与肉桂油树脂有效成分的接触时间决定肉桂油树脂提取得率，因此应确定其最佳提取时间[15]。

由图3可知，提取时间对肉桂油树脂得率的影响较大。肉桂油树脂得率随提取时间延长呈先增加后降低趋势，这是由于在一定提取时间内，肉桂与溶剂充分接触，使得油树脂得率升高。随提取时间延长，部分油树脂成分因长时间提取而受到破坏，导致得率下降，同时，原料中的杂质析出增加[16]，因此，肉桂油树脂提取的最佳提取时间为3～5 h。

图3 时间对肉桂油树脂得率的影响

2.1.4 提取温度对肉桂油树脂得率的影响

较高温度有利于活性成分的提取，同时温度过高可能会导致部分活性成分损失[17]，因此应确定其最佳提取温度。

由图4可知，提取温度对肉桂油树脂得率的影响较大。随温度升高，油树脂得率呈先增加后降低趋势，这是由于温度升高有利于油树脂提取，油树脂成分的扩散速度和溶解速度逐渐增大，得率增加，但随温度持续升高会导致油树脂中部分低沸点成分挥发损失[18]，造成提取得率下降。因此，肉桂油树脂提取的最佳温度为60～80℃。

2.2 响应曲面分析

2.2.1 响应面设计与分析

在单因素试验考察后，以4个响应因子为自变量，肉桂油树脂得率为因变量响应值，运用中心组合试验设计原理，进行四因素三水平29个实验点的测定，结果如表3所示。

试验数据经回归拟合，以肉桂油树脂得率为目标函数的二次回归方程为：

图4 温度对肉桂油树脂得率的影响

表3 响应面实验结果

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表示乙醇浓度，B表示料液比，C表示提取时间，D表示提取温度，各项系数的大小和正负表示自变量(因素水平)对因变量(得率)的影响程度和方向[19]。根据回归方程可得知，B(料液比)对肉桂油树脂提取得率影响最大，A(乙醇浓度)和C(时间)的交互项、B(料液比)的二次项和C(时间)的二次项对肉桂油树脂提取得率的影响较大。

2.2.2 回归模型分析

对回归模型进行方差分析，检验方程有效性，方差分析结果见表4。

表4 回归模型方差分析结果

由表4可知，该模型(p＜0.000 1)极显著，说明模型成立，失拟项(p＝0.111 5＞0.05)不显著，说明模型与真实值之间无显著差异，二者表明了模型拟合程度高，试验方案设计可行[20]。模型中回归方程的相关系数R2＝0.957 8，说明模型精确度高，可准确地对试验结果进行预测和分析，变异系数C.V.%＝2.51，表明试验结果与真实值存在2.51%的偏差，模型可靠性较高[21]，调整系数R2adj＝0.915 6，表明该模型能解释91.56%的响应值变化，拟合度良好，精确度较高，实验误差小，重复性好[22]。由一次项、二次项的p值可知，一次项中，A(乙醇浓度)、 B(料液比)和C(时间)的p值均小于0.05， 表现出显著性，说明这三个因素对响应值的影响作用明显，D(温度)的p值大于0.05，表明其对响应值的影响作用不明显，由此得出四个因素对响应值影响大小的顺序为：B(料液比)＞A(乙醇浓度)＞C(时间)＞D(温度)；二次项的p值均小于0.01，表现出极显著性。综上所述，该模型可对肉桂油树脂提取试验进行预测和分析。

2.2.3 肉桂油树脂的响应曲面图分析

3D立体图中最高点为等高线图中最小椭圆形的圆心，其曲面的陡峭程度可直观地反映两两因素的交互作用对响应值的影响情况，曲面越陡峭，交互作用越明显，反之不明显，等高线的形状越趋于椭圆形，表明两个因素之间交互作用显著，反之则不显著[23]。经响应面分析得出各因素间的两两交互作用见图5。

图5 各因素交互作用对肉桂油树脂得率的影响

图5 各因素交互作用对肉桂油树脂得率的影响

由图5可知，各图均成开口向下，凸形的曲面，并且都存在极值。由a、d、e可知，A(乙醇浓度)与B(料液比)、 B(料液比)与C(时间)、 B(料液比)与D(温度)的交互作用对响应值影响较大，整个曲面陡峭，等高线形状趋近于椭圆形，说明两两因素交互作用显著。由a可知，料液比对肉桂油树脂得率的影响大于乙醇浓度；由d可知，料液比对肉桂油树脂得率的影响大于时间；由e可知，料液比对肉桂油树脂得率的影响大于温度。由b、c、f可知，等高线形状趋近于圆形，说明两两因素交互作用不显著。由b可知，乙醇浓度对肉桂油树脂得率的影响大于时间；由c可知，乙醇浓度对肉桂油树脂得率的影响大于温度；由f可知，时间对肉桂油树脂得率的影响大于温度。因此，各因素影响肉桂油树脂得率依次为B(料液比)＞A(乙醇浓度)＞C(时间)＞D(温度)，其结果与方差分析结果相同，证明了该模型可靠性高。

2.2.4 验证实验

通过Design-Expert 8.0.6对回归方程求解，得出肉桂油树脂提取最佳条件：乙醇浓度为79.5%，料液比为1∶14.2(m/v，g/mL)，提取时间为3.59 h，提取温度为70.61℃，在此条件下肉桂油树脂得率的理论值为20.62%。

考虑实际操作可行性，将最佳条件修正为：乙醇浓度为80%，料液比为1∶14，时间为3.6 h，温度为71℃，经三次平行试验验证，肉桂油树脂平均得率为20.46%，结果与理论值相差不大，由此表明试验模型可靠，实验结果理想。

3 结论

通过有机溶剂提取肉桂油树脂，采用响应面试验设计方法，以油树脂得率、提取工艺为探讨目标，研究不同条件对肉桂油树脂提取得率的影响情况，建立了肉桂油树脂提取的最佳工艺条件，验证实验表明建立的模型可靠准确。结果表明：乙醇浓度为80%，料液比为1∶14(m/v，g/mL)，提取时间为3.6 h，提取温度为71℃时，此条件下，提取效果最佳，此时肉桂油树脂得率为20.46%。油树脂是肉桂中主要的呈味物质，该研究的目的是确定肉桂中油树脂的最优提取条件，得到最优的萃取工艺，为我国肉桂中油树脂的有效开发利用提供一定的借鉴基础。