分子蒸馏纯化姜精油工艺的响应面法优化

梁 峥，胡雪芳，赵 航，李淑燕，倪元颖*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083)

分子蒸馏纯化姜精油工艺的响应面法优化

梁 峥，胡雪芳，赵 航，李淑燕，倪元颖*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083)

利用分子蒸馏对超临界CO2萃取得到的姜油树脂进行纯化从而得到姜精油。通过单因素试验选取分子蒸馏的温度和压力作为中心复合设计变量，以姜精油得率和α-姜烯含量为指标进行响应面法优化。结果显示分子蒸馏温度、压力及其交互作用对纯化姜精油的得率及姜精油中α-姜烯含量均有显著影响；优化得到的工艺参数为温度76℃、压力147Pa。在此条件下，姜精油得率为(42.23±1.65)%，α-姜烯含量为(445.48±6.95)mg/g，与回归方程的预测值基本吻合。

分子蒸馏；响应面；姜精油；α-姜烯

生姜是姜科草本植物姜(Zingiber officinale Roscoe)的根茎，它既是一种历史悠久的香辛料，又是常用的传统中医药材。

姜精油是从姜的根茎中提取的透明、浅黄或金黄色挥发性油状液体，几乎不含高沸点成分，具有生姜的特征性芳香气味，是生姜的主要呈香成分[1-3]，其中所含的α-姜烯是其主要成分和功效物质，具有多种生理活性[4]。作为医药制剂原料、化妆品和食品工业原料，姜精油具有广阔的市场[5]。

分子蒸馏技术是一种特殊的液-液分离技术，能在极高真空下操作，使蒸气分子的平均自由程大于蒸发表面与冷凝表面之间的距离，从而依据分子运动平均自由程的差别造成各组分蒸发速率的差异，对液体混合物进行分离[6]。分子蒸馏能使物质在远低于其沸点的温度下分离，因此，在天然产物提取分离方面，具有良好的应用前景。在国外已有多篇关于分子蒸馏在天然产物分离纯化中应用的报道，如Batistella等[7]应用分子蒸馏从棕榈油中纯化胡萝卜素，Posada等[8]从棕榈油中纯化生育三烯酚，Compton等[9]从植物油中纯化天然二酰基甘油酯等。

本实验在超临界萃取得到天然优质姜油树脂的基础上，利用分子蒸馏技术纯化姜精油，并以姜精油得率和姜精油中的特征成分α-姜烯为指标，通过响应面法进行纯化工艺的优化，以期得到量多质优的姜精油产品。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

小黄姜姜粉(云南产小黄姜品种) 北京美全食品有限公司。鲜姜清洗—→切片—→热风干燥—→粉碎—→过60目筛—→紫外杀菌—→装箱。经测定，水分含量为6.0%。

CO2(纯度＞99.99%) 北京京高气体有限公司；C7～C30正构烷烃标准溶液 Sigma-aldrich公司；异丙醇(色谱纯，纯度＞99.7%) 天津市津科精细化工研究所；液氮。

HA220-50-07型超临界CO2流体萃取装置 江苏南通华安超临界萃取有限公司；GC-14C气相色谱仪 岛津公司；刮膜式2英寸分子蒸馏设备 美国Pope公司；RV3型真空泵 Edwards公司；7890A-5975C型气相色谱/质谱联用仪 Agilent公司；分析天平 Sartorious公司；恒温循环泵。

1.2 方法

1.2.1 超临界CO2萃取姜油树脂[10-12]

称取姜粉1.3kg置于萃取釜中，设定萃取温度35℃，萃取压力40MPa，在此条件下萃取3h。CO2经压缩成流体后将姜中的油树脂萃取出来并带入分离釜中，分离釜中压力为6MPa，CO2成为气体与姜油树脂分离，姜油树脂在分离釜中被收集。所得姜油树脂为棕红色黏稠液体，萃取率为3.7%，姜油树脂中α-姜烯含量为(157.48±3.45)mg/g(由1.2.3.2节中的定量分析方法测定)，用于下一步的分子蒸馏纯化。

1.2.2 分子蒸馏纯化姜精油

将一定量的超临界萃取所得的姜油树脂装入分子蒸馏的物料瓶中，在冷阱中装入液氮后，打开真空泵，对姜油树脂进行脱气，待脱气完毕后，设定所需的蒸发面温度和系统压力，固定冷凝面温度5℃，设定蒸馏刮膜转速为150r/min，调节进料阀保持进料流量为约1mL/min(1滴/3s)，进而进行分子蒸馏纯化(在蒸馏过程中视液氮挥发程度及时补充冷阱中的液氮)，对所得馏出物(姜精油)和馏余物分别进行收集，分别称量并进行计算后得到姜精油的得率：

1.2.3 分析方法

1.2.3.1 GC-MS结合保留指数法进行定性分析[13-15]

采用GC-MS对超临界CO2萃取得到的姜油树脂进行定性分析。气相色谱配有HP-5MS毛细管色谱柱(0.25mm ×0.25μm，30m)，载气为高纯氦气(99.999%)，流速1mL/min，分流比为50:1，进样口温度260℃，升温程序：50℃保持1min，以3℃/min速率升至280℃，并保持20min。质谱条件：接口温度和离子源温度分别为280℃和250℃，采用EI离子源，电子能量70eV。

结合GC-MS分析结果，对超临界CO2萃取得到的姜油树脂和分子蒸馏得到的姜精油，进行程序升温下的保留指数法定性[16-17]。采用配有FID检测器和DB-5毛细管色谱柱(0.25mm×30m，0.25μm)的气相色谱仪，载气为高纯氮气(99.99%)，柱前压90kPa，分流比20:1；进样口和检测器温度分别为290℃和300℃。升温程序：70℃保持2min，以10℃/min速率升至280℃，保持15min。

1.2.3.2 定量分析

根据定性分析的结果，以姜精油中含量最高的特征性物质α-姜烯作为纯化指标进行定量分析。色谱条件同1.2.3.1节中的保留指数法定性的条件。

定量方法采用内标法，选取与姜烯性质相近的γ-萜品烯作为内标物。

式中：相对质量校正因子采用有效碳数的方法进行估算[18]。每个测定点做3次重复取样，经测定后取平均值。

1.3 中心复合试验设计

在单因素试验的基础上，应用Design Expert 7.0软件，以温度x1和压力x2为变量对分子蒸馏纯化姜精油试验进行中心复合设计(CCD)[19-20]，按方程Xi=(xi－x0)/Δx对自变量进行编码。其中，Xi为自变量的编码值，xi为自变量的真实值，x0为实验中心点处自变量的真实值，Δx为自变量的变化步长。以姜精油的得率及α-姜烯含量的含量作为响应值Y，每个试验点做3次平行取平均值，建立响应曲面数学模型：

式中：X1和X2分别为自变量温度、压力的编码值，An为预测的二次多项式模型的各项系数。

2 结果与分析

2.1 分子蒸馏纯化姜精油的单因素试验

2.1.1 温度对姜精油得率及姜精油中的α-姜烯含量的影响

图1为在固定分子蒸馏系统压力(200Pa)下，分子蒸馏的蒸发面温度对姜精油得率和α-姜烯含量的影响。由图1可看出，在蒸发面温度为40～90℃范围内，姜精油得率和α-姜烯含量均随温度升高而增大。在40～70℃，随温度升高而增加的速率较快，增大趋势明显，而在70～90℃，增大趋势较为平缓。通过SAS8.2软件进行多重比较后发现，70℃和90℃条件下姜精油得率的结果之间存在显著性差异；而对于姜精油中α-姜烯含量而言，70、80、90℃条件下得到的结果之间均无显著性差异。由于当蒸发面温度超过100℃时，温度范围已接近水蒸气蒸馏的温度，姜精油中的一些成分可能会发生变化[21]，而分子蒸馏的优势也不能得以发挥。因此，将响应面法优化的温度条件上限设定在90℃，下限设定在60℃为宜。

图1 分子蒸馏温度对姜精油得率和姜精油中α-姜烯含量的影响Fig.1 Effect of distillation temperature on oil yield andα-zingiberene content in the extract

2.1.2 压力对姜精油得率及姜精油中α-姜烯含量的影响

图2 分子蒸馏压力对姜精油得率和姜精油中α-姜烯含量的影响Fig.2 Effect of distillation pressure on oil yield andα-zingiberene content in the extract

图2 为在固定分子蒸馏蒸发面温度(70℃)下，分子蒸馏的系统压力对姜精油得率和α-姜烯含量的影响。

由图2可看出，在压力20～380Pa时，姜精油得率和α-姜烯含量均随压力升高有先增大后减小的趋势。通过SAS8.2软件进行多重比较后发现，在80、140、200Pa下得到的姜精油得率的结果之间均不存在显著性差异，而对于姜精油中α-姜烯含量而言，200Pa和260Pa下得到的结果之间均无显著性差异。因此，在响应面优化中将压力的上下限分别选择为260Pa和80Pa即可。但考虑到编码值和实际值的换算，将压力上下限定为280Pa和80Pa。

2.2 响应曲面法优化分子蒸馏纯化姜精油

2.2.1 姜精油纯化中心复合设计(CCD)的因素和水平选择

根据单因素试验结果，采用响应面优化试验中的中心复合设计方案，进行两因素五水平试验设计。选取的因素水平结果见表1。通过如下变换：X1=(x1－75)/15，X2=(x2－180)/100，对各试验组的因素参数进行编码。

表1 CCD两因素五水平试验设计Table1 Factors and levels in the central composition design

2.2.2 姜精油纯化中心复合设计(CCD)的试验方案及结果

根据响应面法中的中心复合试验设计方案，进行分子蒸馏纯化姜精油的试验(表2)。

表2 分子蒸馏纯化姜精油CCD试验方案及结果Table2 Central composition design arrangement and experimental results

通过多元回归分析，分别得到以姜精油的得率(Y1)和α-姜烯含量(Y2)作为响应值，蒸馏温度编码值(X1)和蒸馏压力编码值(X2)为变量的二元二次回归方程：

式中：方程(2)的相关系数R2为95.63%，调整判定系数R2Adj为92.52%；方程(3)的相关系数R2为93.31%，调整判定系数R2Adj为88.53%。

方程各项系数的显著性分析结果见表3，结果显示，温度、压力及其交互项系数均达到显著水平。模型的方差分析结果见表4，结果显示，姜精油得率的模型和α-姜烯含量模型均达到显著水平，蒸馏温度和蒸馏压力与姜精油得率之间存在显著的回归关系，与姜精油中α-姜烯的含量也存在显著的回归关系。因此，(2)和(3)两方程模型可以用来预测蒸馏温度和压力对分子蒸馏纯化姜精油结果的影响。蒸馏温度和压力对分子蒸馏纯化姜精油结果的影响如图3、4所示。

表3 姜精油得率模型和α-姜烯含量模型的回归方程各项系数的方差分析(ANOVA)Table3 Analysis of variance (ANOVA): estimated regression coefficients for the quadratic polynomial models for oil yield and α-zingiberene content in the extract

表4 姜精油得率模型和α-姜烯含量模型的方差分析(ANOVA)结果Table4 Analysis of variance (ANOVA): the quadratic polynomial models for oil yield andα-zingiberene content in the extract

图3 分子蒸馏的温度和压力对姜精油得率影响的响应曲面Fig.3 Response surface plot showing the interactive effects of distillation temperature and pressure on oil yield

图4 分子蒸馏的温度和压力对姜精油中α-姜烯含量影响的响应曲面Fig.4 Response surface plot showing the interactive effects of distillation temperature and pressure onα-zingiberene content in the extract

2.2.3 响应面法优化姜精油纯化工艺

根据响应面模型，对试验结果进行优化选择。利用Design Expert 7.0软件中的优化程序，对相关参数进行范围和要求的选择，得出优化方案。由于本实验需要在尽可能大的姜精油得率下，提高姜精油中α-姜烯含量，因此对参数进行以下设定，见表5。

根据响应面模型及设定条件，得到优化方案为温度76℃、压力147Pa，根据回归方程，预测的姜精油得率为42.25%，α-姜烯含量为448mg/g。在上述条件下进行验证实验，得到姜精油的得率为(42.23±1.65)%，α-姜烯含量为(445.48±6.95)mg/g，与回归方程的预测值基本吻合，验证了实验模型的合理性。

3 讨论与结论

本研究将响应面法中的两因素五水平中心复合设计用于分子蒸馏纯化姜精油的工艺优化。研究数据显示分子蒸馏的蒸发面温度、系统压力及其交互作用对纯化姜精油的得率及α-姜烯含量均有显著影响；在本研究实验范围内建立响应曲面模型能够较准确的预测分子蒸馏纯化姜精油的结果，最佳工艺参数为温度7 6℃、压力147Pa。在此条件下，超临界CO2萃取得到的姜油树脂中α-姜烯含量从157.48mg/g提高到(445.48±6.95)mg/g。

本实验将超临界CO2萃取得到的棕红色黏稠状姜油树脂进行分子蒸馏纯化，从而得到色泽浅黄透明、流动性好、香气馥郁、无溶剂残留的优质姜精油产品，且较低的蒸馏温度保护了姜精油中的萜烯类热敏成分。分子蒸馏技术与超临界CO2流体萃取技术联用，可以发挥绿色工艺的优势，获得高品质的姜精油，保持姜原有的风味和功能成分。经分子蒸馏纯化后的姜精油纯净、绿色无污染，经合理的微胶囊化或其他方法稳态化后，可以作为天然的止吐、消炎、保肝护肝等药物或功能食品。分子蒸馏纯化技术在天然产物提取纯化方面具有良好的应用前景。

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Optimizing Conditions for the Purification of Ginger Essential Oil by Molecular Distillation Using Response Surface Methodology

LIANG Zheng，HU Xue-fang，ZHAO Hang，LI Shu-yan，NI Yuan-ying*
(College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Molecular distillation was used to purify the essential oil from ginger oleoresin extracted with supercritical CO2. Based on single factor investigations, the optimization of distillation temperature and pressure by central composition design coupled with response surface methodology was performed for achieving both higher oil yield and α-zingiberene content. The two factors and the interaction between them all significantly affected oil yield andα-zingiberene content. Distillation temperature of 76 ℃and distillation pressure of 147 Pa were found optimal, and the resultant oil yield andα-zingiberene content were (42.33 ± 1.65)% and (445.48 ± 6.95) mg/g, respectively.

molecular distillation；response surface methodology；ginger essential oil；α-zingiberene

TQ65；TS255

A

1002-6630(2010)20-0067-05

2010-01-08

梁峥(1985—)，女，硕士研究生，研究方向为天然产物提取与功能食品开发。E-mail：liangzheng.cau@gmail.com

*通信作者：倪元颖(1960—)，女，教授，硕士，研究方向为果蔬加工、天然产物提取和功能食品开发。E-mail：niyuany@163.com