多级分子蒸馏精制姜黄挥发油

李 琼，文 震，吕杨效

(1.华南理工大学化学与化工学院，广东广州510640; 2.深圳大学化学与化工学院食品科学与工程系，广东深圳518060)

多级分子蒸馏精制姜黄挥发油

李 琼1，文 震2，*，吕杨效1

(1.华南理工大学化学与化工学院，广东广州510640; 2.深圳大学化学与化工学院食品科学与工程系，广东深圳518060)

目的:为提高姜黄挥发油中姜黄酮与姜黄烯的含量，采用多级分子蒸馏的方法对姜黄挥发油进行精制。方法:以超临界CO2萃取的姜黄油为原料，考察蒸馏温度、进料速度、刮膜转速等因素对姜黄油蒸馏效果的影响，再逐步提高真空度与蒸馏温度，对姜黄油进行多级蒸馏。结果:根据正交实验结果，确定一次蒸馏条件为蒸馏温度70℃，进料速率1.5mL/min，转子转速250r/min。经五次蒸馏后，姜黄油中姜黄酮和姜黄烯的质量分数提高到80%以上，总得率为30.29%。结论:多级分子蒸馏技术使姜黄酮和姜黄烯分别与单萜等轻质组分、脂肪酸等重质成分依次分离，为姜黄挥发油的分离提纯提供了一条新途径。

姜黄挥发油，分子蒸馏，姜黄烯，姜黄酮

姜黄是姜科姜黄属植物姜黄(Curcuma longa L.)的干燥根茎，具有抗氧化、抗肿瘤、抑菌等多种生理活性，广泛应用于食品与医药行业［1－2］。姜黄挥发油主要含有1，8－桉叶油素、姜黄烯、β－倍半水芹烯、姜黄酮、香叶酮、油酸等单萜、倍半萜、脂肪酸等化学成分，其中姜黄酮、姜黄烯是姜黄挥发油的主要有效成分，经提纯后可用作功能食品、药品、日化产品的中间体，具有广阔的市场前景［3－4］。姜黄挥发油通常采用水蒸汽蒸馏、溶剂萃取，近年来逐渐采用超临界CO2萃取的方法制备［5－6］。为提高姜黄挥发油中的姜黄酮与姜黄烯的含量，还需进一步采取柱层析或精馏方法进行。柱层析分离步骤繁琐，要使用大量的有机溶剂，对环境和人体健康都有一定的危害;而普通精馏过程中姜黄酮与姜黄烯因长时间加热而氧化降解，会影响到产品的质量［7］。分子蒸馏在高真空度条件下进行非平衡连续蒸馏，混合物可以在远低于常压沸点的温度下挥发，分离度比常规精馏过程高，同时可以解决常规蒸馏不能解决的物料受热分解、聚合等问题［8－9］。由于姜黄酮与姜黄烯在姜黄挥发油中属于中间组分，一次蒸馏难以到达与单萜等轻质组分与脂肪酸等重质组分同时分离的作用。基于此，本研究采用多级分子蒸馏对超临界萃取的姜黄挥发油进行精制，研究蒸馏过程的影响因素，并优化纯化条件，以期为姜黄酮与姜黄烯的高效分离提供一条有效途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

姜黄油 自制，超临界CO225MPa，40℃下萃取。

MD－S80分子蒸馏装置 广州汉维机电冷气有限公司;Angilent 6820气相色谱仪 美国安捷伦公司;Voyager气质联用仪 美国Finingan公司。

1.2 实验方法

一级蒸馏:将姜黄油置于进料器中，控制系统达到预定温度和真空度后，启动刮膜机构，调定好转速，使姜黄油均匀分布于蒸发器表面。单萜等轻质组分气体直接进入中间冷凝器冷凝，流入轻相收集瓶C;姜黄酮、姜黄烯以及脂肪酸等重质组分沿蒸发器筒体内壁进入重相收集瓶B，流程图如图1所示。重(轻)相中有效成分含量与得率按式(1)、式(2)计算。

图1 分子蒸馏流程图Fig.1 Flow diagram of multistage molecular distillation

多级蒸馏:按同样的方法对收集的重相与轻相分别进行重新进料多次蒸馏分离。

1.3 分析方法

姜黄油中姜黄烯与姜黄酮含量由气相色谱对姜黄油分析，色谱条件为:色谱柱:DB－5石英毛细管柱(30m×250μm×0.25μm);进样口温度:250℃，FID检测器温度:300℃;柱温(程序升温):100℃(1min)→(10℃/min)→300℃(5min);分流比1∶50;载气: N2，流量:1.0mL/min。

2 结果与分析

2.1 姜黄油的一次蒸馏过程

在分离姜黄油的过程中，蒸馏工艺参数对蒸发液膜表面的温度和浓度分布会产生不同程度的影响。由于第一次蒸馏是分离单萜等轻质组分，采用低真空系统即可分离，真空度固定为3.7×104Pa。采用单因素的实验方法，研究一次蒸馏过程中，蒸馏温度、进料速率、刮膜器转子速率等影响因素对所收集的姜黄油重相中姜黄酮、姜黄烯有效成分含量和重相得率的影响。

2.1.1 蒸馏温度的影响 图2反映了蒸馏温度对有效成分含量与重相得率的影响。在同样温度下，轻组分的蒸发速率比重组分的蒸发速率大。在蒸馏初始阶段，液膜表面的轻组分浓度高，蒸发速率大。温度升高，液膜内轻组分的浓度逐渐降低，重质组分开始蒸馏出来，重相得率降低，而有效成分含量逐渐升高。当蒸馏温度范围为50～70℃，有效成分含量较高，同时保持较高的重相得率。

图2 温度对姜黄油一次蒸馏的影响Fig.2 Effect of temperature on one molecular distillation of turmeric oils

2.1.2 进料速率的影响 进料流速对有效物质含量与重相得率的影响见图3。进料速率主要影响物料在蒸发器壁面上的停留时间:进料速率过快，重质组分中一部分有效物质被蒸馏出来，得率较低，有效成分含量下降;进料速率慢，一部分轻质组分又不能蒸馏出来，有效物质的含量低。因此，进料速率选择1～2mL/min。

图3 进料流速对姜黄油一次蒸馏的影响Fig.3 Effect of feed rate on one molecular distillation of turmeric oils

2.1.3 刮膜转速的影响 刮膜器转子的旋转速率对有效物质含量与重相得率的影响如图4所示。刮膜器转速过低，原料在蒸发表面难以形成均匀液膜。转速提高，液膜和头波的混合间隔时间缩短，液膜表面更新时间也随之变短，使得液膜表面的温度和浓度在圆周方向上梯度减小，有利于提高轻组分的蒸发速率。但转速过高，会使转子上的重组分甩到冷凝器上，降低重相收率，综合考虑，选择150～250r/min为适宜的转速。

图4 刮膜转速对姜黄油一次蒸馏的影响Fig.4 Effect of wiper speed on one molecular distillation of turmeric oils

2.1.4 一次蒸馏正交实验结果 单因素实验确定了姜黄油分子蒸馏的较优的实验范围，在此基础上进一步确定姜黄油的分子蒸馏的最佳工艺条件，采用三因素三水平正交设计实验，D为空列，供计算方差所用，实验因素水平见表1，正交实验结果列于表2中，方差分析见表3。

表1 姜黄油一次蒸馏实验因素水平表Table 1 Factors and levels of one molecular distillation of turmeric oils

根据极差结果，在姜黄油分子蒸馏过程中，影响有效成分含量与重相得率的因素的主次顺序为蒸馏温度(A)＞进料速率(B)＞刮膜转速(C)。方差分析表明，对于有效成分含量，蒸馏温度影响显著，进料速率、刮膜转速影响不显著;对于重相得率，蒸馏温度影响非常显著，刮膜转速影响不显著。根据多指标正交评价体系，以有效成分含量作为主要指标，兼顾得率，姜黄油分子蒸馏的最佳条件为A3B2C3，即蒸馏温度70℃，进料速率1.5mL/min，转子转速250r/min。在最佳条件下验证，有效成分含量为60.46%，重相得率为72.45%，说明该最佳工艺是可靠的。

2.2 多级蒸馏精制姜黄油

GC/MS对姜黄油进行成分分析，姜黄烯与姜黄酮为倍半萜，属于中间分子量组分，单萜类成分属于轻质成分，脂肪酸等属于重质成分。要纯化姜黄酮与姜黄烯，需同时与轻质组分与重质组分进行分离，这就增加了分离的难度。正交实验结果表明，一次蒸馏往往不能将单萜等轻组分完全除掉，姜黄酮与姜黄烯的含量之和只能达到50%左右。因此，将分离的重质组分再经过多级蒸馏，在同等温度和真空度下经过三次蒸馏去除轻相成分，然后再逐步调高温度和真空度，将第三次蒸馏的重质组分再经两次蒸馏，收集蒸馏的轻质成分，具体流程如图5所示，姜黄油精制结果如表4所示。

表2 姜黄油一次蒸馏正交实验结果Table 2 Orthogonal experiments for one molecular distillation of turmeric oils

表3 姜黄油一次蒸馏方差分析表Table 3 Analysis of variance result of orthogonal experiment of one molecular distillation of turmeric oils

图5 姜黄油多级分子蒸馏流程图Fig.5 Flow diagram of multistage molecular distillation of turmeric oils

实验结果显示，经过三次蒸馏后，单萜等轻质组分基本被分离出来，此时姜黄酮与姜黄烯成为重质成分中的相对轻质成分，再经过两次蒸馏方法后对其进行二次分离，脂肪酸等仍保留在重相组分中，馏出的轻相物质即为产品，其中姜黄酮和姜黄烯的含量提高到80%以上，姜黄油总得率为30.29%。

表4 姜黄油多级蒸馏精制结果Table 4 Experimental results of multistage molecular distillation of turmeric oils

3 结论

3.1 采用分子蒸馏法一次蒸馏姜黄挥发油的工艺条件为:蒸馏温度70℃，进料速率1.5mL/min，转子转速250r/min，真空度为3.7×104Pa。在相同条件下经过三次蒸馏收集姜黄挥发油的重相成分，进料速率与转子速度保持恒定，再调高真空度与蒸馏温度，分别在600、500Pa，80、90℃下经过第四次、第五次蒸馏，获得经精制后的姜黄挥发油。

3.2 采用五级蒸馏法，可以使姜黄酮和姜黄烯分别与单萜等轻质组分、脂肪酸等重质成分依次分离，精制后的姜黄油中姜黄酮和姜黄烯的质量分数提高到80%以上，总得率为30.29%，提高了产品的附加值，从而为姜黄挥发油的分离提纯提供了一条新途径。

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Purification of essential oil from Curcuma longa L.by multistage molecular distillation

LI Qiong1，WEN Zhen2，*，LV Yang－xiao1
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China;2.Department of Food Science and Engineering，College of Chemistry and Chemical Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China)

To improve the content of curcumene and turmerone，turmeric oil extracted by supercritical carbon dioxide from Curcuma longa L.were purified by multistage molecular distillation.Effects of distillation temperature，feed rate and wiper speed on one－time distillation of turmeric oil were discussed.The turmeric oil was distillated by increasing the vacuum degree and temperature gradually.The conditions were optimized according to the orthogonal experiments as following:70℃ as distillation temperature，1.5mL/min as feed rate and 250r/min as wiper speed.The content of curcumene and turmerone and total yield of turmeric oil were above 80%and 30.29%，respectively with five－time distillation.The results showed that multistage molecular distillation provided a valid way for separation of curcumene and turmerone from monoterpenes and fatty acids in the turmeric oil.

turmeric oil;molecular distillation;curcumene;turmerone

TS201.1

B

1002－0306(2012)02－0338－04

2011－08－25 *通讯联系人

李琼(1967－)，女，博士，副教授，研究方向:食品工艺。

深圳市科技计划基础研究项目(JC200903120089A);深圳市产学研项目(2008342);国家自然科学基金项目(20606013);深圳市功能高分子产品实验室开放基金。