小茴香、桂皮中微量元素含量及溶出特性的研究

孟君,彭秀丽,郭全海,韩永辉,蓝侦方,张欣茹,崔淑静

(1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院, 郑州 450002;2.郑州铁路职业技术学院 药学院,郑州 451460;3.商丘职业技术学院 牧医学院,河南 商丘 476000)

小茴香和桂皮是人们日常生活中常用的调味品,其中,小茴香(FoeniculumvulgareMill.)为伞形科茴香属多年生草本植物茴香的干燥成熟果实,具有散寒止痛、理气和胃的功效,是《中国药典》收载的一味传统中药,也常作为调味品和香料使用[1]。小茴香又名茴香、谷茴香、草茴香、怀香、怀香子、香丝菜等,在我国已有1 000多年的栽培历史,且在大部分省份均有种植,小茴香嫩茎叶可作为蔬菜食用[2-4]。小茴香作为天然调味品已成为家家户户的厨房中的常用调味品,不仅能够直接用于美味佳肴的烹饪,而且可用于制作各种复合香料,仅河南驻马店的王守义十三香调味品集团需小茴香1 000吨/年以上[5-6]。

桂皮,又称香桂,是樟科樟属肉桂组植物树皮的通称,主要分布在我国广东、福建、浙江、四川等省份[7]。桂皮原植物比较复杂,约有10种,其中肉桂是历版《中国药典》收载的药材。在我国,桂皮作为常用中药和烹饪调料已有几千年的使用历史,是我国常用的名贵中药,位列“参、茸、燕、桂”四大补品之一,也是重要的食用香料,为我国调料“八大味”之一,是大家熟知的“十三香”、“五香粉”等的主要原料[8-9]。目前,关于小茴香和桂皮研究主要集中于有机活性成分的研究,而对它们中的无机成分,特别是微量元素及其溶出的研究报道甚少。现代研究表明,微量元素与人体健康有着密切的关系,在人体生命过程中起着重要的作用[10]。小茴香、桂皮不管是作为常用中药还是日常调味品,都在人们的生活中占据着重要地位。本文通过对食用和炮制过的药用茴香、桂皮样品中无机元素Ca、Fe、Mg、Zn、Cu的含量测定及在不同蒸煮条件下Ca、Fe、Mg溶出情况的分析研究,为人们判断从日常饮食料汤中补充人体微量元素的情况,对有益人体健康、开展药食同源调味品中微量元素作用机制研究等方面有着重要的现实意义。

1 材料和仪器

1.1 材料与试剂

食用小茴香、桂皮:产地广西,购于郑州市紫竹路农贸市场;药用小茴香、桂皮(肉桂):产地广西,江西宝芝堂中药饮片有限公司,购于福禧大药房。

硝酸(分析纯):烟台市双双化工有限公司;钙、镁、铁、锌、铜元素标准溶液(GB):1 g/L,国家标准物质研究中心;氯化镧(AR):上海山浦化工有限公司;试验用水为娃哈哈纯净水。

1.2 主要仪器及工作条件

DHG-9145A型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司;电炉 上海树立仪器仪表有限公司;HH-S2恒温水浴锅 江苏金怡仪器科技有限公司;CP214分析天平 奥豪斯仪器(上海)有限公司;240FS AA原子吸收光谱仪(工作条件见表1)、铁、锌、铜、镁、钙空心阴极灯 美国瓦里安公司;试验所用的玻璃仪器均用5%的硝酸浸泡24 h,并用去离子水清洗干净。

1.3 试验内容

采用微波消解法对药用和食用的小茴香、桂皮进行消解,用火焰原子吸收光谱仪测定样品中的Ca、Mg、Fe、Cu、Zn元素的含量,以粉碎粒度、时间、温度、固液比为因素研究不同因素条件对钙、镁、铁溶出的影响,设计四因素三水平正交试验,进一步优化小茴香、桂皮中元素的最佳溶出条件及主要影响因素。

1.4 试验方法

1.4.1 标准溶液的配制

Fe、Zn、Cu、Mg、Ca元素标准系列溶液配制:分别准确量取5种元素标准溶液(1 g/L)10 mL于100 mL容量瓶中,用娃哈哈纯净水定容,配制成浓度为100 mg/L的5种标准使用液。分别移取适量的标准使用液,配制成各元素标准系列工作溶液。在空气-乙炔条件下,火焰原子吸收法为提高Ca元素测定的灵敏度,将标准系列溶液及相应测定的样品加入一定浓度的释放剂氯化镧,使溶液中含镧浓度为10 g/L,各元素标准系列溶液浓度见表2。

表 2 元素标准系列溶液浓度

1.4.2 微波消解及元素总量的测定

将小茴香、桂皮样品依次用自来水、纯净水、娃哈哈纯净水洗净,放入烘箱中60 ℃下烘3 h,冷却至室温后,分别用干净粉碎机粉碎并过60目筛,备用。分别准确称取食用、药用小茴香、桂皮样品各3份,各样品质量分别为食用小茴香0.298 5,0.299 8,0.299 4 g;药用小茴香0.299 8,0.300 0,0.298 9 g;食用桂皮0.299 9,0.300 3,0.298 9 g,药用桂皮0.229 3,0.299 7,0.299 9 g。分别放入干净的消解罐中,依次加入10 mL浓HNO3,预消化消解约15 min,将消解罐按一定的位置放置于微波消解仪中,设定优化后的完全消解条件,见表3。消解完成冷却至室温后,将消解液分别完全转移至50 mL容量瓶中,并用娃哈哈纯净水润洗消解罐2～3次,将润洗液一并转入各个容量瓶中,并用娃哈哈纯净水定容至刻度。每个样品做3个平行样,同时做空白对照。

表3 微波消解条件

1.4.3 小茴香中微量元素的溶出特性研究

1.4.3.1 元素溶出单因素试验

以粉碎粒度、固液比、温度、时间为单因素条件研究其对元素溶出的影响,水提液中微量元素的溶出量是水浸提后料汤中微量元素的总含量,微量元素的溶出率是浸提后料汤中微量元素的总含量与该样品中该种微量元素总含量的比值[11]。

1.4.3.2 正交试验

根据单因素试验结果,设计四因素三水平的正交试验,分析两种调味料中有益元素Ca、Mg、Fe在蒸煮过程中最优溶出条件及主次因素,正交试验因素水平表见表4。

表4 正交试验L9(34)因素水平表

2 结果与讨论

2.1 小茴香、桂皮中5 种元素的总量

在火焰原子吸收仪测定各元素的最佳工作条件下(见表1),设定仪器的精密度为1%的测量模式下,依次测定Ca、Mg、Fe、Zn、Cu标准系列溶液,绘制标准工作曲线。同时在相同条件下分别测定上述1.4.2消解制备的样品,注意测定Ca时样品溶液中加入氯化镧,使镧浓度与标准溶液一致,根据各元素绘制的标准曲线得样品溶液中所含待测元素的浓度,根据浓度、体积和样品质量,换算成样品中元素的真实含量,结果见表5。

由表5可知食用和药用小茴香和桂皮5种元素含量,除桂皮中的Cu元素外,药用和食用两种样品中相同微量元素的含量差别不大。药用和食用小茴香、桂皮中5种微量元素的含量大小为Ca>Mg>Fe>Zn>Cu。由此可见,小茴香和桂皮中的Ca、Mg元素含量都比较丰富, 比较小茴香和桂皮中5种元素的含量,除Fe元素在小茴香中的含量稍低于在桂皮中的含量外,其他4种元素在小茴香中的含量都远高于其在桂皮中的含量。食用小茴香Ca含量高达19.698 2 mg/g,是桂皮中Ca含量的1.6倍以上,食用小茴香中的Mg含量为7.517 2 mg/g,是桂皮中Mg含量的3.2倍以上。小茴香中微量元素Zn、Cu含量分别是桂皮中的6.7倍和4.1倍。

2.2 小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe溶出性质的单因素试验

2.2.1 不同粉碎粒度对元素溶出率的影响

以食用小茴香和桂皮为材料,以二者中含量较丰富的Ca、Mg、Fe为目标元素,分别准确称取不同粉碎粒度的小茴香、桂皮粉1.500 g,粉碎粒度:原料、20目、60目,每种粉碎粒度3个平行样,依次放到浸提袋中,将浸提袋中样品分别放入对应的100 mL烧杯中,分别加入45 mL、60 ℃的娃哈哈纯净水,于60 ℃的恒温水浴锅中恒温浸提30 min后,将浸提液过滤于50 mL容量瓶中,摇匀,由火焰原子吸收仪测定的各样液中Ca、Mg、Fe含量计算得出物溶出率见图1。

图1 不同粉碎粒度对小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe溶出率的影响

由图1可知,对小茴香来说,粉碎粒度对3种元素的溶出影响不大,特别是小茴香中Mg、Fe元素的溶出变化不大,其中,Fe元素溶出率变化不超过1%,小茴香原料中的Ca、Mg、Fe元素总的溶出情况,溶出率大小与元素的含量不相关,3种元素溶出率由大到小为Fe>Mg>Ca;对桂皮来说,不同粉碎粒度的桂皮对Ca、Mg元素的溶出有一定影响,粉碎粒度20目时桂皮Ca、Mg、Fe的溶出率相对较高,特别是Ca、Mg元素在20目时的溶出率最大,说明适当粉碎桂皮有助于Ca、Mg、Fe元素的溶出。在20目的粉碎粒度下,比较桂皮中3种元素的溶出情况,溶出率由大到小为Mg>Ca>Fe,桂皮中元素的溶出率也与其元素含量没有太大的直接关系。

2.2.2 料液(质量)比对元素溶出率的影响

选取粉碎粒度为20目的小茴香、桂皮样品,分别称取每种样品1.500 g各3份,分别放入45,60,75 mL温度为60 ℃的娃哈哈纯净水中浸提30 min(保持恒温),测定不同料液比(1∶30、1∶40、1∶50)下浸提液中Ca、Mg、Fe的含量,计算溶出率,得到溶出率与料液比的关系,见图2。

图2 不同料液比对小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe溶出率的影响

由图2可知,在选择的3种不同料液比条件下,随着料液比变化,小茴香中元素Mg、Fe的溶出率有一定变化,而不同料液比对小茴香中Ca溶出情况的影响不大;桂皮中Ca、Mg、Fe元素的溶出率受料液比的影响也不大,随着液体比例的增加,Mg、Fe的溶出率逐渐略微增大,Mg的溶出率变化在2%左右,Fe的溶出率变化小于1%。综合上述情况,除桂皮中的Ca外,在料液比为1∶50的条件下,小茴香、桂皮中元素都能较好地溶出,在此条件下,小茴香、桂皮中元素的溶出率的大小为 Fe>Mg>Ca。由此看出,增大溶出液体积有助于小茴香、桂皮元素溶出,特别是Fe的溶出,由此也可以看出,小茴香、桂皮中元素溶出率的大小与其在样品中的元素含量不相关。

2.2.3 浸提温度对元素溶出率的影响

选定粉碎粒度为20目的小茴香、桂皮,料液比为1∶50,浸提时间为30 min,温度分别为30,60,90,100 ℃,考察不同温度对小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe元素溶出率的影响,每个样品在不同温度下做3个平行样,分别测定制备样品中Ca、Mg、Fe的含量,计算元素的溶出率,结果见图3。

图3 不同温度对小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe溶出率的影响

由图3可知,小茴香中Ca、Mg、Fe元素在不同温度下溶出率大小变化不同,其中 Ca、Mg的溶出率均随着温度的升高逐渐增大,但温度在90～100 ℃时,溶出率的变化不大,Ca、Mg在100 ℃时的溶出率较高, Fe元素的溶出率受温度的影响不大,温度在60 ℃时Fe达到最佳的溶出效果,温度升高并未增大元素溶出率;桂皮中Ca、Mg的溶出率随温度升高几乎没有变化,桂皮中Fe元素从30 ℃增加到60 ℃时,Fe的溶出率明显增大,在温度为60 ℃时达到最佳溶出效果,继续升高浸提温度,Fe的溶出率反而降低,在90～100 ℃时溶出率基本不变。总之,小茴香中的Ca、Mg元素以及桂皮中的Fe元素的溶出受温度的影响,元素的溶出与元素在样品中的含量无直接关系。

2.2.4 浸提时间对元素溶出率的影响

分别准确称取粉碎粒度的20目的小茴香、桂皮各1.500 g,料液比为1∶50,温度为100 ℃,考察不同时间(从沸腾时开始计时)分别为10,30,60,120 min时对元素溶出率的影响,每个时间做3个平行样,用火焰原子吸收光谱仪测定每个条件下样品溶液中Fe、Ca、Mg含量,计算溶出率,得到3种元素在不同时间下的溶出情况,见图4。

图4 不同时间对小茴香、桂皮中 Ca、Mg、Fe溶出率的影响

由图4可知,小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe元素的溶出率受浸提时间的影响呈规律性变化,随着时间的增加,元素的溶出率均有不同程度的增加。不同元素随时间的延长其溶出率的增加幅度不同,且同一元素在不同时间段的溶出率也不同,当时间在60～120 min时,溶出率增大不明显。特别是小茴香中的Fe,桂皮中的Fe、Mg的溶出率变化小于1%,因此,综合各元素的情况,小茴香、桂皮在浸提时间60 min条件下,Ca、Mg、Fe元素可达到较好的溶出率,此条件下各元素溶出率由大到小为小茴香Mg>Fe>Ca;桂皮Fe>Mg>Ca 。

2.3 小茴香、桂皮中Ca、Fe、Mg溶出率的正交试验

由单因素试验确定工艺条件的选值范围,在此基础上,为进一步考察因素对元素溶出率的影响,优化各元素的最佳溶出条件,根据单因素试验选择四因素三水平设计小茴香、桂皮正交试验L9(34),试验结果见表6和表7。

表6 小茴香正交试验L9(34)结果

由表6可知,以溶出率为指标,小茴香中Fe元素溶出率的各水平因素最优组合条件为A1B3C3D2,即小茴香粉碎粒度为原料,料液比为1∶40,温度为100 ℃,时间为60 min。由极差Rj可知,4个因素中影响小茴香中Fe溶出率的主次因素为温度>时间>料液比>粉碎粒度。Ca溶出率的最优组合条件是A1B3C3D3,即小茴香粉碎粒度为原料,料液比为1∶50,温度为100 ℃,浸提时间为60 min,影响Ca溶出率的主次因素是粉碎粒度>时间>温度>料液比。Mg溶出率的最佳条件是A1B3C3D3,即小茴香粉碎粒度原料,料液比为1∶50,温度为100 ℃,时间为60 min,影响Mg元素溶出率的主次因素为料液比>时间>温度>粉碎粒度。

总之,从小茴香中Fe、Ca、Mg元素溶出的最佳条件看,除Fe元素溶出的料液比与Ca、Mg元素不同外, Fe、Ca、Mg元素溶出都是原料,在温度为100 ℃、时间为60 min时,达到最佳的溶出效果。从正交试验的极差分析看,影响3种元素溶出的主次因素不同,Fe元素溶出的主要因素是温度,Ca元素溶出受粉碎粒度大小的影响最大,Mg元素溶出主要受料液比的影响。

由表7可知,桂皮中Fe溶出率的最佳条件为A3B3C3D2,即桂皮粉碎粒度为60目,温度为100 ℃,时间为60 min,料液比为1∶40;桂皮中Ca溶出率的最佳条件是A2B3C3D3,即粉碎粒度为20目,温度为100 ℃,时间为60 min,料液比为1∶50;桂皮中Mg溶出率的最佳条件是A2B3C3D3,即粉碎粒度为20目,温度为100 ℃,时间为60 min,料液比为1∶50。桂皮中Fe元素的溶出率最大。极差分析结果表明,影响Fe元素溶出率的主次因素为温度>时间>粉碎粒度>料液比;影响Ca元素溶出率的主次因素为粉碎粒度>时间>料液比>温度;影响Mg元素溶出率的主次因素为粉碎粒度>料液比>温度>时间。

总之,由桂皮正交试验结果可知, Fe、Ca、Mg 3种元素的溶出率最佳温度都为100 ℃,时间均为60 min,其中Ca、Mg元素溶出的最优组合条件完全相同。极差分析表明,Fe元素溶出受温度的影响最大,而Ca、Mg元素溶出受粉碎粒度的影响最大。

上述结果表明,小茴香、桂皮中影响 Ca、Mg、Fe溶出的单因素试验和正交试验结果基本一致。比较两种调味品溶出率可知,小茴香元素溶出率受材料粉碎粒度的影响不大,桂皮适当的粉碎粒度对桂皮中元素特别是Ca、Mg元素溶出有一定影响。比较样品中元素含量和溶出率的大小,二者中元素溶出率与元素在样品中的含量没有直接关系,产生这种情况的原因可能与元素在小茴香、桂皮中存在着不同形态及物质结构特性等因素有关[12]。

3 结论及分析

本文主要研究了小茴香、桂皮中Fe、Ca、Mg、Cu、Zn 5种元素的含量及Ca、Mg、Fe在不同溶出条件下的溶出情况,结果表明,小茴香、桂皮中的5种元素含量大小为Ca>Mg>Fe>Zn>Cu,小茴香和桂皮中富含对人体有益的微量元素,特别是Ca、Mg、Fe的含量比较丰富。由于小茴香、桂皮本身的物质结构特性和元素存在形态不同, Ca、Mg、Fe溶出的主次因素存在不同,但一定条件下可使目标元素较好地溶出。单因素试验和正交试验表明,小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe在浸提温度100 ℃、时间60 min条件下都能较好地溶出。

现代医学已经证明,微量元素与人体健康、生长发育和防病治病有密切关系。生物无机化学在分子水平上已经或正在揭示微量元素在人体内的作用机制[13]。Ca、Mg是必需的生命元素,在整个细胞和代谢中起着结构作用和催化作用,缺Mg可导致多种癌症。Ca和Mg也是构成骨骼组织的主要成分,能促进骨骼组织的正常发育,还可调节神经和肌肉的活动,激活体内多种酶[14-15]。Fe是人体内血红蛋白、肌红蛋白和某些酶的重要组成部分,参与体内氧气和二氧化碳的运输,同时又是细胞色素氧化酶及过氧化氢酶等的组成部分,缺Fe会直接影响人体的营养代谢和免疫力[14]。Fe也与肿瘤的治疗有关,是一些抗癌药物发挥作用必不可少的一种元素。相关研究表明,小茴香中共检测出约32种与人体健康和生命密切相关的无机元素,其中微量元素Fe、Zn、Mn、Ba可能与小茴香的抗癌作用有关[16]。锌与生长发育、代谢、内分泌和神经功能有密切关系,还能为细胞释放能量,延缓衰老。铜与造血过程密切相关,能促进铁由储存场所进入骨髓,加速血红蛋白及卟啉的合成。体内缺铜时,红细胞寿命会缩短,从而导致贫血、冠心病等[17]。本文通过对小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe、Zn、Cu含量及其溶出特性进行研究,优化后使原材料中的Ca、Mg、Fe这些人体所需要的有益元素较大程度地溶出,从微量元素角度看,在一定程度上保障了食品、药品的功效,为其利用价值及作用机制的研究提供了一定参考依据。