新疆孜然精油提取工藝的優化

李治龍 劉新華 郭凌云 趙 明

孜然為傘形花科孜然芹屬一年或二年生草本植物，具有刺鼻的香味，原產于埃及、埃塞俄比亞，后引種進入我國新疆種植成功后，進入內地甘肅、河北等地。其種子呈黃褐色、扁平弧形，有強烈芳辛香氣，經常以整粒、粉末狀、精油等形式用于菜肴的調味、調配食用香精、腌制食品等，亦是新疆著名烤羊肉不可缺少的調味料［1］。在新疆維吾爾族和哈薩克族民間，其果實也可入藥，用于治療消化不良、胃寒腹痛等癥［2］。孜然這些獨特的調味和醫療保健作用都與其揮發性化學成分有著密切的聯系。

關于孜然揮發油的化學成分已有較多研究。Tunc等、Behera S、彭奇均、孫宏、閻建輝、宋根偉［3－10］等分別報道了采用不同提取方法得到的孜然精油成分，并研究了孜然精油的抑菌活性，這對有效利用孜然具有重要的參考價值，但是，這些研究都主要以內地產孜然作為原料，而以我國盛產地新疆的孜然為原料的研究卻很少。因此，本文將以新疆不同產地的孜然為原料，采用多種溶劑對其精油進行提取，初步探討比較各產地孜然精油的出油率。此工作具有重要的現實和理論意義，將為新疆孜然的產業化發展提供一個前期理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

孜然(新疆喀什、阿克蘇、和田、哈密、吐魯番當年產);石油醚(30～60℃)、乙醚、二氯甲烷、正戊烷均為分析純。旋轉蒸發儀:上海申生科技有限公司;多功能萬能粉碎機:北京市永光明醫療儀器廠;電子分析天平:瑞士梅特勒公司;電子恒溫水浴箱:北京卓川電子科技有限公司;油水分離器、燒杯等。

1.2 試驗方法

1.2.1 單因素提取條件對孜然精油提取率的影響

稱取孜然籽100 g，粉碎后過篩，選取不同粒度的原料加入三頸瓶中，按不同的料液比加入不同的溶劑，于不同的溫度條件下，提取一定的時間，提取一次完成后，反復提取一定的次數，最后合并提取液，去除溶劑，計算精油得率，最終得到最佳工藝參數。

1.2.2 通過單因素試驗分別選取4個對提取率影響較大的因素及對應的3個較優水平進行正交試驗，以對提取工藝條件進一步優化。見表1

表1 孜然精油提取正交試驗方案

1.2.3 在正交試驗的最佳提取工藝條件下，以新疆不同產地的孜然為原料進行精油提取，以精油提取率為指標，初步判斷不同產地精油的品質好壞。

2 結果與分析

2.1 提取過程中各單因素條件對提取率的影響

2.1.1 不同溶劑對提取率的影響

不同溶劑對提取率的影響見圖1。根據圖1可知，不同溶劑提取率不同，其中水的提取率最低僅為3.42%，其次是二氯甲烷和乙醚，提取率分別為4.25%和4.68%，其中提取效果最好的是正戊烷，提取率高達5.26%。不同的溶劑提取效果差別很大，這可能是因為不同溶劑的極性差別較大的緣故。

2.1.2 溫度對提取率的影響

在不同的溫度下提取精油，計算精油提取率，結果如圖2所示。由圖可知，溫度在18℃ －39℃的范圍內變化時，隨著溫度的升高，在33℃之前提取率隨溫度的增加而增加，當溫度為33℃時，提取率高達5.43%，但是當溫度超過33℃時，隨著溫度的增加，提取率不再增加反而有所下降，當溫度達到39℃時，提取率僅為4.81%，這可能是因為在提取溫度達到溶劑沸點之前，隨著溫度的提高，增加了溶劑分子和油脂分子的動能，加快了分子運動，促進了擴散作用，所以提取率會快速增加;而當溫度達到溶劑沸點時，由于溶劑的汽化，減少了有效接觸面積，從而降低了提取率。由圖可知，最佳提取溫度為33℃。

2.1.3 時間對提取效果的影響

在33℃條件下，以正戊烷為溶劑，設置不同的提取時間，計算精油提取率。由圖3可知，在時間3－10 h的范圍內，隨著提取時間的增加，精油的提取率逐漸增加，當提取時間達到7 h時，提取率最高;而當提取時間超過7 h后，提取率基本不變或稍有增加。這可能是因為當提取時間達到7 h時，精油基本已被提完的緣故。因此，本試驗確定7 h為最適提取時間。

2.1.4 原料粒度對提取率的影響

不同粒度的孜然以正戊烷為溶劑，于33℃提取7 h，計算精油提取率。由圖4可知，原料粒度從30目增加到100目的過程中，精油提取率呈現先增加后減小的現象，且當篩子目數為70時，精油提取率達到最大。這可能是因為隨著篩子目數的增加，增加了溶劑和原料的有效接觸面積，使精油提取率增加;當篩子目數達到一定目數后，隨著目數的增加，由于顆粒間相互吸附力增大從而導致顆粒間距離變小，結果導致溶劑在粒間和粒內擴散難度增大，影響精油的溢出，因此提取率反而有所下降。因此，本試驗確定70目為最佳粉碎粒度。

2.1.5 料液比對提取率的影響

不同料液比于33℃提取7 h，計算精油提取率。由圖5可知，隨著料液比的增加，精油提取率不斷增加，當料液比為4:1時，精油提取率達到最大值6.97%。當料液比繼續增加時，提取率基本保持不變或者增加不大，這可能是因為隨著溶劑量的增加，稀釋了精油的濃度，從而增加了精油與溶劑的接觸面積，提高了傳質速率，所以在一定的料液比時，提取率會增加，但當料液比繼續增加時，精油提取率不再增加，可能是因為精油已經基本提取完畢。因此本試驗確定料液比4:1為最佳值。

2.1.6 浸提次數對提取率的影響

由圖6可知，隨著提取次數的增加，提取率有不斷增加的趨勢，但當提取次數達到4次時，提取率基本不再增加或者增加較少，這可能是因為當提取次數達到一定值時，精油已經基本提取完。綜合考慮確定本試驗最佳提取次數為4次。

2.2 孜然精油提取工藝優化

根據單因素試驗結果，我們選取浸提溫度、原料粒度、浸提時間、料液比濃度為考察因素，每個因素選擇3個水平選用L9(34)正交表進行試驗，因素水平及結果如表2:

表2 L9(34)正交試驗結果及分析

表3 方差分析表

從表2和表3可以看出，從做的9個試驗中7號試驗提取率最高，提取率高達7.98%，其最佳條件是A3B1C3D2從R值可以看出對試驗影響各因素的主次順序為A＞B＞C＞D，其中溫度、原料粒度大小為顯著因素。

2.2.1 正交補充實驗

根據單因素試驗，得出最佳試驗條件為溫度33℃，原料粒度為70目，提取時間7 h，料液比為4:1，即A3B1C2D2，而在正交試驗中得出最佳試驗條件為A3B1C3D2，即溫度33℃，原料粒度為70目，提取時間8 h，料液比為4:1，分別在這兩個條件下，都浸提3次，分別平行測定五次，得到平均值分別為7.65%、7.82%。由于在正交優化條件中時間延長1 h，而對提取率貢獻不大，綜合考慮到試驗成本，最佳的實驗條件為溫度33℃，原料粒度為70目，提取時間7 h，料液比為4:1，浸提次數為3次。

2.2.2 優化條件下不同產地孜然精油提取率

如圖7所示，在新疆不同地域取當年產孜然進行精油提取時，以喀什、阿克蘇精油出油率最低，和田次之，吐魯番最高，精油出油率高達10.88%。不同產地孜然其出油率差別很大，這可能是因為從南疆到北疆氣溫變化較大。喀什、阿克蘇、和田基本在同一緯度，氣候條件基本相同，所以出油率變化不大，而哈密和吐魯番由于孜然結果期氣溫較高，晝夜溫差大所致。

3 結論

綜合分析認為，新疆孜然的最佳提取工藝條件為溫度33℃，原料粒度為70目，提取時間7 h，料液比為4:1，浸提次數為3次，各因素對試驗的影響順序為溫度＞原料粒度＞浸提時間＞料液比。測定結果表明溫度高，光照時間長的地區孜然精油含量也高，吐魯番地區孜然中精油的含量明顯優于其他地區。

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