從山蒼子油中提純高品質檸檬醛工藝的研究

程　　晶，石寶俊，姜洪芳，朱羽堯，張衛明，*

（1.南京農業大學食品科技學院，江蘇南京210095；2.南京野生植物綜合利用研究院，江蘇南京210042）

從山蒼子油中提純高品質檸檬醛工藝的研究

程晶1，2，石寶俊2，姜洪芳2，朱羽堯2，張衛明2，*

（1.南京農業大學食品科技學院，江蘇南京210095；2.南京野生植物綜合利用研究院，江蘇南京210042）

以山蒼子油為研究對象，用GC-MS聯用儀對山蒼子油的重組分餾余物進行分析，用以香草醛為內標物的內標法對檸檬醛進行定量測定。采用分子蒸餾技術，先通過單因素試驗，探討蒸餾溫度、蒸餾壓力、物料流速對檸檬醛純度及得率的影響。在此基礎上，以檸檬醛純度及得率的綜合權重評分為指標，采用L9（34）正交試驗，確定最佳水平組合。實驗結果表明最佳工藝條件為：蒸餾溫度55℃、蒸餾壓力0.18kPa、物料流速15mL/min，在此條件下，檸檬醛的純度高達98.0%，得率高達77.2%。經中試試驗驗證，此最佳工藝條件可以運用到工業化生產中。

檸檬醛，分子蒸餾，山蒼子油，提純，內標法

山蒼子，又名山胡椒、木姜子、山雞椒、蓽澄茄等，廣泛分布于我國四川、湖南、福建、廣西等長江以南的地區。山蒼子油是一種成分復雜的天然香料，其中檸檬醛為主要成分，一般含量在60%～80%之間，有的可高達90%［1-6］，其含量隨產地，收獲期不同而有所差異。本實驗所購買的山蒼子油原料中檸檬醛的含量經測定為80.9%。檸檬醛是調配、合成香料及制藥工業的中間體，在食品工業中，是一種良好的天然增香劑、防腐劑［7-9］。精制的山蒼子油可直接用于糖果糕點、調味油、醬類調味品的調味增香，并且對多種霉菌具有較強的抗菌作用，可作為天然防腐劑，安全有效的延長食品的保質期［9-11］。

分子蒸餾（Molecular Distillation，簡稱MD）技術，是一種較新型的液—液分離技術，采用分子蒸餾高純化山蒼子油中的檸檬醛，是一種高效，綠色的工藝過程。這一分離技術，保持了原料的天然性，有效提高了醛的含量［12-13］。因此，利用分子蒸餾法提純山蒼子油中的檸檬醛從而得到高品質檸檬醛的研究有利于野生植物的綜合利用開發，并具有可觀的經濟價值。

目前，對于檸檬醛含量的測定多采用面積歸一法［2，12］，而這種方法要求所有組分都要出峰并分離良好，因此具有一定的局限性，測量結果不夠準確。由于GC-MS進樣量小，微小進樣變化及色譜條件改變，都會引起測量結果的不準確，而內標法則可以有效減小誤差，使實驗結果更加準確［14］。本實驗采用分子蒸餾技術提純山蒼子油中的檸檬醛，以香草醛為內標物的內標法測定檸檬醛的含量，并且進行正交實驗，以確定最優工藝條件，從而得到高品質的檸檬醛，旨為工業化生產提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

山蒼子油江西雪松天然藥用油有限公司；丙酮分析純，南京化學試劑有限公司；檸檬醛標準品≥99.2%，Dr.Ehrenstorfer GmbH-Bgm.-Schlosser-Str.6A-86199 Augsburg-Germany；香草醛標準品天津市科密歐化學試劑有限公司。

7820A氣相串聯5975質譜檢測器氣（GC-MS） 安捷倫科技有限公司；分子蒸餾設備無錫海源生化設備有限公司；FA2004電子天平感量0.0001g，上海越平科學儀器有限公司；100μL移液針安捷倫科技有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1內標物的確定選擇合適的內標物是內標法的關鍵。將適量香草醛標準品與山蒼子油原料的混合液，稀釋至合適濃度，分別進行GC-MS測定，對其總離子圖進行分析，從而確定內標物。

1.2.2標準曲線的繪制標準品母液：精密稱取0.0786g檸檬醛標準品，用丙酮定容至1mL容量瓶中，搖勻，得到溶液濃度約為為78.6mg/mL。

標準工作溶液：分別用移液針準確移取200、150、100、50、25μL。標準品母液于2mL容量瓶，再分別準確移取內標物母液各200μL，用丙酮定容至刻度，搖勻。得到標準工作溶液檸檬醛純度分別為7.860、5.895、3.930、1.965、0.9825mg/mL，內標物香草醛的濃度為3.0mg/mL。

以標準工作溶液中檸檬醛的濃度Ci為橫坐標，檸檬醛峰面積與香草醛峰面積比值Ai/As為縱坐標建立標準曲線。

1.2.3樣品準備及檸檬醛得率的測定準確稱取一定量的不同蒸餾條件下的山蒼子油重組分餾余物（約9mg），準確移取濃度為3mg/mL的內標物母液200μL，用丙酮定容至2mL棕色容量，搖勻，用GC-MS上機檢測。從標準曲線方程得到樣品的檸檬醛質量分數，按下式計算檸檬醛得率。

檸檬醛得率（%）=重組分餾余物量/總進樣量×（檸檬醛質量分數/原料中檸檬醛質量分數）×100

1.2.4單因素實驗在分子蒸餾提純檸檬醛的實驗中，選擇蒸餾壓力、蒸餾溫度、物料流速三個影響因子作為分離選擇因素，在刮膜蒸餾轉速為400r/min，投料量1L，冷卻水溫度在12℃左右條件下，設定蒸餾溫度為50℃，進料速率為10ml/min，改變蒸餾壓力（分別為0.10、0.18、0.28、0.50、0.70、1.00、2.00kPa）；設定蒸餾壓力為0.28kPa，進料速度為10mL/min，改變蒸餾溫度（分別為35、40、45、50、55、60、65℃）；設定蒸餾溫度為50℃，蒸餾壓力為0.18kPa，改變進料速度（分別為5、10、15、20、25、30mL/min）。以檸檬醛純度為主要參考指標，檸檬醛得率為次要參考指標（在滿足純度要求的情況下，盡量提高檸檬醛得率，以適應工業化生產），平行取樣并重復三次，取平均值作為實驗結果。

1.2.5正交實驗根據單因素實驗的結果，以綜合權重評分為指標，采用L9（34）正交實驗來確定蒸餾溫度（A），蒸餾壓力（B），進料速度（C）三個影響因素的對檸檬醛純度及得率的影響，每個因素均設計了3個水平，見表1。通過正交實驗，確定用分子蒸餾技術從山蒼子油中生產高純度檸檬醛的最佳工藝條件。

表1　正交實驗因素水平表Table 1　The level of orthogonal design

1.2.6綜合權重評分［15-16］根據生產要求以及實驗經驗，設定主要參考指標檸檬醛純度的權ω1=2.5，次要參考指標檸檬醛得率的權ω2=0.5，兩個指標均是越大越好。綜合權重評分=ω1×檸檬醛純度+ω2×檸檬醛得率。

1.2.7GC-MS檢測條件色譜條件氣相色譜條件：Agilent HP-5MS（30m×0.25mm×0.25μm）；程序升溫：100℃保持5min，以3℃/min升至140℃，以8℃/min升至240℃；檢測溫度250C；載氣氮氣流速1mL/min；尾吹氣流速2mL/min；分流比為100∶1。

質譜條件：離子源溫度250℃，四極桿溫度150℃，EI離子源，電子能量70eV，質量掃描范圍33～600amu，溶劑延遲3min。標準譜庫NIST11.L檢索，內標法計算各組分相對百分含量。

2　結果與分析

2.1內標物的確定

對配制好的山蒼子油原液、香草醛與山蒼子油原液的混合溶液分別進行GC-MS測定，得到總離子流圖如圖1、圖2。根據圖1和圖2可以看出，香草醛（14.871min時出峰）與山蒼子油中的組分峰不重疊，且與兩種檸檬醛出峰時間（8.929、9.960min）較為接近，香草醛性質穩定，不與被測物檸檬醛發生化學反應，所以香草醛可以作為內標物。

2.2標準曲線的建立

以標準工作溶液中檸檬醛的濃度Ci為橫坐標，檸檬醛峰面積與香草醛峰面積比值Ai/As為縱坐標建立標準曲線，見圖3，得到回歸方程Y=0.2243X+0.0545，R2=0.9994，檸檬醛濃度為1～7.86mg/mL范圍內，呈良好的線性關系。

圖1　山蒼子油原料總離子流圖Fig.1　GC-MS total ion chromatogram of Litsea cubeba oil feedstock

圖2　香草醛和山蒼子油原料總離子流圖Fig.2　GC-MS total ion chromatogram of Vanillin and Litsea cubeba oil feedstock

圖3　檸檬醛標準曲線Fig.3　The standard curve of citral

2.3蒸餾條件的單因素實驗

2.3.1蒸餾溫度對檸檬醛純度及得率的影響由圖4可以看出，隨著溫度的升高，檸檬醛得率減小。檸檬醛純度在35～55℃范圍內，隨著溫度的升高而增大，超過55℃，純度基本保持不變。在35～45℃范圍內，由于溫度的升高會使物質分子運動平均自由程增大，輕分子的平均自由程增大，大量的輕組分被蒸發到冷凝面上被冷凝收集；而少數的重組分獲得能量平均自由程也增大，也被冷凝收集，隨著輕組分餾出；因此檸檬醛的純度增大，而檸檬醛的得率減小。溫度繼續升高，大量重組分平均自由程增大，被冷凝收集，因此在45℃后，出現檸檬醛得率急劇下降的現象。在35～55℃范圍內由于輕組分被冷凝餾出，所以檸檬醛的純度從84.3%升高到92.4%，溫度超55℃過后，由于沸點小于檸檬醛的成分基本全部從輕組分收集罐中被冷凝收集，且部分檸檬醛也從輕組分中被餾出，因此重組分中檸檬醛純度略有下降。因此，從檸檬醛的純度以及得率兩方面綜合考慮，選擇45～55℃，作為正交實驗的溫度范圍。

圖4　蒸餾溫度對檸檬醛純度和得率的影響Fig.4　The effect of distillation temperature on citral purity and the yield rate

2.3.2蒸餾壓力對檸檬醛純度及得率的影響實驗結果見圖5。

圖5　蒸餾壓力對檸檬醛純度和得率的影響Fig.5　The effect of distillation pressure on citral purity and the yield rate

由圖5可以看出，隨著壓力的增大，檸檬醛的純度減小，而檸檬醛的得率增大。在0.10～0.70kPa范圍內，由于在溫度一定時，隨著壓力的增大，分子的平均自由程減小，有些較輕分子平均自由程小于冷凝面與蒸發面的距離，與重分子一起從重組分餾余物中餾出，因此輕組分餾余物減少，而重組分餾余物增多。重組分餾余物中的主要成分檸檬醛的得率，隨著壓力的增大而增大，由于輕分子雜質被收集到重組分中，因此檸檬醛純度隨著壓力的增大而減小。因此檸檬醛得率急劇升高，從68.3%升高到98.0%，而檸檬醛的純度也有大幅下降，從98.9%降低到88.4%。0.70kPa后，能夠達到冷凝面的輕組分量、檸檬醛得率及檸檬醛純度均隨著壓力的增大，趨于平衡。綜合考慮檸檬醛純度和得率，選擇0.18kPa～0.70kPa作為正交實驗的壓力范圍。

2.3.3進料速度對檸檬醛純度及得率的影響由圖6可見，隨著進料速度的增加，檸檬醛純度減小，檸檬醛得率增加。在分子蒸餾過程中，進料速率的大小，會影響物料在蒸發面的受熱程度和停留時間，進而影響檸檬醛的純度及得率。進料速度在5～15mL/min范圍內，進料速率太小，停留時間長，部分檸檬醛與輕分子雜質一起蒸到冷凝面上被收集，導致檸檬醛得率低，但輕組分能夠比較充分的被冷凝收集，因此檸檬醛純度較高。當進料速度大于15mL/min時，由于物料在蒸發面停留時間較短，輕組分還沒來得及蒸發到冷凝面上，就隨著重組分一起餾出來，所以檸檬醛純度急劇下降，而被冷凝收集的檸檬醛會逐漸減少，檸檬醛得率會逐漸增大。進料速率從5mL/min提高到10mL/min時，檸檬醛含量從97.4%降到97.0%，減小幅度很小。從10mL/min提高到20mL/min時，檸檬醛含量從97.2%降低到90.1%，降低幅度稍大；但是在10～20mL/min范圍內檸檬醛得率從74.5%增加到84.6%。考慮到在生產中，進料速率過小，會影響到生產效率，因此，結合檸檬醛純度，檸檬醛得率以及生產率等因素綜合考慮，進料速率選擇在10～20mL/min。

圖6　進料速度對檸檬醛純度和得率的影響Fig.6　The effect of feeding rate on citral purity and the yield rate

2.4正交實驗

根據以上單因素實驗結果，選擇合適的實驗范圍，以綜合權重評分為指標，建立L9（34）正交實驗，結果如表2。方差分析表見表3。

根據正交表統計分析，各因素對檸檬醛純度和得率的影響順序是：蒸餾壓力（B）＞蒸餾溫度（A）＞進料速度（C）。由表3可以看出，三個因素中，蒸餾壓力的影響顯著（p＜0.05）。在實驗范圍內，優化最佳水平組合為A3B1C2，即蒸餾溫度55℃、蒸餾壓力0.18kPa、進料速度15mL/min。

2.5驗證實驗及中試實驗

在A3B1C2條件下，做三次投料量為1L的平行實驗，檸檬醛的純度平均值為98.0%，得率為77.2%，綜合權重評分283.6，高于表2中的其他水平組合。為了模擬工業化生產，在此優化條件下做了投料量為20L的中試實驗，檸檬醛的純度為97.9%，得率為77.5%。因此，此最佳工藝條件，可以運用到工業化生產中。

3　結論

從山蒼子油中提純高品質檸檬醛的最佳優化工藝條件在刮膜蒸餾轉速為400r/min、投料量1L、冷卻水溫度12℃左右的條件下，蒸餾溫度55℃、蒸餾壓力0.18kPa、物料流速15mL/min。在實驗水平范圍內，三個影響因素中蒸餾壓力影響顯著，蒸餾溫度的影響次之，進料速度影響最不明顯。此最佳工藝條件也適合山蒼子油量放大的中試實驗，本研究為未來產業化奠定了基礎。

表2　L9（34）正交實驗結果Table 2　Results of L9（34）orthogonal design

［1］周欣，莫彬彬.山蒼子油化學成分的氣相色譜-質譜分析［J］.分析測試學報，2009，20（S1）：75-76.

［2］于長江，宋小平，武晗，等.海南山蒼子分離純化工藝［J］.天然產物研究與開發，2013（25）：695-697.

［3］鐘東洋，鐘文靜.淺談山蒼子的利用與產業化開發措施［J］.科技信息：科學教研，2008（25）：362-363.

［4］王發松，楊發松，任三香，等.山蒼子葉揮發油的化學成分與抗真菌活性［J］.中藥材，1999（8）：400-402.

［5］唐松云.香料生產技術應用［M］.廣州：廣東科技出版社，2000：134.

［6］鄭秋霞，黃敏.從山蒼子油中提取檸檬醛新工藝的研究［J］.遼寧化工，2008，37（7）：442-445.

［7］莫開林.山蒼子油的深加工及產品利用［J］.四川林業科技，2005，26（4）：61-65.

［8］范東翠.山蒼子抗氧化研究［J］.中國調味品，2008（10）：30-32.

［9］劉曉棠，張衛明，張玖．山蒼子資源開發利用的研究［J］.中國野生植物資源，2008，27（4）：22．

［10］和承堯.山蒼子油的深加工綜合利用［J］.云南化工，2005（6）：1-25.［11］范青生.木姜子屬主要藥用植物的品種品質研究［M］.北京：中國輕工業出版社，2000.

［12］黃敏，鐘振聲.分子蒸餾純化天然香料山蒼子油［J］.食品科技，2005，8：52-54.

［13］劉華.分子蒸餾新技術在天然產物分離和其他領域中的應用［J］.中藥材，2000，22（3）：152.

［14］汪正范.色譜定性與定量［M］.北京：化學工業出版社，2000：169-172.

［15］陶菊春，吳建民.綜合加權評分法的綜合權重確定新探索［J］.系統工程理論與實踐，2001，8：43-48.

［16］伍藝，阮競蘭，伍維維.基于多指標實驗設計的膠輥礱谷機工作參數綜合優化分析［J］.包裝與食品機械，2012，30（3）：1-5.

Study on purifying high quality citral from Litsea cubeba oil

CHENG Jing1，2，SHI Bao-jun2，JIANG Hong-fang2，ZHU Yu-yao2，ZHANG Wei-ming2，*
（1.College of Food Science and Technology，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China；2.Nanjing Research Institute for Comprehensive Utilization of Wild Plants，Nanjing 210042，China）

Taking the Litsea cubeba oil the research object，the heavy constituent residue fractionation of Litsea cubeba oil was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry system（GC-MS）using vanillin as an internal standard to determined quantity of citral.The experiment explored the effect of distillation temperature，distillation pressure and material flow on citral purity and the yield rate molecular distillation technology by single factor experiment firstly.On the basis，the experiment applied L9（34）orthogonal test with the comprehensive weight score of citral content and yield rate as the indicators to determine the optimal combination of three factors.The experimental results showed that the optimum conditions was 55℃distillation temperature，0.18kPa distillation pressure，15mL/min material flow with 1L inventory.Under this condition，the purity of citral was up to 98%and the yield rate was up to 77.2%.The pilot test verified that this optimum conditions could be applied to industrial production.

citral；molecular distillation；Litsea cubeba；purification；internal standard method

TS202.3

B

1002-0306（2015）12-0231-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.040

2014－08－29

程晶（1989-），女，碩士研究生，研究方向：食品科學與工程。

張衛明（1957-），男，碩士研究生，研究員，研究方向：野生植物綜合利用。

科研院所發展專項基金（2013EG163228）。