超聲波法輔助提取肉桂醛的工藝研究

姚杭村，崔飛鶴，王娟

（華南理工大學食品科學與工程學院，廣東廣州510641）

肉桂，也叫大桂、平安樹等，歸屬樟科。樟科植物普遍含有揮發性精油，陳鴻等使用索氏提取法提取了5種常見樟屬植物的精油，發現在樟樹、猴樟、大葉桂、陰香及肉桂這5種植物中，肉桂葉片所含精油最少，呈淡黃色，其平均出油率僅有0.32%[1-3]。

目前植物精油的提取主要有水蒸氣蒸餾法、超聲波輔助提取法、溶劑浸提法、連續亞臨界水萃取法和超臨界二氧化碳萃取法等。其中水蒸汽蒸餾法是目前企業生產中普遍使用的操作方法，肉桂醛得率較好，但同時存在溫度高，能耗大的問題；溶劑提取法主要是利用相似相溶的原理，將沸點不太高的有機溶劑（如正己烷、乙酸乙酯、石油醚）加入到固體原料中，將其中的某些組分浸提出來，得到的肉桂醛得率低，同時容易污染環境[4-6]；連續亞臨界水萃取法無毒，殘留量低，設備簡單，萃取時間短，但是亞臨界水的溫度很高，對萃取化合物的熱穩定性有著較高的要求；超臨界二氧化碳萃取法萃取出來的植物精油會非常接近植物內原有的芳香物質組成，但這種提取法需要的器材數量龐大且價格昂貴。

超聲波提取技術是一種新型提取技術。超聲波提取機有一個探頭，機器通過壓電換能器在探頭上產生機械振動波，然后浸在液體中的探頭就可以把這種能量傳遞給提取劑，因此能很大程度上提高提取劑中的物質分子運動的速度和頻率，有利于溶劑分子更快更容易的穿透提取物細胞，讓被提取物更快的溶出。由于機械振動而產生的，還有空化、擾動、擊碎、擴散、乳化等。又因為超聲波提取對操作要求比較簡單，同時又有比較高的提取率，所以受到越來越多的青睞[7-8]。

李順峰等利用超聲波輔助提取蘑菇菇柄中的蛋白質，其將蘑菇菇柄干燥粉碎后，取一定質量的菇粉，按照試驗設定好的料液比，超聲功率，溶劑pH值及超聲時間進行超聲波破碎提取。采用先單因素試驗后正交試驗的思路，最終優化出超聲波提取的最佳條件：超聲功率150 W，料液比1∶35，pH10.0，提取率達到6.87%。另外作者還進行了對比試驗，在傳統的堿法提取蛋白質中，提取率僅僅1.95%，為超聲波提取的29%[9]。馮穎等使用超聲波對無梗五加果的多糖提取過程進行了優化，其中采用了響應面分析法。先是選定了提取功率、提取時間、料液比和提取溫度4個因素進行了單因素試驗，后又根據中心組合設計進行了四因素三水平的響應面分析，最終測得多糖得率為3.491%，與理論值3.700%十分接近[10]。

因此，利用超聲波輔助提取精油不失為一種選擇。從環保、節能和企業盈利的角度出發，超聲波作為一種現代提取技術，如果運用到各種動植物有效成分的提取工藝中，一能為企業降低成本，節約時間，帶來直接的經濟效益；二是對環境更友好，減少能源消耗，減少企業二氧化碳排放。同時超聲提取設備價格不高，適用性廣，綜合性價比高。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

肉桂粉：羅定市浩良香料有限公司；無水乙醇（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；肉桂醛（分析純）：天津市富宇精細化工有限公司；蒸餾水：華南理工大學食品科學與工程學院自制；電子天秤：上海精科有限公司；JY92-II DN超聲波細胞破碎機：寧波新芝生物科技股份有限公司；UV-1800紫外-可見分光光度計：日本島津公司；TDL-5-A離心機：上海安亭科學儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 肉桂醛標準曲線的制作

肉桂醛標準曲線制備方法：取0.5 mL肉桂醛標準溶液，用乙醇稀釋至50 mL，取出1 mL稀釋至50 mL，分別取1.5、2.0 mL稀釋至50 mL，用紫外-可見分光光度計進行全波長掃描，確定其最大吸收波長為289 nm；分別取 0、0.5、1.0、1.5、2.0 mL 稀釋至 50 mL。在 289 nm處測試吸光度，以吸光度為縱坐標，以體積濃度為橫坐標，繪制標準曲線為y=186 000x+0.046，R2=0.999 1。

1.2.2 超聲波處理

取 50 g的肉桂粉，過 20目篩，分別以 1∶8、1∶10、1 ∶12、1 ∶15（g/mL）的料液比，混合均勻后，置于一定參數（工作3 s，間隙2 s）下的超聲波機器下處理一段時間，之后取出放入離心機，常溫下按3 000 r/min的轉速離心10 min，取上清液稀釋500倍后測試吸光度，記為Y1，根據標準曲線可得體積濃度X1。

式中：P為提取率，%；X1為體積濃度；V為提取液體積，mL；M為肉桂粉的質量，g。

1.2.3 以水為溶劑進行的單因素試驗

以水為溶劑，分別進行以下3組單因素試驗，參數分別為：1）料液比[物料與提取劑比例分別取1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1 ∶15（g/mL）]，功率密度取 10 W/mL，處理時間取 40 min；2）料液比取 1 ∶10（g/mL），超聲處理時間（分別取 20、30、40、50、60 min），功率密度取 10 W/mL；3）超聲功率密度（分別設定 6、8、10、12、14 W/mL），料液比取 1 ∶10（g/mL），超聲時間取 40 min；每組進行3次平行試驗，從而確定各因素較優的萃取范圍。

1.2.4 以乙醇為溶劑進行的單因素試驗

以乙醇為溶劑，分別進行以下4組單因素試驗，參數分別為：1）乙醇濃度（分別取0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%），料液比取1 ∶8（g/mL），功率密度取 12 W/mL，處理時間取 30 min；2）乙醇濃度取 50%，料液比[分別取 1 ∶6、1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12、1 ∶15（g/mL）]，超聲處理時間 40 min，超聲功率密度 12 W/mL；3）乙醇濃度取 50%，料液比取 1 ∶8（g/mL），超聲處理時間（分別取 10、20、30、40、50、60 min），功率密度取12 W/mL；（4）乙醇濃度取50%，超聲功率密度（分別設定 6、8、10、12、14 W/mL），料液比取1∶8(g/mL），超聲時間取40 min；每組進行3次平行試驗，從而確定各因素較優的萃取范圍。

1.2.5 正交試驗

根據之前的單因素試驗，給每個因素確定3個最優水平，超聲波輔助提取肉桂醛的因素水平表（以水為溶劑）見表1，乙醇中超聲波提取肉桂醛的因素水平表（以乙醇為溶劑）見表2，以肉桂醛得率為指標進行正交試驗，每組試驗分別做3個平行，對最終的試驗結果進行極差分析。

表1 超聲波輔助提取肉桂醛的因素水平表（以水為溶劑）Table 1 Factor level table of ultrasound-assisted extraction of cinnamaldehyde(water as solvent）

表2 乙醇中超聲波輔助提取肉桂醛的因素水平表（以乙醇為溶劑）Table 2 Factor level table of ethanol ultrasonic-assisted extraction cinnamaldehyde（ethanol as solvent）

2 結果與分析

2.1 超聲波輔助提取肉桂醛（以水為溶劑）

2.1.1 料液比對肉桂醛得率的影響

料液比對肉桂醛提取率的影響見圖1。

圖1 料液比對肉桂醛提取率的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of cinnamaldehyde

如圖1所示，物料與提取劑比例小于1∶10（g/mL）時，提取率隨提取劑增多而增大，當料液比為1∶10（g/mL）時，超聲處理得到的肉桂醛得率有最大值為0.58%，在此之后得率漸漸下降。分析原因如下：隨著溶劑比例的提高，溶液中肉桂醛濃度降低，擴散的壓力差增大，有利于肉桂醛擴散；由于肉桂醛擴散量一定，故繼續增加溶劑體積，也不會促進肉桂醛擴散[11]。

2.1.2 處理時間對肉桂醛得率的影響

處理時間對肉桂醛提取率的影響見圖2。

圖2 處理時間對肉桂醛提取率的影響Fig.2 Effect of processing time on the cinnamaldehyde extraction rate

如圖2所示，當處理時間延長時，肉桂醛提取率變大，當處理時間為40 min時取得最大值0.58%，之后由于超聲時間過長，溶質分子劇烈碰撞等使肉桂加熱過久，最終肉桂醛揮發嚴重導致提取率下降[12]。

2.1.3 功率密度對肉桂醛得率的影響

功率密度對肉桂醛提取率的影響見圖3。

圖3 功率密度對肉桂醛提取率的影響Fig.3 Effect of power density on cinnamaldehyde extraction rate

如圖3所示，隨著功率密度的增加，肉桂醛提取率增加，當功率密度為10 W/mL時有最高提取率0.60%。10 W/mL之后，由于超聲功率較大，加熱明顯，肉桂醛揮發嚴重而導致提取率下降[13]。

2.1.4 超聲波輔助肉桂醛（以水為溶劑）工藝條件優化

為了確定最佳工藝條件，以料液比、功率密度、超聲處理時間為3個因素，選用L9（33）進行正交試驗。每組試驗做3個平行試驗，肉桂醛提取率取3次試驗的平均值。正交試驗結果見表3。

表3 正交試驗結果Table 3 Orthogonal experimental results

由表3可知，所選擇的3個因素對肉桂醛提取率的影響順序：料液比＞處理時間＞功率密度，優化后的工藝條件為：料液比 1 ∶12（g/mL），處理時間 30 min，功率密度為12 W/mL。該組合為正交試驗里面的第六組，肉桂醛得率為（0.69±0.01）%。

2.2 超聲波輔助提取肉桂醛（以乙醇為溶劑）

2.2.1 乙醇濃度對肉桂醛得率的影響

乙醇濃度對超聲波提取肉桂醛得率的影響見圖4。

圖4 乙醇濃度對超聲波提取肉桂醛得率的影響Fig.4 Effect of ethanol concentration on the ultrasonic extraction of cinnamaldehyde yield

如圖4所示，隨著乙醇濃度的增大，肉桂醛提取率也明顯增大，當乙醇濃度為70%時有最大值1.93%，當濃度繼續升高直至使用無水乙醇時，肉桂醛得率反而下降。分析原因如下：肉桂醛易溶于乙醇之中，故隨著乙醇濃度的增大，肉桂醛提取率也增大，但當乙醇濃度過高時，同時一些醇溶性類親脂性強的成分溶出與肉桂醛同溶劑結合，使得肉桂醛提取率下降[14]。

2.2.2 料液比對肉桂醛得率的影響

在50%的乙醇溶液作為提取劑的情況下，當處理時間為40 min，功率密度為12 W/mL時，比較不同料液比對肉桂醛提取率的影響，見圖5。

圖5 料液比對乙醇溶液中肉桂醛提取率的影響Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on cinnamaldehyde extraction rate in ethanol solution

如圖5所示，肉桂醛得率在料液比為1∶8（g/mL）時有最大值2.08%。

2.2.3 處理時間對肉桂醛得率的影響

在50%的乙醇溶液作為提取劑的情況下，當料液比為 1∶8（g/mL），功率密度為 12 W/mL時，比較不同處理時間對肉桂醛提取率的影響，見圖6。

圖6 處理時間對乙醇溶液中肉桂醛提取率的影響Fig.6 Effect of treatment time on the extraction rate of cinnamaldehyde in ethanol solution

由圖6可知，在40 min以前，提取率隨時間延長而增加，而在40 min以后，時間因素對提取率并沒有明顯作用，反而稍有降低。分析原因如下：溶質分子劇烈碰撞等使肉桂加熱過久，最終肉桂醛揮發嚴重導致提取率下降[12]。

2.2.4 功率密度對肉桂醛得率的影響

在50%的乙醇溶液作為提取劑的情況下，當料液比為1∶8（g/mL），提取時間為40 min時，比較不同功率密度對肉桂醛提取率的影響，見圖7。

圖7 功率密度對乙醇溶液中肉桂醛提取率的影響Fig.7 Effect of power density on the extraction rate of cinnamaldehyde in ethanol solution

由圖7可知，開始時，肉桂醛提取率隨功率密度的增加而增加，在12 W/mL時有最大提取率2.05%，之后功率密度雖然增加，但是肉桂醛提取率下降，因為超聲波的機械振動引起的熱效應會對易揮發產物的提取有負面影響[15]。

2.2.5 超聲波輔助肉桂醛（以乙醇為溶劑）工藝條件優化

為了確定在乙醇溶液中提取肉桂醛的最佳工藝條件，以乙醇提取劑濃度、超聲提取時間、超聲波功率密度和物料與提取劑比例為4個正交因素，根據單因素試驗的結果，在使各單因素試驗取最大值的點及附近給每個因素取3個水平，每組試驗做3個平行試驗，肉桂醛最終提取率取3次試驗的平均值。因素水平設計見表4。

表4 正交試驗表Table 4 Orthogonal experiment table

續表4 正交試驗表Continue table 4 Orthogonal experiment table

由表4所得，各因素對肉桂醛提取率影響的重要程度為：乙醇濃度＞超聲處理時間＞料液比＞超聲功率密度。由正交試驗可以得知在乙醇溶液作為溶劑來提取肉桂醛的最佳工藝條件為：乙醇濃度為70%，料液比為1∶10（g/mL），處理時間60 min，功率密度為14 W/mL。以此最佳處理條件做補充試驗，得到肉桂醛得率2.36%。

3 結論

本文研究了超聲波破碎提取肉桂粉中肉桂醛的最佳工藝條件，分別以水和乙醇溶液為提取劑，研究了料液比、超聲時間、功率密度對肉桂醛得率的影響。通過先單因素后正交的試驗思路，確定了試驗因素的優先級。

1）對于提取劑為水的情況，正交試驗顯示影響最大的因素是料液比，其次為超聲時間，最后為功率密度。其最佳工藝條件為：料液比1∶12（g/mL），處理時間30 min，功率密度為12 W/mL。在此基礎上，肉桂醛得率為0.69%。

2）對于乙醇為提取溶劑時，正交試驗表明：對肉桂醛得率影響最大的因素是乙醇濃度，其次是功率密度，以及料液比和時間。最佳組合為：乙醇濃度為70%，料液比為1∶10（g/mL），處理時間60 min，功率密度為14 W/mL。以此最佳處理條件做補充試驗，得到肉桂醛得率2.36%。

[1]陳鴻,梁國平,沈宏偉.5種樟屬植物葉片精油提取研究[J].寧夏農林科技,2012(4):79-81

[2]田玉紅,李日南,鄒克興.蒸餾時間對肉桂油化學成分及加香效果的影響[J].北方園藝,2011(5):112-114

[3]黎貴卿,陸順忠,江燕.不同生長階段肉桂葉中油細胞的形態及精油成分[J].廣西林業科學,2016(1):85-88

[4]洪燕珍.苦楝果實中苦楝素的超臨界二氧化碳萃取研究[D].廈門:廈門大學,2007

[5]郭娟,丘泰球,楊日福,等.洋蔥精油的亞臨界水提取[J].華南理工大學學報(自然科學版),2009(4):143-148

[6]阮海燕,肖霄.肉桂醛的應用[J].牙膏工業,2006(2):32-33

[7]梁丹丹.三種植物精油抑制玉米中黃曲霉生長及產毒研究[D].北京:中國農業科學院,2015

[8]曹愛青.肉桂醛在肉牛生產上的應用研究[J].飼料廣角,2012(16):37-38

[9]李順峰,王安建,侯傳偉.超聲波法優化提取雙孢蘑菇廢棄菇柄蛋白質[J].食品科技,2014,39(7):258-261

[10]馮穎,陳巧紅,孟憲軍.響應面法優化無梗五加果多糖超聲波、微波法提取工藝研究[J].食品科學,2010,31(22):268-272

[11]曹楠楠,陳香榮,吳艷.苦豆子多糖的超聲波提取工藝優化及理化性質研究[J].現代食品科技,2014,30(2):209-216

[12]張初署,秦小明,林華娟,等.菠蘿皮渣果膠超聲波提取工藝研究[J].食品工業科技,2007,28(3):147-152

[13]王振斌,劉加友,馬海樂,等.無花果多糖提取工藝優化及其超聲波改性[J].農業工程學報,2014,30(10):262-265

[14]李康,王希希,崔曉瑞,等.紅樹莓多酚提取物閃式提取工藝優化及其抗氧化性[J].食品工業科技,2017,22(5):145-157

[15]張蕾,喬旭光,占習娟,等.超聲波提取對荷葉超微粉中黃酮類物質提取的影響[J].食品工業科技,2007,28(9):137-140