肉桂中主要風味組分油樹脂的提取工藝優化①

房一明 譚園園 秦曉威 初 眾 徐 飛 谷風林

(1中國熱帶農業科學院香料飲料研究所 海南萬寧 571533；2國家重要熱帶作物工程技術研究中心 海南萬寧 571533；3海南省熱帶香料飲料作物工程技術研究中心 海南萬寧 571533；4長江師范學院 重慶涪陵 408100)

肉桂，又稱玉桂、牡桂等[1]，為樟科樟屬常綠喬木，是著名的香料和重要的藥食兩用植物，具有強烈的芳香辛辣味[2]。肉桂原料及初級產品桂油通常作調味料食用，但使用時香味成分會損失及產品中含有大量的夾雜物[3]。肉桂中可提取油樹脂，肉桂油樹脂主要為食品增香劑使用，油樹脂為半流動性粘稠液體，不僅包含揮發性香料精油成分，還包含不易揮發性成分，如刺激性成分和熱感性成分、不揮發性油脂、多糖類化合物、色素及脂肪酸等，其完整保存了香料風味[4]。

不同的香辛料含有不同的風味物質，不同的風味成分在不同溶劑中溶解度也不相同。劉熊等[5]通過多種有機溶劑對比得知，丙酮、乙醇可作為常用的油樹脂提取溶劑。黃啟強等[6]采用氣質聯用儀，對超臨界CO2萃取法和有機溶劑提取法提取的肉桂油樹脂進行了成分對比分析，發現兩種方法所提取的油樹脂化學成分大體上相似，二者主要成分肉桂醛的含量均在70%左右，相較于超臨界CO2萃取法，有機溶劑提取可更降低成本。李萍等[7]研究發現，肉桂油樹脂具有良好的抑菌活性，在食品保鮮領域可進行開發利用，又采用索氏提取法，通過正交實驗優化了油樹脂的提取工藝。目前，關于有機溶劑提取肉桂中主要風味組分油樹脂響應面優化提取工藝的研究未見報道。

本實驗開展肉桂脂溶性油樹脂提取技術的研究，以乙醇濃度、提取溫度、提取時間、料液比為因素，采用響應曲面分析法，以油樹脂得率為考察指標，對肉桂油樹脂提取工藝進行優化，為開發高附加值的肉桂新型產品，促進天然香料精深加工的產業化升級提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料

肉桂(采于廣西岑溪波塘鎮)，無水乙醇、95%乙醇均為分析級試劑。

1.1.2 儀器與設備

快速水分測定儀(MB45)，美國奧豪斯；電子天平(AL104)，美國METTLER TOLEDO；旋轉蒸發儀(R-215)，瑞士步琪；恒溫振蕩器(SHZ-B)，上海博訊；實驗室專用超純水系統(Master-s-plus UVF)，中國和泰。

1.2 方法

1.2.1 實驗材料制備

取干燥的廣西肉桂，將表面清理干凈，經多功能粉碎機粉碎，用60目標準篩過篩，密封后置于棕色干燥器中保存備用。

1.2.2 單因素試驗

以乙醇濃度、提取溫度、提取時間、料液比為因素條件進行單因素試驗，考察肉桂油樹脂得率的變化情況(表1)。

表1 單因素試驗因素及水平

1.2.3 響應面試驗

在單因素實驗基礎上，根據 Box-Behnken設計原理，以肉桂油樹脂得率為響應值，設置乙醇濃度(A)、料液比(B)、提取時間(C)和提取溫度(D)4因素3水平響應面分析試驗。實驗因素水平設計見表2。

表2 Box-Behnken實驗因素水平

1.2.4 數據處理分析

采用Excel 2010進行方差分析，用以評估不同提取條件對肉桂油樹脂得率的影響，運用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面分析，優化肉桂油樹脂的最佳提取工藝。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 乙醇濃度對肉桂油樹脂得率的影響

Y-J法利用的是相似相融原理，乙醇濃度不同導致溶劑極性大小不同，對肉桂油樹脂的溶出效果有影響[11]，因此應確定其最佳乙醇濃度。

由圖1可知，采用Y-J法提取肉桂油樹脂時，乙醇濃度對肉桂油樹脂得率有影響。肉桂油樹脂得率隨乙醇濃度增大而逐漸升高。乙醇濃度為85%時，肉桂油樹脂得率達到最高值，隨后開始降低。這可能是由于隨著乙醇濃度增大，其他醇溶性物質開始大量溶出使得肉桂油樹脂得率減小[12]。因此，提取肉桂油樹脂最佳乙醇濃度為75%～85%。

圖1 乙醇濃度對肉桂油樹脂得率的影響

2.1.2 料液比對肉桂油樹脂得率的影響

料液比不同，液相和固相之間形成的濃度差不同[13]，導致固相在液相中的擴散速度及溶解速度受到影響，因此應確定其最佳料液比。

由圖2可知，料液比對肉桂油樹脂得率有影響。隨溶劑用量增加，肉桂油樹脂得率明顯增加，料液比1∶10時達最大值，隨料液比逐漸增大，肉桂油樹脂得率變化情況不明顯并有降低趨勢，這可能是由于當料液比為1∶10時，肉桂油樹脂在乙醇中已充分溶出，達到溶解動態平衡。因此，繼續增加乙醇用量并不能提高肉桂油樹脂的提取得率[14]。所以，肉桂油樹脂提取的最佳料液比為1∶5～1∶15。

圖2 料液比對肉桂油樹脂得率的影響

2.1.3 提取時間對肉桂油樹脂得率的影響

溶劑與肉桂油樹脂有效成分的接觸時間決定肉桂油樹脂提取得率，因此應確定其最佳提取時間[15]。

由圖3可知，提取時間對肉桂油樹脂得率的影響較大。肉桂油樹脂得率隨提取時間延長呈先增加后降低趨勢，這是由于在一定提取時間內，肉桂與溶劑充分接觸，使得油樹脂得率升高。隨提取時間延長，部分油樹脂成分因長時間提取而受到破壞，導致得率下降，同時，原料中的雜質析出增加[16]，因此，肉桂油樹脂提取的最佳提取時間為3～5 h。

圖3 時間對肉桂油樹脂得率的影響

2.1.4 提取溫度對肉桂油樹脂得率的影響

較高溫度有利于活性成分的提取，同時溫度過高可能會導致部分活性成分損失[17]，因此應確定其最佳提取溫度。

由圖4可知，提取溫度對肉桂油樹脂得率的影響較大。隨溫度升高，油樹脂得率呈先增加后降低趨勢，這是由于溫度升高有利于油樹脂提取，油樹脂成分的擴散速度和溶解速度逐漸增大，得率增加，但隨溫度持續升高會導致油樹脂中部分低沸點成分揮發損失[18]，造成提取得率下降。因此，肉桂油樹脂提取的最佳溫度為60～80℃。

2.2 響應曲面分析

2.2.1 響應面設計與分析

在單因素試驗考察后，以4個響應因子為自變量，肉桂油樹脂得率為因變量響應值，運用中心組合試驗設計原理，進行四因素三水平29個實驗點的測定，結果如表3所示。

試驗數據經回歸擬合，以肉桂油樹脂得率為目標函數的二次回歸方程為：

圖4 溫度對肉桂油樹脂得率的影響

表3 響應面實驗結果

Y＝19.64－0.46 A＋1.89 B－0.28 C－0.088 D－0.015 AB＋0.60 AC－0.29 AD－0.31 BC＋0.14 BD＋0.16CD－0.68 A2－1.21B2－0.99 C2－0.97 D2。

在方程中，A表示乙醇濃度，B表示料液比，C表示提取時間，D表示提取溫度，各項系數的大小和正負表示自變量(因素水平)對因變量(得率)的影響程度和方向[19]。根據回歸方程可得知，B(料液比)對肉桂油樹脂提取得率影響最大，A(乙醇濃度)和C(時間)的交互項、B(料液比)的二次項和C(時間)的二次項對肉桂油樹脂提取得率的影響較大。

2.2.2 回歸模型分析

對回歸模型進行方差分析，檢驗方程有效性，方差分析結果見表4。

表4 回歸模型方差分析結果

由表4可知，該模型(p＜0.000 1)極顯著，說明模型成立，失擬項(p＝0.111 5＞0.05)不顯著，說明模型與真實值之間無顯著差異，二者表明了模型擬合程度高，試驗方案設計可行[20]。模型中回歸方程的相關系數R2＝0.957 8，說明模型精確度高，可準確地對試驗結果進行預測和分析，變異系數C.V.%＝2.51，表明試驗結果與真實值存在2.51%的偏差，模型可靠性較高[21]，調整系數R2adj＝0.915 6，表明該模型能解釋91.56%的響應值變化，擬合度良好，精確度較高，實驗誤差小，重復性好[22]。由一次項、二次項的p值可知，一次項中，A(乙醇濃度)、 B(料液比)和C(時間)的p值均小于0.05， 表現出顯著性，說明這三個因素對響應值的影響作用明顯，D(溫度)的p值大于0.05，表明其對響應值的影響作用不明顯，由此得出四個因素對響應值影響大小的順序為：B(料液比)＞A(乙醇濃度)＞C(時間)＞D(溫度)；二次項的p值均小于0.01，表現出極顯著性。綜上所述，該模型可對肉桂油樹脂提取試驗進行預測和分析。

2.2.3 肉桂油樹脂的響應曲面圖分析

3D立體圖中最高點為等高線圖中最小橢圓形的圓心，其曲面的陡峭程度可直觀地反映兩兩因素的交互作用對響應值的影響情況，曲面越陡峭，交互作用越明顯，反之不明顯，等高線的形狀越趨于橢圓形，表明兩個因素之間交互作用顯著，反之則不顯著[23]。經響應面分析得出各因素間的兩兩交互作用見圖5。

圖5 各因素交互作用對肉桂油樹脂得率的影響

圖5 各因素交互作用對肉桂油樹脂得率的影響

由圖5可知，各圖均成開口向下，凸形的曲面，并且都存在極值。由a、d、e可知，A(乙醇濃度)與B(料液比)、 B(料液比)與C(時間)、 B(料液比)與D(溫度)的交互作用對響應值影響較大，整個曲面陡峭，等高線形狀趨近于橢圓形，說明兩兩因素交互作用顯著。由a可知，料液比對肉桂油樹脂得率的影響大于乙醇濃度；由d可知，料液比對肉桂油樹脂得率的影響大于時間；由e可知，料液比對肉桂油樹脂得率的影響大于溫度。由b、c、f可知，等高線形狀趨近于圓形，說明兩兩因素交互作用不顯著。由b可知，乙醇濃度對肉桂油樹脂得率的影響大于時間；由c可知，乙醇濃度對肉桂油樹脂得率的影響大于溫度；由f可知，時間對肉桂油樹脂得率的影響大于溫度。因此，各因素影響肉桂油樹脂得率依次為B(料液比)＞A(乙醇濃度)＞C(時間)＞D(溫度)，其結果與方差分析結果相同，證明了該模型可靠性高。

2.2.4 驗證實驗

通過Design-Expert 8.0.6對回歸方程求解，得出肉桂油樹脂提取最佳條件：乙醇濃度為79.5%，料液比為1∶14.2(m/v，g/mL)，提取時間為3.59 h，提取溫度為70.61℃，在此條件下肉桂油樹脂得率的理論值為20.62%。

考慮實際操作可行性，將最佳條件修正為：乙醇濃度為80%，料液比為1∶14，時間為3.6 h，溫度為71℃，經三次平行試驗驗證，肉桂油樹脂平均得率為20.46%，結果與理論值相差不大，由此表明試驗模型可靠，實驗結果理想。

3 結論

通過有機溶劑提取肉桂油樹脂，采用響應面試驗設計方法，以油樹脂得率、提取工藝為探討目標，研究不同條件對肉桂油樹脂提取得率的影響情況，建立了肉桂油樹脂提取的最佳工藝條件，驗證實驗表明建立的模型可靠準確。結果表明：乙醇濃度為80%，料液比為1∶14(m/v，g/mL)，提取時間為3.6 h，提取溫度為71℃時，此條件下，提取效果最佳，此時肉桂油樹脂得率為20.46%。油樹脂是肉桂中主要的呈味物質，該研究的目的是確定肉桂中油樹脂的最優提取條件，得到最優的萃取工藝，為我國肉桂中油樹脂的有效開發利用提供一定的借鑒基礎。