小茴香、桂皮中微量元素含量及溶出特性的研究

孟君,彭秀麗,郭全海,韓永輝,藍偵方,張欣茹,崔淑靜

(1.鄭州輕工業大學 食品與生物工程學院, 鄭州 450002;2.鄭州鐵路職業技術學院 藥學院,鄭州 451460;3.商丘職業技術學院 牧醫學院,河南 商丘 476000)

小茴香和桂皮是人們日常生活中常用的調味品,其中,小茴香(FoeniculumvulgareMill.)為傘形科茴香屬多年生草本植物茴香的干燥成熟果實,具有散寒止痛、理氣和胃的功效,是《中國藥典》收載的一味傳統中藥,也常作為調味品和香料使用[1]。小茴香又名茴香、谷茴香、草茴香、懷香、懷香子、香絲菜等,在我國已有1 000多年的栽培歷史,且在大部分省份均有種植,小茴香嫩莖葉可作為蔬菜食用[2-4]。小茴香作為天然調味品已成為家家戶戶的廚房中的常用調味品,不僅能夠直接用于美味佳肴的烹飪,而且可用于制作各種復合香料,僅河南駐馬店的王守義十三香調味品集團需小茴香1 000噸/年以上[5-6]。

桂皮,又稱香桂,是樟科樟屬肉桂組植物樹皮的通稱,主要分布在我國廣東、福建、浙江、四川等省份[7]。桂皮原植物比較復雜,約有10種,其中肉桂是歷版《中國藥典》收載的藥材。在我國,桂皮作為常用中藥和烹飪調料已有幾千年的使用歷史,是我國常用的名貴中藥,位列“參、茸、燕、桂”四大補品之一,也是重要的食用香料,為我國調料“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,關于小茴香和桂皮研究主要集中于有機活性成分的研究,而對它們中的無機成分,特別是微量元素及其溶出的研究報道甚少。現代研究表明,微量元素與人體健康有著密切的關系,在人體生命過程中起著重要的作用[10]。小茴香、桂皮不管是作為常用中藥還是日常調味品,都在人們的生活中占據著重要地位。本文通過對食用和炮制過的藥用茴香、桂皮樣品中無機元素Ca、Fe、Mg、Zn、Cu的含量測定及在不同蒸煮條件下Ca、Fe、Mg溶出情況的分析研究,為人們判斷從日常飲食料湯中補充人體微量元素的情況,對有益人體健康、開展藥食同源調味品中微量元素作用機制研究等方面有著重要的現實意義。

1 材料和儀器

1.1 材料與試劑

食用小茴香、桂皮:產地廣西,購于鄭州市紫竹路農貿市場;藥用小茴香、桂皮(肉桂):產地廣西,江西寶芝堂中藥飲片有限公司,購于福禧大藥房。

硝酸(分析純):煙臺市雙雙化工有限公司;鈣、鎂、鐵、鋅、銅元素標準溶液(GB):1 g/L,國家標準物質研究中心;氯化鑭(AR):上海山浦化工有限公司;試驗用水為娃哈哈純凈水。

1.2 主要儀器及工作條件

DHG-9145A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司;電爐 上海樹立儀器儀表有限公司;HH-S2恒溫水浴鍋 江蘇金怡儀器科技有限公司;CP214分析天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司;240FS AA原子吸收光譜儀(工作條件見表1)、鐵、鋅、銅、鎂、鈣空心陰極燈 美國瓦里安公司;試驗所用的玻璃儀器均用5%的硝酸浸泡24 h,并用去離子水清洗干凈。

1.3 試驗內容

采用微波消解法對藥用和食用的小茴香、桂皮進行消解,用火焰原子吸收光譜儀測定樣品中的Ca、Mg、Fe、Cu、Zn元素的含量,以粉碎粒度、時間、溫度、固液比為因素研究不同因素條件對鈣、鎂、鐵溶出的影響,設計四因素三水平正交試驗,進一步優化小茴香、桂皮中元素的最佳溶出條件及主要影響因素。

1.4 試驗方法

1.4.1 標準溶液的配制

Fe、Zn、Cu、Mg、Ca元素標準系列溶液配制:分別準確量取5種元素標準溶液(1 g/L)10 mL于100 mL容量瓶中,用娃哈哈純凈水定容,配制成濃度為100 mg/L的5種標準使用液。分別移取適量的標準使用液,配制成各元素標準系列工作溶液。在空氣-乙炔條件下,火焰原子吸收法為提高Ca元素測定的靈敏度,將標準系列溶液及相應測定的樣品加入一定濃度的釋放劑氯化鑭,使溶液中含鑭濃度為10 g/L,各元素標準系列溶液濃度見表2。

表 2 元素標準系列溶液濃度

1.4.2 微波消解及元素總量的測定

將小茴香、桂皮樣品依次用自來水、純凈水、娃哈哈純凈水洗凈,放入烘箱中60 ℃下烘3 h,冷卻至室溫后,分別用干凈粉碎機粉碎并過60目篩,備用。分別準確稱取食用、藥用小茴香、桂皮樣品各3份,各樣品質量分別為食用小茴香0.298 5,0.299 8,0.299 4 g;藥用小茴香0.299 8,0.300 0,0.298 9 g;食用桂皮0.299 9,0.300 3,0.298 9 g,藥用桂皮0.229 3,0.299 7,0.299 9 g。分別放入干凈的消解罐中,依次加入10 mL濃HNO3,預消化消解約15 min,將消解罐按一定的位置放置于微波消解儀中,設定優化后的完全消解條件,見表3。消解完成冷卻至室溫后,將消解液分別完全轉移至50 mL容量瓶中,并用娃哈哈純凈水潤洗消解罐2～3次,將潤洗液一并轉入各個容量瓶中,并用娃哈哈純凈水定容至刻度。每個樣品做3個平行樣,同時做空白對照。

表3 微波消解條件

1.4.3 小茴香中微量元素的溶出特性研究

1.4.3.1 元素溶出單因素試驗

以粉碎粒度、固液比、溫度、時間為單因素條件研究其對元素溶出的影響,水提液中微量元素的溶出量是水浸提后料湯中微量元素的總含量,微量元素的溶出率是浸提后料湯中微量元素的總含量與該樣品中該種微量元素總含量的比值[11]。

1.4.3.2 正交試驗

根據單因素試驗結果,設計四因素三水平的正交試驗,分析兩種調味料中有益元素Ca、Mg、Fe在蒸煮過程中最優溶出條件及主次因素,正交試驗因素水平表見表4。

表4 正交試驗L9(34)因素水平表

2 結果與討論

2.1 小茴香、桂皮中5 種元素的總量

在火焰原子吸收儀測定各元素的最佳工作條件下(見表1),設定儀器的精密度為1%的測量模式下,依次測定Ca、Mg、Fe、Zn、Cu標準系列溶液,繪制標準工作曲線。同時在相同條件下分別測定上述1.4.2消解制備的樣品,注意測定Ca時樣品溶液中加入氯化鑭,使鑭濃度與標準溶液一致,根據各元素繪制的標準曲線得樣品溶液中所含待測元素的濃度,根據濃度、體積和樣品質量,換算成樣品中元素的真實含量,結果見表5。

由表5可知食用和藥用小茴香和桂皮5種元素含量,除桂皮中的Cu元素外,藥用和食用兩種樣品中相同微量元素的含量差別不大。藥用和食用小茴香、桂皮中5種微量元素的含量大小為Ca>Mg>Fe>Zn>Cu。由此可見,小茴香和桂皮中的Ca、Mg元素含量都比較豐富, 比較小茴香和桂皮中5種元素的含量,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種元素在小茴香中的含量都遠高于其在桂皮中的含量。食用小茴香Ca含量高達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含量為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含量分別是桂皮中的6.7倍和4.1倍。

2.2 小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe溶出性質的單因素試驗

2.2.1 不同粉碎粒度對元素溶出率的影響

以食用小茴香和桂皮為材料,以二者中含量較豐富的Ca、Mg、Fe為目標元素,分別準確稱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,每種粉碎粒度3個平行樣,依次放到浸提袋中,將浸提袋中樣品分別放入對應的100 mL燒杯中,分別加入45 mL、60 ℃的娃哈哈純凈水,于60 ℃的恒溫水浴鍋中恒溫浸提30 min后,將浸提液過濾于50 mL容量瓶中,搖勻,由火焰原子吸收儀測定的各樣液中Ca、Mg、Fe含量計算得出物溶出率見圖1。

圖1 不同粉碎粒度對小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe溶出率的影響

由圖1可知,對小茴香來說,粉碎粒度對3種元素的溶出影響不大,特別是小茴香中Mg、Fe元素的溶出變化不大,其中,Fe元素溶出率變化不超過1%,小茴香原料中的Ca、Mg、Fe元素總的溶出情況,溶出率大小與元素的含量不相關,3種元素溶出率由大到小為Fe>Mg>Ca;對桂皮來說,不同粉碎粒度的桂皮對Ca、Mg元素的溶出有一定影響,粉碎粒度20目時桂皮Ca、Mg、Fe的溶出率相對較高,特別是Ca、Mg元素在20目時的溶出率最大,說明適當粉碎桂皮有助于Ca、Mg、Fe元素的溶出。在20目的粉碎粒度下,比較桂皮中3種元素的溶出情況,溶出率由大到小為Mg>Ca>Fe,桂皮中元素的溶出率也與其元素含量沒有太大的直接關系。

2.2.2 料液(質量)比對元素溶出率的影響

選取粉碎粒度為20目的小茴香、桂皮樣品,分別稱取每種樣品1.500 g各3份,分別放入45,60,75 mL溫度為60 ℃的娃哈哈純凈水中浸提30 min(保持恒溫),測定不同料液比(1∶30、1∶40、1∶50)下浸提液中Ca、Mg、Fe的含量,計算溶出率,得到溶出率與料液比的關系,見圖2。

圖2 不同料液比對小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe溶出率的影響

由圖2可知,在選擇的3種不同料液比條件下,隨著料液比變化,小茴香中元素Mg、Fe的溶出率有一定變化,而不同料液比對小茴香中Ca溶出情況的影響不大;桂皮中Ca、Mg、Fe元素的溶出率受料液比的影響也不大,隨著液體比例的增加,Mg、Fe的溶出率逐漸略微增大,Mg的溶出率變化在2%左右,Fe的溶出率變化小于1%。綜合上述情況,除桂皮中的Ca外,在料液比為1∶50的條件下,小茴香、桂皮中元素都能較好地溶出,在此條件下,小茴香、桂皮中元素的溶出率的大小為 Fe>Mg>Ca。由此看出,增大溶出液體積有助于小茴香、桂皮元素溶出,特別是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與其在樣品中的元素含量不相關。

2.2.3 浸提溫度對元素溶出率的影響

選定粉碎粒度為20目的小茴香、桂皮,料液比為1∶50,浸提時間為30 min,溫度分別為30,60,90,100 ℃,考察不同溫度對小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe元素溶出率的影響,每個樣品在不同溫度下做3個平行樣,分別測定制備樣品中Ca、Mg、Fe的含量,計算元素的溶出率,結果見圖3。

圖3 不同溫度對小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe溶出率的影響

由圖3可知,小茴香中Ca、Mg、Fe元素在不同溫度下溶出率大小變化不同,其中 Ca、Mg的溶出率均隨著溫度的升高逐漸增大,但溫度在90～100 ℃時,溶出率的變化不大,Ca、Mg在100 ℃時的溶出率較高, Fe元素的溶出率受溫度的影響不大,溫度在60 ℃時Fe達到最佳的溶出效果,溫度升高并未增大元素溶出率;桂皮中Ca、Mg的溶出率隨溫度升高幾乎沒有變化,桂皮中Fe元素從30 ℃增加到60 ℃時,Fe的溶出率明顯增大,在溫度為60 ℃時達到最佳溶出效果,繼續升高浸提溫度,Fe的溶出率反而降低,在90～100 ℃時溶出率基本不變。總之,小茴香中的Ca、Mg元素以及桂皮中的Fe元素的溶出受溫度的影響,元素的溶出與元素在樣品中的含量無直接關系。

2.2.4 浸提時間對元素溶出率的影響

分別準確稱取粉碎粒度的20目的小茴香、桂皮各1.500 g,料液比為1∶50,溫度為100 ℃,考察不同時間(從沸騰時開始計時)分別為10,30,60,120 min時對元素溶出率的影響,每個時間做3個平行樣,用火焰原子吸收光譜儀測定每個條件下樣品溶液中Fe、Ca、Mg含量,計算溶出率,得到3種元素在不同時間下的溶出情況,見圖4。

圖4 不同時間對小茴香、桂皮中 Ca、Mg、Fe溶出率的影響

由圖4可知,小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe元素的溶出率受浸提時間的影響呈規律性變化,隨著時間的增加,元素的溶出率均有不同程度的增加。不同元素隨時間的延長其溶出率的增加幅度不同,且同一元素在不同時間段的溶出率也不同,當時間在60～120 min時,溶出率增大不明顯。特別是小茴香中的Fe,桂皮中的Fe、Mg的溶出率變化小于1%,因此,綜合各元素的情況,小茴香、桂皮在浸提時間60 min條件下,Ca、Mg、Fe元素可達到較好的溶出率,此條件下各元素溶出率由大到小為小茴香Mg>Fe>Ca;桂皮Fe>Mg>Ca 。

2.3 小茴香、桂皮中Ca、Fe、Mg溶出率的正交試驗

由單因素試驗確定工藝條件的選值范圍,在此基礎上,為進一步考察因素對元素溶出率的影響,優化各元素的最佳溶出條件,根據單因素試驗選擇四因素三水平設計小茴香、桂皮正交試驗L9(34),試驗結果見表6和表7。

表6 小茴香正交試驗L9(34)結果

由表6可知,以溶出率為指標,小茴香中Fe元素溶出率的各水平因素最優組合條件為A1B3C3D2,即小茴香粉碎粒度為原料,料液比為1∶40,溫度為100 ℃,時間為60 min。由極差Rj可知,4個因素中影響小茴香中Fe溶出率的主次因素為溫度>時間>料液比>粉碎粒度。Ca溶出率的最優組合條件是A1B3C3D3,即小茴香粉碎粒度為原料,料液比為1∶50,溫度為100 ℃,浸提時間為60 min,影響Ca溶出率的主次因素是粉碎粒度>時間>溫度>料液比。Mg溶出率的最佳條件是A1B3C3D3,即小茴香粉碎粒度原料,料液比為1∶50,溫度為100 ℃,時間為60 min,影響Mg元素溶出率的主次因素為料液比>時間>溫度>粉碎粒度。

總之,從小茴香中Fe、Ca、Mg元素溶出的最佳條件看,除Fe元素溶出的料液比與Ca、Mg元素不同外, Fe、Ca、Mg元素溶出都是原料,在溫度為100 ℃、時間為60 min時,達到最佳的溶出效果。從正交試驗的極差分析看,影響3種元素溶出的主次因素不同,Fe元素溶出的主要因素是溫度,Ca元素溶出受粉碎粒度大小的影響最大,Mg元素溶出主要受料液比的影響。

由表7可知,桂皮中Fe溶出率的最佳條件為A3B3C3D2,即桂皮粉碎粒度為60目,溫度為100 ℃,時間為60 min,料液比為1∶40;桂皮中Ca溶出率的最佳條件是A2B3C3D3,即粉碎粒度為20目,溫度為100 ℃,時間為60 min,料液比為1∶50;桂皮中Mg溶出率的最佳條件是A2B3C3D3,即粉碎粒度為20目,溫度為100 ℃,時間為60 min,料液比為1∶50。桂皮中Fe元素的溶出率最大。極差分析結果表明,影響Fe元素溶出率的主次因素為溫度>時間>粉碎粒度>料液比;影響Ca元素溶出率的主次因素為粉碎粒度>時間>料液比>溫度;影響Mg元素溶出率的主次因素為粉碎粒度>料液比>溫度>時間。

總之,由桂皮正交試驗結果可知, Fe、Ca、Mg 3種元素的溶出率最佳溫度都為100 ℃,時間均為60 min,其中Ca、Mg元素溶出的最優組合條件完全相同。極差分析表明,Fe元素溶出受溫度的影響最大,而Ca、Mg元素溶出受粉碎粒度的影響最大。

上述結果表明,小茴香、桂皮中影響 Ca、Mg、Fe溶出的單因素試驗和正交試驗結果基本一致。比較兩種調味品溶出率可知,小茴香元素溶出率受材料粉碎粒度的影響不大,桂皮適當的粉碎粒度對桂皮中元素特別是Ca、Mg元素溶出有一定影響。比較樣品中元素含量和溶出率的大小,二者中元素溶出率與元素在樣品中的含量沒有直接關系,產生這種情況的原因可能與元素在小茴香、桂皮中存在著不同形態及物質結構特性等因素有關[12]。

3 結論及分析

本文主要研究了小茴香、桂皮中Fe、Ca、Mg、Cu、Zn 5種元素的含量及Ca、Mg、Fe在不同溶出條件下的溶出情況,結果表明,小茴香、桂皮中的5種元素含量大小為Ca>Mg>Fe>Zn>Cu,小茴香和桂皮中富含對人體有益的微量元素,特別是Ca、Mg、Fe的含量比較豐富。由于小茴香、桂皮本身的物質結構特性和元素存在形態不同, Ca、Mg、Fe溶出的主次因素存在不同,但一定條件下可使目標元素較好地溶出。單因素試驗和正交試驗表明,小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe在浸提溫度100 ℃、時間60 min條件下都能較好地溶出。

現代醫學已經證明,微量元素與人體健康、生長發育和防病治病有密切關系。生物無機化學在分子水平上已經或正在揭示微量元素在人體內的作用機制[13]。Ca、Mg是必需的生命元素,在整個細胞和代謝中起著結構作用和催化作用,缺Mg可導致多種癌癥。Ca和Mg也是構成骨骼組織的主要成分,能促進骨骼組織的正常發育,還可調節神經和肌肉的活動,激活體內多種酶[14-15]。Fe是人體內血紅蛋白、肌紅蛋白和某些酶的重要組成部分,參與體內氧氣和二氧化碳的運輸,同時又是細胞色素氧化酶及過氧化氫酶等的組成部分,缺Fe會直接影響人體的營養代謝和免疫力[14]。Fe也與腫瘤的治療有關,是一些抗癌藥物發揮作用必不可少的一種元素。相關研究表明,小茴香中共檢測出約32種與人體健康和生命密切相關的無機元素,其中微量元素Fe、Zn、Mn、Ba可能與小茴香的抗癌作用有關[16]。鋅與生長發育、代謝、內分泌和神經功能有密切關系,還能為細胞釋放能量,延緩衰老。銅與造血過程密切相關,能促進鐵由儲存場所進入骨髓,加速血紅蛋白及卟啉的合成。體內缺銅時,紅細胞壽命會縮短,從而導致貧血、冠心病等[17]。本文通過對小茴香、桂皮中Ca、Mg、Fe、Zn、Cu含量及其溶出特性進行研究,優化后使原材料中的Ca、Mg、Fe這些人體所需要的有益元素較大程度地溶出,從微量元素角度看,在一定程度上保障了食品、藥品的功效,為其利用價值及作用機制的研究提供了一定參考依據。