茴香精油提取工艺优化及成分分析

茴香精油提取工艺优化及成分分析
敬思群;艾合买提江·艾海提;杨玉新
【摘要】分别采用水蒸气蒸馏法、同时蒸馏萃取法(SDE)提取茴香种子精油,运用Minitab15.0数据分析软件,通过三因素三水平的响应面法优化茴香精油提取工艺条件,并利用气相色谱质谱(GC-MS)分析茴香精油组成.结果表明:水蒸气蒸馏法制备茴香种子精油的最佳工艺条件为:功率为66 W,液料比为6∶1,蒸馏时间为2.5h,茴香精油的提取率为6.25％.同时蒸馏萃取法制备茴香种子精油的最佳工艺条件为:功率为110W,液料比为7∶1,蒸馏时间为4.0h,茴香种子精油的提取率为3.98％.GC-MS分析结果表明茴香种子精油主要由酮类和烯类组成,酮类占48.86％,烯类占33.07％.此外,茴香脑9.78％.
【期刊名称】《中国粮油学报》
【年(卷),期】2013(028)003
【总页数】6页(P53-58)
【关键词】茴香精油;提取工艺;优化;成分分析
【作者】敬思群;艾合买提江·艾海提;杨玉新
【作者单位】新疆大学生命科学与技术学院,乌鲁木齐 830046;新疆大学生命科学与技术学院,乌鲁木齐 830046;新疆中亚食品研发中心,乌鲁木齐830000
【正文语种】中文
【中图分类】TS225.1
欧洲茴香(Pimpinella anisum L.)，原生地多半在欧洲大陆和美国西海岸。

伞形科
茴香属多年生草本植物，花黄色，春秋播种，生长期100 d，耐寒耐旱耐贫瘠。

具特殊清香味，茎叶可食用，叶能补脑，提高记忆力，并可作为海鲜及沙拉的配料，增加口感。

种子可用于面包、咖啡、鱼酱等调味。

种子咀嚼后可以使口气清新，帮助消化化解便秘。

叶、茎、种子发芽后可拌凉菜。

精油可用于制作牙膏，根部的提取物具解毒利尿和减肥作用，土耳其将这种植物广泛使用在白酒生产中［1－2］。

种子和叶片炼取液可深层清洁皮肤，使用少量精油按摩肌肉，可减缓疲劳。

有研究报道茴香精油具有抗氧化和抑菌能力［3－5］。

本研究从欧洲茴香的种子部位提
取精油并优化提取工艺，对精油组成进行分析，为茴香精油的开发利用提供科学依据。

1 材料和方法
1.1 主要材料和仪器
茴香种子:新疆中亚食品研发中心。

同时蒸馏萃取(SDE)装置:天长市优信电器设备有限公司;GC/MS－QP2010型气相
色谱－质谱联用仪:日本SHIMADZU公司;HH－S型恒温水浴锅:巩义市英峪予华
有限公司;RE－52AA旋转蒸发器:上海亚荣生化仪器厂。

1.2 试验方法
1.2.1 原料处理
茴香种子经热风干燥24 h，粉碎过40目筛，密封常温保存备用。

预试验结果表明，颗粒在40目时精油提取效果好。

随着颗粒变细挥发油得率逐渐增加，但40
目后增加幅度不明显甚至下降，由于颗粒过细，会导致油室或油细胞破碎过多，在粉碎过程中造成挥发油散失。

因此试验原料取40目筛茴香种子粉末。

1.2.2 水蒸气蒸馏法单因素试验
1.2.2.1 功率对茴香精油提取率的影响
称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份，按液料比10∶1加去离子水200 mL于
1 000 mL蒸馏烧瓶中，分别置于加热功率为44、66 、88 、110 、13
2 W(分别
对应于火力 2、3、4、5、6)的电热套中，回流萃取3 h。

直接读取油层体积。

然
后将水从仪器出口放出，剩余部分无水硫酸钠干燥或者采用速冻法将水结冰后取油。

1.2.2.2 液料比对茴香精油提取率的影响
称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份，在液料比分别为6∶1 、8∶1、10∶1、12∶1、15∶1 条件下，置于功率为88 W的电热套中，回流萃取3 h。

其余操作
同1.2.2.1。

1.2.2.3 提取时间对茴香精油提取率的影响
称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份，液料比为10∶1，置于功率为88 W的
电热套中，回流萃取时间分别为 2、3、4、5 h。

其余操作同 1.2.2.1。

1.2.3 同时蒸馏萃取单因素试验［6－7］
1.2.3.1 功率对茴香精油提取率的影响
称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份，按10∶1的料液比加去离子水200 mL
于500 mL蒸馏烧瓶中，置于同时蒸馏萃取仪的一端;取80 mL乙醚于500 mL圆底烧瓶中，置于同时蒸馏萃取仪的另一端，分别置于功率为44、66、88、110、132 W(分别对应于火力 2、3、4、5、6)的电热套中，回流萃取 3 h。

萃取结束后，从萃取仪的中间出口放出乙醚提取产物(萃取液)，将萃取液用无水硫酸钠干燥后旋转蒸发浓缩，即得茴香精油，密封后将精油置于4℃条件下避光保存。

茴香精油提取率计算
精油提取率=(萃取后瓶质量－萃取前瓶质量)/样品质量×100%
1.2.3.2 液料比对茴香精油提取率的影响
称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份，在液料比分别为6∶1 、8∶1、10∶1、
12∶1、15∶1 条件下，置于功率为110 W的电热套中，回流萃取3 h。

其余操作同1.2.2.1。

1.2.3.3 提取时间对茴香精油提取率的影响
称取过40目筛茴香种子粉末20 g 5份，液料比为12∶1，置于功率为110 W的电热套中，回流萃取时间分别为 2、3、4、5 h。

其余操作同 1.2.2.1。

1.2.4 茴香精油的GC－MS分析
通过气相色谱－质谱联用技术分析茴香精油组成，获得GC－MS分析的总离子流图。

通过人工图谱解析及NIST27和NIST147谱库检索定性，并用面积归一法定量分析各成分的相对质量分数。

GC－MS分析条件:
GC条件:RTX－5MS型弹性石英毛细管色谱柱(0.25 mm × 30 mm，0.25 μm);进样口温度为240℃;升温程序:从130℃开始，先以5℃/min升至240℃;载气为高纯度氦气，柱前压96.1 kPa，柱内载气流量 1.13 mL/min，分流比为30∶1，进样量2 μL。

MS条件:EI离子源，电子能量70 eV，离子源温度200℃，接口温度250℃，倍增器电压 0.7 kV，扫描范围30～500 amu。

2 结果与分析
2.1 精油提取工艺确定
研究不同工艺参数(功率、液料比、提取时间)对提取茴香精油影响规律，通过响应面法优化提取工艺条件。

2.1.1 水蒸气蒸馏法
2.1.1.1 单因素试验结果
由图1可知，随着功率的增加，茴香精油的提取率出现变化，在功率为88 W时茴香精油的提取率达到最大值，增大功率，茴香精油提取率有所下降，这可能是因
为精油在一定的温度下会发生挥发，高于功率范围，挥发加快，则提取率下降;由
图2可知，随着液料比的升高，茴香精油的提取率增加，在10∶1时达到最高，
但随着料液比的继续升高，提取率反而降低，这可能是因为料液比过大，容积太少，溶解不完全，提取率就降低。

由图3可知，随着时间的延长，茴香精油的提取率
增加，在3.5 h时提取率最大。

2.1.1.2 响应曲面法优化试验
结合单因素试验结果，根据Box－Behnken响应曲面设计的中心组合试验设计原
理［8］，运用Minitab 15数据统计分析软件，选取功率、液料比、蒸馏时间3
个影响因子，采用三因素三水平的响应曲面分析方法，对提取条件进行优化设计。

试验因素与水平设计见表1。

表1 三因素三水平响应面分析试验设计表因素水平66 88 110 X2 液料比6∶1 8∶1 10∶1 X3蒸馏时间/h－1 0 1 X1功率/W 2.5 3.0 3.5
响应曲面法的试验设计及结果见表2。

运用Minitab 15数据统计分析软件对试验
数据进行多元回归拟合，回归模型系数及显著性检验结果见表5。

由此可得二次回归方程为:Y=4.79－0.156 25X1－0.031 25X2+0.062 5X3+0.605X1
2+0.23X22+0.417 5X32－0.062 5X1X3－0.062 5X2X3。

表2 茴香种子精油提取条件优化试验设计与结果序号功率/W 液料比蒸馏时间/h 提取率/%110 8∶1 3.5 5.75 2 88 8∶1 3.0 4.87 3 110 10∶1 3.0 5.75 4 66 8:1 3.5 6.25 5 66 10∶1 3.0 5.75 6 88 10∶1 2.5 5.25 7 88 10∶1 3.5 5.25 8 88
6∶1 2.5 5.75 9 66 6∶1 3.0 5.50 10 110 6∶1 3.0 5.50 11 66 8∶1 2.5 6.00 12 88 6∶1 3.5 5.50 13 110 8∶1 2.5 5.25 14 88 8∶1 3.0 4.75 1 15 88 8∶1 3.0
4.75
表3 回归模型系数及显著性检验结果项目系数系数标准误 T P 4.790 0.187
25.598 0功率－0.156 0.115 －1.364 0.231液料比－0.031 0.115 －0.273
0.796蒸馏时间 0.062 0.115 0.545 0.609功率× 功率 0.605 0.169 3.587 0.016
液料比× 液料比 0.230 0.169 1.364 0.231蒸馏时间× 蒸馏时间 0.418 0.169
2.475 0.056功率×液料比 0 0.162 0 1功率× 蒸馏时间 0.062 0.162 0.386
0.716液料比×蒸馏时间常量0.062 0.162 0.386 0.716
对上述方程进行方差分析，结果见表4。

由方程及表4可知，在本试验范围内，对提取率影响因素大小依次为:功率、蒸馏时间和液料比。

一次项P都大于0.05，影响不显著，二次项 P除功率外，都大于0.05，功率二次项影响显著，交互项影响
不显著，说明提取率与各因素不是简单的线性关系。

此模型的回归系数为80.87%，方程与实际情况拟合情况较好。

表4 回归模型的显著性检验来源自由度连续平方和校正平方和校正均方 F P 9 2.220 2.220 0.247 2.350.180线性 3 0.234 0.234 0.078 0.740.570平方 3 1.955 1.955 0.652 6.200.039交互作用 3 0.031 0.031 0.010 0.100.957残差误差 5
0.525 0.525 0.105失拟 3 0.515 0.516 0.172 35.810.027纯误差 2 0.010 0.010 0.005合计回归14 2.745
运用Minitab15软件的响应优化器对试验结果进行优化，得到模型的最优解:功率为66 W，液料比为6∶1，蒸馏时间为 2.5 h，预测的提取率为 6.29%。

为了检验响应面法所得结果的可靠性，采用上述优化条件进行提取试验。

在此条件下，测得茴香精油的提取率为6.25%，与理论预测值相比，其相对误差约为
0.64%。

由响应曲面法得到的优化工艺参数比较准确，具有实用意义。

2.1.2 同时蒸馏萃取法
2.1.2.1 单因素试验
由图4可知，随着功率的增加，茴香精油的提取率提高，在功率为110 W时茴香精油的提取率达到最大值，增大功率，茴香精油提取率有所下降，这可能是因为精油在一定的温度下会挥发，高于功率范围，挥发加快，则提取率下降;由图5可知，随着液料比的升高，茴香精油的提取率增加，在8∶1时达到最高，但随着料液比的继续升高，提取率反而降低，这可能是因为料液比过大，容积太少，溶解不完全，图区不彻底，提取率就降低;由图6可知，随着时间的延长，茴香精油的提取率增加，在4 h时提取率最大。

图4 功率对茴香精油提取率的影响
2.1.2.2 响应曲面法优化试验
结合单因素试验结果，根据Box－Behnken响应曲面设计的中心组合试验设计原理，运用Minitab 15数据统计分析软件，选取功率、液料比、蒸馏时间3个影响因子，采用三因素三水平的响应曲面分析方法，对提取条件进行优化设计。

试验因素与水平设计见表5。

表5 三因素三水平响应面分析试验设计表水平88 110 132 X2 液料比6∶1 8∶1 10∶1 X3蒸馏时间/h－1 0 1 X1功率/W因素3.5 4.0 4.5
响应曲面法的试验设计及结果见表6。

运用Minitab 15数据统计分析软件对试验
数据进行多元回归拟合，回归模型系数及显著性检验结果见表7。

由此可得二次回归方程为:Y=3.971 67－0.227 5X1+0.016 88X2+0.030 62X3 －0.172 71X1 2－0.263 96X22－1.041 46X32+0.32X1X2 －0.252 5X1X3+0.063 75X2X3。

表6 茴香种子精油提取条件优化试验设计与结果序号功率/W 液料比蒸馏时间/h 提取率4.0 2.905 2 110 8∶1 4.0 3.560 3 88 6∶1 4.0 3.730 4 88 8∶1 4.5 3.660 5 132 8∶1 3.5 2.360 6 88 8∶1 3.5 2.580 7 110 10∶1 4.5 2.320 8 110 6∶1
3.5 3.140 9 110 6∶1
4.5 2.560 10 132 8∶1 4.5 2.430 11 110 8∶1 4.0 3.615 12 88 10∶1 4.0 3.525 13 110 10∶1 3.5 2.645 14 110 8∶1 4.0 4.740/%1 132 6:1 15 132 10∶1 4.0 3.980
表7 回归模型系数及显著性检验结果项目系数系数标准误 T P 3.972 0.354
11.211 0功率－0.228 0.217 －1.049 0.342液料比 0.017 0.217 0.078 0.941蒸馏时间 0.031 0.217 0.141 0.893功率×功率－0.173 0.319 －0.541 0.612液料比×液料比－0.264 0.319 －0.827 0.446蒸馏时间×蒸馏时间－1.042 0.319 －3.261 0.022功率× 液料比 0.320 0.307 1.043 0.345功率×蒸馏时间－0.253 0.307 －0.823 0.448液料比×蒸馏时间常量0.064 0.307 0.208 0.844
对上述方程进行方差分析，结果见表8。

由方程及表8可知，在本试验范围内，对提取率影响因素大小依次为:功率、蒸馏时间和液料比。

一次项P都大于0.05，影响不显著，二次项P除蒸馏时间外，都大于0.05，二次项蒸馏时间影响显著，交
互项影响不显著，说明提取率与各因素不是简单的线性关系。

此模型的回归系数为73.64%，方程与实际情况拟合情况较好。

表8 回归模型的显著性检验来源自由度连续平方和校正平方和校正均方 F P 9 5.259 5.259 0.584 1.55 0.327线性 3 0.424 0.424 0.141 0.38 0.775平方 3
4.154 4.154 1.385 3.68 0.097交互作用 3 0.681 0.681 0.227 0.60 0.641残差误差 5 1.883 1.883 0.377失拟 3 0.996 0.996 0.332 0.75 0.615纯误差 2 0.887 0.887 0.444合计回归14 7.141
运用Minitab15软件的响应优化器对试验结果进行优化，得到模型的最优解:功率为110 W，液料比为6.889∶1，蒸馏时间为4.056 h，预测的提取率为4.128%。

为了检验响应面法所得结果的可靠性，采用上述优化条件进行提取试验。

实际操作中提取工艺参数修正为:功率为110 W，液料比为7∶1，蒸馏时间为4.0 h，在此
条件下，测得茴香精油的提取率为3.98%，与理论预测值相比，其相对误差约为
3.59%。

由响应曲面法得到的优化工艺参数比较准确，具有实用意义。

从精油提取率上分析，水蒸气蒸馏法好，但是同时蒸馏萃取法纯度高。

考虑到产业化问题，最终选取水蒸气蒸馏法提取精油为合适方案。

2.2 GC －MS分析
2.2.1 水蒸汽蒸馏法制备的茴香种子精油的GCMS分析
茴香种子精油组成见表9。

茴香种子精油的GC－MS分析见图7。

表9 茴香种子精油成分分析结果序号分子式1 1.862 丙酮 0.42 C3H6保留时间
/min 化合物相对质量分数/%O 2 7.671 2 －蒎烯 0.58 C10H16 3 9.428 月桂烯1.04 C10H16 4 9.887 水芹烯 5.36 C10H16 5 11.029 双戊烯 23.89 C10H16 6 12.374 4 －异丙烯基甲苯 2.12 C10H12 7 13.25 反式－薄荷基－2，8－二烯－1－醇 0.2 C10H16O 8 13.533 (+)－氧化柠檬烯 1.34 C10H16O 9 13.655 (E)－柠檬烯氧化物 0.71 C10H16O 10 14.924 3，6 －二甲基－2，3，3a，4，5，7a －六氢香豆酮 1.61 C10H16O 11 15.333 反式二氢香芹酮 3.18 C10H16O 12 15.657 二氢香芹酮 16.29 C10H16O 13 17.321 香芹酮 24.70 C10H14O 14 17.392 1 －二十六烯 0.29 C26H52 15 17.498 右旋香芹酮 2.66 C10H14O 16 17.575 6 －甲基－3 －丙烷－2 －亚基－7－氧杂双环［4.1.0］庚烷－2-1 1.71 C10H14O2 17 18.691 反式香芹醋酸酯 0.52 C12H18O2 18 19.262 5 －异丙烯－2 －甲基－2 －环己烯－1 －基酯 0.35 C12H18O2 19 21.863 D －大牛儿烯 0.57 C15H24 20 22.836 肉豆蔻醚 0.05 C11H12O3 21 25.111 茴香脑 9.78 C12H14O4 22 26.992 乙酸二氢香芹酯 0.44 C12H20O2 23 31.404 棕榈酸 0.6 C16H32O2 24 34.948 硬脂酸 0.58 C18H36O2统计烯类 33.07酮类 48.86醇类0.2
图7 茴香种子精油总离子流图
由表9可以看出，水蒸汽蒸馏法制备的茴香种子精油主要成分是酮类和烯类，酮
类占48.86%，烯类占 33.07%，其中质量分数最高的是香芹酮(24.70%)，其次是双戊烯(23.89%)，二氢香芹酮(16.29%)，茴香脑(即对丙烯基茴香醚，9.78%)，这4种组分占全部被检出组分的74.66%，初步确定为茴香种子精油的主要化学成分。

2.2.2 同时蒸馏萃取法制备的茴香种子精油的GC－MS分析
茴香种子精油的GC－MS分析见图8。

茴香种子精油组成见表10。

图8 茴香种子精油总离子流图
表10 茴香种子精油成分分析结果序号保留时间分子式1 1.855 丙酮 83.03
C3H6/min 化合物相对质量分数/%O 2 16.424 右旋香芹酮 16.97 C10H14O
由表10可知，同时蒸馏萃取法制备的茴香种子精油的主要成分是丙酮，占
83.03%。

可见水蒸气法提取全部产物是挥发性精油成分，提取完全，得率较高。

3 结论
3.1 水蒸气蒸馏法制备茴香种子精油的最佳工艺条件为:功率为66 W，液料比为
6∶1，蒸馏时间为2.5 h，茴香精油的提取率为6.25%。

同时蒸馏萃取法制备茴香种子精油的最佳工艺条件为:功率为110 W，液料比为7∶1，蒸馏时间为4.0 h，
在此条件下，茴香精油的提取率为3.98%。

3.2 茴香种子精油的主要成分是酮类和烯类，酮类占48.86%，烯类占33.07%。

此外，茴香脑9.78%。

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