山苍子精油中柠檬醛的分离纯化研究

山苍子精油中柠檬醛的分离纯化研究
彭湘莲;蔡报林;付红军
【摘要】以山苍子精油为原料,利用二甲基亚砜(DMSO)作为相转移催化剂,亚硫酸钠化学加成法分离纯化柠檬醛,以期得到高纯度的柠檬醛.考察了相转移催化剂类型、相转移催化剂用量、反应时间和反应温度四种单因素对柠檬醛得率和纯度的影响,
在单因素基础上利用正交试验优化得到最佳反应条件.结果表明:单因素最佳条件是
选择DMSO作为催化剂,催化剂用量为柠檬醛物质的量的5％(摩尔分数),反应时间3.5 h,反应温度10℃;正交试验的最佳工艺为:DMSO用量为柠檬醛物质的量的5％,反应时间3.5 h,反应温度10℃,此时柠檬醛得率为73.47％,纯度为85.49％.利用DMSO作为催化剂对山苍子精油中的柠檬醛进行分离纯化,缩短了反应时间,降低了纯化成本,为柠檬醛的分离纯化提供了技术参考.
【期刊名称】《林产工业》
【年(卷),期】2018(045)008
【总页数】6页(P17-22)
【关键词】山苍子精油;相转移;柠檬醛;分离;纯化
【作者】彭湘莲;蔡报林;付红军
【作者单位】中南林业科技大学食品科学与工程学院;;中南林业科技大学食品科学
与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TS221
山苍子[Litsea cuba(Lour) Pers]是樟科木姜子属的落叶灌木或小乔木，植物学上
又称为山鸡椒、木姜子、山姜子，是我国特有的资源，主要分布在长江以南的地区，包括湖南、江西、江苏、四川、广西等地[1-4]。

通常以山苍子的果实及叶子等为
原料提取山苍子精油。

香叶醛、橙花醛、柠檬烯、芳樟醇等是山苍子精油的主要组成成分，其中香叶醛和橙花醛组成的混合物为柠檬醛，柠檬醛在山苍子精油中含量为60%～90%[5]。

柠檬醛是山苍子精油中主要的活性成分，化学名为3，7-二甲
基-2，6-辛二烯醛，是一种α，β-不饱和醛，无色或微黄色液体，有着浓郁的柠檬香味，具有广泛的抗菌、抗氧化活性[6-7]，是合成紫罗兰酮和维生素A的原料，
是我国允许使用的食用香料[8-9]。

近年来，从山苍子精油中提取柠檬醛的方法多种多样，早期是利用柠檬醛的挥发特性用水蒸气蒸馏法提取，再经过水相和油相的分离达到柠檬醛的分离，操作简单，由于对山苍子精油的利用率低、浪费大而被逐渐淘汰[10]。

尹显洪等（1994）[11]采用化学法提取柠檬醛，当柠檬醛与亚硫酸钠的摩尔比控制在1∶2.17，反应时间7 h，温度在10℃时，亚硫酸钠比亚硫酸氢钠的提纯效果好，但是该工艺流程较多，操作不便，柠檬醛纯度较低。

周艳林等（1998）[12]采用DMSO作相转移催化剂改进了传统化学法精制柠檬醛的工艺，通过改善反应条件使提取得率和柠檬醛纯度均有很大提高。

刘晓庚等（2001）[13]利用微波技术，从山苍子精油中分离纯化
柠檬醛，缩短了时间，减少了资源的浪费，但运用到实际生产中还需要改进。

陈海燕等（2010）[14]利用两次减压精馏，杨艳红等（2013）[15]采用分子蒸馏技术，柠檬醛的得率和纯度均得到了提高，但所需高昂的仪器设备不便普及[16-18]。

付
红军等（2016）[19]采用相转移技术，利用随意甲基化β-环糊精（RM-β-CD）作为相转移催化剂，RM-β-CD的用量为柠檬醛物质的量的0.65%（摩尔分数），反应时间为3.33 h，反应温度为15.0 ℃时柠檬醛得率和纯度较高。

本研究的目的是从山苍子精油中分离纯化得到高纯度和高得率的柠檬醛，同时降低分离纯化成本，利用二甲基亚砜（DMSO）作为相转移催化剂，亚硫酸钠化学加
成法分离纯化柠檬醛，采用单因素实验和正交试验设计优化其分离工艺，为柠檬
醛的分离纯化提供技术指导，为柠檬醛的深度开发提供理论参考。

1 材料与方法
1.1 材料与试剂
山苍子精油（湖南湘西自治州产山苍子），用化学提取法实验室进行制备，柠檬醛含量为68.7%；柠檬醛标样、二甲基亚（DMSO）、聚乙二醇-600（PEG-600）、四丁基溴化胺（TBAB）：AR（上海源叶生物有限公司）；无水亚硫酸钠
（Na2SO3）、碳酸氢钠（NaHCO3）、氢氧化钠（NaOH）、乙酸乙酯
（CH3COOC2H5）：AR（国药集团化学试剂有限公司）；乙醚
（C2H5OC2H5）：AR（天津市科密欧化学试剂有限公司）。

1.2 试验设备
气相色谱仪（日本岛津，型号：GC2010 Plus）；电子天平（长沙湘平科技发展
有限公司，型号：ES200HA）；磁力搅拌器（金坛市大地自动化仪器厂，型号：DJIC）。

1.3 试验方法
1.3.1 山苍子精油柠檬醛的分离纯化
称取5 g山苍子油放入烧瓶中，将5.5 g Na2SO3和5 g NaHCO3加入75 mL
的蒸馏水中溶解，将溶解好的溶液和试验用剂量催化剂加入烧瓶中，实验温度下搅拌反应到设定时间。

将混合物转入分液漏斗，静置分层，分出未反应的油相，在水相中缓慢加入并搅拌40 mL 10%NaOH溶液，等到溶液变为乳白色，停止搅拌，将溶液转到分液漏斗中，静置分层，分离下层水相，用乙醚萃取2次以除去水相
中残余油相，将所有油相置于试管中，再将试管放在60 ℃水浴中加热，除去油相
中的乙醚，得到的产物就是纯化后的柠檬醛。

1.3.2 柠檬醛纯度的测定
参照国标GB/T 11424—2008《山苍子(精)油》中柠檬醛含量的测定方法[20]，结合已有的仪器设备，确定气相色谱条件和分析方法如下：色谱：TM1701 (30
m×0.20 mm×0.25 μm)；进样口温度260 ℃；火焰离子化检测器（FID）温度280 ℃；升温程序：初温80 ℃，保持2 min；以10 ℃ /min的频率进行升温，
至100 ℃，保持3 min；以15℃ /min频率升温至130 ℃，保持1 min；以
25 ℃/min的频率升温至230 ℃，保持6 min。

载气：氮气（N2），流速1
mL/min，分流比为1∶100；采用峰面积归一化法进行定量分析方法[21]。

称取柠檬醛标样0.065 mg，加入乙酸乙酯溶解并稀释至一定浓度，进样0.1 μL，平行进样3次，采用峰面积归一法计算产品中柠檬醛的含量。

1.3.3 柠檬醛得率的计算
对分离出的柠檬醛进行称重，计算得率；并取少许分离后的柠檬醛进行气相色谱分析，通过仪器测得其纯度。

得率公式为：
式中：Y——柠檬醛得率，%;
m1——加入山苍子油的质量，g；
m2——分离提纯后产品的质量，g ；
w1——山苍子油中柠檬醛的含量，%；
w2——分离出产品中柠檬醛的含量，%。

1.3.4 单因素实验
考察相转移催化剂的类型、催化剂的用量（柠檬醛物质的量的百分比）、反应时间、反应温度四个单因素对山苍子油中柠檬醛分离纯化的影响。

1）催化剂类型单因素实验。

分别利用DMSO、PEG600、TBAB作为催化剂进行
实验，其它实验条件为：催化剂用量为柠檬醛物质的量的5%、反应时间为3.5 h、反应温度为10 ℃，分析不同相转移催化剂对分离纯化的影响。

2）相转移催化剂用量的单因素实验。

采用不同催化剂用量（柠檬醛物质的量的1%、3%、5%、7%、9%），在反应条件为：用DMSO作为催化剂、反应温度
为10 ℃、反应时间3.5 h，分析不同催化剂用量对分离纯化的影响。

3）反应时间单因素实验。

反应时间作为变量，分别进行2.5、3.5、4.5、5.5 h的实验，其它实验条件为：用DMSO作为相转移催化剂、催化剂用量为柠檬醛物质的量的5%、反应温度为10 ℃，分析不同反应时间对分离纯化的影响。

4）反应温度单因素实验。

反应温度作为变量，分别在0、5、10、15℃的反应温
度下进行实验，控制不变反应条件为：用DMSO作为催化剂、催化剂用量为柠檬醛物质的量的5%、反应时间为3.5 h，分析不同反应温度下对实验的影响。

1.3.5 正交试验优化
在单因素实验基础上，进行L9(34)正交试验，以柠檬醛纯度和得率计算出的综合
评分为指标，筛选出最佳工艺。

1.4 评价指标
参照文献[21]的35页中的综合评分方法，考虑到纯化过程中主要考察柠檬醛的纯度，因此将纯度权重定为60，得率权重定为40。

综合评分公式为：综合评分=纯度×60+得率×40
1.5 数据处理
通过SPSS17.0软件、Origin软件和Excel表格进行数据处理并进行分析，实验结果以X±SD表示。

2 结果与分析
2.1 气相色谱图
对比图1和图2可知，实验分离纯化的产物是柠檬醛，图中两个高峰分别是橙花
醛和香叶醛，为柠檬醛的两种异构体。

2.2 单因素实验结果与分析
2.2.1 相转移催化剂类型对分离纯化的影响
图1 提取产物的气相色谱图Fig.1 Gas chromatogram of the extracted product
图2 柠檬醛标样气相色谱图Fig.2 citrate standard chromatogram
三组实验的综合评分值分别为：79.82、76.18、73.76，从图3中可以看出，使用DMSO作为催化剂时，提取产品的纯度和得率都比另外两种高，综合评分最高为79.82。

PEG-600做催化剂时能够提取较高纯度的柠檬醛，但是得率较低，由于分子量为600的PEG，自身有假环式锯齿结构，能够很好地和溶液中的Na+形成稳定的络合物，从而起到相转移作用。

而DMSO具有强极性，能够更好地和山苍子精油以及Na2SO3形成一个均相体系，对Na+具有静电吸引，从而进一步增强了SO3-的亲核性，对反应体系起到相转移作用，加快了反应速率，因而它的催化效果比另外两种好。

故而选择DMSO作为后续实验的相转移催化剂。

2.2.2 相转移催化剂用量对分离纯化的影响
相转移催化剂用量各水平的综合评分为70.09、77.16、79.82、79.22、78.28。

由图4可以看出，随着催化剂用量的增加，得率也在随之增长，然而升高的幅度在缓慢减小，催化剂用量的增加，能够有效加快反应的进行，纯度也是先增加，后略微降低。

催化剂用量增大之后，进行分离实验时，溶液中出现少许乳化现象，可能是导致柠檬醛纯度降低的原因之一；用量增大也会对除杂有影响。

故而，最佳的相转移催化剂用量为柠檬醛物质的量的5%。

图3 相转移催化剂类型对分离纯化的影响Fig.3 The effect of phase transfer catalyst types on separation and purification
图4 催化剂用量对分离纯化的影响Fig.4 The effect of catalyst amount on
separation and purification
2.2.3 反应时间因素对分离纯化的影响
反应时间各水平综合评分为：77.24、79.82、79.46、79.57。

由图5可以看出，
反应时间对柠檬醛纯度的影响不大，但得率是先大幅度增长，然后几乎不变，对比文献[16]中未加催化剂的实验，本实验能有效缩短反应时间，因为加入的DMSO
加强了SO3-的亲核性，加快了反应速率，从而能够更快的提出柠檬醛。

在反应时间在3.5 h时候，提取柠檬醛的纯度和得率较好，3.5 h之后的得率几乎不变，纯
度略微降低，并且由综合评分来看，3.5 h的分值略高，所以选取反应时间为3.5 h。

2.2.4 反应温度因素对分离纯化的影响
图5 反应时间对分离纯化影响Fig.5 The effect of reaction time on separation and purification
反应温度各水平综合评分为：73.8、77.93、79.82、79.57。

由图6中能够看出，从山苍子油中提取柠檬醛的纯度和得率都随着温度的升高而增加，在10 ℃左右之后，得率几乎未改变，但是柠檬醛纯度略微降低，因为化学反应是放热反应，反应设置的温度增大，加快了反应速率，但是进一步升温使得纯度有略微降低。

综合评分最高的是10℃，因此最佳反应温度选择10 ℃。

图6 反应温度对分离纯化的影响Fig.6 The effect of reaction temperature on separation and purification
2.3 正交试验优化分析
通过单因素实验结果整理分析，得出正交试验因素水平表，如表1所示，按照表1中数据进行实验，结果与分析如表2所示，方差分析如表3所示。

本次试验以综合评分为指标，综合评分越高，表明纯化工艺好，从表3可以得知，各个因素对综合评分影响的主次顺序是A（相转移催化剂用量）＞C（反应温度）
＞ B（反应时间）。

从表3中可以看出，催化剂用量、反应时间和反应温度三个
因素都对综合评分有着显著的影响，因此对三个因素进行多重比较。

如表4所示，相转移催化剂用量的多重比较结果可以得出A2和A3两个水平是较好的，其中以A2水平更好；从表5的反应时间多重比较结果可看出B2和B3两
个水平是较优的，其中以B2水平更优；由表6的反应温度多重比较结果得出最优的水平是C3。

表1 正交试验的因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal test?
表2 正交试验结果与分析Tab.2 Results and analysis of orthogonal test?
表3 方差分析表Tab.3 Analysis of variance?
由表2的极差分析得出各因素的主次顺序，再由均值和方差分析得出最优水平，
根据各因素对综合评分的影响，得出最佳的提取工艺就是A2C3B2，即相转移催
化剂用量为柠檬醛物质的量的5%、反应温度为10 ℃、反应时间为3.5 h，此最
佳工艺就是试验序号5。

在此条件下进行试验得到的柠檬醛的平均得率为73.27%，柠檬醛平均纯度为85.73%，其得到的得率和纯度都比其他试验要好，所以该提取工艺为最佳。

表4 催化剂用量的Duncan法多重比较结果Tab.4 Duncan multiplicity comparison results for catalyst usage?
表5 反应时间的Duncan法多重比较结果Tab.5 Duncan's multiple comparison of reaction time?
表6 反应温度的Duncan法多重比较结果Tab.6 Duncan's multiple comparison of reaction temperatures?
3 结论
笔者以山苍子精油为原料，以二甲基亚砜为相转移催化剂，考察了相转移催化剂用量、反应时间、反应温度对山苍子油中柠檬醛分离纯化的影响，通过分析，可以用
综合评分来确定最佳反应条件：相转移催化剂用量为柠檬醛物质的5%、反应温度为10 ℃、反应时间3.5 h，此时柠檬醛得率为73.47%，纯度为85.49%。

本次实验与课题组前期的相转移催化分离法相比，降低了纯化成本，为柠檬醛的分离纯化提供了技术参考。

山苍子精油中其他化学成分的分离和纯化有待进一步研究，以为山苍子精油的深度开发提供技术和理论支撑。

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