分子蒸餾法純化寬葉纈草揮發油中的乙酸龍腦酯

李 雄,呂慶銀,李 岑,吳 威,趙 偉,張 振

(1.貴州大學釀酒與食品工程學院,貴州貴陽 550025;2.貴州理工學院制藥工程學院,貴州貴陽 550025)

分子蒸餾法純化寬葉纈草揮發油中的乙酸龍腦酯

李 雄1,呂慶銀1,李 岑1,吳 威1,趙 偉1,張 振2,*

(1.貴州大學釀酒與食品工程學院,貴州貴陽 550025;2.貴州理工學院制藥工程學院,貴州貴陽 550025)

采用分子蒸餾法對纈草揮發油進一步純化。在單因素實驗的基礎上,通過響應面法優化分子蒸餾技術純化纈草揮發油所需溫度、進料速度、刮膜轉速的最佳工藝參數,采用彈性石英毛細管柱TR-5,在檢測器溫度為250 ℃,氣化溫度為250 ℃,分流比為50∶1條件下進行GC法測定,并用內標法定量。考察蒸發溫度,刮膜速率,進料速度等對纈草揮發油的主要成分乙酸龍腦酯的含量的影響。結果表明:最佳工藝條件為:進料速度為82 mL/h,蒸餾溫度68 ℃,刮膜轉速188 r/min,乙酸龍腦酯的質量分數為77.46%。結論:通過分子蒸餾法可得到比傳統的水蒸氣蒸餾法所提揮發油的有效成分質量分數要高,在揮發油提純工業化生產方面有很好的應用前景。

纈草揮發油,分子蒸餾,乙酸龍腦酯,響應面法

寬葉纈草(ValerianaofficinalisL.var.latifoliaMiq)為敗醬科纈草屬(Valeriana L.)多年生草本植物。主要分布于貴州、四川、云南地區,其中貴州地區產量較大[1]。其以根和根莖入藥,性味辛、苦、溫,主要用于清熱止瀉、寧心安神、理氣止痛、祛風除濕等,多用于胃腹脹痛、腰腿痛、痛經、經閉、跌打損傷、神經衰弱、失眠等癥[2-3]。現代藥理學研究表明寬葉纈草具有鎮靜、解痙、調血脂、抗氧化、保護腎臟等作用[4]。為2003版《貴州省中藥、民族藥質量標準》收載藥材[5]。寬葉纈草富含揮發油類、纈草素類、生物堿類、黃酮類等,其中揮發油類是其鎮靜、安神的主要成分之一[6-8]。寬葉纈草根揮發油以萜烯類化合物為主,分別含有烯、醇、酮、酯和醚類化合物,其中乙酸龍腦酯、香樹烯和坎烯為主要成分,乙酸龍腦酯的含量為37.94%[9-12]。以寬葉纈草根為原料經水蒸氣蒸餾所得精油,為很好的香料和調香劑,在食品飲料、化妝品工業中有廣泛用途[13-18]。纈草揮發油提取方法主要采用水蒸汽蒸餾法,工藝粗糙原始,出油率低且品質不高,而且有效成分也不穩定。分子蒸餾具有操作溫度低、分離一步完成、得率高、產品品質好等諸多優點[19-21]。因此本實驗以乙酸龍腦酯質量分數為指標,采用分子蒸餾裝置對纈草揮發油純化工藝進行了研究,并用響應面優化法確定了較優的工藝參數[22-28],為中試生產提供了理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

纈草 貴州省銅仁市江口縣,陰干至水分退去,粉碎,過40目篩,備用;乙酸龍腦酯對照品 中國食品藥品檢定研究院,批號110759-201105;萘(色譜純);甲醇(色譜純);乙酸乙酯 石油醚等分離用有機溶劑均為國產分析純。水蒸氣蒸餾裝置 實驗室自備;GC-Trace1310氣相色譜儀 賽默飛;WT5001電子天平 江蘇常州萬泰天平儀器有限公司;VKL70型刮膜式分子蒸餾裝置 德國VTA公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 精油提取工藝流程 纈草→粉碎過40目篩→水蒸氣蒸餾→萃取→真空濃縮→纈草揮發油。將蒸餾得到的餾出液經乙醚連續萃取3次,然后用無水硫酸鈉干燥過夜,旋轉蒸發除去乙醚,既得揮發油。

揮發油的得率(%)=揮發油的質量/纈草粉的質量×100

1.2.2 分子蒸餾純化纈草揮發油 將300 g纈草揮發油加入分子蒸餾進樣器中,打開保護真空系統的冷凝裝置,冷卻到零下20 ℃以下,以保護真空系統;開冷凝水,設定溫度為2 ℃;同時打開真空泵,設定實驗所需的真空度;當真空達到設定值后,開啟主蒸發器加熱裝置,設定蒸餾溫度;當溫度接近設定值時,將刮膜轉子調至適宜轉速。當所有參數達到指定值后,可打開進樣閥,設定一定流速進樣。在高真空條件下,物料中的輕組分以氣體狀態進入中間的冷凝器并冷凝成液體,進入輕組分收集器中,而重組分未揮發直接進入重組分收集器中。本實驗由于乙酸龍腦酯主要在輕組分收集器中,所以取得輕組分進行氣相色譜的分析。

1.2.3 乙酸龍腦酯的GC法測定

1.2.3.1 色譜條件 TR-5彈性石英毛細管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm,交聯5%苯基甲基聚硅氧烷為固定相);升溫程序:初始溫度70 ℃,保持4 min,12 ℃/min升溫至230 ℃,保持10 min;檢測器溫度為250 ℃,氣化溫度為250 ℃;載氣He氣;載氣流速1 mL/min;分流比為50∶1。

1.2.3.2 內標溶液的制備 精密稱取100 mg萘,置于10 mL容量瓶中,加入無水甲醇定容至刻度,制成10 mg/mL的內標液。

1.2.3.3 對照品溶液的制備 精密取乙酸龍腦酯對照品約20 mg,置于10 mL容量瓶中,精密加入內標溶液1 mL,加無水甲醇至刻度,作為對照品溶液。

1.2.3.4 供試品溶液的制備 精密稱取100 mg寬葉纈草揮發油,置于10 mL容量瓶中,精密加入1 mL內標溶液,加無水甲醇稀釋至刻度,作為供試品溶液。

1.2.3.5 樣品測定 吸取1 μL供試品溶液,注入氣相色譜儀,通過內標法計算乙酸龍腦酯的質量。

圖1 乙酸龍腦酯對照品(A)、纈草揮發油原料(B) 和精制品(C)的氣相色譜圖Fig.1 GC Chromatograms of bornyl acetate reference substance(A),volatile oil of valeriana officinalis(B),and refined products(C)注：1-內標物,2-乙酸龍腦酯。

1.2.4 分子蒸餾法純化纈草揮發油的單因素實驗

1.2.4.1 蒸餾溫度對乙酸龍腦酯含量的影響 稱取300 g揮發油,加入分子蒸餾進樣器中,控制真空度15 mbar進行分子蒸餾,進料速度90 mL/h,刮膜轉速200 r/min,在50～100 ℃范圍內,考察不同蒸餾溫度對纈草精油乙酸龍腦酯含量的影響,

1.2.4.2 進料速度對乙酸龍腦酯含量的影響 稱取300 g揮發油,加入分子蒸餾進樣器中,在蒸餾溫度70 ℃,真空度15 mbar進行分子蒸餾,刮膜轉速200 r/min條件下,研究進料速度對揮發油中乙酸龍腦酯含量的影響情況。

1.2.4.3 刮膜轉速對乙酸龍腦酯含量的影響 稱取300 g揮發油,加入分子蒸餾進樣器中,在蒸餾溫度70 ℃,進料速度90 mL/h,真空度15 mbar條件下進行分子蒸餾,研究不同刮膜轉速對揮發油中乙酸龍腦酯含量的影響,

1.2.4.4 真空度對乙酸龍腦酯含量的影響 稱取300 g揮發油,加入分子蒸餾進樣器中,在蒸餾溫度70 ℃,進料速度90 mL/h,刮膜轉速200 r/min條件下,研究不同真空度對揮發油中乙酸龍腦酯含量的影響,

1.2.5 響應面設計優化纈草揮發油的純化條件 分別以蒸餾溫度、進料速度和刮膜轉速為響因素,根據Design-Expert 8.0.5軟件Box-Benhnken中心組合實驗設計原理采用響應面法在三因素三水平對纈草揮發油純化的條件進行優化,實驗設計見表1。

表1 纈草揮發油純化實驗因素水平表

2 結果與分析

2.1 單因素實驗及分析

2.1.1 蒸餾溫度對乙酸龍腦酯含量的影響 不同蒸餾溫度對纈草揮發油純化得率的影響結果見圖2。乙酸龍腦酯的含量隨著蒸餾溫度的升高而升高,當溫度達到70 ℃時,乙酸龍腦酯含量達最高,超過70 ℃后,含量隨著溫度升高反而降低。當溫度很低時,汽化的輕組分總體不多,所以其中的乙酸龍腦酯含量不高,當溫度升高,乙酸龍腦酯汽化進入輕組分增多,乙酸龍腦酯含量變高。溫度升高到一定程度,揮發油中的其他組分也會相繼汽化,反而導致乙酸龍腦酯含量變低。

圖2 蒸餾溫度對乙酸龍腦酯含量的影響Fig.2 Effect of distillation temperature on volatile oil purification

2.1.2 進料速度對乙酸龍腦酯含量的影響 不同進料溫度對纈草揮發油純化得率的影響結果如圖3。結果表明,乙酸龍腦酯的含量隨著進料速度的升高而升高,當進料速度達到90 mL/h時,乙酸龍腦酯含量達最大值,超過90 mL/h后,乙酸龍腦酯的含量隨著進料速度的升高反而逐漸降低。乙酸龍腦酯含量隨進料速度增加呈先增加后降低的趨勢,可能是因為當進料速度越低,揮發油通過加熱器的時間增加,揮發油在刮膜的作用下可以均勻分布在加熱器上,使大多數成分得到加熱而汽化進入輕組分,使得乙酸龍腦酯含量很低,隨著進料速度增加,相同時間進入加熱器的揮發油變得更多,在重力作用下使得揮發油向下流速加快,刮膜變厚,使得很多重組分得不到充分加熱而不揮發而進入重組分中,輕組分中物質變少,使輕組分乙酸龍腦酯含量增加,當進料速度進一步增加,向下流速進一步加快,刮膜轉子不能有效使物料與加熱器接觸,能汽化的物質進一步減少,乙酸龍腦酯含量反而降低。

圖3 進料速度對乙酸龍腦酯含量的影響Fig.3 Effect of material-feeding amount on volatile oil purification

2.1.3 刮膜轉速對乙酸龍腦酯含量的影響 不同刮膜轉速對纈草揮發油純化得率的影響結果見圖4。結果表明,在刮膜轉速很低時,乙酸龍腦酯的含量隨著轉速的增大而增加,在轉速達到200 r/min時,乙酸龍腦酯含量達到最大值,超過200 r/min后,乙酸龍腦酯含量隨著轉速的增加反而降低。這是因為轉速很低時,刮膜轉子不能使揮發油與加熱器充分接觸,使得很多揮發油不能得到充分加熱而進入重組分,進入輕組分的物質較少,乙酸龍腦酯的含量很低,隨著轉速增加,刮膜轉子使揮發油充分加熱,輕組分中的成分變多,乙酸龍腦酯的含量增加,當轉速進一步增加,揮發油的大多數成分都能充分加熱而揮發進入輕組分,使得乙酸龍腦酯的含量反而降低。

圖4 刮膜轉速對乙酸龍腦酯含量的影響Fig.4 Effect of scraping rate on volatile oil purification

2.1.4 真空度對乙酸龍腦酯含量的影響 不同真空度對纈草揮發油純化得率的影響結果見圖5。結果表明,隨著真空度增加,可明顯提高乙酸龍腦酯含量,但之后增大真空度,對乙酸龍腦酯含量影響不大,故從節約資源方面考慮,本實驗用10 mbar真空度即可。

圖5 真空度對乙酸龍腦酯含量的影響Fig.5 Effect of vacuum degree on volatile oil purification

2.2 響應面實驗設計結果

由單因素實驗結果可知,蒸餾溫度,進料速度,刮膜轉速對乙酸龍腦酯含量影響較大,為進一步探索其交互作用對其含量的影響,選擇以上三個因素為研究對象,以乙酸龍腦酯含量為響應值,進行Box-Benhnken實驗設計(表1),結果見表2。采用Design-Expert 8.0.5軟件對所得的數據進行方差分析,所得結果見表3。

表2 Box-Benhnken實驗設計及結果

表3 響應面方差分析

3個因素經過擬合得到二次多元方程為:

Y(%)=77.25-0.34A-0.95B-0.61C+2.32AB+1.61AC-1.24BC-2.22A2-3.39B2-1.68C2,R2=0.9802。

模型p<0.01,表明回歸模型極顯著,失擬項的p>0.05,說明失擬項不顯著,表明該方程對實驗擬合情況好,誤差小。在此模型中B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2都是顯著因子。相關系數R2=0.9802,說明纈草揮發油中乙酸龍腦酯提取含量的實驗值與預測值之間有較好的擬合度。

為了得到A、B、C的最佳條件,對所得的回歸擬合方程中的變量分別求一階偏導數,令其為0,得到3元一次方程組,求解方程組,并根據實際情況進行修整,得到各因素最佳值是:進料速度82 mL/h,蒸餾溫度68 ℃,刮膜轉速188 r/min,在此條件下乙酸龍腦酯的質量分數可達77.46%。根據修正的工藝條件進行3次驗證實驗,得到揮發油中乙酸龍腦酯的質量分數76.89%,與理論值相比降低了0.57%可見該模型可較好地預測實驗結果。

圖6 進料速度(A),蒸餾溫度(B) 和刮膜轉速(C)交互作用的響應曲面圖Fig.6 Response surface plot indicating the effects of material-feeding amount,distillation temperature and scraping rate in aqueous solution as well as their pairwise interactions on volatile oil purification

3 結論

采用響應面分析法優化分子蒸餾純化纈草揮發油的工藝,繪出各因素交互作用響應面曲面圖(圖6),在蒸餾溫度、進料速度、刮膜轉速三個因素中,蒸餾溫度對乙酸龍腦酯質量分數影響達到了極顯著(p<0.01)水平,而刮膜轉速的影響達到顯著(p<0.05)水平,進料速度影響不顯著,三個因素影響主次關系為蒸餾溫度>刮膜轉速>進料速度。利用Design-Expert 8.0.5軟件對實驗數據進行分析,結果表明,用分子蒸餾純化纈草揮發油的最佳條件為進料速度82 mL/h,蒸餾溫度68 ℃,刮膜轉速188 r/min,此條件下乙酸龍腦酯的質量分數可達77.46%。分子蒸餾技術具有操作溫度低、蒸餾壓力低、受熱時間短等優點,因而能大大降低高沸點物料的分離成本,極好的保護熱敏性物料的特點品質[29],通過分子蒸餾技術可以精制得到比原有水蒸氣蒸餾法提取的揮發油有效成分質量分數更高的揮發油產品,在揮發油提純工業化生產方面有很好的應用前景。

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Purification of bornyl acetate in volatile oil ofvalerianaofficinalisL. var.latifoliaMiq by molecular distillation

LI Xiong1,LV Qing-yin1,LI Cen1,WU Wei1,ZHAO Wei1,ZHANG Zhen2,*

(1.School of Liquor and Food Engneering,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Guizhou Institute of Science and Technology,Guiyang 550025,China)

Molecular distillation was used for the further purification of the volatile oil from roots ofvalerianaofficinalisL.var.latifoliaMiq. The best process parameters,including temperature,feed rate,and scraping rate,of molecular distillation technique for separating the volatile oil were studied by response surface methodology based on single factor experiment. The content was detected by GC under the conditions of elastic quartz capillary column TR-5,detector temperature 250 ℃,gasification temperature 250 ℃,distributary refer 50∶1. The optimal extraction processing parameters were material-feeding rate of 82 mL/h,distillation temperature of 68 ℃ and scraping rate of 188 r/min. Under the optimal processing conditions,the quality of volatile oil was markedly improved,and the content of bornyl acetate was 77.46%. The molecular distillation technique that could get the product with higher content of bornyl acetate has a very good prospect in industry.

the volatile oil invalerianaofficinalisL.var.latifoliaMiq;molecular distillation;bornyl acetate;response surface methodology

2016-09-06

李雄(1991-)，男，碩士，研究方向：天然產物，E-mail:lixiong312@qq.com。

*通訊作者:張振(1973-)，女，博士，教授，研究方向：天然產物，E-mail:zhangzhen@git.edu.cn。

貴州省科學技術項目(黔科合J字[2011]3004)。

TS255.1

B

1002-0306(2017)05-0274-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.043