溶劑法脫萜制備水溶性姜精油工藝的實驗研究

吳豫平,劉治年,田弋夫,余德順*

1(貴州大學 化學與化工學院,貴州 貴陽,550025)2(中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室, 超臨界流體技術研究中心,貴州 貴陽,550081)

水溶性香精是將天然或合成香料按一定的配比和適當的順序與蒸餾水、乙醇、丙二醇或甘油等稀釋劑調和而成,主要應用為食品、煙草、酒類和化妝品等[1]。姜精油是從生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)根莖中采用水蒸氣法、溶劑法、超臨界CO2萃取法等[2]方法提取得到有特殊芳香味的揮發性油狀液體,因其具有特征的風味和生物活性而被廣泛應用于醫藥保健[3-4]、化妝品開發[5]、食品飲料和香料[6]等領域,是一種非常重要的天然植物精油。天然植物精油的化學組成主要為萜烯類化合物和少量的含氧類化合物,萜烯類化合物對精油特征性的香氣貢獻很少,香氣主要來源于低含量的含氧類化合物[7],精油中萜烯類化合物長期與空氣、光線接觸后易氧化變質,使精油品質劣化[8],導致其商品貨架期縮短,加之萜烯類化合物難溶于水,這些因素都限制了植物精油作為水溶性香精或更廣泛地在水基體系產品中的應用,因此以天然植物精油為香料進一步制備相應的水溶性香精或水溶性精油,對拓展植物精油的市場應用空間和范圍具有重要意義。對植物精油進行脫萜可以在起到改善其穩定性的同時提升其水溶性,目前植物精油脫萜的研究主要集中于柑橘類精油[9-10],對姜精油采用溶劑法脫萜的相關研究文獻尚未見到報道。本研究以超臨界CO2萃取得到的姜精油作為原料,在對其進行GC-MS定性定量分析基礎上結合氣味活性值(odor activity value,OAV)分析,創新提出并確定了分離目標萜烯物和保留目標香氣物,以這兩類物質的相對含量為指標,選擇安全性及適用范圍廣的丙二醇為萃取溶劑[11],對姜精油進行脫萜制備水溶性姜精油工藝的實驗研究,該研究為拓展姜精油在水基產品中的應用奠定了技術基礎,為以天然植物精油為原料制備水溶性精油即水溶性香料的研究方法提供了新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

姜精油,以貴州六盤水水城產小黃姜為原料,參考文獻[12]以超臨界CO2萃取法制備而得;苯乙醇(純度≥99.4%),廣州佳途科技股份有限公司;1,2-丙二醇,分析純,上海麥克林生化科技有限公司;正構烷烴類混標(C8～C40),北京百靈威科技有限公司。

1.2 儀器與設備

二乙烯基苯/羧基/聚二甲基硅氧烷(divinylbenzene/carboxyl/polydimethylsiloxane,DVB/CAR/PDMS)(50/30 μm)萃取頭、手動進樣手柄,美國Supelco公司;LC-MSB-HD攪拌加熱平臺,寧波力辰科技有限公司;9000-7000D GC-MS,美國安捷倫儀器公司;TG 16-WS高速臺式離心機,湖南邁克爾實驗儀器有限公司;SHJ-A6水浴恒溫磁力攪拌器,金壇市岸頭良友實驗室儀器廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 水溶性精油制備工藝

3 g姜精油和不同體積分數的丙二醇水溶液混合→恒溫水浴攪拌→離心→水溶性精油(下層液體)

1.3.2 單因素試驗

1.3.2.1 不同濃度丙二醇水溶液的影響

30 mL體積分數分別為40%、50%、60%、70%和80%的丙二醇水溶液,攪拌溫度30 ℃,攪拌時間60 min,離心轉速6 000 r/min,離心時間15 min。

1.3.2.2 離心轉速的影響

30 mL體積分數為70%的丙二醇水溶液,攪拌溫度30 ℃,攪拌時間60 min,離心轉速分別為4 000、5 000、6 000、7 000、8 000 r/min,離心時間15 min。

1.3.2.3 離心時間的影響

30 mL體積分數為70%的丙二醇水溶液,攪拌溫度30 ℃,攪拌時間60 min,離心轉速6 000 r/min,離心時間分別為5、10、15、20、25 min。

1.3.2.4 攪拌溫度的影響

30 mL體積分數為70%的丙二醇水溶液,攪拌溫度分別為20、30、40、50、60 ℃,攪拌時間60 min,離心轉速6 000 r/min,離心時間15 min。

1.3.2.5 攪拌時間的影響

30 mL體積分數為70%的丙二醇水溶液,攪拌溫度30 ℃,攪拌時間分別為30、60、90、120、150 min,離心轉速6 000 r/min,離心時間15 min。

1.3.2.6 料液比的影響

分別加入10、20、30、40、50 mL體積分數為70%丙二醇水溶液,攪拌溫度30 ℃,攪拌時間60 min,離心轉速6 000 r/min,離心時間15 min。

1.3.3 頂空固相微萃取(headspace solid phase microextraction,HS-SPME)方法

稱取適量姜精油原料或制備得到的水溶性生姜精油樣品加入15 mL樣品瓶中,使用老化后SPME萃取纖維頭插入樣品瓶中距離液面1 cm處,將其放在設置溫度為60 ℃加熱平臺上的燒杯內進行水浴加熱,吸附4 min,立即取出并插入GC-MS進樣口解析4 min。

1.3.4 測定條件

色譜條件:HP-5 MS色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);載氣為高純He,流速0.8 mL/min;柱箱溫度為程序升溫,即50 ℃保持1 min;50～100 ℃,2 ℃/min;100～130 ℃,1 ℃/min;130～250 ℃,20 ℃/min;繼續保持2 min;進樣口260 ℃,分流比100∶1。

質譜條件:離子源溫度230 ℃;MS傳輸線260 ℃;掃描范圍10～800 amu。

1.3.5 定性定量分析

1.3.5.1 定性方法

利用譜庫NIST MS Search 2.2進行檢索,要求正、反匹配度都大于800的化合物,結合化合物實際保留指數與文獻中使用相同氣相色譜柱的保留指數對比進行輔助定性[13-14],其中保留指數的測定:混合烷烴標樣C8～C40,采用相同的氣質升溫程序,根據保留時間計算樣品中化合物的保留指數,按公式(1)計算:

式中:TX,化合物X的保留時間,min;Z和Z+1,分別為化合物X出峰前后相鄰正構烷烴標準品的碳原子數;TZ與TZ+1,分別為Z和Z+1個碳原子對應正構烷烴的保留時間,min。

1.3.5.2 定量方法

采用峰面積歸一化法計算得各組分的相對含量,以%表示;采用內標法進行半定量分析[15-16],選取苯乙醇為內標物,根據內標含量計算各組分的含量,以mg/g表示,按公式(2)計算:

式中:ωi,化合物質量分數,mg/g;ωt,內標質量分數,mg/g;Ai,化合物色譜峰面積;At,內標物色譜峰面積。

1.3.6 數據處理

每組數據重復2次,每次檢測2次,實驗數據均用平均值±標準偏差表示。應用Excel 2019進行數據分析,并使用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 姜精油揮發物的GC-MS和OAV分析

氣味活性值(odor activity value,OAV)被廣泛應用于食品[17-18]領域分析呈香成分,OAV即化合物的香氣濃度與其閾值的比值,OAV越大,說明該化合物對呈香越重要。采用HS-SPME-GC-MS對姜精油揮發性化合物進行定性和定量分析,共鑒定出56種物質,結合ZHANG等[19]對姜油中香氣揮發物的研究,采用該文獻中的閾值數據經OAV計算分析出姜精油中各成分對香氣的貢獻程度,如表1所示。

表1 生姜精油揮發性化合物的GC-MS和OAV分析結果Table 1 OAV analysis of volatile compounds of ginger essential oil

本研究將姜精油中對香氣貢獻程度比較大的物質(OAV前10):α-蒎烯,(D)-、β-月桂烯、β-水芹烯、桉油精、芳樟醇、香葉醇、α-檸檬醛、2-十一酮、可巴烯、β-欖香烯作為水溶性姜精油香氣成分的保留目標指示物(保留香氣物),占原料姜精油揮發性化合物相對含量的18.59%;姜精油中含量較高、在丙二醇水溶液中溶解性較小和對香氣貢獻不大的倍半萜類化合物:姜烯、β-紅沒藥烯、α-法呢烯、β-倍半水芹烯作為水溶性姜精油中脫萜分離目標指示物(目標脫萜物),占原料姜精油揮發性化合物相對含量的49.20%,以這兩類目標指示物質的相對含量變化作為指標評估溶劑法脫萜制備水溶性姜精油工藝實驗研究的效果。

2.2 單因素試驗結果分析

2.2.1 不同濃度丙二醇水溶液的影響

作為在水基類食品或化妝品類中應用的水溶性精油,既要安全性高,又要對精油香氣不造成干擾且萜烯類物質溶解度盡可能小,綜合考慮選擇丙二醇作為萃取劑[11]。由圖1可知,隨著丙二醇濃度的升高,目標脫萜物的相對含量呈現先升高后下降再升高的趨勢,保留香氣物的相對含量呈現先升高后下降的趨勢。原因是隨著溶劑的極性逐漸降低,溶解脂溶性生姜精油的量不斷增加,根據相似相容的原則[20],有利于保留香氣物的萃取,當丙二醇體積分數≥70%后,表明目標脫萜物和保留香氣物在丙二醇水溶液中已經達到溶解平衡,因此選擇丙二醇水溶液體積分數為70%較為適宜。

圖1 丙二醇濃度對生姜精油目標萜烯化合物和 保留目標香氣化合物相對含量的影響Fig.1 Effect of propylene glycol concentration on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

2.2.2 不同離心轉速的影響

高速離心技術具有快速高效分離的優勢,溶液在離心機的高速旋轉過程中形成高速旋轉流場,重質相被甩向邊壁而下沉,輕質相油則在旋流器中心附近形成油核上浮[21]。有研究表明,只要兩者密度差≥0.02 g/cm3就可以有很好的分離效果[22]。由圖2可知,隨著離心轉速的增加,目標脫萜物的相對含量呈現先下降后略微上升的趨勢,保留香氣物呈現先升高后下降的趨勢,這是由于在離心加速過程中,溶解度大的溶質與溶劑的分子間作用力更相似[23]不易分離,有利于溶解度較小的目標脫萜物分離,因此選擇離心轉速為6 000 r/min時較為適宜。

圖2 離心轉速對生姜精油目標脫萜物和保留 香氣物相對含量的影響Fig.2 Effect of centrifugation speed on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

2.2.3 不同離心時間的影響

由圖3可知,在相同轉速條件下,隨著離心時間的增加,目標脫萜物的相對含量呈現先下降后上升再趨于平衡的趨勢,保留香氣物的相對含量呈現先上升后下降趨于平衡的趨勢,選擇離心時間為15 min時目標保留香氣物相對含量最高,目標脫萜物相對含量最低較為適宜。

圖3 離心時間對生姜精油目標脫萜物和 保留香氣物相對含量的影響Fig.3 Effect of centrifugation time on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

2.2.4 不同攪拌溫度的影響

由圖4可知,隨著攪拌溫度升高,目標脫萜物的相對含量呈現先下降后上升趨于平衡的趨勢,保留香氣物的相對含量呈現先上升后下降的趨勢,溫度影響姜精油在丙二醇水溶液中的溶解,溫度過低不利于溶解,但溫度升高會造成香氣物質的損失。綜合考慮攪拌溫度為30 ℃較為適宜。

圖4 攪拌溫度對生姜精油目標脫萜物和 保留香氣物相對含量的影響Fig.4 Effect of stirring temperature on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

2.2.5 不同攪拌時間的影響

由圖5可知,隨著攪拌時間的增加,目標脫萜物的相對含量呈現先下降后上升再趨于平衡的趨勢,保留香氣物的相對含量呈現先上升后下降趨于平衡的趨勢,攪拌時間影響姜精油在丙二醇水溶液是否擴散充分,一般地,攪拌時間越長越有利于姜精油的溶解,達到一定的時間后達到溶解平衡。綜合考慮攪拌時間為60 min較為適宜。

2.2.6 不同料液比的影響

由圖6可知,隨著料液比的減少,目標脫萜物的相對含量呈現先下降后上升的趨勢,保留香氣物的相對含量呈現先上升后下降的趨勢。料液比影響姜精油脂溶性成分在丙二醇水溶液中是否飽和。料液比越小溶解脂溶性生姜精油的量越多,但隨著料液比的減少相對含量較少的保留香氣物先達到飽和,相對含量較大的目標脫萜物后達到飽和。為了獲得更多的保留香氣物而分離較多的脫萜目標物,因此選擇料液比為3∶20較為適宜。

圖5 攪拌時間對生姜精油目標脫萜物和 保留香氣物相對含量的影響Fig.5 Effect of stirring time on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

圖6 料液比對生姜精油目標脫萜物和保留 香氣物相對含量的影響Fig.6 Effect of material liquid ratio on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

2.3 水溶性姜精油的理化指標分析

通過單因素試驗得到的最優工藝參數丙二醇溶劑法制備水溶性精油,對其外觀、色澤、香氣、相對密度和容混度進行了相關分析檢測,結果見表2。

表2 水溶性姜精油的理化指標Table 2 Physical and chemical indexes of water-soluble ginger essential oil

3 結論

本研究應用HS-SPME-GC-MS技術,對超臨界CO2萃取得到的姜精油進行了定性和定量分析,共鑒定出56種揮發性物質,結合定量及OAV分析姜精油揮發性成分對香氣的貢獻程度,確定了分離目標萜烯物和保留目標香氣物,以這兩類物質相對含量的變化作為溶劑法脫萜制備水溶性姜精油工藝實驗研究的考察指標,通過單因素試驗得到最優技術工藝參數為:體積分數為70%的丙二醇水溶液、離心轉速6 000 r/min及離心時間15 min、攪拌溫度30 ℃及攪拌時間60 min、料液比3∶20。在該技術工藝參數條件下制備得到的水溶性姜精油相比于原料姜精油的目標脫萜物相對含量從49.20%降低到36.75%,目標保留香氣物從18.59%增加到25.70%,并對其外觀等理化指標進行了分析。此工藝制備水溶性姜精油操作簡便,制備得到的姜精油呈姜特征芳香且性質穩定,為拓展姜精油的應用空間奠定了一定技術基礎,也為天然植物精油脫萜制備水溶性精油的實驗研究提供新思路和方法。