新疆孜然精油提取工艺的优化

李治龙 刘新华 郭凌云 赵 明

孜然为伞形花科孜然芹属一年或二年生草本植物，具有刺鼻的香味，原产于埃及、埃塞俄比亚，后引种进入我国新疆种植成功后，进入内地甘肃、河北等地。其种子呈黄褐色、扁平弧形，有强烈芳辛香气，经常以整粒、粉末状、精油等形式用于菜肴的调味、调配食用香精、腌制食品等，亦是新疆著名烤羊肉不可缺少的调味料［1］。在新疆维吾尔族和哈萨克族民间，其果实也可入药，用于治疗消化不良、胃寒腹痛等症［2］。孜然这些独特的调味和医疗保健作用都与其挥发性化学成分有着密切的联系。

关于孜然挥发油的化学成分已有较多研究。Tunc等、Behera S、彭奇均、孙宏、阎建辉、宋根伟［3－10］等分别报道了采用不同提取方法得到的孜然精油成分，并研究了孜然精油的抑菌活性，这对有效利用孜然具有重要的参考价值，但是，这些研究都主要以内地产孜然作为原料，而以我国盛产地新疆的孜然为原料的研究却很少。因此，本文将以新疆不同产地的孜然为原料，采用多种溶剂对其精油进行提取，初步探讨比较各产地孜然精油的出油率。此工作具有重要的现实和理论意义，将为新疆孜然的产业化发展提供一个前期理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

孜然(新疆喀什、阿克苏、和田、哈密、吐鲁番当年产);石油醚(30～60℃)、乙醚、二氯甲烷、正戊烷均为分析纯。旋转蒸发仪:上海申生科技有限公司;多功能万能粉碎机:北京市永光明医疗仪器厂;电子分析天平:瑞士梅特勒公司;电子恒温水浴箱:北京卓川电子科技有限公司;油水分离器、烧杯等。

1.2 试验方法

1.2.1 单因素提取条件对孜然精油提取率的影响

称取孜然籽100 g，粉碎后过筛，选取不同粒度的原料加入三颈瓶中，按不同的料液比加入不同的溶剂，于不同的温度条件下，提取一定的时间，提取一次完成后，反复提取一定的次数，最后合并提取液，去除溶剂，计算精油得率，最终得到最佳工艺参数。

1.2.2 通过单因素试验分别选取4个对提取率影响较大的因素及对应的3个较优水平进行正交试验，以对提取工艺条件进一步优化。见表1

表1 孜然精油提取正交试验方案

1.2.3 在正交试验的最佳提取工艺条件下，以新疆不同产地的孜然为原料进行精油提取，以精油提取率为指标，初步判断不同产地精油的品质好坏。

2 结果与分析

2.1 提取过程中各单因素条件对提取率的影响

2.1.1 不同溶剂对提取率的影响

不同溶剂对提取率的影响见图1。根据图1可知，不同溶剂提取率不同，其中水的提取率最低仅为3.42%，其次是二氯甲烷和乙醚，提取率分别为4.25%和4.68%，其中提取效果最好的是正戊烷，提取率高达5.26%。不同的溶剂提取效果差别很大，这可能是因为不同溶剂的极性差别较大的缘故。

2.1.2 温度对提取率的影响

在不同的温度下提取精油，计算精油提取率，结果如图2所示。由图可知，温度在18℃ －39℃的范围内变化时，随着温度的升高，在33℃之前提取率随温度的增加而增加，当温度为33℃时，提取率高达5.43%，但是当温度超过33℃时，随着温度的增加，提取率不再增加反而有所下降，当温度达到39℃时，提取率仅为4.81%，这可能是因为在提取温度达到溶剂沸点之前，随着温度的提高，增加了溶剂分子和油脂分子的动能，加快了分子运动，促进了扩散作用，所以提取率会快速增加;而当温度达到溶剂沸点时，由于溶剂的汽化，减少了有效接触面积，从而降低了提取率。由图可知，最佳提取温度为33℃。

2.1.3 时间对提取效果的影响

在33℃条件下，以正戊烷为溶剂，设置不同的提取时间，计算精油提取率。由图3可知，在时间3－10 h的范围内，随着提取时间的增加，精油的提取率逐渐增加，当提取时间达到7 h时，提取率最高;而当提取时间超过7 h后，提取率基本不变或稍有增加。这可能是因为当提取时间达到7 h时，精油基本已被提完的缘故。因此，本试验确定7 h为最适提取时间。

2.1.4 原料粒度对提取率的影响

不同粒度的孜然以正戊烷为溶剂，于33℃提取7 h，计算精油提取率。由图4可知，原料粒度从30目增加到100目的过程中，精油提取率呈现先增加后减小的现象，且当筛子目数为70时，精油提取率达到最大。这可能是因为随着筛子目数的增加，增加了溶剂和原料的有效接触面积，使精油提取率增加;当筛子目数达到一定目数后，随着目数的增加，由于颗粒间相互吸附力增大从而导致颗粒间距离变小，结果导致溶剂在粒间和粒内扩散难度增大，影响精油的溢出，因此提取率反而有所下降。因此，本试验确定70目为最佳粉碎粒度。

2.1.5 料液比对提取率的影响

不同料液比于33℃提取7 h，计算精油提取率。由图5可知，随着料液比的增加，精油提取率不断增加，当料液比为4:1时，精油提取率达到最大值6.97%。当料液比继续增加时，提取率基本保持不变或者增加不大，这可能是因为随着溶剂量的增加，稀释了精油的浓度，从而增加了精油与溶剂的接触面积，提高了传质速率，所以在一定的料液比时，提取率会增加，但当料液比继续增加时，精油提取率不再增加，可能是因为精油已经基本提取完毕。因此本试验确定料液比4:1为最佳值。

2.1.6 浸提次数对提取率的影响

由图6可知，随着提取次数的增加，提取率有不断增加的趋势，但当提取次数达到4次时，提取率基本不再增加或者增加较少，这可能是因为当提取次数达到一定值时，精油已经基本提取完。综合考虑确定本试验最佳提取次数为4次。

2.2 孜然精油提取工艺优化

根据单因素试验结果，我们选取浸提温度、原料粒度、浸提时间、料液比浓度为考察因素，每个因素选择3个水平选用L9(34)正交表进行试验，因素水平及结果如表2:

表2 L9(34)正交试验结果及分析

表3 方差分析表

从表2和表3可以看出，从做的9个试验中7号试验提取率最高，提取率高达7.98%，其最佳条件是A3B1C3D2从R值可以看出对试验影响各因素的主次顺序为A＞B＞C＞D，其中温度、原料粒度大小为显著因素。

2.2.1 正交补充实验

根据单因素试验，得出最佳试验条件为温度33℃，原料粒度为70目，提取时间7 h，料液比为4:1，即A3B1C2D2，而在正交试验中得出最佳试验条件为A3B1C3D2，即温度33℃，原料粒度为70目，提取时间8 h，料液比为4:1，分别在这两个条件下，都浸提3次，分别平行测定五次，得到平均值分别为7.65%、7.82%。由于在正交优化条件中时间延长1 h，而对提取率贡献不大，综合考虑到试验成本，最佳的实验条件为温度33℃，原料粒度为70目，提取时间7 h，料液比为4:1，浸提次数为3次。

2.2.2 优化条件下不同产地孜然精油提取率

如图7所示，在新疆不同地域取当年产孜然进行精油提取时，以喀什、阿克苏精油出油率最低，和田次之，吐鲁番最高，精油出油率高达10.88%。不同产地孜然其出油率差别很大，这可能是因为从南疆到北疆气温变化较大。喀什、阿克苏、和田基本在同一纬度，气候条件基本相同，所以出油率变化不大，而哈密和吐鲁番由于孜然结果期气温较高，昼夜温差大所致。

3 结论

综合分析认为，新疆孜然的最佳提取工艺条件为温度33℃，原料粒度为70目，提取时间7 h，料液比为4:1，浸提次数为3次，各因素对试验的影响顺序为温度＞原料粒度＞浸提时间＞料液比。测定结果表明温度高，光照时间长的地区孜然精油含量也高，吐鲁番地区孜然中精油的含量明显优于其他地区。

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