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

(新疆大学生命科学与技术学院1，乌鲁木齐 830046)

(新疆中亚食品研发中心2，乌鲁木齐 830000)

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 、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。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

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+0.605X12+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

表3 回归模型系数及显著性检验结果

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。

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

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 71X12－0.263 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

表7 回归模型系数及显著性检验结果

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。

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

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

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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