分子蒸馏法纯化宽叶缬草挥发油中的乙酸龙脑酯

李 雄,吕庆银,李 岑,吴 威,赵 伟,张 振

(1.贵州大学酿酒与食品工程学院,贵州贵阳 550025;2.贵州理工学院制药工程学院,贵州贵阳 550025)

分子蒸馏法纯化宽叶缬草挥发油中的乙酸龙脑酯

李 雄1,吕庆银1,李 岑1,吴 威1,赵 伟1,张 振2,*

(1.贵州大学酿酒与食品工程学院,贵州贵阳 550025;2.贵州理工学院制药工程学院,贵州贵阳 550025)

采用分子蒸馏法对缬草挥发油进一步纯化。在单因素实验的基础上,通过响应面法优化分子蒸馏技术纯化缬草挥发油所需温度、进料速度、刮膜转速的最佳工艺参数,采用弹性石英毛细管柱TR-5,在检测器温度为250 ℃,气化温度为250 ℃,分流比为50∶1条件下进行GC法测定,并用内标法定量。考察蒸发温度,刮膜速率,进料速度等对缬草挥发油的主要成分乙酸龙脑酯的含量的影响。结果表明:最佳工艺条件为:进料速度为82 mL/h,蒸馏温度68 ℃,刮膜转速188 r/min,乙酸龙脑酯的质量分数为77.46%。结论:通过分子蒸馏法可得到比传统的水蒸气蒸馏法所提挥发油的有效成分质量分数要高,在挥发油提纯工业化生产方面有很好的应用前景。

缬草挥发油,分子蒸馏,乙酸龙脑酯,响应面法

宽叶缬草(ValerianaofficinalisL.var.latifoliaMiq)为败酱科缬草属(Valeriana L.)多年生草本植物。主要分布于贵州、四川、云南地区,其中贵州地区产量较大[1]。其以根和根茎入药,性味辛、苦、温,主要用于清热止泻、宁心安神、理气止痛、祛风除湿等,多用于胃腹胀痛、腰腿痛、痛经、经闭、跌打损伤、神经衰弱、失眠等症[2-3]。现代药理学研究表明宽叶缬草具有镇静、解痉、调血脂、抗氧化、保护肾脏等作用[4]。为2003版《贵州省中药、民族药质量标准》收载药材[5]。宽叶缬草富含挥发油类、缬草素类、生物碱类、黄酮类等,其中挥发油类是其镇静、安神的主要成分之一[6-8]。宽叶缬草根挥发油以萜烯类化合物为主,分别含有烯、醇、酮、酯和醚类化合物,其中乙酸龙脑酯、香树烯和坎烯为主要成分,乙酸龙脑酯的含量为37.94%[9-12]。以宽叶缬草根为原料经水蒸气蒸馏所得精油,为很好的香料和调香剂,在食品饮料、化妆品工业中有广泛用途[13-18]。缬草挥发油提取方法主要采用水蒸汽蒸馏法,工艺粗糙原始,出油率低且品质不高,而且有效成分也不稳定。分子蒸馏具有操作温度低、分离一步完成、得率高、产品品质好等诸多优点[19-21]。因此本实验以乙酸龙脑酯质量分数为指标,采用分子蒸馏装置对缬草挥发油纯化工艺进行了研究,并用响应面优化法确定了较优的工艺参数[22-28],为中试生产提供了理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

缬草 贵州省铜仁市江口县,阴干至水分退去,粉碎,过40目筛,备用;乙酸龙脑酯对照品 中国食品药品检定研究院,批号110759-201105;萘(色谱纯);甲醇(色谱纯);乙酸乙酯 石油醚等分离用有机溶剂均为国产分析纯。水蒸气蒸馏装置 实验室自备;GC-Trace1310气相色谱仪 赛默飞;WT5001电子天平 江苏常州万泰天平仪器有限公司;VKL70型刮膜式分子蒸馏装置 德国VTA公司。

1.2 实验方法

1.2.1 精油提取工艺流程 缬草→粉碎过40目筛→水蒸气蒸馏→萃取→真空浓缩→缬草挥发油。将蒸馏得到的馏出液经乙醚连续萃取3次,然后用无水硫酸钠干燥过夜,旋转蒸发除去乙醚,既得挥发油。

挥发油的得率(%)=挥发油的质量/缬草粉的质量×100

1.2.2 分子蒸馏纯化缬草挥发油 将300 g缬草挥发油加入分子蒸馏进样器中,打开保护真空系统的冷凝装置,冷却到零下20 ℃以下,以保护真空系统;开冷凝水,设定温度为2 ℃;同时打开真空泵,设定实验所需的真空度;当真空达到设定值后,开启主蒸发器加热装置,设定蒸馏温度;当温度接近设定值时,将刮膜转子调至适宜转速。当所有参数达到指定值后,可打开进样阀,设定一定流速进样。在高真空条件下,物料中的轻组分以气体状态进入中间的冷凝器并冷凝成液体,进入轻组分收集器中,而重组分未挥发直接进入重组分收集器中。本实验由于乙酸龙脑酯主要在轻组分收集器中,所以取得轻组分进行气相色谱的分析。

1.2.3 乙酸龙脑酯的GC法测定

1.2.3.1 色谱条件 TR-5弹性石英毛细管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm,交联5%苯基甲基聚硅氧烷为固定相);升温程序:初始温度70 ℃,保持4 min,12 ℃/min升温至230 ℃,保持10 min;检测器温度为250 ℃,气化温度为250 ℃;载气He气;载气流速1 mL/min;分流比为50∶1。

1.2.3.2 内标溶液的制备 精密称取100 mg萘,置于10 mL容量瓶中,加入无水甲醇定容至刻度,制成10 mg/mL的内标液。

1.2.3.3 对照品溶液的制备 精密取乙酸龙脑酯对照品约20 mg,置于10 mL容量瓶中,精密加入内标溶液1 mL,加无水甲醇至刻度,作为对照品溶液。

1.2.3.4 供试品溶液的制备 精密称取100 mg宽叶缬草挥发油,置于10 mL容量瓶中,精密加入1 mL内标溶液,加无水甲醇稀释至刻度,作为供试品溶液。

1.2.3.5 样品测定 吸取1 μL供试品溶液,注入气相色谱仪,通过内标法计算乙酸龙脑酯的质量。

图1 乙酸龙脑酯对照品(A)、缬草挥发油原料(B) 和精制品(C)的气相色谱图Fig.1 GC Chromatograms of bornyl acetate reference substance(A),volatile oil of valeriana officinalis(B),and refined products(C)注：1-内标物,2-乙酸龙脑酯。

1.2.4 分子蒸馏法纯化缬草挥发油的单因素实验

1.2.4.1 蒸馏温度对乙酸龙脑酯含量的影响 称取300 g挥发油,加入分子蒸馏进样器中,控制真空度15 mbar进行分子蒸馏,进料速度90 mL/h,刮膜转速200 r/min,在50～100 ℃范围内,考察不同蒸馏温度对缬草精油乙酸龙脑酯含量的影响,

1.2.4.2 进料速度对乙酸龙脑酯含量的影响 称取300 g挥发油,加入分子蒸馏进样器中,在蒸馏温度70 ℃,真空度15 mbar进行分子蒸馏,刮膜转速200 r/min条件下,研究进料速度对挥发油中乙酸龙脑酯含量的影响情况。

1.2.4.3 刮膜转速对乙酸龙脑酯含量的影响 称取300 g挥发油,加入分子蒸馏进样器中,在蒸馏温度70 ℃,进料速度90 mL/h,真空度15 mbar条件下进行分子蒸馏,研究不同刮膜转速对挥发油中乙酸龙脑酯含量的影响,

1.2.4.4 真空度对乙酸龙脑酯含量的影响 称取300 g挥发油,加入分子蒸馏进样器中,在蒸馏温度70 ℃,进料速度90 mL/h,刮膜转速200 r/min条件下,研究不同真空度对挥发油中乙酸龙脑酯含量的影响,

1.2.5 响应面设计优化缬草挥发油的纯化条件 分别以蒸馏温度、进料速度和刮膜转速为响因素,根据Design-Expert 8.0.5软件Box-Benhnken中心组合实验设计原理采用响应面法在三因素三水平对缬草挥发油纯化的条件进行优化,实验设计见表1。

表1 缬草挥发油纯化实验因素水平表

2 结果与分析

2.1 单因素实验及分析

2.1.1 蒸馏温度对乙酸龙脑酯含量的影响 不同蒸馏温度对缬草挥发油纯化得率的影响结果见图2。乙酸龙脑酯的含量随着蒸馏温度的升高而升高,当温度达到70 ℃时,乙酸龙脑酯含量达最高,超过70 ℃后,含量随着温度升高反而降低。当温度很低时,汽化的轻组分总体不多,所以其中的乙酸龙脑酯含量不高,当温度升高,乙酸龙脑酯汽化进入轻组分增多,乙酸龙脑酯含量变高。温度升高到一定程度,挥发油中的其他组分也会相继汽化,反而导致乙酸龙脑酯含量变低。

图2 蒸馏温度对乙酸龙脑酯含量的影响Fig.2 Effect of distillation temperature on volatile oil purification

2.1.2 进料速度对乙酸龙脑酯含量的影响 不同进料温度对缬草挥发油纯化得率的影响结果如图3。结果表明,乙酸龙脑酯的含量随着进料速度的升高而升高,当进料速度达到90 mL/h时,乙酸龙脑酯含量达最大值,超过90 mL/h后,乙酸龙脑酯的含量随着进料速度的升高反而逐渐降低。乙酸龙脑酯含量随进料速度增加呈先增加后降低的趋势,可能是因为当进料速度越低,挥发油通过加热器的时间增加,挥发油在刮膜的作用下可以均匀分布在加热器上,使大多数成分得到加热而汽化进入轻组分,使得乙酸龙脑酯含量很低,随着进料速度增加,相同时间进入加热器的挥发油变得更多,在重力作用下使得挥发油向下流速加快,刮膜变厚,使得很多重组分得不到充分加热而不挥发而进入重组分中,轻组分中物质变少,使轻组分乙酸龙脑酯含量增加,当进料速度进一步增加,向下流速进一步加快,刮膜转子不能有效使物料与加热器接触,能汽化的物质进一步减少,乙酸龙脑酯含量反而降低。

图3 进料速度对乙酸龙脑酯含量的影响Fig.3 Effect of material-feeding amount on volatile oil purification

2.1.3 刮膜转速对乙酸龙脑酯含量的影响 不同刮膜转速对缬草挥发油纯化得率的影响结果见图4。结果表明,在刮膜转速很低时,乙酸龙脑酯的含量随着转速的增大而增加,在转速达到200 r/min时,乙酸龙脑酯含量达到最大值,超过200 r/min后,乙酸龙脑酯含量随着转速的增加反而降低。这是因为转速很低时,刮膜转子不能使挥发油与加热器充分接触,使得很多挥发油不能得到充分加热而进入重组分,进入轻组分的物质较少,乙酸龙脑酯的含量很低,随着转速增加,刮膜转子使挥发油充分加热,轻组分中的成分变多,乙酸龙脑酯的含量增加,当转速进一步增加,挥发油的大多数成分都能充分加热而挥发进入轻组分,使得乙酸龙脑酯的含量反而降低。

图4 刮膜转速对乙酸龙脑酯含量的影响Fig.4 Effect of scraping rate on volatile oil purification

2.1.4 真空度对乙酸龙脑酯含量的影响 不同真空度对缬草挥发油纯化得率的影响结果见图5。结果表明,随着真空度增加,可明显提高乙酸龙脑酯含量,但之后增大真空度,对乙酸龙脑酯含量影响不大,故从节约资源方面考虑,本实验用10 mbar真空度即可。

图5 真空度对乙酸龙脑酯含量的影响Fig.5 Effect of vacuum degree on volatile oil purification

2.2 响应面实验设计结果

由单因素实验结果可知,蒸馏温度,进料速度,刮膜转速对乙酸龙脑酯含量影响较大,为进一步探索其交互作用对其含量的影响,选择以上三个因素为研究对象,以乙酸龙脑酯含量为响应值,进行Box-Benhnken实验设计(表1),结果见表2。采用Design-Expert 8.0.5软件对所得的数据进行方差分析,所得结果见表3。

表2 Box-Benhnken实验设计及结果

表3 响应面方差分析

3个因素经过拟合得到二次多元方程为:

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,表明回归模型极显著,失拟项的p>0.05,说明失拟项不显著,表明该方程对实验拟合情况好,误差小。在此模型中B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2都是显著因子。相关系数R2=0.9802,说明缬草挥发油中乙酸龙脑酯提取含量的实验值与预测值之间有较好的拟合度。

为了得到A、B、C的最佳条件,对所得的回归拟合方程中的变量分别求一阶偏导数,令其为0,得到3元一次方程组,求解方程组,并根据实际情况进行修整,得到各因素最佳值是:进料速度82 mL/h,蒸馏温度68 ℃,刮膜转速188 r/min,在此条件下乙酸龙脑酯的质量分数可达77.46%。根据修正的工艺条件进行3次验证实验,得到挥发油中乙酸龙脑酯的质量分数76.89%,与理论值相比降低了0.57%可见该模型可较好地预测实验结果。

图6 进料速度(A),蒸馏温度(B) 和刮膜转速(C)交互作用的响应曲面图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 结论

采用响应面分析法优化分子蒸馏纯化缬草挥发油的工艺,绘出各因素交互作用响应面曲面图(图6),在蒸馏温度、进料速度、刮膜转速三个因素中,蒸馏温度对乙酸龙脑酯质量分数影响达到了极显著(p<0.01)水平,而刮膜转速的影响达到显著(p<0.05)水平,进料速度影响不显著,三个因素影响主次关系为蒸馏温度>刮膜转速>进料速度。利用Design-Expert 8.0.5软件对实验数据进行分析,结果表明,用分子蒸馏纯化缬草挥发油的最佳条件为进料速度82 mL/h,蒸馏温度68 ℃,刮膜转速188 r/min,此条件下乙酸龙脑酯的质量分数可达77.46%。分子蒸馏技术具有操作温度低、蒸馏压力低、受热时间短等优点,因而能大大降低高沸点物料的分离成本,极好的保护热敏性物料的特点品质[29],通过分子蒸馏技术可以精制得到比原有水蒸气蒸馏法提取的挥发油有效成分质量分数更高的挥发油产品,在挥发油提纯工业化生产方面有很好的应用前景。

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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，硕士，研究方向：天然产物，E-mail:lixiong312@qq.com。

*通讯作者:张振(1973-)，女，博士，教授，研究方向：天然产物，E-mail:zhangzhen@git.edu.cn。

贵州省科学技术项目(黔科合J字[2011]3004)。

TS255.1

B

1002-0306(2017)05-0274-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.043