溶剂法脱萜制备水溶性姜精油工艺的实验研究

吴豫平,刘治年,田弋夫,余德顺*

1(贵州大学 化学与化工学院,贵州 贵阳,550025)2(中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室, 超临界流体技术研究中心,贵州 贵阳,550081)

水溶性香精是将天然或合成香料按一定的配比和适当的顺序与蒸馏水、乙醇、丙二醇或甘油等稀释剂调和而成,主要应用为食品、烟草、酒类和化妆品等[1]。姜精油是从生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)根茎中采用水蒸气法、溶剂法、超临界CO2萃取法等[2]方法提取得到有特殊芳香味的挥发性油状液体,因其具有特征的风味和生物活性而被广泛应用于医药保健[3-4]、化妆品开发[5]、食品饮料和香料[6]等领域,是一种非常重要的天然植物精油。天然植物精油的化学组成主要为萜烯类化合物和少量的含氧类化合物,萜烯类化合物对精油特征性的香气贡献很少,香气主要来源于低含量的含氧类化合物[7],精油中萜烯类化合物长期与空气、光线接触后易氧化变质,使精油品质劣化[8],导致其商品货架期缩短,加之萜烯类化合物难溶于水,这些因素都限制了植物精油作为水溶性香精或更广泛地在水基体系产品中的应用,因此以天然植物精油为香料进一步制备相应的水溶性香精或水溶性精油,对拓展植物精油的市场应用空间和范围具有重要意义。对植物精油进行脱萜可以在起到改善其稳定性的同时提升其水溶性,目前植物精油脱萜的研究主要集中于柑橘类精油[9-10],对姜精油采用溶剂法脱萜的相关研究文献尚未见到报道。本研究以超临界CO2萃取得到的姜精油作为原料,在对其进行GC-MS定性定量分析基础上结合气味活性值(odor activity value,OAV)分析,创新提出并确定了分离目标萜烯物和保留目标香气物,以这两类物质的相对含量为指标,选择安全性及适用范围广的丙二醇为萃取溶剂[11],对姜精油进行脱萜制备水溶性姜精油工艺的实验研究,该研究为拓展姜精油在水基产品中的应用奠定了技术基础,为以天然植物精油为原料制备水溶性精油即水溶性香料的研究方法提供了新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

姜精油,以贵州六盘水水城产小黄姜为原料,参考文献[12]以超临界CO2萃取法制备而得;苯乙醇(纯度≥99.4%),广州佳途科技股份有限公司;1,2-丙二醇,分析纯,上海麦克林生化科技有限公司;正构烷烃类混标(C8～C40),北京百灵威科技有限公司。

1.2 仪器与设备

二乙烯基苯/羧基/聚二甲基硅氧烷(divinylbenzene/carboxyl/polydimethylsiloxane,DVB/CAR/PDMS)(50/30 μm)萃取头、手动进样手柄,美国Supelco公司;LC-MSB-HD搅拌加热平台,宁波力辰科技有限公司;9000-7000D GC-MS,美国安捷伦仪器公司;TG 16-WS高速台式离心机,湖南迈克尔实验仪器有限公司;SHJ-A6水浴恒温磁力搅拌器,金坛市岸头良友实验室仪器厂。

1.3 实验方法

1.3.1 水溶性精油制备工艺

3 g姜精油和不同体积分数的丙二醇水溶液混合→恒温水浴搅拌→离心→水溶性精油(下层液体)

1.3.2 单因素试验

1.3.2.1 不同浓度丙二醇水溶液的影响

30 mL体积分数分别为40%、50%、60%、70%和80%的丙二醇水溶液,搅拌温度30 ℃,搅拌时间60 min,离心转速6 000 r/min,离心时间15 min。

1.3.2.2 离心转速的影响

30 mL体积分数为70%的丙二醇水溶液,搅拌温度30 ℃,搅拌时间60 min,离心转速分别为4 000、5 000、6 000、7 000、8 000 r/min,离心时间15 min。

1.3.2.3 离心时间的影响

30 mL体积分数为70%的丙二醇水溶液,搅拌温度30 ℃,搅拌时间60 min,离心转速6 000 r/min,离心时间分别为5、10、15、20、25 min。

1.3.2.4 搅拌温度的影响

30 mL体积分数为70%的丙二醇水溶液,搅拌温度分别为20、30、40、50、60 ℃,搅拌时间60 min,离心转速6 000 r/min,离心时间15 min。

1.3.2.5 搅拌时间的影响

30 mL体积分数为70%的丙二醇水溶液,搅拌温度30 ℃,搅拌时间分别为30、60、90、120、150 min,离心转速6 000 r/min,离心时间15 min。

1.3.2.6 料液比的影响

分别加入10、20、30、40、50 mL体积分数为70%丙二醇水溶液,搅拌温度30 ℃,搅拌时间60 min,离心转速6 000 r/min,离心时间15 min。

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

称取适量姜精油原料或制备得到的水溶性生姜精油样品加入15 mL样品瓶中,使用老化后SPME萃取纤维头插入样品瓶中距离液面1 cm处,将其放在设置温度为60 ℃加热平台上的烧杯内进行水浴加热,吸附4 min,立即取出并插入GC-MS进样口解析4 min。

1.3.4 测定条件

色谱条件:HP-5 MS色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);载气为高纯He,流速0.8 mL/min;柱箱温度为程序升温,即50 ℃保持1 min;50～100 ℃,2 ℃/min;100～130 ℃,1 ℃/min;130～250 ℃,20 ℃/min;继续保持2 min;进样口260 ℃,分流比100∶1。

质谱条件:离子源温度230 ℃;MS传输线260 ℃;扫描范围10～800 amu。

1.3.5 定性定量分析

1.3.5.1 定性方法

利用谱库NIST MS Search 2.2进行检索,要求正、反匹配度都大于800的化合物,结合化合物实际保留指数与文献中使用相同气相色谱柱的保留指数对比进行辅助定性[13-14],其中保留指数的测定:混合烷烃标样C8～C40,采用相同的气质升温程序,根据保留时间计算样品中化合物的保留指数,按公式(1)计算:

式中:TX,化合物X的保留时间,min;Z和Z+1,分别为化合物X出峰前后相邻正构烷烃标准品的碳原子数;TZ与TZ+1,分别为Z和Z+1个碳原子对应正构烷烃的保留时间,min。

1.3.5.2 定量方法

采用峰面积归一化法计算得各组分的相对含量,以%表示;采用内标法进行半定量分析[15-16],选取苯乙醇为内标物,根据内标含量计算各组分的含量,以mg/g表示,按公式(2)计算:

式中:ωi,化合物质量分数,mg/g;ωt,内标质量分数,mg/g;Ai,化合物色谱峰面积;At,内标物色谱峰面积。

1.3.6 数据处理

每组数据重复2次,每次检测2次,实验数据均用平均值±标准偏差表示。应用Excel 2019进行数据分析,并使用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 姜精油挥发物的GC-MS和OAV分析

气味活性值(odor activity value,OAV)被广泛应用于食品[17-18]领域分析呈香成分,OAV即化合物的香气浓度与其阈值的比值,OAV越大,说明该化合物对呈香越重要。采用HS-SPME-GC-MS对姜精油挥发性化合物进行定性和定量分析,共鉴定出56种物质,结合ZHANG等[19]对姜油中香气挥发物的研究,采用该文献中的阈值数据经OAV计算分析出姜精油中各成分对香气的贡献程度,如表1所示。

表1 生姜精油挥发性化合物的GC-MS和OAV分析结果Table 1 OAV analysis of volatile compounds of ginger essential oil

本研究将姜精油中对香气贡献程度比较大的物质(OAV前10):α-蒎烯,(D)-、β-月桂烯、β-水芹烯、桉油精、芳樟醇、香叶醇、α-柠檬醛、2-十一酮、可巴烯、β-榄香烯作为水溶性姜精油香气成分的保留目标指示物(保留香气物),占原料姜精油挥发性化合物相对含量的18.59%;姜精油中含量较高、在丙二醇水溶液中溶解性较小和对香气贡献不大的倍半萜类化合物:姜烯、β-红没药烯、α-法呢烯、β-倍半水芹烯作为水溶性姜精油中脱萜分离目标指示物(目标脱萜物),占原料姜精油挥发性化合物相对含量的49.20%,以这两类目标指示物质的相对含量变化作为指标评估溶剂法脱萜制备水溶性姜精油工艺实验研究的效果。

2.2 单因素试验结果分析

2.2.1 不同浓度丙二醇水溶液的影响

作为在水基类食品或化妆品类中应用的水溶性精油,既要安全性高,又要对精油香气不造成干扰且萜烯类物质溶解度尽可能小,综合考虑选择丙二醇作为萃取剂[11]。由图1可知,随着丙二醇浓度的升高,目标脱萜物的相对含量呈现先升高后下降再升高的趋势,保留香气物的相对含量呈现先升高后下降的趋势。原因是随着溶剂的极性逐渐降低,溶解脂溶性生姜精油的量不断增加,根据相似相容的原则[20],有利于保留香气物的萃取,当丙二醇体积分数≥70%后,表明目标脱萜物和保留香气物在丙二醇水溶液中已经达到溶解平衡,因此选择丙二醇水溶液体积分数为70%较为适宜。

图1 丙二醇浓度对生姜精油目标萜烯化合物和 保留目标香气化合物相对含量的影响Fig.1 Effect of propylene glycol concentration on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

2.2.2 不同离心转速的影响

高速离心技术具有快速高效分离的优势,溶液在离心机的高速旋转过程中形成高速旋转流场,重质相被甩向边壁而下沉,轻质相油则在旋流器中心附近形成油核上浮[21]。有研究表明,只要两者密度差≥0.02 g/cm3就可以有很好的分离效果[22]。由图2可知,随着离心转速的增加,目标脱萜物的相对含量呈现先下降后略微上升的趋势,保留香气物呈现先升高后下降的趋势,这是由于在离心加速过程中,溶解度大的溶质与溶剂的分子间作用力更相似[23]不易分离,有利于溶解度较小的目标脱萜物分离,因此选择离心转速为6 000 r/min时较为适宜。

图2 离心转速对生姜精油目标脱萜物和保留 香气物相对含量的影响Fig.2 Effect of centrifugation speed on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

2.2.3 不同离心时间的影响

由图3可知,在相同转速条件下,随着离心时间的增加,目标脱萜物的相对含量呈现先下降后上升再趋于平衡的趋势,保留香气物的相对含量呈现先上升后下降趋于平衡的趋势,选择离心时间为15 min时目标保留香气物相对含量最高,目标脱萜物相对含量最低较为适宜。

图3 离心时间对生姜精油目标脱萜物和 保留香气物相对含量的影响Fig.3 Effect of centrifugation time on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

2.2.4 不同搅拌温度的影响

由图4可知,随着搅拌温度升高,目标脱萜物的相对含量呈现先下降后上升趋于平衡的趋势,保留香气物的相对含量呈现先上升后下降的趋势,温度影响姜精油在丙二醇水溶液中的溶解,温度过低不利于溶解,但温度升高会造成香气物质的损失。综合考虑搅拌温度为30 ℃较为适宜。

图4 搅拌温度对生姜精油目标脱萜物和 保留香气物相对含量的影响Fig.4 Effect of stirring temperature on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

2.2.5 不同搅拌时间的影响

由图5可知,随着搅拌时间的增加,目标脱萜物的相对含量呈现先下降后上升再趋于平衡的趋势,保留香气物的相对含量呈现先上升后下降趋于平衡的趋势,搅拌时间影响姜精油在丙二醇水溶液是否扩散充分,一般地,搅拌时间越长越有利于姜精油的溶解,达到一定的时间后达到溶解平衡。综合考虑搅拌时间为60 min较为适宜。

2.2.6 不同料液比的影响

由图6可知,随着料液比的减少,目标脱萜物的相对含量呈现先下降后上升的趋势,保留香气物的相对含量呈现先上升后下降的趋势。料液比影响姜精油脂溶性成分在丙二醇水溶液中是否饱和。料液比越小溶解脂溶性生姜精油的量越多,但随着料液比的减少相对含量较少的保留香气物先达到饱和,相对含量较大的目标脱萜物后达到饱和。为了获得更多的保留香气物而分离较多的脱萜目标物,因此选择料液比为3∶20较为适宜。

图5 搅拌时间对生姜精油目标脱萜物和 保留香气物相对含量的影响Fig.5 Effect of stirring time on relative content of target terpenes and aroma compounds in ginger essential oil

图6 料液比对生姜精油目标脱萜物和保留 香气物相对含量的影响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标分析

通过单因素试验得到的最优工艺参数丙二醇溶剂法制备水溶性精油,对其外观、色泽、香气、相对密度和容混度进行了相关分析检测,结果见表2。

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

3 结论

本研究应用HS-SPME-GC-MS技术,对超临界CO2萃取得到的姜精油进行了定性和定量分析,共鉴定出56种挥发性物质,结合定量及OAV分析姜精油挥发性成分对香气的贡献程度,确定了分离目标萜烯物和保留目标香气物,以这两类物质相对含量的变化作为溶剂法脱萜制备水溶性姜精油工艺实验研究的考察指标,通过单因素试验得到最优技术工艺参数为:体积分数为70%的丙二醇水溶液、离心转速6 000 r/min及离心时间15 min、搅拌温度30 ℃及搅拌时间60 min、料液比3∶20。在该技术工艺参数条件下制备得到的水溶性姜精油相比于原料姜精油的目标脱萜物相对含量从49.20%降低到36.75%,目标保留香气物从18.59%增加到25.70%,并对其外观等理化指标进行了分析。此工艺制备水溶性姜精油操作简便,制备得到的姜精油呈姜特征芳香且性质稳定,为拓展姜精油的应用空间奠定了一定技术基础,也为天然植物精油脱萜制备水溶性精油的实验研究提供新思路和方法。