彭晓敏

（渤海大学化学化工学院，辽宁锦州 121000）

分子蒸馏纯化姜精油工艺的响应面法优化研究

彭晓敏

（渤海大学化学化工学院，辽宁锦州 121000）

借助分子蒸馏技术来对超临界CO2进行相应的萃取就可以获取姜油树脂，然后借助相关手段对其进行纯化处理后就得到了姜精油。以单因素实验过程中所涉及到的分子蒸馏的压力和温度作为中心复合设计变量，以α-姜烯含量和姜精油收率作为指标来实现对响应面法的优化。结果表明∶分子蒸馏的压力、温度对姜精油中α-姜烯含量及纯化姜精油的收率有一定的影响。

分子蒸馏；纯化姜精油；响应面法

实际上，姜精油一般是从姜的根茎中借助一定的技术手段所提取出来的金黄或浅黄色、透明挥发性油状液体，沸点比较低，并且具有生姜的芳香气味，而α-姜烯是其中比较重要的功效物质。作为化妆品、医药制剂原料和食品工业原料，姜精油有着非常广阔的发展前景。分子蒸馏技术属于液-液分离技术，借助极高真空条件来使提高蒸气分子的平均自由程，并且大于冷凝表面与蒸发表面间的距离，并根据分子运动平均自由程之间的区别来实现对液体混合物的有效分离。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

所选择的材料为北京美全食品有限公司生产的小黄姜姜粉。首先需要对鲜姜进行清洗，然后将其切成片并放置于通风的位置进行热风干燥，干燥完成之后将其粉碎，并用60目筛进行筛选，将筛选后的姜粉通过紫外线进行杀菌处理，然后装箱。对其进行测定后可以发现水分含量为6.0%。

选择纯度＞99.99%的CO2（北京京高气体有限公司）；纯度＞ 99.7%的异丙醇（天津市津科精细化工研究所）；由Sigma-aldrich公司生产的C7～C30正构烷烃标准溶液；液氮。

本次使用的超临界CO2流体萃取装置的型号为HA220-50-07型；由岛津公司生产的GC-14C气相色谱仪；由Edwards公司生产的RV3型真空泵；由美国Pope公司生产的刮膜式2英寸分子蒸馏设备；由Agilent公司生产的气相色谱/质谱联用仪，型号为7890A-5975C；由Sartorious公司生产的分析天平。

1.2 方法

1.2.1 借助超临界 CO2来进行姜油树脂的萃取

按照要求才称取1.3kg姜粉，并将其放置于萃取釜中，设定40MPa的萃取压力，35℃的萃取温度，萃取3h后会使CO2变成流体[1]，然后可以萃取姜中的油树脂，并将其带入到6MPa的分离釜中，减压使CO2转化为气体从而实现与姜油树脂的有效分离，这样一来就可以通过分离釜把姜油树脂收集起来。该过程的萃取率为3.7%，姜油树脂为棕红色黏稠液体，α-姜烯含量为（157.48 ±3.45）mg/g，并把其作为下一步分子蒸馏纯化的原材料。

1.2.2 分子蒸馏纯化姜精油

将1.2.1中获取的姜油树脂按照规范和标准装入分子蒸馏物料瓶内，将液氮装入冷阱中，打开真空泵，以实现对姜油树脂的脱气处理，待脱气完成之后，就可以按照要求设定需要的系统压力和蒸发面温度，设定150r/min的蒸馏刮膜转速，5℃的固定冷凝面温度，并使进料阀的进料流量维持在大概1mL/ min（1滴/3s）左右进行分子蒸馏纯化。在蒸馏阶段需要根据液氮挥发程度来适当的补充冷阱中的液氮，并分别收集馏余物和馏出物（姜精油），通过下式就可以计算出姜精油收率∶

精油收率/%=（馏出物质量）/（馏出物质量+馏余物质量）×100

1.2.3 分析方法

1.2.3.1 GC-MS 结合保留指数法对其进行定性分析

借助GC-MS结合保留指数法来实现对超临界CO2萃取姜油树脂的定性分析。气相色谱配有0.25mm×0.25μm的HP-5MS毛细管色谱柱；流速1mL/min；载气为高纯氦气（99.999%）；分流比为50∶1；升温程序∶50℃/min，并且以3℃/min的速率逐渐升高到280℃，然后维持该温度20min；进样口温度260℃。质谱条件∶要求离子源温度和接口温度分别为250℃和280℃，选择电子能量为70eV的EI离子源。

根据GC-MS分析结果来对分子蒸馏得到的姜精油和超临界CO2萃取获取的姜油树脂，通过程序升温的方式来进行定性分析[2]。选择配有DB-5毛细管色谱柱（0.25mm×30m，0.25μm）和FID检测器的气相色谱仪，柱前压90kPa、载气为高纯氮气（99.99%）、分流比20∶1；检测器温度和进样口温度分别为300℃和290℃。升温程序∶保持70℃/2min的速度进行升温，并以10℃/min的速率逐渐升高到280℃，然后维持该温度15min。

1.2.3.2 定量分析

通过上述定性分析得到结果后，以α-姜烯作为纯化指标来对其进行定量分析。本次分析过程中所选择的色谱条件与1.2.3.1中所选择的色谱条件相同。采用内标法来对其进行定量方法，分析过程中选择了与姜烯性质比较靠近的γ-萜品烯作为内标物。

1.3 中心复合实验

通过对姜精油进行单因素实验分析的基础上，选择Design Expert 7.0软件来对其进行中心复合实验，实验过程中以压力x1和温度x2作为变量来对分子蒸馏纯化姜精油进行中心复合设计（CCD），按照Xi=（xi-x0）/Δx方程式来对其自变量进行编码。式中Xi代表自变量的编码值，x0代表实验中心点位置自变量的真实值，xi代表自变量的真实值，Δx代表自变量变化过程的步长。

响应值Y由α-姜烯含量以及姜精油收率表示，每个试验点都需要进行3次实验，并取其平均值，将它们结合在一起就构成了响应曲面数学模型∶

式中∶X1、X2代表自变量压力、温度的编码值，An为二次多项式模型的系数。

2 结果与分析

2.1 温度对α-姜烯含量及姜精油收率的影响

图1是在200Pa固定分子蒸馏系统压力作用下，温度对α-姜烯含量及姜精油收率的影响。通过对图1进行分析可以发现，在40～90℃时，α-姜烯含量及姜精油收率会随着温度的升高而逐渐升高，并且在40～70℃时其升高速率明显加快，而到70～90℃，增大趋势开始变缓。借助SAS8.2软件对其进行多重比较后可以得知，70℃和 90℃温度下姜精油收率之间所存在的差异明显。而在70、80、90℃温度下，α-姜烯含量之间所存在的差异不明显。导致上述现象发生的主要原因是当温度大于100℃时，分子蒸馏温度已经逐渐趋近于水蒸气蒸馏的温度[3]，此时分子蒸馏的优势将会不明显，并且引起姜精油中一些成分发生改变。因此，在进行分子蒸馏纯化姜精油过程中，最好将响应面法优化的温度下限设定为60℃，上限设定为90℃。

图1 分子蒸馏温度对α-姜烯含量及姜精油收率的影响

2.2 压力对α-姜烯含量及姜精油收率的影响

图2是在70℃固定温度下，分子蒸馏压力对α-姜烯含量及姜精油收率的影响。通过对图2进行分析可以发现，在20～380Pa压力条件下，α-姜烯含量及姜精油收率会随着压力的升高出现先升高后降低的趋势。借助SAS8.2软件对其进行多重比较后可以得知，在80、140、200Pa条件下，姜精油收率之间所存在的差异不明显。而200Pa 和 260Pa姜精油中α-姜烯含量之间所存在的差异明显。因此，在进行分子蒸馏纯化姜精油过程中，最好将响应面法优化的压力下限设定为80Pa，上限设定为260Pa。

图2 分子蒸馏压力对α-姜烯含量及姜精油收率的影响

3 响应曲面法优化分子蒸馏纯化姜精油

借助Design Expert 7.0软件中可以实现对响应曲面法进行优化处理，其一般通过对相关参数的基本要求和使用范围进行调节，从而得出优化方案。响应曲面法优化的主要目的是为了提高姜精油中α-姜烯含量，提高姜精油收率。通过优化分析可以发现响应曲面法优化参数如表1所示。

表1 Design Expert 7.0软件下响应曲面法优化参数

根据响应面模型和表1中的优化参数，可以发现分子蒸馏纯化姜精油最为优化的压力为147 Pa，温度为76℃。根据回归方程，可以发现α-姜烯含量为 448mg/g，姜精油收率为42.25%。

4 结论

研究发现，分子蒸馏的系统压力、蒸发面温度等会对α-姜烯含量及姜精油收率产生不同程度的影响，通过响应曲面法优化后可以得到分子蒸馏纯化姜精油的最佳工艺压力为147Pa，温度为76℃，有效地提高了α-姜烯含量及姜精油收率，因此具有非常广阔的发展前景。

[1] 吕宗莹，曾桂凤，周永生.响应面法优化分子蒸馏提纯C22-环脂三酸二丁一甲酯工艺[J].中国油脂，2016，8，（12）∶155-156.

[2] 操丽丽，庞敏，吴学凤.分子蒸馏法纯化低热量结构脂质的工艺优化[J].食品科学，2014，11（15）∶56-57.

[3] 胡雪芳，甘芝霖，李淑燕.响应面法优化分子蒸馏技术纯化孜然精油工艺[J].食品科学，2011，3（6）∶112-113.

Study on the Optimization of the Process of Distillation of Ginger Essential Oil by Molecular Distillation

Peng Xiao-min

Ginger oil can be obtained by means of molecular distillation technology to extract ginger oil resin by supercritical CO2extraction，and then purified by the relevant means to obtain ginger essential oil.In this paper，the pressure and temperature of the molecular distillation involved in the single factor test are taken as the central composite design variables.The optimization of the response surface method is achieved by using the α-gingerene content and the ginger essential oil yield as the index to obtain the molecular The pressure and temperature of distillation will have a certain influence on the content of α-gingerene in ginger essential oil and the yield of refined ginger essential oil.

molecular distillation；purified ginger essential oil；response surface method1

TS225.1

A

1003-6490（2017）02-0078-02