CN109609270A - 基于天然低共熔溶剂-微波辅助水蒸气提取香料中精油的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于天然低共熔溶剂‑微波辅助水蒸气提取香料中精油的方法，本发明首次使用天然低共熔溶剂与微波辅助水蒸气蒸馏技术相结合，克服了传统提取技术存在的成本高、提取时间长、劳动强度大等缺点；与微波水蒸气蒸馏和超声辅助三元低共熔溶剂水蒸气蒸馏的提取技术相比，该新的提取方法可以获得更高产量的精油及挥发性成分，尤其是高沸点物质；采用天然低共熔溶剂作为提取剂，克服了传统精油提取技术中使用毒性较大的有机试剂为提取溶剂，减少对环境的污染；萃取装置易于清洗从而减少样品和溶剂的残留；应用本发明能结合实际，为植物精油的提取提供一个新的手段。
Description
(一)技术领域
本发明涉及提取香料中精油的方法，具体涉及一种基于天然低共熔溶剂-微波辅助水蒸气提取香料中精油的方法。
(二)背景技术
精油是从植物中提取得到的挥发性、半挥发性化合物的不溶于水的复杂混合物。经典提取精油的方法包括蒸馏、有机溶剂提取、冷榨以及脂吸法。其中，蒸馏法具体又可以分为水蒸汽蒸馏、蒸汽蒸馏以及干蒸馏等。蒸馏方法的共同缺点是能耗较高、提取时间较长；有机溶剂提取法需要消耗大量有毒溶剂，并可能造成溶剂残留，不符合绿色理念，另外还可能将黄酮类、生物碱类杂质一并提取出来；至于冷榨和脂吸法，前者可能会损失一些挥发性化合物，而后者缺乏提取效率。根据精油在市场上具有高附加值的特性，较小的精油产率的提高将会有较大的收益。因此，在精油这个领域需要开发不同的提取方法。
相比于传统方法，超临界流体提取、亚临界水提取等方法是以增强溶剂特性为渠道，而超声辅助提取、微波辅助提取等方法则是以采用高效、替代性能量源为手段来提高产率。这些新技术具有如下重要优点：降低了功率消耗，缩短了反应时间，所提取得到的组分数量增加，总量也增加，不会发生对温度敏感的组分的降解，减少环境污染。然而相比较于超声及微波，超临界流体及亚临界流体具有设备投资高、选择材料难等缺点。而且由于微波辐射并不是直接改变了物质结构，而是通过偶极旋转与离子传导的原理对提取过程或化学反应的促进作用，这使得微波辅助成为众多被研究的工艺过程中最有前途的工艺之一。
另一方面，对于提取溶剂的选择。相比于传统的分子溶剂，离子液体是一种独特的溶剂，具备较低的熔点，一些离子液体具备溶解细胞纤维素的能力，因此，离子液体与微波辅助水蒸气蒸馏结合可以进一步提高精油的产率。离子液体结合微波辅助水蒸气蒸馏已经应用于一些植物精油的提取，其中包括：香鳞毛蕨、连翘、赤桉、肉桂、蓝桉树、迷迭香。然而离子液体的应用仍然存在一些问题。首先离子液体的成本较高，由于构成离子液体的阳离子通常是包括含氮的共轭环，这些含氮的共轭环成本较高，其次离子液体的合成时间较长，如氯化(1-丁基-3-甲基咪唑)的制备过程至少需要48h，最后由于其毒性和不易降解的特性对环境会有一定的影响。
由Abbott等人报道的低共熔溶剂是近年来的一种新型绿色溶剂，与离子液体性质相似，合成过程原子利用率达100％，具有蒸汽压低、无毒性、可生物降解等独特的物理化学性质，并且可以通过选择合适的组成配比来调节其性能。针对诸多优点，研究人员已将其运用于食品、药品等领域，作为一种绿色提取介质，用于酚酸类、生物碱类、多糖类等活性成分的提取。且在天然产物成分上提取主要是利用其能够溶解细胞壁中纤维素的能力，加速植物体内组分的释放。传统低共熔溶剂虽然具有很多优势，但是仍有很多组分是非天然产物，其安全性仍需要进一步的确认。
随着研究的进展，天然低共熔溶剂在低共熔溶剂的基础上进一步降低毒性，成为研究热点。天然低共熔溶剂是2011年由Choi实验室提出的一种新型溶剂概念，即完全由生物体内小分子代谢物如胆碱衍生物、醇类、糖类、尿素等物质作为组分形成的溶剂，其主要由细胞初级代谢产物组成。尽管其是从低共熔溶剂中衍生出来，并部分与低共熔溶剂重合，由于其天然来源的特性，仍然被认为是新一代的设计溶剂。如H.Lores等人使用天然低共熔溶剂-超声辅助提取谷蛋白；戴云涛等人在研究中，使用一系列天然低共熔溶剂来分析长春花花瓣中的花青素的提取；魏左福等人采用新型绿色天然低共熔溶剂作为萃取介质，采用超高效液相色谱法提取和测定木豆叶片中的酚类化合物。
本发明致力于建立天然低共熔溶剂结合微波辅助水蒸气蒸馏提取中药材中的精油的方法。该方法利用天然低共熔溶剂的能溶解细胞壁中的纤维素的特点，使精油通过微波辅助水蒸气蒸馏冷凝得到。
(三)发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于天然低共熔溶剂-微波辅助水蒸气提取香料中精油的方法，本发明方法操作简便，是一种能够快速高效提取香料中精油的新方法，并且有适用于提取其他植物挥发性成分的潜力。
本发明的基本构思充分利用了微波辐射显著的加热效应以及天然低共熔溶剂溶解细胞壁中纤维素的特点：(1)作为一种介电加热能量源，微波不仅能造成温度的快速上升，还能以促进分子振动的方式提供纤维素溶解反应所需的能量。此外，它对分子的极化影响能够高效地引起分子活化。(2)天然低共熔溶剂作为一种溶解细胞壁的溶剂，有利于纤维素的溶解，促进细胞内更多的挥发性化合物的释放。本发明基于此原理将天然低共熔溶剂与微波技术进行结合，将香料样品与天然低共熔溶剂置于微波场辐射，加热升温快，时间短，操作简单，同时精油产率和测得的活性成分显著提高。本发明的方法可以适用于不同的植物中精油提取，并且有适用于提取其他植物挥发性成分的潜力。
本发明的技术方案如下：
一种基于天然低共熔溶剂-微波辅助水蒸气提取香料中精油的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)天然低共熔溶剂的制备
将氢键受体、氢键供体混合，升温至80～110℃搅拌反应0.5～2h，形成均一、稳定的液体，即得低共熔溶剂；
所述氢键受体为氯化胆碱、脯氨酸或蔗糖；
所述氢键供体为果糖、葡萄糖、脯氨酸、乳酸、蔗糖或甘油；
需要说明的是，蔗糖既可以作为氢键受体，也可以作为氢键供体，但是氢键受体和氢键供体不能同时为蔗糖；
所述氢键受体、氢键供体的物质的量之比为1：1～4；
优选的，所述氢键受体为氯化胆碱，所述氢键供体为果糖、葡萄糖、脯氨酸或乳酸，并且氢键受体、氢键供体的物质的量之比为1：1～4；
同样优选的，所述氢键受体为脯氨酸或蔗糖，所述氢键供体为乳酸，并且氢键受体、氢键供体的物质的量之比为1：1～2；
同样优选的，所述氢键受体为氯化胆碱，所述氢键供体为蔗糖、甘油、脯氨酸或乳酸，并且氢键受体、氢键供体的物质的量之比为1：1～4；
(2)基于天然低共熔溶剂的微波辅助水蒸气蒸馏
称取香料并研磨成粉末状，加入步骤(1)制备的低共熔溶剂(优选料液质量比1：5～6)进行提取，所述提取分为三个阶段：
第一阶段(前处理阶段)：设置微波功率600W、温度80～90℃、处理时间4～5min；
第二阶段(快速加热阶段)：向第一阶段结束后的料液中加入蒸馏水(优选蒸馏水用量为中药材质量的10倍)，设置微波功率600W、温度110℃、处理时间5min；
第三阶段(水蒸气蒸馏阶段)：设置微波功率300W、温度110℃、处理时间30min，精油随着水蒸气一并馏出，经冷凝收集、除水，得到成品香料精油。
本发明中，所述香料例如可以为下列中的至少一种：孜然、小茴香、陈皮、丁香、香叶。
本发明提取得到的香料精油可按照如下方法进行分析检测：
样品检测：将所得香料精油通过无水Na2SO4进行除水后，用正己烷稀释10～30倍，吸取1μ注入气相色谱-质谱联用仪进行分析，得到样品气相色谱图和质谱图，通过与NIST程序中收录的与估算保留指数或文献报导保留指数作比较进行定性；
气相色谱条件为：色谱柱DB-5MS(长度30m×内径0.25mm×膜厚0.25μm)，初始柱温为30～60℃保持2～6min，然后以5～10℃/min升至90～120℃并且保持1～5min，再以2～10℃/min升至250～280℃并且保持3～6min；载气为高纯度的氦气(≥99.999％)，流速为1mL/min；进样口温度为250℃，不分流模式进样；
质谱条件为：选择离子扫描模式，离子阱温度为180℃，传输线温度为250℃，岐管温度为50℃，电子碰撞能量为70eV。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供了一种提取香料中精油的新型、有效的方法；
2、首次使用天然低共熔溶剂与微波辅助水蒸气蒸馏技术相结合，克服了传统提取技术存在的成本高、提取时间长、劳动强度大等缺点；
3、与微波水蒸气蒸馏和超声辅助三元低共熔溶剂水蒸气蒸馏的提取技术相比，该新的提取方法可以获得更高产量的精油及挥发性成分，尤其是高沸点物质；
4、采用天然低共熔溶剂作为提取剂，克服了传统精油提取技术中使用毒性较大的有机试剂为提取溶剂，减少对环境的污染；
5、萃取装置易于清洗从而减少样品和溶剂的残留；
6、应用本发明能结合实际，为植物精油的提取提供一个新的手段。
(四)附图说明
图1为本发明建立的天然低共熔溶剂与微波辅助技术相结合的提取流程示意图；
图2a、2b、2c分别为实施例1中的天然低共熔溶剂种类及第一阶段微波功率和微波时间的优化结果；
图3为实施例1中的3种方法总离子流图；(其中图A、B、C分别为微波水蒸气蒸馏法、超声辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏、微波辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏)
图4a、4b、4c分别为实施例2中的天然低共熔溶剂种类及第一阶段微波功率和微波时间的优化结果；
图5为实施例2中的3种方法总离子流图；(其中图A、B、C分别为微波水蒸气蒸馏法、超声辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏、微波辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏)。
(五)具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1：香料孜然精油的提取
(1)天然低共熔溶剂的制备
将氢键供体和氢键受体在100℃下混合置于圆底烧瓶中搅拌反应2h，直到形成均一、稳定的液体。表1列出了所有制备的天然低共熔溶剂及其摩尔比。反应之后，将产物保持干燥直到被用于下一步实验；
表1用于制备天然低共熔溶剂的试剂
(2)基于天然低共熔溶剂的微波辅助水蒸气蒸馏
基于天然低共熔溶剂对香料精油的提取分为三个阶段：前处理阶段，快速加热阶段和水蒸气蒸馏阶段。三个阶段均在微波反应器内进行。
第一阶段：先将称取经碾磨后的20.0g孜然粉末与120.0g的天然低共熔溶剂放置于一个特制的500mL三口烧瓶中后置于微波反应器内，连接好实验装置。然后设置好微波功率600W、时间4min和温度90℃，使用微波辐射对混合物进行预处理。
第二阶段：前处理阶段结束后，向烧瓶中加入200mL蒸馏水，然后设置微波功率600W、温度110℃、时间5min，使体系的温度快速接近溶剂的沸点。
第三阶段：体系的温度保持不变(110℃)，微波功率300W，时间设定到实验的要求值30min。
样品检测：将经过上述三个阶段处理所得的精油通过无水Na2SO4进行除水后，用正己烷稀释20倍后，吸取1μL注入气相色谱-质谱联用仪进行分析，得到样品气相色谱图和质谱图，通过与NIST程序中收录的与估算保留指数或文献报导保留指数作比较进行定性；
气相色谱条件为：色谱柱DB-5MS(长度30m×内径0.25mm×膜厚0.25μm)，初始柱温为45℃保持3min，然后以5℃/min升至90℃并且保持1min，再以3℃/min升至250℃并且保持5min；载气为高纯度的氦气(≥99.999％)，流速为1mL/min；进样口温度为250℃，不分流模式进样；
质谱条件为：选择离子扫描模式，离子阱温度为180℃，传输线温度为250℃，岐管温度为50℃，电子碰撞能量为70eV；
(3)孜然精油质量及产率
在步骤(2)中最佳条件下，所得的的精油除水后称重，得知产量为0.4625g，产率为2.313％
(4)方法评估
使用相对标准偏差评估方法的精确度，在最优条件下，平行6次试验，所得精油产量分别为0.4472g，0.4359g，0.4378g，0.4597g，0.4007g，0.4625g，平均产量为0.4406g，相对标准偏差为4.31％。
为了评估方法，与其他方法进行对比，其实验条件如下：
(1)微波水蒸气蒸馏法作为空白对比实验，用120.0g的蒸馏水取代天然低共熔溶剂对孜然粉末进行预处理。随后进行的第二、第三阶段的条件采用与微波辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏方法完全一样的条件。
(2)超声辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏：用40KHz水浴超声处理5min取代微波辐射对孜然粉末进行预处理。随后进行的第二、第三阶段的条件采用与微波辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏方法完全一样的条件。
经过一系列的比较，包括精油质量及产率，平均精油产率，相对标准偏差，精油组分个数等参数来评价该方法，结果总结在表2中。与微波水蒸气蒸馏及超声辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏进行比较，该方法得到了更多的精油及其组分个数。总体来说，该方法作为是一种快速、简单、环保、可靠的提取精油的新方法，有适用于提取其他植物挥发性成分的潜力。
表2
实施例2：香料小茴香精油的提取
(1)天然低共熔溶剂的制备
将氢键供体和氢键受体在100℃下混合置于圆底烧瓶中搅拌反应2h，直到形成均一、稳定的液体。表3列出了所有制备的天然低共熔溶剂及其摩尔比。反应之后，将产物保持干燥直到被用于下一步实验；
表3用于制备天然低共熔溶剂的试剂
(2)基于天然低共熔溶剂的微波辅助水蒸气蒸馏
基于天然低共熔溶剂对香料精油的提取分为三个阶段：前处理阶段，快速加热阶段和水蒸气蒸馏阶段。三个阶段均在微波反应器内进行。
第一阶段：先将称取经碾磨后的20.0g小茴香粉末与100.0g的天然低共熔溶剂放置于一个特制的500mL三口烧瓶中后置于微波反应器内，连接好实验装置。然后设置好微波功率600W、时间5min和温度80℃，使用微波辐射对混合物进行预处理。
第二阶段：前处理阶段结束后，向烧瓶中加入200mL蒸馏水，然后设置微波功率600W、温度110℃、时间5min，使体系的温度快速接近溶剂的沸点。
第三阶段：体系的温度保持不变(110℃)，微波功率300W，时间设定到实验的要求值30min。
样品检测：将经过上述三个阶段处理所得的精油通过无水Na2SO4进行除水后，用正己烷稀释20倍后，吸取1μL注入气相色谱-质谱联用仪进行分析，得到样品气相色谱图和质谱图，通过与NIST程序中收录的与估算保留指数或文献报导保留指数作比较进行定性；
气相色谱条件为：色谱柱DB-5MS(长度30m×内径0.25mm×膜厚0.25μm)，初始柱温为45℃保持3min，然后以5℃/min升至90℃并且保持1min，再以3℃/min升至250℃并且保持5min；载气为高纯度的氦气(≥99.999％)，流速为1mL/min；进样口温度为250℃，不分流模式进样；
质谱条件为：选择离子扫描模式，离子阱温度为180℃，传输线温度为250℃，岐管温度为50℃，电子碰撞能量为70eV；
(3)小茴香精油质量及产率
在步骤(2)中最佳条件下，所得的精油除水后称重，得知产量为0.2680g，产率为1.34％
(4)方法评估
使用相对标准偏差评估方法的精确度，在最优条件下，平行9次试验，所得精油产率分别为1.27％，1.28％，1.32％，1.33％，1.35％，1.36％，1.37％，1.38％，1.38％，平均产率为1.34％，相对标准偏差为3.03％。
为了评估方法，与其他方法进行对比，其实验条件如下：
(1)微波水蒸气蒸馏法作为空白对比实验，用100.0g的蒸馏水取代天然低共熔溶剂对小茴香粉末进行预处理。随后进行的第二、第三阶段的条件采用与微波辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏方法完全一样的条件。
(2)超声辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏：用40KHz水浴超声处理5min取代微波辐射对小茴香粉末进行预处理。随后进行的第二、第三阶段的条件采用与微波辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏方法完全一样的条件。
经过一系列的比较，包括精油质量及产率，平均精油产率，相对标准偏差，精油组分个数等参数来评价该方法，结果总结在表4中。与微波水蒸气蒸馏及超声辅助天然低共熔溶剂水蒸气蒸馏进行比较，该方法得到了更多的精油及其组分个数。总体来说，该方法作为是一种快速、简单、环保、可靠的提取精油的新方法，有适用于提取其他植物挥发性成分的潜力。
表4
Claims (7)
1.一种基于天然低共熔溶剂-微波辅助水蒸气提取香料中精油的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)天然低共熔溶剂的制备
将氢键受体、氢键供体混合，升温至80～110℃搅拌反应0.5～2h，形成均一、稳定的液体，即得低共熔溶剂；
所述氢键受体为氯化胆碱、脯氨酸或蔗糖；
所述氢键供体为果糖、葡萄糖、脯氨酸、乳酸、蔗糖或甘油；
并且，氢键受体和氢键供体不同时为蔗糖；
所述氢键受体、氢键供体的物质的量之比为1：1～4；
(2)基于天然低共熔溶剂的微波辅助水蒸气蒸馏
称取香料并研磨成粉末状，加入步骤(1)制备的低共熔溶剂进行提取，所述提取分为三个阶段：
第一阶段：设置微波功率600W、温度80～90℃、处理时间4～5min；
第二阶段：向第一阶段结束后的料液中加入蒸馏水，设置微波功率600W、温度110℃、处理时间5min；
第三阶段：设置微波功率300W、温度110℃、处理时间30min，精油随着水蒸气一并馏出，经冷凝收集、除水，得到成品香料精油。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氢键受体为氯化胆碱，所述氢键供体为果糖、葡萄糖、脯氨酸或乳酸，并且氢键受体、氢键供体的物质的量之比为1：1～4。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氢键受体为脯氨酸或蔗糖，所述氢键供体为乳酸，并且氢键受体、氢键供体的物质的量之比为1：1～2。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氢键受体为氯化胆碱，所述氢键供体为蔗糖、甘油、脯氨酸或乳酸，并且氢键受体、氢键供体的物质的量之比为1：1～4。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述香料与低共熔溶剂的质量比为1：5～6。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述蒸馏水用量为中药材质量的10倍。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述香料为下列中的至少一种：孜然、小茴香、陈皮、丁香、香叶。
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