二氧化碳膨胀乙醇提取及分子蒸馏精制香根草精油

作     者：David Andreea 

作者单位：浙江师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓刚

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：香根草油 CO2膨胀乙醇 分子蒸馏 GC-MS 生物活性 

摘      要：香根草油是从香根草(Vetiveria zizanioides(L.)Nash)的根中提取的一种植物精油,在香料工业中常被大量用作主要的调香成分,而且在食品工业中也可用作调味剂。由于香根草油用途广泛,且具有抗氧化、抗菌、消炎等生物活性,近年来有大量有关其提取技术和成分分析的研究报道,研究热点围绕如何降低生产成本及环境污染,以满足日益增长的市场需求。二氧化碳膨胀乙醇(CO expanded ethanol,CXE)是一种环境友好的新型绿色溶剂,提取的效率及成本与传统蒸馏法相当,并高于超临界二氧化碳萃取。本研究经优化得到最优的工艺操作条件,与水蒸汽蒸馏工艺和超临界流体萃取工艺进行比较,评估新工艺的特点及可行性。由于香根草的化学成分复杂,香气及功效成分含量低,传统方法很难进行分离鉴定。本研究对香根草油进行了二级分子蒸馏,去除了大部分非挥发成分,显著增强色谱峰分离度,对有效成分进行了富集,结合GC-MS精油的组成分析,鉴定主要的特征性香气成分、抗菌成分及抗氧化成分,为制定产品质量标准提供理论依据,同时考察分子蒸馏用于精制香根油的可行性。CXE是一种混合流体,由主体的极性溶剂乙醇和压缩的超临界或亚临界二氧化碳组成,二氧化碳会导致溶剂的体积膨胀,对其溶解能力和传质效率等性能产生了显著影响。CXE流体对各种溶质均具有很强的溶解能力,其低温和隔氧的操作条件尤其适用于易氧化和不耐热的组分的提取。通过与水蒸汽蒸馏(HD)、间接蒸气蒸馏(IVD)及超临界流体萃取(SFE)等传统方法进行对比,综合评测了CXE萃取获得的香根草油的化学组成、抗菌及抗氧化活性。由于根系材料提取油的化学组成比植物的其他部位提取物更为复杂,因此需要进一步的精炼过程。分子蒸馏是一种在真空和低温条件下进行的分离富集技术,比较适用于热敏性的精油组分。两级分子蒸馏是一种有效的预处理方法,能使各组分有效分离,提供更可靠的成分鉴定,并对各馏分的抗氧化活性进行了测定。主要研究内容如下:(1)水蒸汽蒸馏、间接蒸气蒸馏和超临界流体萃取等传统方法提取香根草油的研究。结果表明提取时间、物料粒径及浸泡时间对香根草精油的得率有显着影响。水蒸汽蒸馏和间接蒸汽蒸馏法的提取时间为12-18小时,而超临界流体萃取的提取时间仅为2小时。HD和IVD的油得率为0.6%(w/w),SFE油得率约为0.5%(w/w)。(2)采用由极性溶剂(乙醇)和压缩的CO形成的CXE进行了香精油的绿色提取,并与纯乙醇提取进行了对比。采用基于中心组合设计(CCD)响应面法(RSM),优化了萃取工艺,得到了最佳操作条件:温度50oC,压力8.4 MPa,CO摩尔分数0.22及乙醇流速5 m L/min。CXE萃取的油得率为5.12-7.42%,显著高于常规方法。气相色谱-质谱(GC-MS)分析了CXE方法得到的香根草精油样品。结果表明,CXE油主要成分为烃、醇、羰基化合物及羧酸,其中22种成分与传统香根草精油的成分相同或相似。CXE油中的三种主要成分分别为valerenol(18.48%)、valerenal(10.21%)和β-cadinene(6.23%)。(3)结合GC-MS分析,对香根草油进行了两阶段的分子蒸馏,进一步精制分离。通过调节压力、进料温度、蒸发温度、进料速度和刮板转速进行第一阶段分子蒸馏,在低压(0-2 Pa)、进料温度80oC的条件下,可以确保精油样品的流动性,其密度约为0.878g/m L,粘度为4.764 mPa·s。在蒸发温度80oC的条件下可得到相对较高的总回收率(79.81%),并得到三个馏分:1R含量为28.61%,1D为51.01%和1D为0.19%。刮板转速设定为300 rpm,进料速度为2 m L/min,可形成约5 mm完整的蒸发膜,停留时间约为15 s。第二阶段的分子蒸馏将一级冷凝器温度降为5oC,其他条件与第一阶段相同。GC-MS分析表明,在第一阶段分子蒸馏中,可以去除大部分相对分子量较高的非挥发组分,在第二次分子蒸馏中,轻馏分(2D)中,一些特定组分出现了富集,如khusimene(1.79%),β–vatirenene(5.86%)和humulane-1,6-dien-3ol(10.74%)等。此外,两阶段的分子蒸馏总共发现了74种成分,第一阶段发现了38种成分,第二阶段发现了43种成分。经分子蒸馏后,GC色谱峰的分离度显著改善,因而分子蒸馏可用作色谱法鉴定香精油总组成的预处理方法。(4)通过DPPH和ABTS自由基清除试验检测了传统提取和绿色提取的香根草精油的抗氧化活性,结果表明香根草精油的抗氧化能力按降序排列依次为:IVDHDCXESFE。此外,DPPH自由基清除试验表明,新方法得到的香根草精油及分子蒸馏馏分的抗氧化活性与传统精油相近。(5)通过微量稀释法测定了香根草精油对革