全 文 ：超声提取香草兰豆荚中香兰素的工艺研究
姜欣1 , 2 ,赵建平3 ,韩丙军2 ,周楷博2 , 4 ,彭黎旭5
(1.海南大学 食品学院 ,海南 儋州　571737;2.中国热带农业科学院分析测试中心 ,海口　571101;
3.中国热带农业科学院香料饮料研究所 ,海南 万宁　571533;4.海南大学 环境与植物保护学院 ,
海南 儋州　571737 ;5.中国热带农业科学院广州实验站 ,广州　510140)
摘要:香草兰(Vani l la spp .)豆荚中含有香兰素等香料成分 ,是当今世界上最为风行的香味物质 。文章
研究超声提取香草兰豆荚中香兰素等香料成分的萃取工艺 ,以香兰素质量为检测指标 ,使用均匀设计-
偏最小二乘法回归分析优化萃取工艺的温度 、时间 、料液比和浓度四个因子 ,确定最佳提取工艺条件为:
时间为20 min ,温度为60 ℃,料液比 1∶10 ,溶剂乙醇的浓度为 45%。此时萃取物中香兰素的理论产量
为 212.92 mg 。并对该技术应用于香草兰中香兰素提取产业化的前景和可行性进行分析探讨 。
关键词:香草;超声提取;均匀设计;偏最小二乘法
中图分类号:TS264.3　　　文献标识码:B　　　文章编号:1000-9973(2010)01-0088-04
Study on ultrasonic extraction of components from the vanilla
JIANG Xin1 , 2 ,ZHAO Jian-ping3 , HAN Bing-jun2 ,ZHOU Kai-bo2 , 4 , PENG Li-xu5
(1.Food College of Hainan U niversity ,Danzhou 571737 ,China;2.Analy sis and Te sting Center ,
CATAS , Haikou 571101 ,China;3.Spice Beverage Research Institute , CA TAS , Wanning
571533 , China;4.Environment and Plant Pro tection Inst itute , CA TAS , Danzhou 571737 , China;
5 .G uangzhou Experimental Stat ion , CA TAS , Guangzhou 510140 , China)
Abstracts:Vanilla Bean is a popular raw material w ith inte resting flavo r and taste.U ltrasonic ex t rac-
tion w as used to get the vani llin f lavo r ex t racts f rom the vanil la bean.Uniform design me thod w i th
part ial least square we re adopted to research the best ex t raction condition.And under the optimal con-
ditions of the t ime 20 min , the temperature 60 ℃, concentration of so lvent 45 pe rcent ethanol and the
ratio of liquo r to material w as 1∶10 , most vanillin about 212 .92 mg could be ext racted f rom vanilla
bean wi th ul trasonic ex traction.And these features make it possible to indust rial ly develop in future.
Key words:vani lla;ul trasonic ex t raction;unifo rm design ;partial least square
　　香草兰(Vani l la spp .),又名香子兰 、香荚兰 ,有
“食品香料之王”的称誉 ,含有 250 多种挥发性芳香族
香气成分 。主产地有马达加斯加 、塔希提岛等地 ,它在
食品 、医药 、农业 、日用化学品等方面日益表现出重要
作用 ,其酊剂和浸膏是最常见的高档食品香料 ,可用于
蛋糕 、巧克力 、糖果 、含酒精饮料等各类食品[ 1 -3] 和香
烟中 。
香草兰中主要的香气成分为香兰素 ,传统萃取方
法多采用有机溶剂回流或浸提法 ,得率往往较低。超
声提取与传统方法相比 ,具有收率高 、生产周期短 、有
效成分不被破坏[ 4] 、简化提取操作等优点 。此技术用
于植物有效成分的提取具有明显的优势和良好的应用
前景[ 5 , 6] 。
本实验使用均匀设计 ,选择时间 、温度 、料液比和
收稿日期:2009-09-24
基金项目:中国热带农业科学院院基金项目资助(RKY0729)
作者简介:姜欣(1983-),女 , 硕士在读 , 研究方向:天然产物化学。
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溶剂乙醇浓度四个因子作为考查因子 ,对香草兰中香
兰素等香料成分超声提取工艺进行系统研究 ,并应用
偏最小二乘法(Part ial least square , PLS)建立二次
多项式回归模型 ,对各因子条件进行优化[ 7-9] ,探讨超
声提取应用于香草兰中香料成分的产业化可行性 。
1　材料与方法
1.1　试验材料
香草兰豆荚 ,中国热带农业科学院香饮所提供 ,经
测定其香兰素含量为 10.05 mg/g ;
乙醇:分析纯 ,广州化学试剂厂;
香兰素标准品(纯度 ,质量比>95%),购至 Sigma
Chemical Co.,0 ℃保存。
1.2　仪器
超声波清洗器　(KQ3200B)昆山超声仪器有限
公司;Waters液相色谱仪(包括 510 泵 ,490E 可变波
长紫外及可见光检测器 , 717Plus自动进样器)　美国
Waters公司;Empow er 数据处理系统;电子天平 　
PB3002-N(0 .01g)梅特勒-托利多仪器　上海有限
公司;旋转蒸发仪　上海豫康科教仪器有限公司;循环
水式真空泵　SHZ-D(Ⅲ)巩义市予华仪器有限责任
公司 。
1.3　超声提取
采用均匀设计方案优化超声提取工艺。以乙醇为
溶剂 ,以产品中香兰素质量作为考核指标 ,考察提取时
间(x1)、温度(x2)、料液比(x 3)和溶剂乙醇的浓度(x4)
四因子。试验选用均匀设计表 ,试验因子数为4 ,因子
水平数为 6 ,因子的试验水平数见表 1。
表 1　因子水平表
因子 水平
1 2 3 4 5 6
x1(min) 5 8 11 14 17 20
x2(℃) 20 30 40 50 60 70
x3(mL) 140 160 180 200 220 240
x4(%) 45 55 65 75 85 95
　　超声提取法将香草兰豆荚低温干燥 ,粉碎 ,取 20 g
粉末置于 500 mL 三角烧瓶中 ,加入定量定浓度乙醇 ,
在 150 W ,40 kHz下设定提取温度和时间 ,提取 3次 ,
合并滤液 。取 1 mL 乙醇溶解液 ,稀释至 50 mL ,使用
HPLC测定香兰素含量 。
1.4　高效液相色谱分析
采用 C18分析柱(3.9 mm ×150 mm , 10 m),流动
相:甲醇与稀磷酸的体积比为 25∶75的溶液 , UV 扫
描检测 ,波长 254 nm ,采用外标法确定提取物中香兰
素的含量[ 10] 。
1.5　香草兰浸膏的制备
用优化的超声提取法制备香草兰乙醇液 ,重复 3
次。取 1 mL 乙醇溶解液 ,稀释至 50 mL ,用上述方法
使用 HPLC 测定香兰素含量 。减压回收乙醇至乙醇
不再蒸出为止 ,即得浸膏 。称重 ,计算得率。
1.6　香草兰浸膏产品的物性检测[ 11 , 12]
1.6.1　色状与香气的检验
采用目测法来检验色状。香气采用同灵香草原料
比较的方法 ,用辨香纸取少量样品 ,再将其夹在测试架
上 ,每隔一段时间 ,进行辨香评比 ,确定它们的头香 、体
香 、基香的细小变化 ,结果见表 2 。
表 2　浸膏产品的物性检测
色状 香气 不挥发物(%) 酸值 酯值
棕红色膏 甜香突出 ,少膏香 42.373 74.25 243.65
1.6.2　溶解性测定
取少许样品加入一定量需检验溶剂 ,超声波溶解
1 min ,观察溶液的透明度 。结果浸膏易溶于水 ,微溶
于乙醇 ,可溶于丙二酮等有机溶剂 。
1.6.3　不挥发物测定
取硬质蒸发皿 1只 ,清洗干净 ,用滤纸擦干后置于
干燥器中 , 0.5 h后取出称量(精确到 0.001 g),加入
待测样品后再称量 ,在水浴上加热 2 h ,取下蒸发皿置
于干燥器中 ,冷却至室温后称量。计算不挥发残留物
的质量分数。结果列于表 2 。
1.6.4　酸值和酯值测定
准确称取试样 0.1 ～ 0.2 g ,放入 250 mL 皂化瓶
中 ,加入浓度为 80%的中性乙醇 5 mL ,微热搅拌溶
解 ,加入酚酞指示剂 3 ～ 5滴。先用浓度 0.5 mo l/L 标
准氢氧化钾乙醇溶液滴定所含游离酸值 。然后用移液
管准确量取 10 mL 0.5 mo l/L 的氢氧化钾乙醇溶液 ,
装上长 100 cm 、直径约 1 cm 的空气冷凝管 ,水浴加
热 ,回流 1 h左右 ,让试样中的所有酯充分皂化 ,反应
完毕 ,在室温下冷却 20 min 左右 ,加入酚酞指示剂 3
滴 ,用浓度为 0.5 mol/ L 的盐酸滴定。在皂化瓶中用
5 mL乙醇代替试样样品作空白试验 ,以便测定消耗的
碱液量 ,其它操作均和上述步骤相同 ,两次试验所用酸
液的差数就相当于样品中酯类皂化所需的碱液量 ,以
此计算酯值。结果见表 2。
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2　结果与分析
2.1　超声提取工艺回归模型
超声提取香草兰豆荚香气成分物质 ,均匀设计优
化各处理结果 ,见表 3。使用DPS 软件 ,选用偏最小二
乘回归分析程序对试验结果进行分析[ 13] 。分析时参
考 PRESS 统计量和误差统计量的下降趋势 ,选择潜
变量个数为 1 ,可得到模型效应及因变量权数 、模型效
应符合量 、各自变量对各因变量作用的标准回归系数
等结果。表 4列出各自变量主效应的标准回归系数 ,
可以看出 ,自变量 x1 , x 2 和 x 3 对因变量 y 的主效应为
负 ,而 x4 对因变量 y 的主效应为正。
表 3　U 6 ＊(64)试验方案及结果
试验号 x1(min)
x2
(℃)
x3
(mL)
x4
(%)
香兰素质量
(g)
提取率
(%)
1 5 30 180 95 0.2073 1.0365
2 8 50 240 85 0.19718 0.9859
3 11 70 160 75 0.19474 0.9737
4 14 20 220 65 0.20026 1.0013
5 17 40 140 55 0.18355 0.91775
6 20 60 200 45 0.11331 0.56655
表 4　各个自变量对各个因变量
主效应的标准回归系数
指标 x1 x2 x3 x4
y -0.18444 -0.10802 -0.00339 0.18444
　　根据偏最小二乘回归分析结果 ,考虑因变量的优
化 ,得到如下二次多项式回归模型:
y =0 .2325421+0.004348· x1 -0.000251· x 2 -
0.000797 ·x 3 +0 .000394· x 4 -0.000169· x 1 · x 1 +
0.000006 ·x 2 · x2 +0.000002· x3 · x3 -0.000015·
x4 · x 4 -0.000057 · x1 · x2 -0.000012 · x 1 ×x3 +
0.000051 ·x 1 · x4 -0.000005 · x2 · x3 +0 .000017·
x2 · x4 +0.000004· x3 · x4 。
该二次多项式回归模型的拟合效果 ,可从误差平
方和看出 ,表 5。表 5中显示出潜变量个数为 1时数
据标准化后模型误差平方和及 PRESS 统计量情况 ,
并可得到相应组分时的模型拟合的决定系数 R2 。从
决定系数可以看出 ,当潜变量为 1时 , R2 为 0 .70827 ,
回归模型的拟合程度较好 。
表5　数据标准化后模型误差平方和及决定系数
潜变量个数 误差平方和 y 决定系数 R2 Press 统计量
1 1.45864 0.70827 5.02961
　　根据设定的优化条件对回归模型进行优化 ,在试
验范围内通过寻优可以得到最优的超声提取的工艺条
件为:时间为 20 min , 温度为 60 ℃, 溶剂体积为
200.0 mL(即料液比为 1∶10),浓度为 45%。此时根
据所得回归方程可以得到萃取物中香兰素的理论产量
为 212.92 mg 。
2.2　验证性试验
根据所得到超声提取香兰素试验所得到的最佳工
艺 ,按照试验步骤进行验证试验 ,重复三次 ,得到该工
艺实测值平均值为 184 .32 mg ,与预测值之间相对误
差均小于 20 %,说明该回归较好的反应了实际情况 ,
对实际生产具有指导意义 。
2.3　浸膏得率及其物性检测
上述优化制得的香草兰 乙醇液制得浸膏
52.53 mg ,浸膏得率 28.5% 。
3　讨论
3.1　超声提取工艺模型合理性分析
均匀设计是我国著名的数学家方开泰教授和王元
教授于 1978年应用数论创立的一种试验设计方法 ,由
专门的均匀设计表安排试验 ,在均匀设计表的试验点
范围内“均匀分散”而不考虑“整齐可比” ,故在保证试
验准确反应试验内部规律的同时 ,使得试验次数比其
它试验设计方法大大减少 ,可以显著的节约试验成本 ,
提高试验效率[ 14 , 15] 。
偏最小二乘回归是一种新型的多元统计数据分析
方法 , 它于 1983 年由伍德(S .Wold)和阿巴诺
(C.A lbano)等人首次提出 ,直到20世纪 80年代开始
在化学中得到应用 ,成为一种新的多元分析方法 ,已成
功地用于分析化学[ 16] 。偏最小二乘回归分析可以将
非模型方式的数据认识性分析方法和优化模型方法集
中起来 ,且具有多因变量建模功能 ,这正适合均匀设计
试验结果数据分析和优化模型的建立。因此 , PLS 回
归分析建模技术将均匀设计的更广泛应用提供有力的
技术支持 。
3.2　超声提取香兰素的工艺模型合理性分析
应用均匀设计对超声提取香草兰中香兰素的工艺
进行研究 ,目前国内鲜见报道。采用偏最小二乘回归
进行分析 ,与实际情况拟合较好。根据模型对 6组试
验数据条件进行预测 ,可知实测值与预测值之间的绝
对误差均很小 ,说明试验结果与预测结果较吻合。根
据试验模型推优所得到的最佳工艺条件进行验证试
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验 ,即时间 20 min ,温度 60 ℃,料液比 1∶10 ,溶剂乙
醇的浓度为 45%,重复 3次得到香兰素平均产量为
184.32 mg ,与模型预测值 212 .92 mg 之间相对偏差
均小于 20%,说明该回归较好的反映了实际情况 ,对
实际生产具有指导意义。
3.3　超声提取香草兰香料成分可行性分析
超声波是一种弹性波 ,它能产生并传递强大的
能量 ,大能量的超声波作用在液体里 ,在振动处于稀
疏状态时 ,声波在植物组织细胞里比电磁波穿透更
深 ,停留时间也更长 , 使液体被击成很多的小空穴 ,
这些小空穴一瞬间就闭合 , 闭合时产生高达 3000
MPa 的瞬间压力 , 即产生空化作用 , 使植物细胞破
裂。此外 ,超声波还具有机械振动 、乳化扩散 、击碎
等多级效应 ,有利于使植物中有效成分转移 、扩散及
提取[ 17] 。
超声提取技术是近几十年发展起来的新型萃取
技术 ,与传统方法相比 , 具有收率高 、生产周期短 、
有效成分不被破坏 、节省溶剂 、简化提取操作等优
点 。但目前该技术应用于大型工业化生产仍然有较
大的阻力 ,其主要原因是原始投资过高和技术含量
较高 ,使得经济风险过大 。在香草兰香料成分的萃
取过程中 ,通过提取条件的优化 ,使得香料成分的提
取率在 1.2 %以上 ,其提取产物具有纯度高 、香气
纯正 、无化学试剂残留等优势 ,可较好的满足产业化
开发 。
香草兰浸膏物性对其质量的评定有重要的指导作
用。由于其浸膏的香气主要来自于酸类和酯类化合
物 ,故其酸值 、酯值可以作为评价香草兰浸膏的香气的
指标 。从检测结果可见 ,由超声提取法优化工艺提取
的香草兰浸膏的酸值 、酯值均较高 ,这也从侧面反映了
该法制得的浸膏具有较好的质量。
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