一种青花椒的提取物及其制备方法
技术领域
本发明属于生物化工产品技术领域；涉及一种绿色环保的青花椒的提取物及其制备方法，更具体地，涉及一种青花椒的挥发油提取物及其制备方法。
背景技术
青花椒是芸香花椒属植物(Zanthoxylum Bungeanum Maxim)，通常所述的花椒是指这类植物的干燥果实。该属植物在全世界共约250种，分布在亚洲、非洲、南美洲和大洋洲等热带和亚热带地区。我国是全世界花椒种植面积最大的国家之一，主要分布在四川、重庆、甘肃、山东和河北等省份。
青花椒最常见的用途是作为调味品，是我国人民喜爱的香辛料，被誉为八大味之一。除了果皮可作为食用和药用外，其它部分如果梗、种籽，以及根、茎、叶均可入药治病，有健胃、止痛、解毒、止痒、解腥、腹泻等作用，民间用来治疗风湿筋骨疼痛、跌打损伤、牙痛、毒蛇咬伤等病症。从现代医学的角度来讲，花椒的作用主要包括抗溃疡、抗腹泻、保肝、对肠肌活动的双向作用、保护心脏、降血压、抗凝血、抑制病原微生物、抗癌等作用。
青花椒中含有多种化学成分，研究表明，主要化学成分包括挥发油、生物碱、多烯酰胺、木质素、脂肪酸，等等。其中，挥发油是一类具有芳香气味，常温下可挥发，并能随水蒸汽蒸馏并且与水不混溶的油状液体的总称。不同品种和产地的花椒中挥发油组成和含量存在较大差异，此外，不同的制备方法(包括提取步骤和纯化步骤)对挥发油的组成和含量也存在较大影响。
当挥发油作为香精使用时，很多时候人们希望挥发油具有清新甜润的香气，同时留香时间持久。研究表明，挥发油的香气强度和类型在相当大程度上受到呈香化合物尤其是芳樟醇含量比例的影响。通常来讲，挥发油中的芳樟醇含量越高，挥发油的香气强度越高，程度越深。
因此，为了满足香精的使用需要，迫切需要首先对青花椒原料粉末进行提取，得到挥发油粗品；其次要对挥发油粗品进行纯化或精制，使挥发油的组成进一步优化，尤其是芳樟醇的含量比例进一步提高。
现有技术中的制备方法通常均包括提取步骤和纯化步骤两大步骤。
就提取步骤而言，主要包括水蒸汽蒸馏、超临界二氧化碳提取和亚临界提取等工艺路线。
其中，最为常见的工艺路线为水蒸汽蒸馏法。张怀予等人(《食品与发酵工业》，2014，40(7)，P166-172)以甘肃武都大红袍花椒为原料，根据单因素和响应面中心组合设计实验，对水蒸气蒸馏花椒挥发油工艺进行优化研究。结果显示:花椒挥发油最佳提取工艺条件为料液比值0.11g/mL、蒸汽量73mL、蒸馏时间96min，在此条件下花椒挥发油得率达到6.71％。主要挥发性成分为柠檬烯、芳樟醇和邻氨基苯甲酸芳樟酯。然而，水蒸汽蒸馏提取过程温度高，且为开放系统，其过程容易造成热敏性成分和易氧化成分的破坏和挥发损失；并且挥发油的提取率有限。
中国专利申请CN101756145A公开了一种超临界二氧化碳提取花椒挥发油和花椒麻味素的工艺，将超临界萃取后的萃取液依次进入两个不同的分离釜进行分离，分别得到花椒麻味素和花椒挥发油，将二者与食用油按照特定比例调配后，得到超临界花椒油。该工艺产品状态均一，无溶剂残留。然而，超临界二氧化碳的溶解性较强，能够同时溶解亲脂性成分和亲水性成分；选择性不佳，提取产物包含多个挥发油、麻味素、植物油、黄酮和色素等。
中国专利申请CN108531288A公开了一种亚临界提取花椒风味成分的工艺，该工艺利用亚临界低温萃取技术和溶解度差异，精细化调整萃取条件，采用四氟乙烷、丁烷和二甲醚对青花椒进行连续萃取，分别得到花椒挥发油、花椒油和花椒麻味油。该工艺避免了传统工艺花椒风味成分选择性差和操作压力高等缺陷；然而，该工艺使用的四氟乙烷溶剂不在国家允许的食品工业加工助剂目录范围内；同时所提取的花椒挥发油纯度不高，仍然存在较高比例的花椒麻味素。
然而，无论单纯使用上述任一提取工艺路线，都很难得到香气比较纯正的挥发油。比如，水蒸汽蒸馏法对弱极性的提取效果较差，同时高温导致部分呈香化合物发生氧化分解。而超临界二氧化碳无论对弱极性还是强极性组分均有着较佳的溶解性，在提取比较彻底的同时不可避免地带来了很多非呈香化合物以及其它杂质，例如麻味素的存在导致香气混入麻味。亚临界溶剂存在着类似缺点。
另一方面，就纯化步骤而言，主要包括重结晶法、化学改性、减压蒸馏和分子蒸馏等工艺路线。
其中，最为常见的工艺路线为分子蒸馏法。宋旺弟等人(《中国医院药学杂志》，2018，38(18)，P1911-1917)通过刮膜式分子蒸馏技术将薰衣草精油分离为轻组分和重组分，其中，芳樟醇在轻组分和重组分中的百分相对含量分别为45.11％和16.86％。此外，轻组分中还含有乙酸芳樟醇和乙酸薰衣草酯等组分，因而芳樟醇的含量比例仍然不能令人满意。
喻世涛等人在《第八届中国香料香精学术研讨会论文集》(第57-60页)一文中采用超临界二氧化碳萃取和分子蒸馏技术，提取白兰花中的芳樟醇。经过分子蒸馏纯化后，芳樟醇相对百分含量由61.8提高至95.9％。该法方便快速，选择性高。然而，该方法仅仅适用于芳樟醇相对百分含量较高的原料，同时该方法的最终产率不高。
然而，纯化步骤通常不能单独存在，必须依赖于合适的提取步骤才能实现较佳的纯化效果。
针对香精的使用需要，现有技术中的青花椒挥发油提取物仍然普遍存在着最终产率较低同时芳樟醇含量比例不高的技术缺陷。
因此，迫切需要针对上述技术缺陷，提供一种进一步改善的青花椒的提取物及其制备方法。
发明内容
本发明目的是提供一种最终产率较高同时芳樟醇含量比例较高的青花椒提取物及其制备方法。
为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种青花椒提取物的制备方法。所采取的技术方案如下：
一种青花椒提取物的制备方法，包括提取步骤和纯化步骤；其特征在于，
所述提取步骤为：以青花椒粉末为原料，通过亚临界萃取方法得到原料挥发油；所述亚临界萃取步骤包括第一步萃取步骤和第二步萃取步骤；
所述纯化步骤为：将所述原料挥发油与1,3-丙二醇在加热条件下混合均匀，得到处理的挥发油料液；然后通过分子蒸馏步骤得到纯化的青花椒提取物。
根据本发明所述的制备方法，其中，所述青花椒粉末的粒径为40-60目。
在一个具体的实施方式中，所述青花椒粉末的粒径为50目。
根据本发明所述的制备方法，其中，所述第一步萃取步骤的溶剂为体积比(3-5):1的二甲醚和夹带剂95％乙醇组成；所述溶剂与青花椒粉末的液固比为(4-6):1mL/g。
在一个具体的实施方式中，所述第一步萃取步骤的溶剂为体积比4:1的二甲醚和夹带剂95％乙醇组成；所述溶剂与青花椒粉末的液固比为5:1mL/g。
根据本发明所述的制备方法，其中，所述第一步萃取步骤的萃取压强为0.35-0.45MPa；萃取温度为35-45℃；萃取时间为20-30min。
在一个具体的实施方式中，所述第一步萃取步骤的萃取压强为0.40MPa；萃取温度为40℃；萃取时间为25min。
根据本发明所述的制备方法，其中，所述第二步萃取步骤的溶剂为丙烷；所述溶剂与青花椒粉末的液固比为(10-20):1mL/g。
在一个具体的实施方式中，所述第二步萃取步骤的溶剂为丙烷；所述溶剂与青花椒粉末的液固比为15:1mL/g。
根据本发明所述的制备方法，其中，所述第二步萃取步骤的萃取压强为1.0-1.4MPa；萃取温度为25-35℃；萃取时间为30-60min；萃取次数为2-4次。
在一个具体的实施方式中，所述第二步萃取步骤的萃取压强为1.2MPa；萃取温度为30℃；萃取时间为45min；萃取次数为3次。
有利地，作为原料挥发油，包括28.0-32.0％的芳樟醇、17.0-19.0％的柠檬烯和3.0％以下的多烯酰胺。
在一个具体的实施方式中，所述原料挥发油包括30.0％的芳樟醇、18.0％的柠檬烯和2.6％以下的多烯酰胺。
在本发明中，上述各组分的％表示通过GC-MS方法所得质谱图上根据峰面积归一法计算的该组分峰面积与所有组分峰面积总和的比值，即相对百分含量。
根据本发明所述的制备方法，其中，所述原料挥发油与1,3-丙二醇的重量比例为1:(0.35-0.45)；所述加热温度为40-60℃。
在一个具体的实施方式中，所述原料挥发油与1,3-丙二醇的重量比例为1:0.4；所述加热温度为50℃。
根据本发明所述的制备方法，进一步包括纳滤步骤；所述纳滤步骤获得分子量小于300道尔顿的滤液。
有利地，在纳滤步骤之前先使用陶瓷膜过滤所述挥发油料液。
在一个具体的实施方式中，先使用平均孔径200nm的陶瓷膜进行过滤，然后使用平均孔径10nm的DK8040F纳滤膜进行纳滤。
根据本发明所述的制备方法，其中，所述分子蒸馏步骤包括第一级蒸馏和第二级蒸馏；所述第一级蒸馏和第二级蒸馏均收集轻组分。
根据本发明所述的制备方法，其中，所述第一级蒸馏的蒸馏条件为：蒸馏温度86-94℃；蒸馏压力8-12Pa；进料速度1.6-2.0mL/min；刮膜转速340-380rpm；冷却温度20-30℃；
所述第二级蒸馏的蒸馏条件为：蒸馏温度46-54℃；蒸馏压力26-34Pa；进料速度1.3-1.7mL/min；刮膜转速260-300rpm；冷却温度4-6℃。
在一个具体的实施方式中，所述第一级蒸馏的蒸馏条件为：蒸馏温度90℃；蒸馏压力10Pa；进料速度1.8mL/min；刮膜转速360rpm；冷却温度25℃；所述第二级蒸馏的蒸馏条件为：蒸馏温度50℃；蒸馏压力30Pa；进料速度1.5mL/min；刮膜转速280rpm；冷却温度5℃。
另一方面，本发明还提供了一种青花椒的提取物，其特征在于，由前述制备方法所得到。
本发明的有益技术效果是：通过提取和纯化步骤的组合使用，最终产率在3.6-4.4％之间；最终产率明显高于现有方法；同时芳樟醇含量也相应高出现有方法。
其中，提取步骤所得原料挥发油的麻味素(主要是多烯酰胺类物质)含量与现有水蒸汽蒸馏方法相比并无明显增高。而与现有亚临界萃取方法相比，提取率相当或更高一些，但麻味素含量显著降低，同时呈香化合物(主要是芳樟醇和柠檬烯)含量显著增加。
而在纯化步骤中，柠檬烯和多烯酰胺类物质均会对芳樟醇的分子蒸馏产生不利影响，而1,3-丙二醇有助于消除这种不利影响。然而，消除程度仍然与原料挥发油中的多烯酰胺类物质有关。在这类物质含量较高的情况下，不利影响仍然存在。
不希望局限于任何理论，本发明提取步骤所采取的两步萃取步骤带来了预料不到的技术效果；其中，第一次萃取步骤主要是萃取多烯酰胺，使其不影响第二次萃取步骤的组成，从而提高了挥发油的纯度；另外，第二次萃取步骤的工艺参数同样对提取率产生影响。
另一方面，本发明纯化步骤所采取的丙二醇处理步骤和分子蒸馏步骤同样带来了预料不到的技术效果；其中，第一级蒸馏的主要作用是消除大部分的1,3-丙二醇和部分杂质；第二级蒸馏的主要作用是进一步纯化，获得香气强度更高且纯度更高的青花椒提取物。
附图说明
图1是根据本发明一种具体实施方式的亚临界萃取装置。其中，1为溶剂储罐；2为萃取釜；3为分离釜；4为收集罐；5为计量泵；6为压缩机；7为冷凝器；8为热水箱；9为热水泵；10为压力表；11为温度计；12为球形阀；13为真空泵；14为控制系统。
具体实施方式
必须指出的是，除非上下文另外明确规定，否则如本说明书及所附权利要求中所用，单数形式“一”、“一个/种”和“该/所述”既可包括一个指代物，又可包括多个指代物(即两个以上，包括两个)。
除非另外指明，否则本发明中的数值范围为大约的，并且因此可以包括在所述范围外的值。所述数值范围可在本发明表述为从“约”一个特定值和/或至“约”另一个特定值。当表述这样的范围时，另一个方面包括从所述一个特定值和/或至另一个特定值。相似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应当理解，所述特定值形成另一个方面。还应当理解，数值范围中每一个的端点在与另一个端点的关系中均是重要的并独立于另一个端点。
在说明书和最后的权利要求书中提及组合物或制品中特定元素或组分的重量份是指组合物或制品中该元素或组分与任何其它元素或组分之间以重量份表述的重量关系。
除非具体指出有相反含义，或基于上下文的语境或所属技术领域内惯用方式的暗示，否则本发明中提及的所有分数以及百分比均按重量计，且组分的重量百分比基于包含该组分的组合物或产品的总重量。
本发明中提及的“包含”、“包括”、“具有”以及类似术语并不意欲排除任何可选组分、步骤或程序的存在，而无论是否具体公开任何可选组分、步骤或程序。为了避免任何疑问，除非存在相反陈述，否则通过使用术语“包含”要求的所有方法可以包括一个或多个额外步骤、设备零件或组成部分以及/或物质。相比之下，术语“由……组成”排除未具体叙述或列举的任何组分、步骤或程序。除非另外说明，否则术语“或”是指单独以及以任何组合形式列举的成员。
此外，本发明中任何所参考的专利文献或非专利文献的内容都以其全文引用的方式并入本发明，尤其关于所属领域中公开的定义(在并未与本发明具体提供的任何定义不一致的情况下)和常识。
在本发明中，除非另外指明，否则份数均为重量份，温度均以℃表示或处于环境温度下，并且压力为大气压或接近大气压。存在反应条件(例如组分浓度、所需的溶剂、溶剂混合物、温度、压力和其它反应范围)以及可用于优化通过所述方法得到的产物纯度和收率的条件的多种变型形式和组合。将只需要合理的常规实验来优化此类方法条件。
提取实施例1
图1是根据本发明一种具体实施方式的亚临界萃取装置。其中，1为溶剂储罐；2为萃取釜；3为分离釜；4为收集罐；5为计量泵；6为压缩机；7为冷凝器；8为热水箱；9为热水泵；10为压力表；11为温度计；12为球形阀；13为真空泵；14为控制系统。
将青花椒(产地：山东莱芜)干燥至含水率≤10％，粉碎至粒径50目，得到青花椒粉末。称量1kg青花椒粉末装入孔径200目的物料袋中，放入萃取釜2中并且封闭。分别进行第一步萃取步骤和第二步萃取步骤。
第一步萃取步骤如下：使用真空泵13对萃取釜2抽真空，使萃取釜2的真空度达到-0.4MPa后关闭真空泵13。利用压强差通过计量泵5将溶剂储罐的溶剂注入萃取釜2中。萃取条件为：溶剂为体积比4:1的二甲醚和夹带剂95％乙醇组成；液固比为4:1mL/g；萃取压强为0.35MPa；萃取温度为40℃；萃取时间为25min。萃取完毕后，萃取液从萃取釜2进入分离釜3中。通过热水泵9将热水箱8中的热水提供溶剂气化能量，使分离釜3内的萃取液减压蒸发；气化后的溶剂通过压缩机6和冷凝器7返回溶剂储罐1中；并且将分离釜3的萃取物转移至收集罐4中，收集后另作他用。
第二步萃取步骤如下：按照前述步骤，将溶剂注入萃取釜2中。萃取条件为：溶剂为丙烷；液固比为15:1mL/g；萃取压强为1.2MPa；萃取温度为35℃；萃取时间为30min；萃取次数为4次。最终将分离釜3溶剂分离后，将萃取物转移至收集罐4中，过滤，冷却，离心取上清液，得到挥发油产物。
提取实施例2
将青花椒(产地：山东莱芜)干燥至含水率≤10％，粉碎至粒径40目，得到青花椒粉末。称量1kg青花椒粉末装入孔径200目的物料袋中，放入萃取釜2中并且封闭。分别进行第一步萃取步骤和第二步萃取步骤。
第一步萃取步骤的萃取条件为：溶剂为体积比3:1的二甲醚和夹带剂95％乙醇组成；液固比为5:1mL/g；萃取压强为0.40MPa；萃取温度为35℃；萃取时间为30min；其余同提取实施例1。
第二步萃取步骤的萃取条件为：溶剂为丙烷；液固比为20:1mL/g；萃取压强为1.0MPa；萃取温度为30℃；萃取时间为60min；萃取次数为2次；其余同提取实施例1。
提取实施例3
将青花椒(产地：山东莱芜)干燥至含水率≤10％，粉碎至粒径60目，得到青花椒粉末。称量1kg青花椒粉末装入孔径200目的物料袋中，放入萃取釜2中并且封闭。分别进行第一步萃取步骤和第二步萃取步骤。
第一步萃取步骤的萃取条件为：溶剂为体积比5:1的二甲醚和夹带剂95％乙醇组成；液固比为6:1mL/g；萃取压强为0.45MPa；萃取温度为45℃；萃取时间为20min；其余同提取实施例1。
第二步萃取步骤的萃取条件为：溶剂为丙烷；液固比为10:1mL/g；萃取压强为1.4MPa；萃取温度为25℃；萃取时间为45min；萃取次数为3次；其余同提取实施例1。
提取比较例1
按照中国专利申请CN108531288A实施例2记载的步骤一和步骤二进行；青花椒粉末的处理方法和用量与本申请提取实施例1相同。
提取比较例2
按照《食品与发酵工业》，2014，40(7)，P166-172结论部分记载的优化条件进行；青花椒粉末的处理方法和用量与本申请提取实施例1相同。
提取例的挥发油质量评价
使用GC-MS分析并测定提取实施例1-3和提取比较例1-2所得挥发油的几种主要成分。GC条件为：安捷伦DB-5毛细管柱(30m×0.25mm×0.25μm)；进样口温度245℃，接样口温度280℃；程序升温：柱温60℃(5min)，2℃/min升至120℃，4℃/min升至245℃，保留10min；载气：高纯He气，流速1mL/min；分流比1:60。MS条件为：EI离子源；离子能量70eV；发射电流2mA；离子源温度230℃；四级杆温度100℃；扫描质量范围为10-500amu。采用NIST质谱库检索，并根据峰面积归一法计算主要成分的相对含量。各组分的相对百分含量即该组分峰面积与所有组分峰面积总和的比值。
提取率根据挥发油的质量与青花椒粉末的质量之比确定。
结果如表1所示。
表1
由表1可以看出，本发明提取实施例1-3的提取率明显高于提取比较例2的水蒸汽蒸馏法；同时芳樟醇含量并无明显降低。与提取比较例1的亚临界萃取方法相比，提取率相当或更高一些，但芳樟醇含量显著增加。
纯化实施例1-3和纯化比较例1-2
将提取实施例1-3和提取比较例1-2所得挥发油与1,3-丙二醇混合，二者的重量比例为1：0.4，加热至50℃；并且搅拌混合均匀，得到处理的挥发油料液。
先使用平均孔径200nm的陶瓷膜过滤所述挥发油料液，然后使用平均孔径10nm的DK8040F纳滤膜获得分子量小于300道尔顿的滤液。
将滤液加入到分子蒸馏装置中进行第一级蒸馏，收集一级轻组分；所述蒸馏条件为：蒸馏温度90℃；蒸馏压力10Pa；进料速度1.8mL/min；刮膜转速360rpm；冷却温度25℃；
将所述一级轻组分在分子蒸馏装置中进行第二级蒸馏，收集二级轻组分，即得到纯化实施例1-3和纯化比较例1-2的纯化挥发油；所述蒸馏条件为：蒸馏温度50℃；蒸馏压力30Pa；进料速度1.5mL/min；刮膜转速280rpm；冷却温度5℃。
纯化比较例3
将提取实施例1所得挥发油不经处理，直接进行第二级蒸馏；得到纯化比较例3的纯化挥发油。
纯化例的挥发油质量评价
按照前述GC-MS分析测定方法计算各组分的相对百分含量。
最终产率根据二级轻组分的质量与青花椒粉末的质量之比确定。
结果如表2所示。
表2
由表2可以看出，本发明纯化实施例1-3最终产率在3.6-4.4％之间；最终产率明显高于纯化比较例1和2；同时芳樟醇含量也相应高出纯化比较例1-2。值得注意的是，在纯化比较例2中，由于原料挥发油中多烯酰胺类物质含量较高，纯化产物仍然具有较高含量的这类物质。此外，纯化比较例的最终产率虽然较高，但芳樟醇含量比例明显降低。
不希望局限于任何理论，柠檬烯和多烯酰胺类物质均会对芳樟醇的分子蒸馏产生不利影响，而1,3-丙二醇有助于消除这种不利影响。然而，消除程度仍然与原料挥发油中的多烯酰胺类物质有关。在这类物质含量较高的情况下，不利影响仍然存在。另一方面，第一级蒸馏的主要作用是消除大部分的1,3-丙二醇和部分杂质；第二级蒸馏的主要作用是进一步纯化。
此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明的技术方案作出各种改动、替换、删减、修正或调整，这些等价技术方案同样落于本发明权利要求书所限定的范围。
