微波輔助提取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用快速分析花椒揮發(fā)油

房信勝，王 超，馬偉志，李明會(huì)，王建華,*，張 麗，徐 寧

(1.作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

微波輔助提取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用快速分析花椒揮發(fā)油

房信勝1，王 超2，馬偉志1，李明會(huì)1，王建華1,*，張 麗1，徐 寧1

(1.作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

建立微波輔助提取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用快速分析花椒揮發(fā)油的方法。采用微波輔助提取-水蒸氣蒸餾法(MAE-SD)提取揮發(fā)油，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化微波輔助提取條件，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析揮發(fā)油的化學(xué)成分和理化性質(zhì)，同時(shí)將微波輔助提取與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法進(jìn)行比較。結(jié)果表明：MAE-SD的最佳工藝為微波功率400W、加水量15mL/g、浸泡30min，提取20min；經(jīng)GC-MS分析，分離得到137種成分，質(zhì)譜鑒定相似度在90%以上的化合物59種；根據(jù)峰面積歸一法，相對(duì)含量較高的成分有檜萜(3.72%)、β-月桂烯(8.34%)、樅萜(15.15%)、松油烯(3.65%)、桉樹腦(6.25%)、α-蒎烯(4.95%)、β-芳樟醇(3.05%)、4-萜品醇(10.48%)、松油醇(3.55%)、α-松油醇酯(4.09%)；與水蒸氣蒸餾法相比，揮發(fā)油的成分種類和理化性質(zhì)接近，但相對(duì)含量存在一定差異。MAESD可快速高效提取揮發(fā)油類成分，聯(lián)合GC-MS可對(duì)揮發(fā)油進(jìn)行快速分析。

花椒；揮發(fā)油；微波輔助提??；氣相色譜-質(zhì)譜法

花椒為蕓香科植物花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim)及青椒(Zanthoxylum schinifolium Sieb. Et Zucc.)的成熟果皮，是日常生活中重要的調(diào)味品，同時(shí)也是常用中藥材，具有溫中止痛、疏通血脈、殺蟲等功效?，F(xiàn)代藥理研究[1-4]表明，花椒揮發(fā)油具有抗菌、殺蟲、平喘等作用。揮發(fā)油的傳統(tǒng)提取方法為水蒸氣蒸餾法(steam distillation，SD)[5-6]。閻建輝[7]、郭治安[8]、邱琴[9]、陳訓(xùn)[10]等分別采用水蒸氣蒸餾法提取山東濟(jì)南(果皮)、湖南岳陽(果實(shí))、陜西富平(果皮)、四川茂縣(果實(shí))產(chǎn)花椒揮發(fā)油，這種方法可獲得純凈揮發(fā)油、操作簡便，但耗時(shí)較長。趙麗娟等[11]比較了同時(shí)蒸餾萃取法和普通水蒸氣蒸餾萃取法提取太行山地區(qū)花椒揮發(fā)油。莫彬彬[12]、陳振德等[13]用超臨界CO2流體萃取法從花椒(果皮)中提取揮發(fā)油，但該法需要專用設(shè)備，限制了其應(yīng)用，且提取物中多混有脂肪油、油樹脂等非揮發(fā)性成分。國外文獻(xiàn)報(bào)道的花椒揮發(fā)油的提取方法有水蒸氣蒸餾法、超聲提取法和微波提取法[14-16]。由于提取方法、產(chǎn)地以及所用花椒部位不同使不同報(bào)道對(duì)揮發(fā)油的分析結(jié)果有較大差異。

微波輔助提取法(microwave assisted extraction，MAE)具有提取速度快、產(chǎn)率高、操作簡便、避免成分變化等特點(diǎn)，在天然產(chǎn)物活性成分提取中已有較多報(bào)道[17-19]，但用于揮發(fā)油提取的報(bào)道較少。朱曉楠[20]、Wang[16]等采用非極性溶劑微波輔助(solvent-free microwave extraction，SFME)提取肉桂、花椒中的揮發(fā)油，但需要向提取溶劑中加入微波吸收介質(zhì)，如羰基鐵粉；李焱等[21]采用微波處理后，再用乙醚蒸餾-萃取的方法提取貴陽刺異葉花椒揮發(fā)油，該法耗時(shí)長、過程較復(fù)雜。本實(shí)驗(yàn)將微波輔助提取-水蒸氣蒸餾(MAE-SD)聯(lián)合應(yīng)用，在顯著提高提取效率的同時(shí)，可獲得純凈的花椒揮發(fā)油，避免有機(jī)溶劑的使用；同時(shí)采用GC-MS 聯(lián)用技術(shù)分析和鑒定揮發(fā)油的化學(xué)成分，探索微波提取技術(shù)用于揮發(fā)油類成分提取的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

花椒(產(chǎn)地山東萊蕪)。無水乙醇、甲醇、無水硫酸鈉(均為分析純)、正己烷(色譜純) 天津克密歐化學(xué)試劑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MAS-I微波輔助萃取儀 上海新儀微波化學(xué)設(shè)備公司；GC-MS QP2010 Plus氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、UV-2450紫外-可見分光光度計(jì) 日本島津公司；WAY-2S型阿貝折光儀 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 微波輔助萃取-水蒸氣蒸餾

取20～40目花椒粉末20g，置于燒瓶中，加水浸泡30min，放于微波萃取釜中，上端連接冷凝管和揮發(fā)油測定器，進(jìn)行微波輔助提取-水蒸氣蒸餾提取揮發(fā)油，收集揮發(fā)油測定器中的油狀液體，無水硫酸鈉干燥。以微波功率、提取時(shí)間和加水量為考察因素，以提取產(chǎn)率為指標(biāo)，采用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化微波輔助萃取的條件。

1.3.2 水蒸氣蒸餾法提取

按《中國藥典：一部附錄XD：揮發(fā)油測定法》提取5h，收集揮發(fā)油測定器中的油狀液體，無水硫酸鈉干燥。

1.3.3 揮發(fā)油的理化性質(zhì)分析

對(duì)不同提取方法得到的揮發(fā)油進(jìn)行理化性質(zhì)分析。用十萬分之一分析天平通過稱量法測定揮發(fā)油密度；用阿貝折光儀于25℃測定折光率；用酸度計(jì)于25℃測定pH值；以甲醇為溶劑采用紫外分光光度法測定紫外吸收曲線。

1.3.4 GC-MS分析條件

氣相色譜條件：色譜柱為Rxi-5ms(30m×0.32mm，0.25μm)，進(jìn)樣口溫度250℃，程序升溫：起始溫度50℃，保持1min，以6℃/min升至140℃，接著以10℃/min升至180℃，再以15℃/min升至260℃，保持5min。進(jìn)樣量1μL，載氣He，總流速27.2mL/min，柱流速2.20mL/min，分流比10:1。

質(zhì)譜條件：連接質(zhì)譜接口溫度250℃，電子轟擊(EI)離子源；電子能量70eV，離子源溫度200℃，掃描范圍m/z 40～500，掃描間隔1s。

2 結(jié)果與分析

2.1 MAE-SD方法的工藝優(yōu)化

表1 MAE-SD方法工藝條件優(yōu)化的L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 1 Experimental design and results of L9(34) orthogonal arrays

由表1可見，微波功率對(duì)產(chǎn)率的影響最大，功率越小，提取率越大。提取時(shí)間對(duì)提取率也有一定影響，提取20min 提取率即達(dá)到最大。加水量對(duì)提取率的影響最小，加水量15mL/g較為合適。因此微波輔助提取的最佳工藝為加水量15mL/g、浸泡30min 后采用400W功率提取20min。水利用微波能的效率高，微波輻照后能快速沸騰；花椒中的成分由于吸收微波能，分子運(yùn)動(dòng)加速，溶出速度顯著提高，并且由于水分子運(yùn)動(dòng)加速，揮發(fā)性成分能快速隨水蒸氣揮發(fā)出來。因此，采用微波輔助提取可顯著提高提取效率。2.2 不同提取方法的比較

表2 不同提取方法提取揮發(fā)油的提取率和理化性質(zhì)Table 2 Comparisons on extraction efficiency, physicochemical properties and chemical composition of volatile oil from pricklyash peel by different extraction methods

2.2.1 提取產(chǎn)率和理化性質(zhì)的比較

微波輔助提取按2.1節(jié)優(yōu)化工藝進(jìn)行，水蒸氣蒸餾按1.2.2節(jié)方法進(jìn)行。不同提取方法揮發(fā)油的產(chǎn)率和理化性質(zhì)見表2。結(jié)果表明，微波輔助提取20min的產(chǎn)率和水蒸氣蒸餾法5h的產(chǎn)率無顯著差異，所得揮發(fā)油的理化性質(zhì)基本相同，因此采用本實(shí)驗(yàn)的微波輔助提取不但可以快速提取花椒揮發(fā)油，而且能保持揮發(fā)油的理化性質(zhì)不受影響。

2.2.2 揮發(fā)油的GC-MS 分析

圖1 不同提取方法提取花椒揮發(fā)油的總離子流圖譜Fig.1 Total ion current chromatograms of volatile oils extracted by different extraction methods

采用GC-MS聯(lián)用分析測定不同提取方法所得揮發(fā)油。揮發(fā)油的總離子流圖如圖1所示。經(jīng)檢索NIST05質(zhì)譜庫、參考相關(guān)文獻(xiàn)[7-13]及根據(jù)各組分的特征性碎片離子進(jìn)行質(zhì)譜解析，相似度在90%以上的化合物及其相對(duì)含量見表3。

表3 不同提取方法提取花椒揮發(fā)油的化學(xué)成分及相對(duì)含量Table 3 Chemical components and their relative contents in volatile oils extracted by different extraction methods

續(xù)表3

圖1和表3表明，采用微波輔助提取時(shí)分離得到了137種成分，質(zhì)譜鑒定相似度在90%以上的化合物59種，相對(duì)含量占揮發(fā)油總成分近90%；采用水蒸氣蒸餾法時(shí)分離得到了148種成分，質(zhì)譜鑒定相似度在90%以上的化合物59種，相對(duì)含量占揮發(fā)油總成分的88.5%。由表3可知，花椒揮發(fā)油中的主要成分為檜萜(3.72%)、β-月桂烯(8.34%)、樅萜(15.15%)、松油烯(3.65%)、桉樹腦(6.25%)、α-蒎烯(4.95%)、β-芳樟醇(3.05%)、4-萜品醇(10.48%)、松油醇(3.55%)、α-松油醇酯(4.09%)，微波輔助提取時(shí)其相對(duì)含量均在3%以上，占揮發(fā)油總量的63%，與水蒸氣蒸餾提取的結(jié)果相近。β-月桂烯、樅萜、4-萜品醇和桉樹腦的相對(duì)含量均在5%以上，這4種化合物的結(jié)構(gòu)及質(zhì)譜圖見圖2，經(jīng)質(zhì)譜解析，其結(jié)構(gòu)與相應(yīng)離子碎片可一一對(duì)應(yīng)。和已有文獻(xiàn)比較，α-蒎烯、檜萜、β-月桂烯、樅萜、桉樹腦、β-芳樟醇、4-萜品醇、薄荷酮等是不同產(chǎn)地花椒中揮發(fā)油的共有且含量較高的成分，這些成分也是重要的香料物質(zhì)。另外，芳樟醇具有殺蟲、抗菌、抗病毒和鎮(zhèn)靜等作用，α-松油醇、4-萜品醇具有顯著的平喘作用，α-蒎烯、β-月桂烯具有明顯的祛痰、鎮(zhèn)咳作用，α-蒎烯還有抗真菌、驅(qū)蟲作用，桉樹腦具有消毒防腐作用。由此可見，花椒含有的主要揮發(fā)油不但可作為重要的香料成分，也是其殺蟲、抗菌、平喘等作用的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 β-月桂烯(A)、4-萜品醇(B)、樅萜(C)和桉樹腦(D)的結(jié)構(gòu)式和質(zhì)譜圖Fig.2 Chemical structures and mass spectra of beta.-myrcene (A),sylvestren (B), 4-carvomenthenol (C) and cineole (D)

本實(shí)驗(yàn)采用GC-MS聯(lián)用對(duì)花椒揮發(fā)油中非極性的烴類及極性較大的醇、酮、酯類等成分獲得了良好的分離和鑒定，并結(jié)合揮發(fā)油的理化性質(zhì)進(jìn)行分析。MAESD和SD法得到的揮發(fā)油成分種類接近，但成分的含量存在一定差異：微波輔助提取時(shí)烴類成分的相對(duì)含量低于傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法，如揮發(fā)油中相對(duì)含量較高的β-月桂稀、α-蒎烯、松油烯等；但對(duì)于含羥基的醇類或羰基的酯類、酮類、醛類等成分，如β-芳樟醇、4-萜品醇、松油醇、α-松油醇酯等，采用MAE-SD時(shí)其相對(duì)含量一般高于SD法。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因與微波輔助提取的原理有關(guān)：不同結(jié)構(gòu)的成分吸收利用微波能的效率不同，含羥基的醇類或羰基的酯類等成分易吸收微波能，從而更快的被提取出來，而烴類成分利用微波能的效率較低，采用微波提取時(shí)其含量相對(duì)較低。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)研究微波輔助提取-水蒸氣蒸餾(MAE-SD)用于提取中藥花椒揮發(fā)油的方法，與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾提取法相比，該法可顯著提高提取效率，得到純凈的揮發(fā)油，揮發(fā)油的組分種類、理化性質(zhì)與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法接近，但在相對(duì)含量上有所差異。與已有文獻(xiàn)相比，本實(shí)驗(yàn)所確定的方法提取效率高，所分離和鑒定的成分多，為花椒揮發(fā)油的開發(fā)利用提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。MAE-SD 聯(lián)合GC-MS為揮發(fā)油類成分的快速提取和分析提供了一種有效的方法。

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Analysis of Volatile Oil Composition of Pricklyash Peel (Zanthoxylum bungeanum) by Microwave Assisted Steam Distillation Coupled with Gas Chromatography-Mass Spectrometry

FANG Xin-sheng1，WANG Chao2，MA Wei-zhi1，LI Ming-hui1，WANG Jian-hua1,*，ZHANG Li1，XU Ning1
(1. State Key Laboratory of Crop Biology, College of Agronomy, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China；2. College of Horticulture Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China)

In the extraction of volatile oil from pricklyash peel by microwave-assisted steam distillation (MASD), main extraction parameters were optimized by orthogonal assay design based on extraction efficiency with the purpose of developing a sample preparation method for rapid analysis of volatile oil composition of pricklyash peel by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The effects of MASD and single steam distillation on the extraction efficiency, physicochemical properties and chemical composition of volatile oil from pricklyash peel were compared. The optimal MASD parameters were determined as follows: microwave power 400 W, extraction time 20 min, and the amount of water addition 15 mL/g. Totally, 137 compounds were separated in the GC-MS analysis of volatile oil extracted by MASD, and 59 of them had higher than 90% mass spectral similarities, including the dominant compounds sabinene (3.72%), beta-myrcene (8.34%), sylvestren (15.15%), terpinene(3.65%), cineole (6.25%), alpha-pinene (4.95%), beta.-linalool (3.05%), 4-carvomenthenol (10.48%), alpha-terpieol (3.55%)and alpha-terpineol acetate (4.09%), which were quantitatively determined by peak area normalization method. Volatile oils extracted by both methods had similar compound composition and physicochemical properties but differed in the relative contents of their common components. In summary, an efficient and effective extraction of volatile oil can be achieved by using MASD. Volatile oil composition can be rapidly analyzed by MASD coupled with GC-MS.

pricklyash peel (Zanthoxylum bungeanum)；volatile oil；microwave assisted extraction；gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)

TS207.3；R284.2

A

1002-6630(2011)08-0262-05

2010-06-25

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)SRT項(xiàng)目(SRT-0901015)

房信勝(1974—)，男，講師，碩士，研究方向?yàn)橹兴庂|(zhì)量控制與資源開發(fā)利用。E-mail：xinshf@126.com*通信作者：王建華(1965—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)橹兴庂Y源與開發(fā)。E-mail：jhwangjh@163.com