超聲波輔助提取香椿葉揮發(fā)成分的工藝優(yōu)化

楊月云,王小光,郜蒙蒙

(周口師范學(xué)院化學(xué)系,河南周口 466001)

超聲波輔助提取香椿葉揮發(fā)成分的工藝優(yōu)化

楊月云,王小光,郜蒙蒙

(周口師范學(xué)院化學(xué)系,河南周口 466001)

為研究香椿葉揮發(fā)成分,在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)超聲波輔助提取香椿葉揮發(fā)成分的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,考察了原料粒度、超聲萃取時(shí)間、液料比對(duì)香椿葉揮發(fā)成分得率的影響。結(jié)果表明,影響香椿葉揮發(fā)成分得率的因素從大到小依次為超聲時(shí)間、原料粒度、料液比;最佳工藝條件為原料粒度100目、超聲萃取時(shí)間20 min、料液比l:30(g:mL),此條件下,香椿葉揮發(fā)成分得率為6.42%。利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法對(duì)香椿葉揮發(fā)成分進(jìn)行分析。共鑒定并確定了其中73種化合物,占揮發(fā)油總量的66.95%。其主要化合物為酯類(lèi)、噻吩類(lèi)、萜烯類(lèi)和烷烴類(lèi)化合物。

香椿葉,超聲輔助萃取,工藝優(yōu)化,GC-MS

香椿因其葉片有特殊香氣而得名,香椿葉不僅可供蔬食,還有一定的藥用價(jià)值[1-3]。它的獨(dú)特風(fēng)味和部分藥用價(jià)值來(lái)源于它的揮發(fā)性成分[4]。目前,國(guó)內(nèi)提取揮發(fā)油成分的主要方法有傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法[5-7]、蒸餾-萃取法[8]、超臨界CO2流體萃取法[9-10]、頂空固相微萃取法[11-12]、微波萃取法[13-14],超聲波輔助提取法。超聲波輔助提取法是利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)及空化效應(yīng)使植物細(xì)胞壁迅速破裂,而超聲波的振動(dòng)、攪拌等次級(jí)效應(yīng)可以加速有效成分溶出并與溶劑充分混合,從而縮短提取時(shí)間,提高產(chǎn)物得率,并有效避免高溫對(duì)有效成分的破壞,具有操作簡(jiǎn)便,經(jīng)濟(jì)、省時(shí)、高效、產(chǎn)品品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物有效成分的提取。本研究以乙醚為溶劑,采用超聲波輔助提取法提取香椿葉揮發(fā)成分,對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化;并采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)香椿葉揮發(fā)成分進(jìn)行分析,旨在為香椿的開(kāi)發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乙醚 洛陽(yáng)市化學(xué)試劑廠(chǎng);無(wú)水硫酸鈉 天津市福晨化學(xué)試劑廠(chǎng);氯化鈉 天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;新鮮香椿葉 2014年4月購(gòu)于河南省周口市蔬菜市場(chǎng)。除香椿葉外,以上試劑均為分析純。

KQ-500超聲波萃取儀 昆山市超聲儀器有限公司;AL204電子天平 梅特勒-托利多;SHB-Ⅲ循環(huán)水式真空泵 鄭州歐卡儀器設(shè)備有限公司;PolarisQ ITQ 1100氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)賽默飛世尓科技有限公司。

1.2 樣品制備

香椿葉洗凈后用2%的鹽水浸泡5 h后陰干至恒重,將干燥的葉子研缽研碎,過(guò)不同目數(shù)網(wǎng)篩。取1 g預(yù)處理好的香椿葉粉末,加入適量乙醚,放入超聲波萃取儀進(jìn)行超聲輔助萃取(冰水混合物中),將萃取液真空抽濾,回收乙醚,用無(wú)水Na2SO4干燥后稱(chēng)重,計(jì)算揮發(fā)成分得率。

香椿葉揮發(fā)成分得率(%)=香椿葉揮發(fā)成分重量(g)/香椿葉重量(g)×100

1.3 單因素實(shí)驗(yàn)

采用超聲波萃取法,以乙醚為萃取劑,設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn),分別考察原料粒度(20、40、60、80、100目),料液比[1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60(g∶mL)]以及超聲時(shí)間(15、20、25、30、35 min)對(duì)香椿葉揮發(fā)成分得率的影響。

1.4 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)L9(33)正交實(shí)驗(yàn)(表1),考察原料粒度、萃取時(shí)間和料液比3個(gè)因素對(duì)香椿葉揮發(fā)成分得率的影響,確定香椿葉揮發(fā)成分的最佳提取工藝條件。

表1 正交因素及水平表

1.5 GC-MS分析條件

氣相色譜條件:色譜柱:TR5石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),程序升溫:初始溫度為50 ℃,保持1 min后,以5 ℃/min升至100 ℃,保持1 min,再以10 ℃/min升至240 ℃,保持5 min;載氣為高純氦氣;進(jìn)樣口溫度:250 ℃,進(jìn)樣量:1 μL。

質(zhì)譜條件:離子源為EI源;電子能量:70 eV;掃描范圍:50～650 u;離子源溫度:220 ℃;傳輸線(xiàn)溫度:220 ℃;NIST2005標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)檢索。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用面積歸一化法計(jì)算各組分的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),對(duì)相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.01%的成分進(jìn)行積分并鑒定。對(duì)總離子流圖中各色譜峰相應(yīng)的質(zhì)譜圖進(jìn)行NIST2005版譜庫(kù)檢索、人工譜圖解析,根據(jù)各峰的質(zhì)譜裂片,參考有關(guān)文獻(xiàn)和手冊(cè)對(duì)基峰、質(zhì)核比和相對(duì)峰度等方面進(jìn)行比較,分別對(duì)各峰加以確認(rèn),并且根據(jù)保留時(shí)間和其他可靠的質(zhì)譜標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行最后鑒定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 原料粒度對(duì)香椿葉揮發(fā)成分得率的影響 原料粒度對(duì)香椿葉揮發(fā)成分得率的影響見(jiàn)圖1。由圖1可以看出,原料粒度為20目時(shí),揮發(fā)成分得率很低,這是由于原料顆粒較大時(shí),比表面積較小,原料不能與溶劑充分接觸,導(dǎo)致有效成分溶出少,因此得率較低。隨著原料顆粒的減小,揮發(fā)油得率迅速提高。當(dāng)原料粒度為80目時(shí),香椿葉揮發(fā)成分得率達(dá)到最大。但是當(dāng)原料顆粒繼續(xù)減小時(shí),揮發(fā)成分得率稍有下降。出現(xiàn)這種狀況的原因是由于原料粒度過(guò)小時(shí)易發(fā)生沉降,粘黏,甚至板結(jié),堆積密度變大,通透性變差,傳質(zhì)阻力增加,致使溶劑沿阻力小的路徑運(yùn)動(dòng),使萃取顯著不均勻,從而降低了揮發(fā)成分得率[15]。由此可知,原料粒度以80目結(jié)果較好。

圖1 原料粒度對(duì)香椿葉揮發(fā)油得率的影響Fig.1 Effects of raw material size on toona sinensis leaves oil yield

2.1.2 料液比對(duì)香椿葉揮發(fā)成分得率的影響 不同的料液比對(duì)香椿葉揮發(fā)成分得率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 料液比對(duì)香椿葉揮發(fā)油得率的影響Fig.2 Effects of solid-liquid ratio on toona sinensis leaves oil yield

由圖2可以看出香椿葉揮發(fā)成分得率隨著溶劑的增加迅速提高,當(dāng)液料比為1∶40(g∶mL)時(shí)得率達(dá)到最大,之后隨著溶劑的增加,得率反而下降。這是由于隨著溶劑量增加,傳質(zhì)速度加快,揮發(fā)物質(zhì)的得率提高,但溶劑用量過(guò)高會(huì)造成超聲負(fù)荷增加、提取時(shí)間延長(zhǎng)以及資源浪費(fèi)。因此,料液比選1∶40(g∶mL)左右較宜。

表3 方差分析表

注:F0.05值F0.01值極顯著(**);F值

2.1.3 超聲時(shí)間對(duì)香椿葉揮發(fā)成分得率的影響 超聲時(shí)間對(duì)香椿葉揮發(fā)成分得率的影響如圖3所示,隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng),揮發(fā)成分得率迅速提高,25 min時(shí)達(dá)到最大,之后繼續(xù)延長(zhǎng)超聲時(shí)間,揮發(fā)油得率反而下降。分析其主要原因可能是由于細(xì)胞內(nèi)外存在著較大的濃度差,在超聲波萃取前期有效成分迅速?gòu)募?xì)胞中溶出,但隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng),細(xì)胞內(nèi)外的濃度差減小,加之超聲波產(chǎn)生的大量熱量和空化效應(yīng)對(duì)揮發(fā)成分有所破壞,從而導(dǎo)致得率下降。因此,超聲時(shí)間以25 min效果最好。

圖3 超聲時(shí)間對(duì)香椿葉揮發(fā)油得率的影響Fig.3 Effects of ultrasonic extraction time on toona sinensis leaves oil yield

2.2 正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

極差分析結(jié)果(表2)表明,各因素對(duì)香椿葉揮發(fā)成分得率的影響從大到小依次為B超聲時(shí)間、A原料粒度、C料液比,即B>A>C。由表3可知,B因素達(dá)到極顯著水平(F值>F0.01值極顯著),A因素達(dá)到顯著水平(F0.05值

2.3 香椿葉揮發(fā)成分的GC-MS分析

采用GC-MS分析香椿葉揮發(fā)成分,共分析出73種主要化學(xué)物質(zhì),見(jiàn)表3(組分的相對(duì)含量經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)按峰面積歸一法計(jì)算得出,已確定組分占總色譜峰面積的66.95%)。由表3可以看出香椿葉揮發(fā)成分主要有酯類(lèi)、萜烯類(lèi)、酸類(lèi)、含硫化合物和長(zhǎng)鏈烷烴類(lèi)等。其中含量最多的是花生四烯酸乙酯(6.98%)、苯并噻唑(4.6%)、十五烷酸甲酯(4.28%)、正二十一烷(3.59%)、β-石竹烯(3.15%)、苯甲酸己酯(2.87%)、鄰苯二甲酸丁辛酯(2.86%)、檸檬烯(2.24%)、二十七烷(1.77%)、棕櫚酸(1.63%)等成分。這一結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道[12,16]存在一定的差異,可能是由于采摘期和原料產(chǎn)地不同造成。

表2 L9(33)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 香椿葉揮發(fā)成分表

續(xù)表

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用超聲波輔助技術(shù)提取香椿葉揮發(fā)成分,運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化提取工藝,通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析和方差分析表明,影響香椿葉揮發(fā)成分得率的因素從大到小依次為B超聲時(shí)間、A原料粒度、C料液比,其中,B超聲時(shí)間對(duì)提取結(jié)果影響極顯著,A原料粒度影響顯著,結(jié)合實(shí)際分析得到提取香椿葉揮發(fā)成分的最佳工藝條件為原料粒度100目,超聲萃取時(shí)間20 min,料液比1∶30(g∶mL),在此條件下,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的平均得率為6.42%,高于正交實(shí)驗(yàn)其他組合的結(jié)果,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.0252%,重現(xiàn)性好,說(shuō)明該工藝穩(wěn)定可行,利用該方法提取香椿葉揮發(fā)成分,快速,高效,節(jié)省溶劑;利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)香椿葉揮發(fā)成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)河南周口香椿葉主要成分為酯類(lèi)、噻吩類(lèi)、萜烯類(lèi)和烷烴類(lèi)化合物,而劉常金[12]對(duì)河南焦作紅香椿的研究表明,其揮發(fā)性成分主要為萜烯類(lèi)化合物和噻吩類(lèi)化合物,這可能是由于原料產(chǎn)地、原料品種及采摘時(shí)間不同造成的分析結(jié)果差異。

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Optimization of ultrasonic-assisted extraction technology of essential compounds fromToonasinensisleaves

YANG Yue-yun,WANG Xiao-guang,GAO Meng-meng

(Department of Chemistry,Zhoukou Normal University,Zhoukou 466001,China)

The volatile components ofToonasinensisleaves was extracted by ultrasonic-assisted extraction method and its chemical composition was analyzed by GC-MS. Based on the single experiment,the extraction yield of volatile components inToonasinensisleaves as the response value,the best condition of volatile components extraction was optimized by orthogonal array design and analysis. At last,the results showed that ultrasonic time had the greatest impact on the extraction of volatile components,followed by mesh number ofToonasinensisleaves,liquid-solid affected least. The optimum extraction conditions were mesh number ofToonasinensisleaves 100 mash,ultrasonic time 20 min,and liquid-solid ratio 1∶30(g∶mL). Under this condition,the average value of the experiment was 6.42%. Totally 73 compounds were identified by GC-MS,accounting for 66.95% of the total separated volatile compounds. The major compounds identified were ester,thiophenes,while terpenes and long chain alkane.

Toonasinensisleaves;ultrasonic extraction;technology optimization;GC-MS

2015-03-10

楊月云(1983-)，女，碩士，講師，研究方向：食品分析，E-mail：190626421@qq.com。

周口師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目資助(K201536)。

TS255.5

B

1002-0306(2015)23-0261-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.045