超臨界萃取沙蔥花揮發(fā)油的工藝優(yōu)化及GC—MS分析

溫俊峰

劉 俠

高立國1,2

李 睿1

(1. 榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000；2. 榆林市農(nóng)產(chǎn)品深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000)

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超臨界萃取沙蔥花揮發(fā)油的工藝優(yōu)化及GC—MS分析

溫俊峰1,2

劉 俠

高立國1,2

李 睿1

(1. 榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000；2. 榆林市農(nóng)產(chǎn)品深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000)

以野生沙蔥花為原料，利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化超臨界CO2提取沙蔥花揮發(fā)油工藝，并對揮發(fā)油進(jìn)行GC—MS檢測分析。以萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間為影響因素，應(yīng)用 Box-Behnken中心組合方法進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，以揮發(fā)油得率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面分析。沙蔥花揮發(fā)油提取的最佳工藝條件為萃取溫度39 ℃，萃取壓力29 MPa，萃取時(shí)間1.2 h，流速20 L/h，揮發(fā)油得率預(yù)測值為19.36%，驗(yàn)證值為18.90%。通過GC—MS分析，分離出了29種組分，占總峰面積的96. 67%，鑒定出了27種化合物，其中醛類化合物8種共占37.63%，芳香烴化合物共占30.52%，姜辣素占12.60%。

沙蔥花；揮發(fā)油；超臨界CO2萃?。籊C—MS

沙蔥(AlliummongolicumRegel)又名蒙古韭，野蔥、山蔥，百合科，蔥屬多年生草本。主要生長于蒙古高原的荒漠草原和典型草原的沙地上，廣泛分布于中國的內(nèi)蒙古西北部、遼寧西部、陜西北部、寧夏北部、甘肅、青海和新疆東北部[1]。野生沙蔥所含的生物礦物質(zhì)、必需微量元素和氨基酸均高于一般的蔬菜[2]，富含植物蛋白、膳食纖維和維生素等多種營養(yǎng)成分。沙蔥不僅是西北地區(qū)獨(dú)特的地方風(fēng)味，還是藥用植物，據(jù)記載[3-4]，沙蔥地上部分可入藥，能開胃、消食、殺蟲，主治消化不良、不思飲食、禿瘡、青腿病等，還具有降血壓、降血脂等功效，被譽(yù)為“菜中靈芝”。沙蔥夏季開花，花香濃郁，有辛辣味，當(dāng)?shù)鼐用駥⑸呈[花晾干后用作調(diào)味品。沙蔥花中含有大量的揮發(fā)油，但目前尚未見沙蔥花揮發(fā)油化學(xué)組分的文獻(xiàn)報(bào)道。

植物精油是中草藥中分布較廣泛的一類成分，具有抗病毒、抗菌[5]、抗炎[6]、抗腫瘤[7]、驅(qū)蟲、抗過敏、抗氧化等活性[8-9]。目前揮發(fā)油提取的方法主要有水蒸氣蒸餾[10]、微波提取[11]、超聲波提取[12]、超臨界 CO2萃取[13-15]等，其中超臨界 CO2萃取具有操作過程工藝簡單、耗時(shí)少；萃取能力強(qiáng)、提取率高；揮發(fā)油純度高，組分不被破壞的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于天然植物中有效組分的提取[16-17]。

本試驗(yàn)擬采用超臨界CO2萃取儀萃取沙蔥花揮發(fā)油，利用Box-Behnken Design響應(yīng)曲面法優(yōu)化萃取條件，并通過GC—MS分析沙蔥花揮發(fā)油的化學(xué)成分，旨在為開拓沙蔥花在食品、醫(yī)藥等方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

沙蔥花：采自陜西省榆林市神木縣；

無水硫酸鈉：分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；

CO2氣體：食品級，純度99.9%，北京普萊克斯氣體有限公司。

1.1.2 儀器

超臨界流體萃取裝置：HA121-50-01C型，江蘇華安科研儀器有限公司；

電子天平：FA2204B型，上海精密科學(xué)儀器有限公司；

高速萬能粉碎機(jī)：FW-100D型，天津鑫博儀器有限公司；

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀：GC-MS-QP2010型，日本島津(上海)責(zé)任有限公司。

1.2 方法

1.2.1 超臨界CO2萃取沙蔥花揮發(fā)油的工藝流程 沙蔥花陰干、粉碎、過60目篩，稱取40 g，放入萃取釜內(nèi)，同時(shí)在萃取柱的兩端填塞少許脫脂棉及加裝過濾片。固定CO2流速20 L/h(分離壓力Ⅰ為5 MPa，溫度55 ℃；分離壓力Ⅱ?yàn)? MPa，溫度45 ℃)，考察萃取溫度，萃取壓力，萃取時(shí)間對揮發(fā)油得率的影響。萃取結(jié)束，從分離器出料口得粗揮發(fā)油，用無水硫酸鈉干燥脫水后得淺黃色精制揮發(fā)油。

1.2.2 超臨界CO2萃取沙蔥花揮發(fā)油的單因素試驗(yàn) 選取萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間3個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以揮發(fā)油得率為指標(biāo)，確定各因素的優(yōu)化區(qū)間。

(1) 溫度：在萃取壓力30 MPa，萃取時(shí)間1.5 h的條件下，考察萃取溫度( 20，30，40，50，60 ℃)對揮發(fā)油得率的影響。

(2) 壓力：在萃取溫度40 ℃，萃取時(shí)間1.5 h的條件下，考察萃取壓力(10，20，30，40，50 MPa)對揮發(fā)油得率的影響。

(3) 時(shí)間：在取萃取溫度40 ℃，萃取壓力30 MPa的條件下，考察萃取時(shí)間(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 h)對揮發(fā)油得率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面(RSM)試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Design-Expert 8.05軟件以沙蔥花揮發(fā)油得率為指標(biāo)，萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間為自變量，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面(RSM)試驗(yàn)方案。

1.2.4 揮發(fā)油得率計(jì)算

(1)

式中：

R——揮發(fā)油得率，%；

m1——萃取揮發(fā)油質(zhì)量，g；

m2——沙蔥花樣品質(zhì)量，g。

1.2.5 揮發(fā)油的GC—MS分析

(1) 氣相色譜條件：色譜柱為AB - INowax彈性石英毛細(xì)管柱(30. 0 m×250 μm×0. 25 μm)，柱溫50 ℃(保留2 min)，以6 ℃/min 升溫至220 ℃，保持35 min；汽化室溫度260 ℃；載氣為高純 He (99. 999%) ；柱前壓100 kPa，載氣流量1. 5 mL/min；進(jìn)樣量1 μL；分流比20∶1。

(2) 質(zhì)譜條件： EI電離，離子源溫度260 ℃，四極桿溫度150 ℃，電子能量70 eV，發(fā)射電流34. 6 μA，倍增器電壓1 015 V，接口溫度260 ℃，質(zhì)量范圍30～550 amu，溶劑延遲5 min，NIST107標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜檢索庫。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 萃取溫度對沙蔥花揮發(fā)油得率的影響 由圖1可知，揮發(fā)油得率隨著萃取溫度的升高而先升高后降低，溫度為40 ℃時(shí)，揮發(fā)油收率最高。這是由于溫度上升，加速了揮發(fā)油的擴(kuò)散，增加了傳質(zhì)速度，有利于萃取；另一方面溫度上升會導(dǎo)致CO2密度變小，對揮發(fā)油的溶解能力下降，不利于萃取。

圖1 萃取溫度對揮發(fā)油得率的影響Figure 1 Effect of the extraction temperature on extraction rate of essential oil

2.1.2 萃取壓力對沙蔥花揮發(fā)油得率的影響 由圖2可知，隨著萃取壓力的增大，揮發(fā)油收率增大，當(dāng)壓力達(dá)到30 MPa后，收率達(dá)到最高，之后有所下降。原因是萃取壓力升高，CO2密度增大，對揮發(fā)油的溶解性能增加，有利于萃?。坏硪环矫?，壓力增大，揮發(fā)油的擴(kuò)散速率會下降而不利于萃取。

2.1.3 萃取時(shí)間對揮發(fā)油得率的影響 由圖3可知，在0.5～1.0 h時(shí)，揮發(fā)油收率升高最快，1.5 h時(shí)達(dá)最大值，之后基本不再變化。因揮發(fā)油隨時(shí)間不斷溶解，最終達(dá)到溶解飽和，所以1.5 h后揮發(fā)油得率基本穩(wěn)定。

圖2 萃取壓力對揮發(fā)油得率的影響Figure 2 Effect of the extraction pressure on extraction rate of essential oil

圖3 萃取時(shí)間對揮發(fā)油得率的影響Figure 3 Effect of the extraction time on extraction rate of essential oil

2.2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果分析 綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取萃取溫度、萃取時(shí)間、萃取壓力3個(gè)因素，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)多因素響應(yīng)面試驗(yàn)，各因素水平的選取保證最佳萃取條件在其范圍內(nèi)，具體因素及水平見表1，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

2.2.2 模型方程的建立及顯著性分析 采用Design-Expert8.05軟件對表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次線性回歸擬合，得沙蔥花揮發(fā)油提取收率對萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間二次多項(xiàng)回歸模型方程：

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels in response surface experiment

表2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface design arrangement and experimental results

R=19.0-2.00A-0.48B+0.87C+2.99AB-0.42AC-0.29BC-9.21A2-2.75B2-1.44C2。

(2)

表3 回歸模型方差分析?Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for the Response Surface Quadratic Model

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)進(jìn)一步檢驗(yàn)可以看出一次項(xiàng)中A的偏回歸系數(shù)極顯著，說明萃取溫度對沙蔥花揮發(fā)油提取率有極顯著影響；C項(xiàng)的偏回歸系數(shù)高度顯著，說明萃取時(shí)間對沙蔥花揮發(fā)油提取率有高度顯著影響；AB項(xiàng)的交互作用極顯著；二次項(xiàng)中的A2、B2的偏回歸系數(shù)達(dá)極顯著水平，而C2達(dá)高度顯著水平。由上分析，表明影響沙蔥花揮發(fā)油萃取率的因素依次為萃取溫度>萃取時(shí)間>萃取壓力。

2.2.3 響應(yīng)曲面分析 對表2 數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到二次模型的響應(yīng)曲面及等高線圖，見圖4～6。由圖4可知，萃取溫度和萃取壓力的等高線呈橢圓形，說明具有極顯著的交互作用；圖5中萃取溫度與萃取時(shí)間之間的等高線也偏橢圓形，顯示二者也存在明顯的交互作用；而圖6中的等高線接近圓形，說明萃取壓力與萃取時(shí)間之間交互作用不顯著。

圖4 萃取溫度和萃取壓力對揮發(fā)油得率影響的曲面和等高線圖Figure 4 Response surface plot and contour line of the effects of extraction temperature and extraction pressure on extraction rate

圖5 萃取溫度和萃取時(shí)間對揮發(fā)油得率影響的曲面和等高線圖Figure 5 Response surface plot and contour line of the effects of extraction temperature and extraction time on extraction rate

圖6 萃取壓力和萃取時(shí)間對揮發(fā)油得率影響的曲面和等高線圖Figure 6 Response surface plot and contour line of the effects of extraction pressure and extraction time on extraction rate

2.2.4 超臨界CO2萃取工藝條件優(yōu)化結(jié)果 采用Design-Expert 8.05軟件對模型方程(2)進(jìn)行求解，得到超臨界CO2萃取沙蔥花揮發(fā)油的最優(yōu)工藝為：萃取溫度39.25 ℃，萃取壓力29.1 MPa，萃取時(shí)間1.17 h，理論提取率為19.36%?？紤]到實(shí)際操作的方便，確定沙蔥花揮發(fā)油提取的條最優(yōu)件為：萃取溫度39 ℃，萃取壓力29 MPa，萃取時(shí)間1.2 h。在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，得提沙蔥花揮發(fā)油取率為18.90%，與理論預(yù)測值基本相符。

2.3 沙蔥花揮發(fā)油的組分分析結(jié)果

沙蔥花揮發(fā)油GC—MS成分分析的總離子流圖見圖7，經(jīng)Nist2007標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫數(shù)據(jù)系統(tǒng)檢索和人工譜圖解析，按各色譜峰的質(zhì)譜裂片圖與文獻(xiàn)核對，對基峰、質(zhì)荷比和相對豐度等方面進(jìn)行直觀分析比較，結(jié)果從沙蔥花超臨界萃取中分離出29個(gè)色譜峰，共鑒定出27個(gè)化學(xué)成分，占總離子峰相對含量的96. 67 %，結(jié)果見表4。

圖7 沙蔥花揮發(fā)油的總離子流圖Figure 7 Total ion chromatogram of volatile oil of Allium mongolicum Regel flowers

由表4可知，超臨界萃取產(chǎn)品中醛類化合物8種高達(dá)37.63%；芳香烴化合物含量也較高，占30.52%，其中甲氧基-4-(1-丙烯)苯25.33%；另外姜辣素含量達(dá)12.60%。

3 結(jié)論

(1) 超臨界CO2萃取沙蔥花揮發(fā)油的最優(yōu)工藝為：萃取溫度39 ℃，萃取壓力29 MPa，萃取時(shí)間1.2 h，CO2流速20 L/h，沙蔥花揮發(fā)油的得率為18.90%。

表4 沙蔥花揮發(fā)油成分分析結(jié)果

Table 4 Identified components of volatile oil of Allium mongolicum Regel flowers

名稱保留時(shí)間/min相對含量/%己醛3.1411.78異丙苯5.2680.65辛醛6.9410.54桉油精7.5600.58葵醛11.34322.393-甲基-4苯基丁醛12.1712.424-甲氧基-安息香醛12.5191.633,7-二甲基-2,6-辛二烯醛12.7601.391-甲氧基-4-(1-丙烯)苯13.10825.337,7-二甲基二環(huán)[4.1.0]庚三烯-3-甲醛13.2340.87鄰苯二甲酸二甲酯16.4742.291-(1,5-二甲基-4-己烯基)-4-甲苯16.9521.475-甲基-(1,5-二甲基-4-己烯基)-1,3-環(huán)己烯17.1432.521-甲基-4-(4-甲基環(huán)己基)-亞甲基環(huán)己烷17.3850.583-(1,5-二甲基-4-己烯基)-6-甲苯17.6791.52未知18.5750.42鄰苯二甲酸乙酯19.0022.044-(4-羥基-3-甲基苯基)丁酮19.9444.601-(3-甲基-2-丁氧基)-4-(1-丙烯基)苯20.3871.60反-Z-α-環(huán)氧化紅沒藥烯22.5141.239-十六碳烯酸24.4222.86E-9-十四碳烯酸24.5496.48正二十酸(花生酸)24.6854.85氧雜環(huán)十七碳-10-烯-2-酮27.1253.509-十八碳烯醛27.1887.482-甲基1,3-十八碳二烯-1-醇27.5470.55姜辣素29.33412.601-(1,3-二甲基)-7-氧雜二環(huán)[4.1.0]庚烷29.4033.28未知32.1191.21

(2) 對在優(yōu)化的最佳條件下獲得的精油樣品進(jìn)行GC—MS分析，結(jié)果表明超臨界萃取精油產(chǎn)品總共分離出29種成分，占總峰面積的96.67%，鑒定出了27種化合物，其中多為醛，芳香烴化合物，姜辣素，還有少量的酸、酯類化合物。姜辣素含量較高，有證據(jù)[18-19]顯示，姜辣素有多種不同的藥理學(xué)作用，包括抗氧化、抗細(xì)胞凋亡、抗炎、抗癌和化學(xué)防癌等作用，這對開發(fā)沙蔥深加工產(chǎn)品提供了科學(xué)依據(jù)。

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Studies on volatile oil extracting process optimization by supercritical CO2and analysis by GC—MS of Allium mongolicum Regel flowers

WEN Jun-feng1,2

1

LIUXia1

GAOLi-guo1,2

LIRui1

(1.YulinUniversity,Yulin,Shaanxi719000,China;2.YulinKeyLaboratoryofDeepProcessingofAgriculturalproducts,Yulin,Shaanxi719000,China)

The volatile oil from theAlliummongolicumRegel flowers by supercritical-CO2fluid extraction(SFE) was optimized using response surface methodology(RSM)，and the volatile oil was identified by GC—MS. The effects of the extraction pressure, extraction temperature, extraction time on the yield of volatile oil were investigated by a three-factor and three-level Box-Behnken central composite design with the extraction rate as the response value. The results showed that the optimum conditions for the extraction ofAlliummongolicumRegel flower oil were as follows: extracting temperature 39 ℃, pressure 29 MPa, time 1.2 h, CO2flux 20 L/ h. Under such condition, the model-predicted and experimental values of oil yield were 19.36% and 18.90%. The 29 chemical components were separated by GC—MS, which were 96.67% of the total oil, and 27 compounds of them were also identified, including 8 aldehydes(37.63%), aromatic hydrocarbon compounds(30.52%) and Gingerol (12.60%).

AlliummongolicumRegel flowers; volatile oil; supercritical-CO2fluid extraction; GC—MS

陜西省榆林市科技局產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(編號：2015LXY21)

溫俊峰(1978—)，女，榆林學(xué)院副教授，碩士。 E-mail:wenjf_72@163.com

2016—03—23

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.036