響應面法優(yōu)化香茅精油提取工藝及其成分分析

張洪軍，曹亞斌，劉偉，丁華，劉光發(fā)，王建清*

(1.天津科技大學，天津 300222；2.西安工程大學，西安 710048)

響應面法優(yōu)化香茅精油提取工藝及其成分分析

張洪軍1,2，曹亞斌2，劉偉2，丁華1，劉光發(fā)1，王建清1*

(1.天津科技大學，天津 300222；2.西安工程大學，西安 710048)

采用水蒸氣蒸餾的方法，在以NaCl溶液濃度、液料比、蒸餾時間、超聲功率、超聲時間為單因素分析的基礎上采用中心組合響應面設計法(CCD)進行提取工藝優(yōu)化，并利用GC-MS分析香茅精油的主要化學成分。結果表明：在NaCl溶液濃度9%，液料比15∶1，蒸餾時間170 min，功率420 W條件下超聲65 min，香茅精油提取得率可達到最大值2.69%，共含有44種化學成分，其中含量最高的物質是香茅醛，占比高達36.94%。

香茅精油；提??；響應面優(yōu)化；成分分析

香茅是禾本科香茅屬芳香性植物，亦稱為香茅草，為常見的香草之一，在亞洲的許多國家被用作傳統(tǒng)的調味料，是經美國食藥局認證的安全物質；香茅精油也廣泛作為芳香劑使用，是中國相關標準中規(guī)定可以使用的香料物質之一[1]，初步研究顯示：香茅精油揮發(fā)性化合物中含有醛類、醇類、酯類、烯類等化合物[2,3]，香茅精油在抵抗與食品相關的微生物上有很大的抗菌活性[4,5]。

本試驗利用水蒸氣蒸餾法提取香茅精油[6,7]，在單因素分析的基礎上采用中心組合響應面設計法(CCD)進行提取工藝優(yōu)化[8,9]，利用GC-MS分析香茅精油的主要化學成分，對香茅精油的鑒別與檢測和開發(fā)利用香茅這一植物資源有一定的指導作用。

1 材料和方法

1.1 材料和儀器

香茅草(Citronella) 云南云藥科技股份有限公司；水蒸氣蒸餾裝置 常州普天儀器制造有限公司； DZTW 型調溫電熱套 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；AR2130型千分之一電子天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司；KQ5200B 型超聲波清洗器 昆山市超聲波儀器有限公司；GC/MS 4000 美國Varian公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 香茅精油的提取

取一定量約2 cm長的香茅草，放入2000 mL三口燒瓶中，注入一定量氯化鈉溶液，超聲后用水蒸氣蒸餾裝置進行蒸餾。用棕色瓶收集冷凝后的香茅精油，靜置分離，并向其中加入無水硫酸鈉干燥，吸去油層中含有的水分，裝于試劑瓶中，放置于4 ℃冰箱中保存。

精油提取得率(V/g)=測得精油量(V)/香茅草質量(g)。

1.2.2 單因素試驗設計

按照1.2.1的提取方法，稱取40 g香茅草小段放入2000 mL三口燒瓶中，選取影響香茅精油提取得率的5個因素：氯化鈉溶液濃度(g/g)、液料比(mL/g)、超聲功率、超聲時間、蒸餾時間，研究該5個變量對香茅精油提取得率的影響，以確定各個因素的適當取值范圍。單因素變量設計見表1，當其中一個條件作為變量時，選取其他提取條件為固定值。

表1 單因素試驗變量設計Table 1 Variables design of single factor experiment

1.2.3 香茅精油化學成分分析

儀器型號：GC/MS 4000，美國Varian公司。

氣相條件：色譜柱型號為VF-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，進樣口溫度為280 ℃，載氣為純度為99.999%的氦氣，載氣流速為1 mL/min，分流比為5∶1。

色譜柱程序升溫：初始溫度為60 ℃，保持3 min，然后以8 ℃/min升至280 ℃，保持6 min。

質譜條件：EI離子源，離子阱溫度220 ℃，傳輸線溫度280 ℃，掃描方式：全掃描，掃描范圍：50～500 amu。采用NIST05譜庫檢索。

2 單因素試驗結果與分析

2.1 氯化鈉溶液濃度對香茅精油提取得率的影響

相關文獻[6]研究表明：一定濃度的氯化鈉溶液可以降低香茅精油在水中的溶解度，提高香茅精油的提取得率。氯化鈉溶液濃度對香茅精油提取得率的影響見圖1。

圖1 氯化鈉溶液濃度對香茅精油提取得率的影響Fig.1 The effect of sodium chloride solution concentration on the extraction rate of citronella oil

在一定范圍內(2%～10%)隨著氯化鈉溶液濃度增加，香茅精油提取得率相應增大，當氯化鈉溶液濃度超過10%時，隨著氯化鈉溶液濃度增加，香茅精油的提取得率反而下降，因此，在優(yōu)化提取香茅精油的試驗中，選用濃度10%左右的氯化鈉溶液作為零水平較為合適。

2.2 液料比對香茅精油提取得率的影響

液料比對香茅精油提取得率的影響見圖2。

圖2 液料比對香茅精油提取得率的影響Fig.2 The effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of citronella oil

在一定范圍內隨著液料比增加，香茅精油提取得率有所增加，當液料比為20∶1時，香茅精油提取得率達到最大值；當液料比高于20∶1時，繼續(xù)增加溶劑用量，提取得率反而降低，這是因為當液料比較低時香茅草不能完全浸泡，蒸餾時無法完全浸出，而香茅精油在水里有一定的溶解性，隨著液料比增加，溶劑中溶解的精油也增多，導致精油得率降低；綜合試驗結果，20∶1可作為進一步試驗的最佳液料比。

2.3 超聲功率對香茅精油提取得率的影響

超聲功率對香茅精油提取得率的影響見圖3。

圖3 超聲功率對香茅精油提取得率的影響Fig.3 The effect of ultrasonic power on extraction rate of citronella oil

隨著超聲功率的增大，香茅精油的提取得率逐漸升高，當超聲功率為420 W時，香茅精油提取得率達到最高值，當超聲功率超過420 W后，隨著超聲的進行，提取得率有大幅度的下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因很可能是隨著超聲進行，香茅草與溶劑充分混合，而大功率超聲產生強大的空化作用導致香茅精油揮發(fā)，提取得率下降。實驗結果表明：420 W是所用設備香茅精油水蒸餾提取的最佳超聲功率，因此后續(xù)工藝優(yōu)化試驗將固定該因素為420 W。

2.4 超聲時間對香茅精油提取得率的影響

超聲時間對香茅精油提取得率的影響見圖4。

圖4 超聲時間對香茅精油提取得率的影響Fig.4 The effect of ultrasonic time on the extraction rate of citronella oil

隨著超聲時間的延長，香茅精油的提取得率穩(wěn)中有升，當超聲時間為70 min時，香茅精油提取得率達到最高值，當超聲時間超過70 min后，隨著超聲的進行，提取得率有小幅度的下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因很可能是隨著超聲進行，香茅精油揮發(fā)，導致了提取得率小幅度下降。實驗結果表明：選用超聲時間70 min作為零水平較為合適。

2.5 蒸餾時間對香茅精油提取得率的影響

蒸餾時間對香茅精油提取得率的影響見圖5。

圖5 蒸餾時間對香茅精油提取得率的影響Fig.5 The effect of distillation time on the extraction rate of citronella oil

在蒸餾的過程中，隨著蒸餾時間的延長，香茅精油的提取得率不斷升高，當蒸餾時間為180 min 時，香茅精油提取得率達到最高值，當蒸餾時間超過180 min 后，隨著蒸餾的進行，提取得率有小幅度的下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是隨著蒸餾進行，被提取出來的精油越來越少，而且會有少部分精油隨著水蒸氣揮發(fā)進而黏貼在三口燒瓶等空間體壁上，也可能是延長提取時間使香茅精油降解，出現(xiàn)了提取得率小幅度下降現(xiàn)象，因此，后續(xù)工藝優(yōu)化試驗蒸餾時間選擇170～190 min 范圍。

3 水蒸氣法提取香茅精油的工藝優(yōu)化

在單因素試驗的基礎上，根據通用旋轉中心組合(CCD)設計原理，以提取得率Y為響應值，利用Design Expert 8.0.6軟件設計四因素三水平的響應面試驗，對反應條件進行優(yōu)化，因子與水平的安排見表2，編碼設計及試驗結果見表3。

表2 香茅精油提取的中心組合試驗設計與結果Table 2 The central composite experimental design and results of citronella oil extraction

表3 響應面設計編碼及結果表Table 3 The response surface design code and result table

利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行分析。響應面試驗方差分析結果見表4。

表4 響應面試驗方差分析Table 4 Variance analysis of response surface experiment

注：“*”為P<0.05，差異顯著；“**”為P<0.01，差異極顯著。

由表4可知，該模型在P<0.01水平上極顯著，失擬項不顯著(P>0.05)，說明該回歸方程模型可以用于香茅精油提取的優(yōu)化分析，多元回歸方程為：Y=2.55-0.021A-0.051B-0.06C-0.027D+0.077BC-0.041B2-0.041C2。

根據F值的大小[10]，各實驗因子對響應值Y的影響依次為BC>C>B>C2=B2>D>A。因素C,B,B2,C2,BC影響極顯著(P<0.01)，因素D影響顯著(0.01

對模型進一步優(yōu)化求解，得到最佳實驗條件為：氯化鈉溶液濃度9%，液料比15∶1，蒸餾時間170 min，420 W功率條件下超聲65 min。在最佳條件下香茅精油提取得率實測平均值為2.69%，預測值為2.7%，優(yōu)于賈媛等未采用超聲處理的提取得率2.53%，說明超聲處理確實可以提高香茅精油的提取得率，實測值與預測值接近，說明經過優(yōu)化后的回歸方程對香茅精油進行分析和預測是可靠的，此實驗條件可以用于香茅精油提取的優(yōu)化[11]。

4 香茅精油的成分分析結果

香茅精油化學成分分析見表5。

表5 香茅精油化學成分分析Table 5 The chemical constituents analysis of citronella essential oil

續(xù) 表

香茅精油總離子峰譜圖見圖6。通過GC-MS 聯(lián)用儀共分離出44種組分，占總組分的99.943%，其中相對含量最高的化合物是香茅醛(峰面積百分比為36.94%)，除此之外，還有多種烯類、醇類、酯類等化合物。

圖6 香茅精油總離子峰圖譜Fig.6 Total ion current chromatogram of the essential oil extracted from citronella

5 結論

本試驗利用水蒸氣蒸餾法提取香茅精油，采用中心組合響應面設計法(CCD)進行提取工藝優(yōu)化，可知在氯化鈉溶液濃度9%，液料比15∶1，蒸餾時間170 min，功率420 W條件下超聲65 min，香茅精油提取得率達最大值2.69%，利用GC-MS分析得到香茅精油的主要化學成分有44種，采用面積歸一化法確定香茅精油中含量最高的化合物是香茅醛，含量高達36.94%。研究結果為提高香茅提取得率和開發(fā)利用香茅這一植物資源具有一定的指導作用。

[1]GB 2760-2014,食品添加劑使用標準[S]．

[2]尹學瓊,陳俊華,劉芳,等.檸檬香茅精油的提取及抗氧化活性[J].精細化工,2012,29(6)：568-571.

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[4]紀淑娟,常波,張娜,等.香茅精油對果蔬采后主要致病真菌的抑菌活性[J].中國實驗方劑學雜志,2012(18):132-134.

[5]Ribeiro A D,Marques J,Forte M.Microencapsulation of citronella oil for solar-activated controlled release as an insect repellent[J].Applied Materials Today,2016,5:90-97.

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Optimization of Citronella Oil Extraction Technology by ResponseSurface Method and Its Components Analysis

ZHANG Hong-jun1,2, CAO Ya-bin2, LIU Wei2, DING Hua1,LIU Guang-fa1, WANG Jian-qing1*

(1.Tianjin University of Science &Technology, Tianjin 300222,China；2.Xi'anPolytechnic University, Xi'an 710048, China)

With the method of steam distillation, on the basis of the analysis of sodium chloride solution concentration, the ratio of liquid to solid, the time of distillation,the ultrasonic power and the ultrasonic time, the method of central composite response surface design (CCD) is used to optimize the extraction process, and the chemical components of citronella oil are analyzed and identified by GC-MS method. The results show that the concentration of NaCl solution is 9%, the ratio of liquid to solid is 15∶1, the distillation time is 170 min, the ultrasonic power is 420 W when ultrasonic time is 65 min, and citronella extraction rate reaches the maximum value of 2.69%. A total of 44 kinds of chemical components are identified, and the highest content is citronellal, which accounts for 36.94%.

citronella oil；extraction；response surface optimization；component analysis

2017-02-16 *通訊作者

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD16B05-02)；天津科技大學科研創(chuàng)新團隊資助

張洪軍(1985-)，男，河南開封人，講師，碩士，研究方向：食品包裝技術與安全、運輸包裝；

王建清(1953-)，男，教授，博士生導師，研究方向：包裝材料與技術。

TS224.8

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.08.004

1000-9973(2017)08-0015-06