響應(yīng)面法超聲輔助提取黃姜花揮發(fā)油及其化學(xué)成分分析

李 翔，鐘方友，孟凡冰，徐 宏，鄧 杰，任菁菁

(成都大學(xué) 食品加工與應(yīng)用四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610106)

響應(yīng)面法超聲輔助提取黃姜花揮發(fā)油及其化學(xué)成分分析

李 翔，鐘方友，孟凡冰，徐 宏，鄧 杰，任菁菁

(成都大學(xué) 食品加工與應(yīng)用四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610106)

研究黃姜花揮發(fā)油成分提取工藝和分離、分析方法，為其在食品藥品行業(yè)的進(jìn)一步開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù).采用響應(yīng)面法優(yōu)化黃姜花揮發(fā)油水蒸氣蒸餾法的提取工藝及氣—質(zhì)聯(lián)用技術(shù)研究其化學(xué)成分.優(yōu)化提取工藝參數(shù)為，浸提時(shí)間6 h，超聲60 min，料液比1∶9.67，預(yù)測揮發(fā)油得率為6.02(mg/g)，平行實(shí)驗(yàn)3次，平均揮發(fā)油得率為5.91(mg/g)，RSD為1.83%.氣—質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)黃姜花揮發(fā)油進(jìn)行分離得到28個(gè)化合物，并鑒定出其中18個(gè)化合物，占總化合物的86.75%.本研究提取的黃姜花揮發(fā)油中大多數(shù)成分屬于倍半萜化合物，其中含量最大的是β-石竹烯(37.74%)和橙花叔醇(13.37%)，這為以β-石竹烯為指標(biāo)成分評(píng)價(jià)不同品種姜花揮發(fā)油作為食品、醫(yī)藥、化妝品行業(yè)重要原料提供了參考依據(jù).

黃姜花；揮發(fā)油；氣相色譜—質(zhì)譜；倍半萜；β-石竹烯

0 引 言

黃姜花為姜族姜科姜花屬植物，主產(chǎn)于我國西南各省，具有多種藥理藥效活性[1-3].研究表明，姜花屬植物揮發(fā)油成分中含有較多的萜類、酯類和酮酚類化合物,比如順式—羅勒烯酮、沉香醇、金合歡烯、1,8-桉油醇、α-蒎烯、β-蒎烯、芳樟醇、1,8-桉油素、石竹烯等[4-5].對(duì)于黃姜花揮發(fā)油提取，科研人員進(jìn)行了大量的研究，并取得了較好的效果[6-11].在此基礎(chǔ)上，本研究利用響應(yīng)面法優(yōu)化黃姜花揮發(fā)油提取工藝，采用氣—質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析,以期找出黃姜花的特征香氣成分，擬為黃姜花揮發(fā)油在食品藥品行業(yè)的進(jìn)一步開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù).

1 材料、儀器與方法

1.1 材 料

實(shí)驗(yàn)所用的新鮮黃姜花采于四川省成都市郫縣犀浦鎮(zhèn)，乙醇(95%)購自成都市科龍化工試劑廠.

1.2 儀 器

實(shí)驗(yàn)所用儀器包括：HP HEWLETT GC-MS氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國安捷倫公司)，PTHW型電熱套(上海越眾儀器設(shè)備有限公司)，水蒸氣蒸餾揮發(fā)油提取器符合《藥典》(2010版)的要求.

1.3 方 法

1.3.1 揮發(fā)油的提取.

取新鮮黃姜花粉碎并混合均勻置圓底燒瓶，加水適量與玻璃珠數(shù)粒，振搖混合后連接揮發(fā)油測定器與回流冷凝管，置電熱套加熱至沸并保持微沸4 h，參考《藥典》(2010版)中揮發(fā)油測定法進(jìn)行操作，計(jì)算供試品中揮發(fā)油的含量(%).

1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn).

取新鮮黃姜花于三角瓶中，加入95%的乙醇50 mL，常溫(20 ℃)下.以浸提時(shí)間2 h、4 h、6 h，超聲時(shí)間30 min、40 min、50 min、60 min)，料液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20為單因素，考察各因素對(duì)黃姜花揮發(fā)油得率的影響.

1.3.3 提取工藝響應(yīng)面優(yōu)化.

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取浸提時(shí)間A、超聲時(shí)間B、料液比C為自變量，以揮發(fā)油得率為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面分析(response surface analysis,RSA)進(jìn)行提取工藝條件的優(yōu)化.

1.3.4 數(shù)據(jù)分析.

運(yùn)用Design-Expert 8.05b軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

1.4 色譜條件

HP HEWLETT GC-MS氣質(zhì)聯(lián)用儀的工作條件為：色譜柱為HP-INNOWAX(30 m×0.25 mm×0.25 μm)彈性石英毛細(xì)管柱，載氣為高純He氣，流速為0.8 mL/min，分流進(jìn)樣比為40∶1，進(jìn)樣口溫度為220 ℃；柱溫的初始溫度為40 ℃，以10 ℃/min的速率升溫至140 ℃后以5 ℃/min的速率升溫至220 ℃，保持至完成分析；GC-MS接口溫度220 ℃，EI源70 eV，質(zhì)量掃描范圍20-450 amu.

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 浸提時(shí)間對(duì)揮發(fā)油提取得率的影響.

浸提時(shí)間對(duì)黃姜花揮發(fā)油得率的影響如圖1所示.

圖1浸提時(shí)間對(duì)揮發(fā)油得率的影響

圖1顯示，浸提時(shí)間越長，黃姜花揮發(fā)油得率越高，考慮提取時(shí)間越長，黃姜花揮發(fā)油有可能發(fā)生降解、縮合、氧化等化學(xué)反應(yīng)，從而使得率下降，故實(shí)驗(yàn)選取浸提時(shí)間為6 h.

2.1.2 超聲時(shí)間對(duì)揮發(fā)油提取得率的影響.

超聲時(shí)間對(duì)黃姜花揮發(fā)油得率的影響如圖2所示.

圖2超聲時(shí)間對(duì)揮發(fā)油得率的影響

圖2顯示，超聲時(shí)間越長，黃姜花揮發(fā)油得率越高，基于“2.1.1”項(xiàng)下的原因，本實(shí)驗(yàn)選擇超聲時(shí)間為60 min.

2.1.3 料液比對(duì)揮發(fā)油得率的影響.

料液比對(duì)黃姜花揮發(fā)油得率的影響如圖3所示.

圖3料液比對(duì)揮發(fā)油得率的影響

圖2顯示，當(dāng)浸提時(shí)間為6 h時(shí)，料液比的影響隨著溶劑量增大，黃姜花揮發(fā)油得率先增大后減小，料液比為1∶10時(shí)，黃姜花揮發(fā)油得率最高，原因可能是溶劑增大，黃姜花揮發(fā)油與溶劑接觸界面處的濃度差增大，有利于黃姜花揮發(fā)油擴(kuò)散和溶解.

2.2 回歸模型的建立及方差分析

根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取浸提時(shí)間、超聲時(shí)間、料液比對(duì)黃姜花揮發(fā)油提取影響顯著的3個(gè)因素，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果如表1.

表1 黃姜花揮發(fā)油提取工藝響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

采用Design Expert 8.0軟件處理數(shù)據(jù)，將響應(yīng)值與各個(gè)因素進(jìn)行擬合，得回歸模型，

Y=-1.26875+0.89025A+0.021967B+

0.4151C-0.000591667AB+0.000075AC+

0.00000333BC+0.00048125A2+

0.000015222B2-0.02183C2

回歸方程中各變量對(duì)響應(yīng)值影響的顯著性，由F檢驗(yàn)來判定，概率p(F>Fa)的值越小，則相應(yīng)變量的顯著程度越高.回歸方程的方差分析見表2.

表2 回歸方程方差分析

由表2可知：該回歸模型方程的P=0.0001，R2=0.9734>0.9，說明模型影響顯著，對(duì)數(shù)據(jù)能很好的擬合，實(shí)驗(yàn)方法可靠，模型失擬不顯著，說明模型可以用于實(shí)際值的預(yù)測[13].方程一次項(xiàng)中，浸提時(shí)間P<0.0001，達(dá)到極其顯著水平，超聲時(shí)間和料液比影響顯著；方程二次項(xiàng)中C2影響顯著，其余項(xiàng)影響不顯著.根據(jù)系數(shù)估計(jì)值及各因素P值可知，選定的因素對(duì)于黃姜花揮發(fā)油得率的影響大小依次為：浸提時(shí)間>超聲時(shí)間>料液比.剔出影響不顯著的交互相及二次項(xiàng)，可得優(yōu)化回歸模型，

Y=4.6+1.34A+0.18B-0.0085C-

0.18AB-0.55C2

2.3 響應(yīng)面分析與工藝優(yōu)化

2.3.1 響應(yīng)面分析.

根據(jù)回歸模型繪制出AB、AC及BC交互影響的響應(yīng)面及等高線如圖4所示.

由圖4可知，交互項(xiàng)中，AB項(xiàng)(冷浸提和超聲時(shí)間)影響最為顯著，AC(冷浸時(shí)間和超聲時(shí)間)次之，其與A項(xiàng)交互作用相差不大，BC項(xiàng)(超聲時(shí)間和料液比)影響最不顯著.

2.3.2 提取工藝優(yōu)化.

本研究以黃姜花揮發(fā)油得率為指標(biāo)，采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)，對(duì)浸提時(shí)間、超聲時(shí)間和料液比進(jìn)行了優(yōu)化，并通過對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，得到優(yōu)化結(jié)果，即黃姜花揮發(fā)油提取的最佳工藝條件為：浸提時(shí)間6 h，超聲60 min，料液比為1∶9.67，預(yù)測揮發(fā)油得率為6.02(mg/g).平行實(shí)驗(yàn)3次得揮發(fā)油平均得率為5.91(mg/g)，RSD為1.83%.說明該模型與實(shí)際情況擬合較好，模型可靠.

2.4 揮發(fā)油成分分析

在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)提取出的黃姜花揮發(fā)油進(jìn)行GC-MS分析，其總離子流色譜圖見圖5.通過檢索WILEY質(zhì)譜圖庫，結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)人工圖譜解析鑒定其結(jié)構(gòu)[14]，按照峰面積歸一法計(jì)算各成分在揮發(fā)油中的相對(duì)百分含量，結(jié)果見表3.

圖4 AB,AC,BC對(duì)揮發(fā)油得率交互影響的響應(yīng)面及等高線

圖5 黃姜花揮發(fā)油成分的總離子流色譜圖

由圖5、表3可以看出，本實(shí)驗(yàn)共檢測出黃姜花中的28種化合物，并鑒定出其中18種化合物，占檢測成分總量的86.75%，其中相對(duì)含量最高的3種成分分別為β-石竹烯、橙花叔醇與金合歡烯，分別占黃姜花揮發(fā)油總量的37.74%、13.37%、5.56%.

表3 黃姜花的揮發(fā)性化學(xué)成分

3 討 論

本研究以黃姜花揮發(fā)油得率為指標(biāo)，采用單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上通過三因素三水平響應(yīng)面分析，建立了響應(yīng)值與各因素之間的數(shù)學(xué)模型，依此模型可以預(yù)測黃姜花揮發(fā)油的理論提取率，根據(jù)此模型，確定了黃姜花精油的提取最佳工藝參數(shù).利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)，對(duì)浸提時(shí)間、超聲時(shí)間和料液比進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)，通過氣—質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)揮發(fā)油提取物進(jìn)行成分分析.實(shí)驗(yàn)表明：料液比為1∶9.67，浸提6 h，超聲60 min的提取效果最優(yōu)，黃姜花揮發(fā)油得率高達(dá)5.91(mg/g)，通過GC-MS圖譜檢測出28種化合物，鑒定出其中18種化合物，占檢測成分總量的86.75%，其中相對(duì)含量最高的3種成分分別為β-石竹烯、橙花叔醇與金合歡烯，分別占揮發(fā)油總量的37.74%、13.37%、5.56%.通過對(duì)比其他文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，黃姜花揮發(fā)油的β-石竹烯含量為最高，而其他植物分離提取得的揮發(fā)油中β-石竹烯含量均不超過30%[15-18].

4 結(jié) 論

本研究建立的模型能很好地預(yù)測各因素同提取率之間的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)提取所得黃姜花揮發(fā)油呈淡黃色液體狀，具有獨(dú)特、濃郁的芳香味，這和黃姜花揮發(fā)油富含β-石竹烯有關(guān).相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，β-石竹烯是一種雙環(huán)倍半萜類化合物，其天然品存在于丁香油、丁香莖油、錫蘭桂皮油、肉桂葉油、胡椒油及甘椒油等精油中，常用于調(diào)配丁香、胡椒、肉豆蔻、柑橘、藥草等食用香精，同時(shí)，β-石竹烯也可作為食品中的功能性成分[19].本研究表明，黃姜花是一種潛在的植物資源，完全可用于β-石竹烯的高產(chǎn)量提取.

[1]Tushar,Supriyo Basak,Gajen C Sarma,et al.Ethnomedicalusesofzingiberaceousplantsofnortheastindia[J].J Ethnopharmacol,2010，132(1):286-296.

[2]國家中醫(yī)藥管理局《中華本草》編委會(huì).中華本草[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1999：645-646.

[3]范燕萍,余讓才,黃蘊(yùn),等.姜花揮發(fā)性成分的固相微萃取——?dú)庀嗌V質(zhì)譜分析[J].園藝學(xué)報(bào),2003，30(4):475.

[4]陳志慧.正交試驗(yàn)法優(yōu)選姜花精油提取工藝條件[J].中國調(diào)味品雜志,2004，29(12):17-19.

[5]蘆燕玲,高則睿,徐世濤,等.GC/MS法分析姜花屬四種植物的揮發(fā)性成分[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2013,25(2):210-215.

[6]田瑤君.木姜花油化學(xué)成分的氣相色譜/質(zhì)譜分析[J].貴州化工,2003，28(3):18-20.

[7]黃文藝,蘇流坤,劉婷琳,等.姜花香氣成分的SPME-GC-MS分析[J].2004，23(9):93-94.

[8]陳志慧.微波輻射法萃取姜花揮發(fā)油的研究[J].時(shí)珍國醫(yī)國藥,2005，16(7):613-614.

[9]任君安,楊麗娜,王雁,等.響應(yīng)面分析法優(yōu)化保加利亞玫瑰揮發(fā)油提取工藝[J].食品工業(yè)科技,2013，34(15):196-200.

[10]沈懋文,邵亮亮,侯付景,等.響應(yīng)面法優(yōu)化杭白菊花揮發(fā)油的提取工藝及其化學(xué)成分研究[J].食品科學(xué),2010，31(10):101-105.

[11]林夢(mèng)南,蘇平.響應(yīng)面優(yōu)化紫蘇揮發(fā)油的水蒸氣提取工藝及其成分研究[J].中國食品學(xué)報(bào),2012，12(3):52-60.

[13]陳雅維,張延萍,周冬菊,等.響應(yīng)面法優(yōu)化葛根總黃酮的超聲輔助提取工藝[J].食品科學(xué),2012,33(14):41-44.

[14]叢浦珠,蘇克曼.分析化學(xué)手冊(cè)第九分冊(cè)(質(zhì)譜分冊(cè))[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[15]葉沖,趙楊,毛寒冰,等.頂空固相微萃取——?dú)庀嗌V/質(zhì)譜法分析野藿香不同部位揮發(fā)油化學(xué)成分[J].食品科學(xué),2011,32(16):240-244.

[16]郭剛軍,李海泉,徐榮,等.超臨界CO2萃取柚子葉、花精油的GC-MS分析[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2013,39(3):192-195.

[17]覃文慧,馮旭,李耀華,等.廣西山膠木樹葉鮮、干品種揮發(fā)油成分的GC-MS分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(24):12003-12004,120084.

[18]于泓鵬,吳克剛,吳彤銳,等.丁香精油的超臨界CO2和溶劑回流萃取及其GC-MS分析[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2009，35(253):145-149.

[19]林翔云.香精香料辭典[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

StudyonChemicalConstituentsofEssentialOilofHeychiumFlavumRoxbwithAssistanceofResponseSurfaceUltrasound

LIXiang,ZHONGFangyou,MENGFanbing,XUHong,DENGJie,RENJingjing

(Food-processing Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

To study the extraction and separation process and also the analysis method of the essential oil components of Heychium Flavum Roxb,the paper is going to provide a scientific basis for the further development and utilization of it in food and drug industries. The extraction technique of the essential oil of Hedychium Flavum Roxb by steam distillation is optimized by using response surface methodology and GC/MS technique is sued for analysis of its components. The optimized parameters of extraction process are:soaking time is 6 h,ultrasonic time is 60 min,and the ratio of solid to liquid is 1∶9.67.Under this condition,the predicted value of volatile oil yield is 6.02% and the actual value of volatile oil yield is 5.91%,so the RSD is 1.83%.18 chemical compounds are isolated and identified by GC-MS among 28 compounds through the separation of the essential oil components of Heychium Flavum Roxb by GC-MS,which account for 86.75% of the total compounds.Most components of the essential oil are sesquiterpenoids,and the largest amount substance contained in them are β-caryophyllene(37.74%),and Nerolidol(13.37%).This provides a reference basis for the evaluation of different varieties of ginger essential oil as important raw materials in food,pharmaceutical and cosmetics industries by using β-caryophyllene as an index component.

Hedychium Flavum Roxb;essential oil;GC-MS;sesquiterpenoid;β-caryophyllene

TQ651+.2；O657.63

A

1004-5422(2017)04-0346-05

2017-09-07.

四川省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2016TD0036)、 成都市農(nóng)業(yè)技術(shù)成果應(yīng)用示范(2015-NY01-00013-NC)資助項(xiàng)目.

李 翔(1974 — )，女，博士，教授，從事食品加工與安全關(guān)鍵技術(shù)研究.