基于HS-SPME-GC-MS的薰衣草不同部位揮發(fā)性成分分析

陳國(guó)通 蘆 云 馬萍萍 范 蕊 楊 中 曹 續(xù)

(1. 新疆師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆維吾爾自治區(qū)新疆分析測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊 830011；3. 新疆師范高等專科學(xué)校，新疆 烏魯木齊 830043；4. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

薰衣草(Lavender)是唇形科多年生亞灌木，有著悠久的種植和應(yīng)用歷史[1]，因具有濃郁溫和的香味，無(wú)毒副作用，作為重要的香料原料被廣泛用于調(diào)制化妝品、皂用香精等[2-3]。作為藥用植物，薰衣草具有鎮(zhèn)靜助眠、抑制腫瘤、抗菌、抗炎、抗氧化等作用[4-7]。同時(shí)薰衣草花茶飲料具有良好的抗氧化活性，可以清除體內(nèi)自由基，預(yù)防疾病，抵抗衰老[8-9]。隨著薰衣草應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，人們對(duì)薰衣草的栽培技術(shù)、精油提取、化學(xué)成分分析及應(yīng)用等方面進(jìn)行了廣泛研究[10-11]。

由于揮發(fā)性成分含量不同，不同種類的薰衣草有不同的用途[2]。目前有關(guān)薰衣草揮發(fā)性成分的研究主要集中在薰衣草精油上，其主要提取方法有水蒸氣蒸餾法[12]和超臨界CO2萃取法[13]，但兩者均存在樣本消耗大、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)。隨著分析技術(shù)的發(fā)展，薰衣草中揮發(fā)性成分的直接測(cè)定越來(lái)越受到重視[14-15]，如頂空固相微萃取(HS-SPME)[16]、吹掃捕集(P&T)[17]等分析方法。這些方法靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、無(wú)溶劑污染、可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)定。

研究擬通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化頂空固相微萃取法(HS-SPME)提取薰衣草揮發(fā)性成分的相關(guān)條件，并在最佳條件下分析自然狀態(tài)下代表性薰衣草品種法國(guó)藍(lán)不同部位的揮發(fā)性成分，為后續(xù)薰衣草的綜合利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

薰衣草：法國(guó)藍(lán)，新疆伊犁盛花期薰衣草；

試驗(yàn)用水均為一級(jí)水。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

手動(dòng)固相微萃取裝置：57330-U型，美國(guó)Supelco公司；

萃取頭：50/30 μm CAR/DVB/PDMS型，美國(guó)Supelco公司；

植物樣品粉碎機(jī)：FW80型，北京市永光明儀器公司；

電子天平：BSA124S型，德國(guó)Sartorius公司；

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀：GCMS-QP2010Plus型，日本島津公司；

色譜柱：HP-5MS型(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，美國(guó)Agilent公司。

1.2 方法

1.2.1 供試植物預(yù)處理 將薰衣草各部位陰干后，用植物樣品粉碎機(jī)粉碎，分別取一定量樣品置于頂空樣品瓶中，密封。

1.2.2 固相微萃取 根據(jù)文獻(xiàn)[18]并修改。將處理后的1.0 g薰衣草各部位樣品分別置于4個(gè)25 mL頂空瓶中壓蓋密封，室溫下平衡20 min，將老化的萃取頭插入頂空瓶中樣品上方，將纖維頭推出。萃取60 min后插入氣相色譜進(jìn)樣口，250 ℃下熱解吸5 min。首次使用前，需將萃取頭于270 ℃老化0.5 h，后續(xù)使用前，萃取頭仍需在該溫度下老化處理5～10 min，確保萃取頭能夠在高溫下解吸殘余揮發(fā)性成分，避免對(duì)后續(xù)待測(cè)樣品造成干擾。

1.2.3 GC-MS檢測(cè)條件及定性定量分析

(1) GC條件：進(jìn)樣口溫度250 ℃；柱溫箱升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0 ℃，保持3 min，以5 ℃/min升溫至100 ℃，平衡1 min，以15 ℃/min升溫至260 ℃，保持5 min；載氣為99.999%氦氣；載氣流速1 mL/min；分流比15∶1。

(2) MS條件：電子轟擊(EI)離子源；電子能量70 eV；離子源溫度230 ℃；接口溫度270 ℃；電子倍增器電壓350 V；全掃描方式；掃描范圍(m/z)45～450。

(3) 采用GCMS-solution 2.7.1化學(xué)工作站對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并使用NIST14版譜庫(kù)對(duì)各組分峰進(jìn)行圖庫(kù)檢索；保留匹配度>85%的化合物。通過(guò)手動(dòng)色譜分析確定化合物名稱。采用面積歸一化法進(jìn)行定量分析，計(jì)算各組分相對(duì)含量。

1.2.4 單因素試驗(yàn) 以薰衣草花為試驗(yàn)對(duì)象，選取50/30 μm CAR/DVB/PDMS規(guī)格的萃取頭，對(duì)平衡時(shí)間、萃取時(shí)間、解吸時(shí)間三因素進(jìn)行試驗(yàn)，分析各因素對(duì)色譜圖峰數(shù)目與總面積的影響。

1.2.5 正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇解吸時(shí)間、萃取時(shí)間和平衡時(shí)間為影響因素，采用L9(33)正交表進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，以總峰面積為萃取效果考察指標(biāo)優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)。

1.2.6 樣品分析 根據(jù)正交試驗(yàn)分析得到的最佳萃取條件對(duì)薰衣草不同部位樣品進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 萃取頭的選擇 根據(jù)萃取頭的組成材料特性并結(jié)合文獻(xiàn)[19]，50/30 μm復(fù)合涂層CAR/DVB/PDMS萃取頭更適合于進(jìn)行大范圍的揮發(fā)性成分分析，故采用CAR/DVB/PDMS復(fù)合涂層萃取頭。

2.1.2 萃取溫度的選擇 根據(jù)文獻(xiàn)[20]，采用固相微萃取測(cè)定植物揮發(fā)性成分，隨著萃取溫度的升高，檢測(cè)到的組分?jǐn)?shù)呈先增加后減小的趨勢(shì)，一般溫度為60～70 ℃時(shí)得到的組分?jǐn)?shù)與峰面積均達(dá)到最大值，可能是由于隨著溫度的升高，部分沸點(diǎn)相對(duì)較高的組分會(huì)從樣本中釋放，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，低沸點(diǎn)組分在競(jìng)爭(zhēng)吸附中處于劣勢(shì)，導(dǎo)致部分流失[21]。雖然提高萃取溫度會(huì)得到更多的揮發(fā)性組分與更大的響應(yīng)峰面積，但試驗(yàn)是為了探究薰衣草不同部位在自然狀態(tài)下的揮發(fā)性成分，故選擇在室溫下對(duì)薰衣草進(jìn)行萃取。

2.1.3 萃取時(shí)間的選擇 由圖1可知，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，揮發(fā)性成分的峰數(shù)和總峰面積先增加后趨于平衡，并在60 min時(shí)達(dá)到最大值。這可能是因?yàn)檩腿r(shí)間較短時(shí)揮發(fā)性物質(zhì)在萃取頭上吸附不飽和，當(dāng)萃取時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)至超過(guò)60 min后，萃取頭上吸附的物質(zhì)與氣體中游離的揮發(fā)性成分形成動(dòng)態(tài)平衡[22-24]。綜合來(lái)看，萃取時(shí)間設(shè)為60 min。

圖1 不同萃取時(shí)間下薰衣草花揮發(fā)性成分的變化Figure 1 Changes of volatile components in lavender flowers under different extraction times

2.1.4 解吸時(shí)間的選擇 由圖2可知，當(dāng)解吸時(shí)間為3～5 min時(shí)，揮發(fā)性成分的峰面積和數(shù)量均較少且呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)萃取時(shí)間>5 min時(shí)，揮發(fā)性成分的峰數(shù)目和峰面積均呈穩(wěn)定趨勢(shì)，說(shuō)明萃取時(shí)間為5 min時(shí)萃取頭上吸附的揮發(fā)性物質(zhì)已解吸完全。解吸時(shí)間太長(zhǎng)也會(huì)造成萃取頭涂層受損進(jìn)而影響其壽命[25-26]，因此，選擇5 min為最佳萃取時(shí)間。

圖2 不同解吸時(shí)間下薰衣草花揮發(fā)性成分的變化Figure 2 Changes of volatile components in lavender flowers under different desorption times

2.1.5 平衡時(shí)間的選擇 由圖3可知，當(dāng)平衡時(shí)間為10～30 min時(shí)，揮發(fā)性成分的總峰面積和峰數(shù)均隨平衡時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，但是變化平緩，說(shuō)明平衡時(shí)間對(duì)萃取效果影響不大，綜合考慮，選擇平衡時(shí)間為20 min。

圖3 不同平衡時(shí)間下薰衣草花揮發(fā)性成分的變化Figure 3 Changes of volatile components in lavender flowers under different equilibrium times

2.2 正交試驗(yàn)

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，以萃取時(shí)間、解吸時(shí)間和平衡時(shí)間為影響因素，采用L9(33)正交表進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，以總峰面積為響應(yīng)值優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，因素水平見(jiàn)表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal experiment factor level

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Results and analysis of orthogonal array experiments

由表2可知，各因素對(duì)萃取效果影響程度為萃取時(shí)間>解吸時(shí)間>平衡時(shí)間，與文獻(xiàn)[23]報(bào)道結(jié)果一致。根據(jù)極差結(jié)果并結(jié)合單因素試驗(yàn)和節(jié)能降耗等方面考慮，得出HS-SPME法提取薰衣草花揮發(fā)性成分的最佳工藝條件為A3B2C3，即萃取時(shí)間70 min，解吸時(shí)間5 min，平衡時(shí)間25 min。

為確證該工藝的優(yōu)劣和穩(wěn)定性，將所篩選的最佳工藝條件進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測(cè)得揮發(fā)性成分的總峰面積分別為140 715 392，140 716 418，140 715 910，提取效果較好且方法穩(wěn)定可行。

2.3 薰衣草不同部位揮發(fā)性成分含量

對(duì)薰衣草根、莖、葉、花4個(gè)部位的揮發(fā)性成分進(jìn)行測(cè)定，總離子流圖見(jiàn)圖4。利用面積歸一法計(jì)算揮發(fā)性成分相對(duì)含量，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 薰衣草各部位揮發(fā)性成分總離子流圖Figure 4 Total ion chromatogram in different parts of lavender

由表3可知，董衣草不同部位的揮發(fā)性成分差異較大。其中揮發(fā)性成分相對(duì)含量在花中較多，葉次之，莖與根中較少，與文獻(xiàn)[12]報(bào)道一致。薰衣草各部位共鑒定出36種揮發(fā)性成分，其中烴類16種，醇類9種，酮類2種，酯類9種。根、莖、葉、花中共有化合物6種，分別占總揮發(fā)性成分相對(duì)含量的60.15%，38.52%，54.56%，32.77%。

表3 薰衣草不同部位揮發(fā)性成分相對(duì)含量?Table 3 Analysis results of volatile components in different parts of lavender %

王強(qiáng)等[12]通過(guò)HS-SPME法研究了薰衣草莖、葉、花中的揮發(fā)性成分，在花和莖中檢出含量較高的揮發(fā)性成分除芳樟醇和乙酸芳樟酯外還有檸檬烯二氧化物等，可能是該法采用的萃取溫度為70 ℃，因此一些高沸點(diǎn)化合物含量會(huì)相對(duì)偏高。在自然狀態(tài)下萃取，薰衣草根中也檢出較多的揮發(fā)性成分，其中檸檬烯和桉樹(shù)腦這兩種成

分含量較多。薰衣草莖和花中含量較多的成分為芳樟醇和乙酸芳樟酯。薰衣草葉中除芳樟醇和乙酸芳樟酯外，含量最高的為檸檬烯。

由表4可知，薰衣草不同部位的揮發(fā)性成分在種類和數(shù)量上差異較大。其中，花和莖中酯類化合物含量突出，根和葉中烯烴類物質(zhì)較突出。王新玲等[27]采用傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾(SD)法對(duì)薰衣草不同部位中揮發(fā)油化學(xué)成分進(jìn)行分析，與試驗(yàn)通過(guò)SPME法提取物的組分種類及含量差異較大，可能是因?yàn)镠S-SPME法是在常溫下進(jìn)行提取，對(duì)一些分子質(zhì)量低、較易揮發(fā)物質(zhì)有較強(qiáng)的吸附作用。而SD法前處理溫度較高，可能會(huì)造成強(qiáng)揮發(fā)性成分損失，一些不穩(wěn)定化合物分解。因此，HS-SPME法前處理過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，在分析過(guò)程中不會(huì)造成強(qiáng)揮發(fā)性成分的損失，更能真實(shí)地反映樣品揮發(fā)性成分的原始組成，而SD法更適合分析高沸點(diǎn)的酯類及大極性的醇類等化合物。

表4 薰衣草不同部位中各類揮發(fā)性成分相對(duì)含量及數(shù)量Table 4 Various volatile components and quantities in different parts of lavender

3 結(jié)論

優(yōu)化了頂空固相微萃取—?dú)庀嗌V法提取薰衣草揮發(fā)性成分的條件：50/30 μm CAR/DVB/PDMS萃取頭、1.0 g樣品、萃取時(shí)間70 min，解吸時(shí)間5 min，平衡時(shí)間25 min，在此優(yōu)化條件下對(duì)薰衣草各部位自然狀態(tài)下的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明，薰衣草中各部位揮發(fā)性成分的種類和含量差異較大，各部位共鑒定出36種揮發(fā)性成分，其中共有化合物6種?；ê颓o中的酯類化合物含量突出，根和葉中的烯烴類物質(zhì)較突出。各部位化合物共同影響，相互轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)化作用機(jī)制與規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。