響應(yīng)面法優(yōu)化金花葵微波萃取工藝研究及香氣分析

蔣美紅 李仙 張勃

摘要：為了研究金花葵（Hibiseusmanihot L.）在煙草、香料等方面的開發(fā)和應(yīng)用，以響應(yīng)面法對微波萃取金花葵干花的工藝條件進行優(yōu)化，并對其揮發(fā)性成分進行了分析鑒定。在單因素試驗基礎(chǔ)上，選擇預(yù)處理加水量、萃取時間、萃取壓力為影響因素，以金花葵提取率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗設(shè)計建立數(shù)學(xué)模型進行響應(yīng)面分析，采用同時蒸餾提取裝置收集揮發(fā)性成分并用氣相色譜-質(zhì)譜儀進行分析和鑒定。結(jié)果表明，最佳提取條件為預(yù)處理加水量為1∶2.5（g∶mL），萃取時間為85 min，萃取功率為520 W，金花葵提取率為0.290%。共鑒定出45種化合物，主要成分為（E）-9-二十碳烯、β-谷甾醇、亞麻酸、棕櫚酸、乙酸、n-十八碳七氟丁酸酯、鄰苯二甲酸單乙基己基酯、（3β）-麥角甾-5，24-二烯-3-醇、豆甾醇、9-十九碳烯等。微波萃取法可作為萃取金花葵煙用香料的有效方法，工藝穩(wěn)定、可行。

關(guān)鍵詞：金花葵（Hibiseusmanihot L.）干花;微波萃取;響應(yīng)面試驗;揮發(fā)性成分;氣相色譜-質(zhì)譜法

中圖分類號：TQ461 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）01-0126-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.01.028 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Abstract： In order to study the development and application of Hibiseusmanihot L. in the fields of tobacco， flavor and fragrance industries，the process of microwave-assisted extraction to make tobacco flavor from Hibiseusmanihot L. was optimized by response surface methodology （RSM）， and its volatile components were analyzed and identified. Based on single factor experiment， with water addition at pretreatment， extraction time， extraction power as factors， and the yields of Hibiseusmanihot L.tobacco flavor as response value， the mathematical model was established by Box-Behnken Design（BBD）for response surface analysis. The volatile components were collected by simultaneous distillation and extraction device， analyzed and identified by gas chromatography-mass spectrometry. The results showed that the extraction yield of Hibiseusmanihot L.could be 0.290% when extracted 85 min 520 W power and the water addition at pretreatment was 1∶2.5. 45 components were identified and mainly of： 1-Docosene， β-Sitosterol， 9，12，15-Octadecatrienoic acid， n-Hexadecanoic acid， Acetic acid， n-octadecylester， 1，2-Benzenedicarboxylic acid， mono（2-ethylhexyl） ester， 26，26-Dimethyl-5，24（28）-ergostadien-3.beta.-ol， Stigmasterol， et al. It suggested that the microwave method could be used as an effective method to extract the flavor of Hibiseusmanihot L.

Key words： dried Hibiseusmanihot L.; microwavemethod; response surface methodology; volatile components; GC-MS

金花葵（Hibiseusmanihot L.）又名菜芙蓉，也稱野芙蓉，為一年生草本錦葵科秋葵屬植物，有的地區(qū)別名叫黏干或山榆皮。2003年8月被中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院在河北邢臺發(fā)現(xiàn)，是瀕臨絕種的植物。近年來，人們發(fā)現(xiàn)金花葵全草含有豐富的黃酮、多糖等成分，具食用、藥用、保健功能，有很高的利用價值[1-6]，開始進行大量種植。對金花葵花、子、葉中黃酮、總糖及生物活性物質(zhì)有研究[7-15]，但多數(shù)集中在常規(guī)溶劑提取。此外，付偉等[16]采用了酶解法萃取金花葵花中多糖，宋琳琳等[17]采用了超聲波提取法提取金花葵花中總黃酮。關(guān)于金花葵花的微波萃取法鮮見文獻報道。微波萃取技術(shù)是一種很有潛力的萃取技術(shù)，在傳統(tǒng)萃取工藝基礎(chǔ)上進行了強化傳熱、傳質(zhì)，具有裝置簡單、應(yīng)用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、消耗溶劑和時間少、污染少等優(yōu)點，且微波萃取目前已有工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備。本試驗采用響應(yīng)面法優(yōu)化金花葵煙用香料的微波萃取工藝條件，并采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）對提取物進行組分分析，以期為金花葵的開發(fā)利用提供參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?試劑與儀器

供試材料：金花葵干花（河北）。

試劑：95%乙醇（食品級）;無水硫酸鈉（AR，廣東汕頭市西隴化工廠）;二氯甲烷（AR，天津市博迪化工有限公司）。

儀器：微波萃取裝置（意大利MILESTONE公司NEOS GR型）;氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國安捷倫公司Agilent 6890N/5975型）;電子天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（瑞士BUCHI公司BUCHIR-3000型）;循環(huán)水式真空泵[鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司SHZ-D（Ⅲ）型]。

1.2 ?方法

1.2.1 ?金花葵微波萃取 ?將金花葵原料以適量水浸濕，投入微波萃取裝置中，保持一定的萃取功率進行萃取，提取結(jié)束后收集分離釜中的提取物，所得提取液經(jīng)過處理，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓蒸餾，濃縮物即為金花葵煙用香料。提取得率按式（1）計算。

提取得率=金花葵煙用香料質(zhì)量（g）/金花葵原料質(zhì)量（g）×100% ? ? （1）

1.2.2 ?提取物香氣分析

1）GC-MS分析。稱取1.00 g樣品，以10 mL二氯甲烷溶解，加入適量無水硫酸鈉置于4 ℃冰箱脫水12 h后過濾。濾液使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進行檢測，儀器檢測：HP-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）毛細管柱，進樣口溫度240 ℃;載氣He;恒壓模式70 kPa;程序升溫：50 ℃保持1 min，以8 ℃/min升至160 ℃，保持2 min，再以8 ℃/min升至260 ℃，保持15 min;進樣量0.5 μL;分流比25∶1;傳輸線溫度280 ℃;電離方式EI;電離能量70 eV;離子源溫度230 ℃;四級桿溫度160 ℃;質(zhì)量范圍35～455 aum;溶劑延遲2 min。

2）檢測模式。SCAN和SIM同步。

3）譜圖檢索。所得圖譜經(jīng)計算機譜庫（NIST05，Wiley275）檢索，并結(jié)合標準質(zhì)譜圖和有關(guān)文獻[13，14]，確定揮發(fā)性成分，并用色譜峰面積歸一化法測定得各揮發(fā)性成分的峰面積。

1.2.3 ?單因素試驗

1）保持萃取功率為500 W，萃取時間80 min，考察不同預(yù)處理加水量[料液比（g∶mL，下同）1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4]對金花葵提取物得率的影響。

2）保持預(yù)處理加水量為1∶2、萃取時間80 min，考察不同萃取功率（150、250、350、450、550 W）對金花葵提取率的影響。

3）保持預(yù)處理加水量為1∶2、萃取功率450 W，考察不同萃取時間（40、60、80、100、120 min） 對金花葵提取率的影響。

1.2.4 ?響應(yīng)面優(yōu)化試驗 ?在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以提取率（Y）為指標，預(yù)處理加水量（A）、萃取時間（B）和萃取功率（C）為因素，按照響應(yīng)面法的Box-Behnken Design（BBD）試驗方案進行三因素三水平 15 個實驗點的響應(yīng)面試驗，試驗方案的15個實驗點中包括12個析因點（1～12）及3個中心點（13～15），中心點重復(fù)的目的是估計整個試驗的純實驗誤差，以金花葵的提取率Y作為響應(yīng)面分析的響應(yīng)值。響應(yīng)面試驗因素與水平見表1。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?單因素試驗

2.1.1 ?預(yù)處理加水量對金花葵提取率的影響 ?不同預(yù)處理加水量對金花葵提取物得率的影響見圖1。由圖1可知，隨著預(yù)處理加水量的增加，金花葵提取率提高，但當(dāng)加水量達到1∶2后，繼續(xù)增加萃取壓力，金花葵提取率反而呈下降趨勢。這是因為加水量增大，金花葵浸泡充分，對溶質(zhì)溶解度增加，但繼續(xù)增加水量，水分過多，在試驗過程中會影響油分滲出，導(dǎo)致得率變低。因此，預(yù)處理加水量采用1∶2為宜。

2.1.2 ?不同萃取功率對金花葵提取率的影響 ?不同萃取功率對金花葵提取率的影響見圖2。由圖2可知，金花葵提取率隨著萃取功率的升高而提高，這是因為萃取功率越大，溫度越高，對溶質(zhì)的溶解度越大，在萃取功率450 W時金花葵提取率達到最大，此后繼續(xù)提高萃取功率，金花葵提取率基本無變化。因此，萃取功率以450 W為宜。

2.1.3 ?不同萃取時間對金花葵提取率的影響 ?不同萃取時間對金花葵提取率的影響見圖3。由圖3可知，萃取時間80 min內(nèi)，金花葵提取率隨著萃取時間的延長而提高，但當(dāng)萃取時間超過80 min后，提取率變化不大。分析原因可能是萃取基本達到平衡，再繼續(xù)延長萃取時間，成本增加。因此，選擇萃取時間為80 min。

2.2 ?響應(yīng)面優(yōu)化試驗

2.2.1 ?響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果 ?響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果見表2。

運用Design Expert 8.0.6軟件對表2試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，得金花葵子油得率與各因素的二次多項式回歸模型見式（2）：

Y=-1.2135+0.176 63A+0.0180 44B+1.925×10-3C+1.05×10-3AB-1.375×10-4AC+6.625×10-6BC-0.044A2-1.412 5×10-4B2-1.925×10-6C2 ? （2）

對回歸模型進行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗，結(jié)果見表3。三因素交互作用對金花葵提取率的響應(yīng)面分析結(jié)果見圖4至圖6。

由表3數(shù)據(jù)和圖4至圖6可以看出，該二次回歸方程模型極顯著（P=0.000 3<0.01），失擬項不顯著（P>0.05）;同時模型的決定系數(shù)R2為0.987 8，調(diào)整后R2為0.965 9，表明該模型擬合程度良好，試驗誤差小，該模型是合適的，可以用此模型對微波法萃取金花葵煙用香料進行分析和預(yù)測。在所選取的因素水平范圍內(nèi)，各因素對結(jié)果的影響排序為萃取功率（C）>萃取時間（B）>預(yù)處理加水量（A）。由表3可知，一次項A（P=0.003 6<0.01）、B（P=0.002 6<0.01）和C（P=0.000 4<0.01）極顯著，說明預(yù)處理加水量、萃取時間和萃取功率對金花葵提取率有極顯著影響。二次項A2、B2和C2均達極顯著水平（P<0.01），說明預(yù)處理加水量、萃取時間和萃取功率對金花葵提取率的影響不是線性關(guān)系。AB交互項極顯著（P<0.01），AC、BC交互項顯著（P<0.05），說明3個因素的交互作用對金花葵提取率有顯著影響。

2.2.2 ?最佳萃取條件的預(yù)測和驗證 ?通過Design Expert 8.0.6軟件對回歸方程求解，在試驗的因素水平范圍內(nèi)預(yù)測微波萃取的最佳條件為預(yù)處理加水量1∶2.13、萃取時間85.18 min、萃取功率520.48 W，在此條件下金花葵提取率可達0.292%。為了方便生產(chǎn)操作，將微波萃取的最佳條件修正為預(yù)處理加水量1∶2.5、萃取時間85 min、功率520 W，在此條件下進行二次驗證性試驗，測得的金花葵提取率均值為0.290%，與理論預(yù)測值0.292%的相對誤差很小，說明回歸方程對微波法萃取金花葵煙用香料進行分析和預(yù)測非?？煽俊?/p>

2.3 ?金花葵樣品的揮發(fā)性成分分析

表4列出了GC-MS分離鑒定出的金花葵揮發(fā)性成分45種，用峰面積歸一化法測定各組分的相對含量，主要成分為（E）-9-二十碳烯、β-谷甾醇、亞麻酸、棕櫚酸、乙酸、n-十八碳七氟丁酸酯、鄰苯二甲酸單乙基己基酯、（3β）-麥角甾-5，24-二烯-3-醇、豆甾醇、9-十九碳烯。

3 ?結(jié)論

響應(yīng)面法預(yù)測金花葵微波萃取的最佳條件為預(yù)處理加水量1∶2.5、萃取時間85 min、萃取功率520 W，此時金花葵提取率可達0.290%，與理論預(yù)測值0.292%的相對誤差很小，回歸方程對微波法萃取金花葵煙用香料進行分析和預(yù)測非?？煽?。對金花葵樣品進行揮發(fā)性成分分析，共鑒定出45種化合物，主要成分為（E）-9-二十碳烯、β-谷甾醇、亞麻酸、棕櫚酸、乙酸、n-十八碳七氟丁酸酯、鄰苯二甲酸單乙基己基酯、（3β）-麥角甾-5，24-二烯-3-醇、豆甾醇、9-十九碳烯等。

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