基于GC-MS對(duì)頂空固相萃取法和微波輔助法獲得的花椒揮發(fā)油香氣成分分析

白亞蒙，張峰升，李皓，張迪

(1.南陽(yáng)醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 南陽(yáng) 473000；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001)

花椒屬于蕓香科花椒屬植物，全球大概有200種[1]，主要分布于亞洲、美洲、大洋洲的亞熱帶和熱帶地區(qū)[2]，我國(guó)一共有45種花椒，是全球花椒種植面積最大的國(guó)家之一[3]，除我國(guó)的新疆、內(nèi)蒙古和東北等少數(shù)地區(qū)外，其他省份均有分布，主要分布于我國(guó)長(zhǎng)江以南[4]，如四川漢源、重慶江津、貴州、山東和河北等地?；ń穼儆谛⌒凸嗄?，有特殊香氣，在莖干的表面有小刺[5]。

花椒的果皮作為調(diào)味品，深受消費(fèi)者的喜愛(ài)，被稱(chēng)為“八味”之一[6]。除了花椒的果皮可以食用和藥用外，其他部位均可入藥，有止痛、解毒和健胃等功效[7]。從現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上來(lái)看，花椒主要有治療腹瀉、保肝、保護(hù)心臟、降血壓和抗癌等多種生物活性功能[8]?；ń窐?shù)作為我國(guó)西部的經(jīng)濟(jì)林，保持水土的樹(shù)種發(fā)展，由于花椒樹(shù)抗旱、喜光和耐貧瘠，所以其具有較大的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[9]。

花椒中的揮發(fā)油又被稱(chēng)為花椒精油，具有芳香氣味[10]，能夠隨著水蒸氣被蒸餾出來(lái)，又與揮發(fā)性油狀成分互不相溶[11]，花椒揮發(fā)油是一種混合物，成分復(fù)雜，不同區(qū)域不同品種的花椒中的揮發(fā)油含量具有明顯差異[12]，花椒油中能夠分離出烯烴類(lèi)、醇類(lèi)和環(huán)氧化合物類(lèi)，這些成分在殺蟲(chóng)和抑制微生物生長(zhǎng)方面具有明顯的作用[13-14]。

本研究基于此，采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，對(duì)微波輔助法提取花椒揮發(fā)油的工藝進(jìn)行優(yōu)化，此外，通過(guò)GC-MS法對(duì)不同提取方法的花椒揮發(fā)油中化學(xué)成分進(jìn)行分析，為更加高效地獲取花椒揮發(fā)油提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

花椒(購(gòu)于當(dāng)?shù)厥袌?chǎng))、乙醇、丙酮、甲醇、無(wú)水硫酸鈉、正己烷。

1.2 儀器和設(shè)備

微波合成反應(yīng)儀 萊伯泰科儀器股份有限公司；數(shù)控超聲清洗儀 蘇州江東精密儀器有限公司；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 天瑞儀器股份有限公司；移液槍?zhuān)浑娮犹炱健⒍喙δ芊鬯闄C(jī) 上海儀器科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 微波輔助法(SFME)提取花椒揮發(fā)油

取50 g花椒磨成粉，之后用20～40目的篩子進(jìn)行過(guò)篩，然后將其放入燒瓶中，加入水進(jìn)行浸泡，浸泡30 min，放入微波合成儀器中，上端連接冷凝管和揮發(fā)油收集器，之后使用無(wú)水硫酸鈉進(jìn)行干燥，本試驗(yàn)將微波功率、提取時(shí)間和提取溫度作為變量因素，以揮發(fā)油提取量作為指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)[15-16]。

1.3.2 頂空萃取法提取花椒揮發(fā)油

取花椒250 g，放入二口燒瓶中，為了保證花椒精油的提取效果，把花椒的粉末浸泡在水中10 min，之后將燒瓶放入實(shí)驗(yàn)室的微波合成儀器中進(jìn)行加熱，收集上層油相，再用硫酸鈉干燥獲得花椒精油。計(jì)算花椒精油的得率[17]：

花椒精油得率(%)=花椒揮發(fā)油質(zhì)量/所用花椒質(zhì)量×100%。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

控制其他影響因素不變，研究其中一個(gè)變量因素對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響，這些變量因素分別為微波功率500 W、提取時(shí)間80 min和提取溫度100 ℃。

當(dāng)研究微波功率對(duì)花椒揮發(fā)油的影響時(shí)，控制提取時(shí)間為80 min和提取溫度為100 ℃，研究不同微波功率(100，200，300，400，500，600，700 W)對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響。當(dāng)研究提取時(shí)間對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響時(shí)，控制微波功率為500 W，提取溫度為100 ℃，研究不同提取時(shí)間(20，40，60，80，100，120 min)對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響。當(dāng)研究提取溫度對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響時(shí)，控制微波功率為500 W和提取時(shí)間為80 min，研究不同提取溫度(70，80，90，100，110，120 ℃)對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響。

1.3.4 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，以微波功率、提取時(shí)間和提取溫度作為變量因素，以花椒揮發(fā)油提取率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，從而確定花椒揮發(fā)油的最佳提取工藝。正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

2 結(jié)果與討論

2.1 微波提取法提取花椒揮發(fā)油的條件優(yōu)化

2.1.1 微波功率對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響

由圖1可知，隨著微波功率的逐漸增加，花椒揮發(fā)油提取率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)微波功率小于500 W時(shí)，花椒揮發(fā)油提取率呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)；隨著微波功率的持續(xù)增加，花椒揮發(fā)油提取率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)微波功率小于500 W時(shí)，隨著微波功率的增加，花椒揮發(fā)油的析出速率不斷加快，且蒸汽揮發(fā)速率不斷加快，所以致使揮發(fā)油的提取率越來(lái)越高；但隨著微波功率的不斷增加，提取容器的溫度也不斷增加，從而影響了花椒揮發(fā)油的提取率[18]。當(dāng)微波功率為500 W時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率最高，為2.2%。

圖1 微波功率對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響Fig.1 Effect of microwave power on the extraction rate of volatile oil from Zanthoxylum bungeanum

2.1.2 提取時(shí)間對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響

由圖2可知，揮發(fā)油提取率隨著提取時(shí)間的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)提取時(shí)間為0～20 min時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率開(kāi)始緩緩升高，當(dāng)提取時(shí)間為20～60 min時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率快速增加，當(dāng)提取時(shí)間為60～80 min時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率緩緩增加。當(dāng)提取時(shí)間大于80 min時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率緩緩下降。這是由于隨著提取時(shí)間的增加，花椒中的一些雜質(zhì)被提取出來(lái)，從而影響了花椒油的提取[19]。當(dāng)提取時(shí)間為80 min時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率最高，為2.2%。

圖2 提取時(shí)間對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響Fig.2 Effect of extraction time on the extraction rate of volatile oil from Zanthoxylum bungeanum

2.1.3 提取溫度對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響

由圖3可知，隨著提取溫度的升高，花椒揮發(fā)油的提取率也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)提取溫度小于100 ℃時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率逐漸升高，但當(dāng)提取溫度大于100 ℃時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)提取溫度為100 ℃時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率最高，為2.1%。

圖3 提取溫度對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on the extraction rate of volatile oil from Zanthoxylum bungeanum

2.2 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，將微波功率、提取時(shí)間和提取溫度作為變量因子，以花椒揮發(fā)油提取率作為參考因素，進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及揮發(fā)油的提取率見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及揮發(fā)油提取率Table 2 Orthogonal test design and extraction rate of volatile oil

由表2可知，3個(gè)影響因素對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響順序?yàn)镃>B>A，即提取溫度>提取時(shí)間>微波功率，提取溫度對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響最大，而微波功率對(duì)揮發(fā)油提取率的影響最小?；ń窊]發(fā)油的最佳提取工藝為A0B1C1，即微波功率為400 W，提取時(shí)間為80 min，提取溫度為100 ℃。此時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率為 2.24%。

2.3 基于GC-MS法對(duì)花椒揮發(fā)油的香氣成分進(jìn)行分析

基于GC-MS法對(duì)SFME法提取的花椒揮發(fā)油進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)含有13種化合物，見(jiàn)表3。

表3 SFME法提取的花椒揮發(fā)油香氣成分分析Table 3 Analysis of aroma components in volatile oil from Zanthoxylum bungeanum extracted by SFME method

由表3可知，其中芳香醇的含量為63.28 g/kg，D-檸檬烯的含量為13.33 g/kg，α-水芹烯含量為4.34 g/kg，β-羅勒烯含量為4.32 g/kg，2-環(huán)己烯-1-醇含量為2.32 g/kg，γ-萜品素含量為2.11 g/kg等，芳樟醇是花椒油中香氣的主要來(lái)源。

采用頂空固相萃取法提取的花椒揮發(fā)油中，一共檢測(cè)到20種化學(xué)成分，見(jiàn)表4。

表4 頂空固相萃取法提取的花椒揮發(fā)油香氣成分分析Table 4 Analysis of aroma components in volatile oil from Zanthoxylum bungeanum extracted by headspace solid phase extraction

由表4可知，其中芳樟醇含量為63.27 g/kg，香芹烯含量為33.34 g/kg，α-水芹烯含量為4.34 g/kg和β-羅勒烯含量為4.32 g/kg等。

基于GC-MS法研究SFME法和頂空固相萃取法提取的花椒揮發(fā)油化學(xué)成分的多樣性，結(jié)果表明，不同提取方法獲得的揮發(fā)油化學(xué)成分具有明顯差異。由表3和表4可知，無(wú)論采用哪種提取方法，花椒揮發(fā)油中含量最高的香氣成分均為芳樟醇。采用頂空固相微萃取法獲得的化學(xué)成分種類(lèi)更多，而采用SFME法獲得的花椒油揮發(fā)性成分種類(lèi)更少。

3 小結(jié)

花椒揮發(fā)油的揮發(fā)性強(qiáng)味，是一種非常具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的資源，近些年來(lái)，采用微波輔助法提取植物精油的報(bào)道也越來(lái)越多[20]。為了研究不同提取條件對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響，采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，對(duì)花椒揮發(fā)油的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。研究結(jié)果表明，花椒揮發(fā)油的最佳提取工藝為微波功率400 W、提取時(shí)間80 min、提取溫度100 ℃，此時(shí)，花椒揮發(fā)油的提取率為2.24%。采用不同的方法對(duì)花椒揮發(fā)油進(jìn)行提取，花椒揮發(fā)油中的揮發(fā)性化學(xué)成分有明顯差異，用頂空固相微萃取法提取的花椒揮發(fā)性物質(zhì)中一共檢測(cè)到20種揮發(fā)性成分，而用SFME法提取的花椒揮發(fā)性物質(zhì)中一共檢測(cè)到13種揮發(fā)性成分，說(shuō)明采用頂空固相萃取法提取獲得的花椒揮發(fā)油中化學(xué)成分種類(lèi)更多。