漢源花椒揮發(fā)油超臨界CO2萃取與GC-MS分析

花椒，又名川椒、紅椒、蜀椒，為蕓香科花椒屬植物青椒(ZanthoxylumschinifoliumSieb et Zucc)或花椒(ZanthoxylumbungeaumMaxim.)的成熟果實(shí)。前者主產(chǎn)于東北、江蘇及廣東；后者主產(chǎn)于河北、山東、四川及陜西等地，以四川漢源花椒品質(zhì)最佳，習(xí)稱“大紅袍”[1]。花椒藥性辛、溫、有小毒，歸脾、胃、腎經(jīng)。《本草綱目》記載花椒具有溫中助陽、散寒燥濕、驅(qū)蟲止癢、行氣止痛等功效[2]。

揮發(fā)油是花椒中的香氣成分，是我國重要的出口香辛料精油之一[3]。文獻(xiàn)報道花椒揮發(fā)油主要由石竹烯(8.44%)、大根香葉烯(2.99%) 、γ-萜品醇(10.3%)、β-萜品醇(9.37%)、水芹醇(8.78%)、石竹烯含氧化合物(4.23%) 等組成[4]。但花椒揮發(fā)油的含量因品種、產(chǎn)地等存在很大的差異，化學(xué)組成也不盡相同。此外，不同提取與分析方法報道的揮發(fā)油成分也存在一定的差異[5]。

趙志峰等[3]比較了無水乙醇、乙醚、丙酮和水為溶劑提取花椒精油的效果，結(jié)果表明，有機(jī)溶劑提取物主要化學(xué)成分基本相同，且包含了水提取物的主要成分。有機(jī)溶劑中以乙醚提取花椒精油的化學(xué)成分種類最多，GC分析分離得到32個色譜峰。人們對超臨界CO2流體萃取花椒揮發(fā)油進(jìn)行了一些研究，結(jié)果表明具有一定的優(yōu)越性[6～9]。

作者在此用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化超臨界CO2萃取漢源花椒揮發(fā)油的工藝條件，用GC-MS分析并確認(rèn)漢源花椒揮發(fā)油的主要成分，為其進(jìn)一步的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

大紅袍花椒，四川漢源。

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。

DWF-90型電動植物粉碎機(jī),河北省黃驊縣科研器械廠；RE52-98型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；HP 5973/6890型GC-MS聯(lián)用儀，美國Agilent公司。

1.2 超臨界CO2萃取條件優(yōu)化

取干花椒粉200 g，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、夾帶劑乙醇體積分?jǐn)?shù)作為4個考察因素，每因素3個水平，用L9(34)正交表安排實(shí)驗(yàn)，以氣相色譜分析的峰面積為指標(biāo)，優(yōu)化超臨界CO2萃取條件。

1.3 水蒸氣蒸餾法

取自然風(fēng)干的花椒，粉碎。稱取30 g干花椒粉，置于500 mL圓底燒瓶中，加入200 mL蒸餾水潤濕浸泡1 h后進(jìn)行水蒸氣蒸餾至無油珠時(餾出液速度約為2 滴·s-1)，用分液漏斗分離油水混合物，得到揮發(fā)油。

1.4 揮發(fā)油的GC-MS分析

氣相色譜條件：色譜柱為HP-5毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；柱溫采用程序升溫方法：從40℃以3℃·min-1速度升溫至100℃，再以4℃·min-1速度升溫至240℃(停留20 min)，再以7℃·min-1速度升溫至280℃；進(jìn)樣口溫度為270℃；檢測器(氫氣火焰檢測器)溫度為270℃；氫氣壓力為0.06 MPa；柱頭壓為0.05 MPa；尾吹壓力為0.05 MPa；加樣量為1 μL。

質(zhì)譜條件：電離方式為EI，電子能量為70 eV，汽化溫度為250℃，離子源溫度為230℃，四極桿溫度為150℃，質(zhì)量掃描范圍為50～450 amu。

2 結(jié)果與討論

2.1 花椒揮發(fā)油的超臨界CO2萃取條件優(yōu)化(表1)

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由表1可知，各因素對花椒揮發(fā)油收率的影響大小依次為：夾帶劑體積分?jǐn)?shù)>萃取時間>萃取壓力>萃取溫度。最佳萃取條件為：75%乙醇(添加量為原料質(zhì)量的5%)為夾帶劑、萃取時間2.0 h、萃取壓力30 MPa、萃取溫度40℃，此條件下花椒揮發(fā)油的收率為9.92%。比文獻(xiàn)[10]報道的(工藝條件為：原料粒度60目、流量25 L·h-1、萃取時間2 h、溫度40℃、壓力20 MPa)花椒油樹脂收率7.2%高2.72%，這可能與花椒品質(zhì)及使用夾帶劑的萃取方法有關(guān)。

2.2 花椒揮發(fā)油化學(xué)成分的GC-MS分析

用氣相色譜與質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用方法，對花椒揮發(fā)油進(jìn)行了分離與鑒定。結(jié)果分離出69個峰, 鑒定出56種物質(zhì)。GC-MS的總離子流譜圖見圖1。采用面積歸一法確定其相對含量，結(jié)果見表2。

圖1 花椒揮發(fā)油總離子流譜圖

由表2可知，超臨界CO2萃取的花椒揮發(fā)油的主要成分為：芳樟丁酸酯(30.212%)、(1α,3α,4β,6α)-4,7,7-三甲基-雙環(huán)[4.1.0]庚烷-3-醇(10.940%)、4-亞甲基-1-(1-甲基乙基)-雙環(huán)[3.1.0]環(huán)己烷(1.109%)、β-月桂烯(1.170%)、檸檬烯(5.784%)、3,7-二甲基-1,6-辛二烯-3-醇(5.742%)、(+)-4-蒈烯(1.826%)、n-棕櫚酸(0.914%)、(Z，Z)-9,12-十八碳二烯酸(2.952%)等物質(zhì)。在已鑒定的化合物中, 含量超過1% 的有7種，占總含量的54.4%。主要化合物檢出情況與有關(guān)文獻(xiàn)報道有一定差別，本研究中被檢出含量較高的部分化合物(如芳樟丁酸酯等)在文獻(xiàn)[11]中未曾報道。檢出物質(zhì)種類、含量等方面的差異可能與花椒產(chǎn)地、氣候有關(guān), 也可能與提取條件密切相關(guān)。

2.3 與水蒸氣蒸餾法的比較

以傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法提取漢源花椒揮發(fā)油，揮發(fā)油的收率僅為4.4%，而超臨界CO2萃取的收率為9.92%。以氣相色譜對兩種方法所得揮發(fā)油進(jìn)行了分析比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法所提取揮發(fā)油的主要化學(xué)成分在組成和比例上均顯現(xiàn)出一定的差異。

文獻(xiàn)[12]認(rèn)為超臨界CO2萃取的萃取能力強(qiáng)，通常能得到常規(guī)方法(包括水蒸氣蒸餾法)所難以得到的成分，如豆蔻酸、棕櫚油酸等。本實(shí)驗(yàn)的超臨界CO2萃取法所得揮發(fā)油中高沸點(diǎn)組分較多，一些組分的含量也明顯高于水蒸氣蒸餾法, 推測原因可能是超臨界CO2萃取法在較低溫度下進(jìn)行,對熱不穩(wěn)定組分的破壞較少。

表2 花椒揮發(fā)油化學(xué)成分

3 結(jié)論

通過正交實(shí)驗(yàn)確定超臨界CO2萃取四川漢源大紅袍花椒揮發(fā)油的優(yōu)化條件為：以75%乙醇(添加量為原料質(zhì)量的5%)為夾帶劑、萃取壓力30 MPa、萃取溫度40℃、萃取時間2.0 h，此時花椒揮發(fā)油的收率為9.92%,明顯高于水蒸氣蒸餾法(4.4%)。用GC-MS法分析所得的揮發(fā)油成分，分離出69個峰, 鑒定出56種物質(zhì)。主要成分為芳樟丁酸酯(30.212%)、(1α,3α,4β,6α)-4,7,7-三甲基-雙環(huán)[4.1.0]庚烷-3-醇(10.940%)、4-亞甲基-1-(1-甲基乙基)雙環(huán)[3.1.0]環(huán)己烷(1.109%)、β-月桂烯(1.170%)、檸檬烯(5.784%)、3,7-二甲基-1,6-辛二烯-3-醇(5.742%)、n-棕櫚酸(0.914%)、(Z，Z)-9,12-十八碳二烯酸(2.952%)等物質(zhì)。與水蒸氣蒸餾法所得產(chǎn)品比較, 超臨界CO2萃取法所得揮發(fā)油中高沸點(diǎn)組分較多，一些組分的含量也明顯較高,為漢源花椒的綜合開發(fā)利用提供了參考。

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