大紅袍花椒揮發(fā)油的提取及化學(xué)成分的氣相色譜-質(zhì)譜分析

樂(lè) 薇，吳士筠*，高 欣

（武漢長(zhǎng)江工商學(xué)院工學(xué)院，湖北 武漢 430065）

大紅袍花椒揮發(fā)油的提取及化學(xué)成分的氣相色譜-質(zhì)譜分析

樂(lè) 薇，吳士筠*，高 欣

（武漢長(zhǎng)江工商學(xué)院工學(xué)院，湖北 武漢 430065）

采用石油醚熱浸法提取大紅袍花椒揮發(fā)油，以揮發(fā)油的含量為考察指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化提取工藝，并利用氣相色譜-質(zhì)譜法對(duì)花椒揮發(fā)油的化學(xué)成分進(jìn)行分析。最佳工藝條件：提取劑石油醚（60～90 ℃）、料液比1∶14（g/mL）、溫度60 ℃、提取時(shí)間3 h。經(jīng)氣相色譜-質(zhì)譜法分析，分離鑒定出52種化學(xué)物，相對(duì)含量較高的有（Z）-6-十八烯酸（18.096%）、1-甲基-4-（1-甲基乙基）-1,4-環(huán)己二烯（11.462%）、棕櫚酸（7.051%）等。

花椒揮發(fā)油；石油醚；正交試驗(yàn)；氣相色譜-質(zhì)譜法

花椒是指蕓香科植物花椒（Zanthoxylum bungeanum Maxim）和青椒（Zanthoxylum schinifolium Sieb et Zucc）的干燥成熟果皮。花椒不僅是常用的食用香辛料，而且是重要的中藥配料[1]。花椒揮發(fā)油是花椒深加工產(chǎn)品，主要作為高級(jí)調(diào)味香精，還具有抗菌、殺蟲(chóng)、麻醉、抗動(dòng)脈粥樣硬化形成等多種功效[2-6]。但因一直未能解決深加工提煉技術(shù)，沒(méi)有得到更廣泛的應(yīng)用，因此研究花椒揮發(fā)油的高效提取技術(shù)十分必要。目前常用的提取方法有水蒸氣蒸餾法、溶劑提取法、微波-同時(shí)蒸餾萃取法和超臨界CO2萃取法[7-15]。雖然采用超臨界CO2萃取法具有萃取溫度低、時(shí)間短和收效高等優(yōu)點(diǎn)，但其生產(chǎn)成本較高[15]；微波-同時(shí)蒸餾萃取花椒揮發(fā)油技術(shù)在生產(chǎn)上同樣難以普及；而水蒸氣蒸餾法工藝簡(jiǎn)單、品質(zhì)好，但得率低，餾出組分相對(duì)較少，花椒揮發(fā)油提取率遠(yuǎn)不及有機(jī)溶劑提取法[16]。因此本實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)溶劑熱浸法，利用正交試驗(yàn)結(jié)合方差分析，對(duì)大紅袍花椒揮發(fā)油的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，并用氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）法對(duì)花椒揮發(fā)油進(jìn)行分離、鑒定，為綜合開(kāi)發(fā)利用花椒提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大紅袍花椒（產(chǎn)自陜西） 市購(gòu)；石油醚（60～90 ℃，分析純） 天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

HP6890N-5973MSD氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、HP-5MS彈性石英熔融毛細(xì)管柱 美國(guó)Agilent公司；RE52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；SHB-111循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；DZ-1A型真空干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；DG120型便攜式藥材粉碎機(jī) 浙江省瑞安市春海藥材器械廠。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理

將花椒果皮中殘余的籽和枝揀出，于40 ℃真空干燥24 h，取出后于粉碎機(jī)中粉碎，備用。

1.3.2 花椒揮發(fā)油提取工藝的優(yōu)化

參照文獻(xiàn)[8]、[16]的實(shí)驗(yàn)方法，略作改進(jìn)。稱取5 g的花椒粉末裝入濾紙包，封好的料包于40 ℃真空干燥2 h后精密稱質(zhì)量。將此料包放入燒瓶中，以石油醚（60～90 ℃）為溶劑，在一定料液比（1∶12、1∶13、1∶14、1∶15、1∶16（g/mL））、一定溫度（30、40、50、60、70、80 ℃）條件下提取一定時(shí)間（0.5、1、2、3、4 h），取出料包于40 ℃真空干燥3 h，精密稱質(zhì)量。在40 ℃條件下用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀真空減壓蒸餾回收溶劑，然后將花椒揮發(fā)油于相同溫度下真空干燥，并計(jì)算花椒揮發(fā)油提取率。依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)因素與水平（表1）。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table1 Factors and levels for orthogonal array design

1.3.3 氣相色譜-質(zhì)譜條件[16-18]

1.3.3.1 色譜條件

色譜柱：HP-5MS毛細(xì)管柱（30m×0.25 mm，0.25 μm）；載氣氦氣；進(jìn)樣口溫度260 ℃；柱流速1 mL/min；進(jìn)樣量0.2 μL；分流比10∶1；氣化室溫度260 ℃；升溫程序：起始溫度50 ℃，保持1 min，升溫速率8 ℃/min，升溫到260 ℃，保持3 min；溶劑延遲時(shí)間2.2 min。

1.3.3.2 質(zhì)譜條件

電子電離離子源；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；接口溫度280 ℃；電子能量70 eV；質(zhì)量掃描范圍m/z 10～40。

1.3.4 花椒揮發(fā)油提取率的計(jì)算

式中：m0為花椒粉末的質(zhì)量/g；m1為提取后料包的質(zhì)量/g；m2為提取前料包的質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 溶劑對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響

圖1 提取溶劑對(duì)大紅袍花椒揮發(fā)油提取率的影響Fig.1 Effect of different extraction solvents on extraction efficiency

考察乙醇、石油醚（60～90 ℃）、正己烷和石油醚（90～120 ℃）作溶劑時(shí)，大紅袍花椒揮發(fā)油的提取情況。發(fā)現(xiàn)乙醇提取產(chǎn)物為深褐色渾濁黏稠狀，其他3種溶劑提取產(chǎn)物為黃色透明、有強(qiáng)烈辛辣芳香氣味的油狀物。這可能是因?yàn)橐掖既芙夥秶鷱V、提取特異性低。其他3種溶劑對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響見(jiàn)圖1。石油醚（60～90 ℃）對(duì)大紅袍花椒揮發(fā)油的提取率最高，價(jià)格也比正己烷低，故選用石油醚（60～90 ℃）作為提取劑。

2.1.2 提取溫度對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響

按1.3.2節(jié)操作，以石油醚（60～90 ℃）為溶劑，考察不同提取溫度下花椒揮發(fā)油的提取率，結(jié)果如圖2所示。隨著提取溫度的升高，花椒揮發(fā)油基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，70 ℃時(shí)提取率最高，再升高溫度提取率反而下降，這是因?yàn)?0 ℃時(shí)石油醚揮發(fā)較快，導(dǎo)致溶劑量減小，從而影響提取率。由于60 ℃和70 ℃條件下提取率相差不太，從成本考慮，提取溫度定為60 ℃。

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響

圖3 提取時(shí)間對(duì)大紅袍花椒揮發(fā)油提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction efficiency

按1.3.2節(jié)操作，在6 0℃條件下，以石油醚（60～90 ℃）為溶劑，考察提取時(shí)間對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響，如圖3所示。隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，花椒揮發(fā)油的提取率逐漸增大，提取2 h后，花椒揮發(fā)油的提取率趨于穩(wěn)定，因此提取時(shí)間選定為2 h。

2.1.4 料液比對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響

圖4 料液比對(duì)大紅袍花椒揮發(fā)油提取率的影響Fig.4 Effect of solid-to-solvent ratio on extraction efficiency

按1.3.2節(jié)操作，在6 0 ℃條件下，以石油醚（60～90 ℃）為溶劑，考察在完全浸沒(méi)料包的情況下，料液比對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響，如圖4所示。隨著有機(jī)溶劑體積的增大，花椒揮發(fā)油提取率呈現(xiàn)平緩上升趨勢(shì)。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，選擇1∶14為適宜的料液比。

2.2 正交試驗(yàn)優(yōu)化花椒揮發(fā)油提取工藝

以石油醚（60～90 ℃）為提取溶劑，進(jìn)行正交試驗(yàn)。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table2 Orthogonal array e xperimental design and results

表3 方差分析結(jié)果Table3 Analysis of variance for the xperimental results of orthogonal array dessiiggnn

由表2、3可知，溫度和時(shí)間的F值大于F臨界值，對(duì)大紅袍花椒揮發(fā)油提取率的影響達(dá)到顯著水平。影響大紅袍花椒揮發(fā)油提取率的因素為A（溫度）＞C（時(shí)間）＞B（料液比）。通過(guò)正交試驗(yàn)和方差分析得出大紅袍花椒揮發(fā)油最佳提取工藝組合為A3B2C3，即以石油醚（60～90 ℃）為提取劑，在料液比1∶14（g/mL）、60 ℃條件下提取3 h。

2.3 方法的重復(fù)性

在最佳工藝條件下，對(duì)大紅袍花椒揮發(fā)油的提取進(jìn)行了3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性較好，方法穩(wěn)定可行。

表4 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果（n==33）Table4 Repeatability of the optimized extraction procedure (n == 33))

2.4 提取次數(shù)對(duì)提取率的影響

在上述最佳條件下，研究提取次數(shù)對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。隨著提取次數(shù)的增加，花椒揮發(fā)油的提取率逐漸增大，但當(dāng)提取次數(shù)大于2后，提取率增加很緩慢，說(shuō)明經(jīng)過(guò)2次提取，花椒揮發(fā)油已基本提取完全，故提取次數(shù)為2次。

表5 提取次數(shù)對(duì)花椒揮發(fā)油提取率的影響Table5 Effect of number of extraction cycles on extraction efficiency

綜合上述結(jié)果，大紅袍花椒揮發(fā)油的最佳提取工藝為：以石油醚（60～90 ℃）為提取劑，在料液比1∶14（g/mL）、溫度60 ℃，提取2次，每次提取3 h。

2.5 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析

圖5 大紅袍花椒揮發(fā)油總離子流色譜圖Fig.5 Total ion chromatogram of volatile oil from Zanthoxylum bungeanum Maxim

對(duì)大紅袍花椒揮發(fā)油進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析，結(jié)果見(jiàn)圖5、表6。大紅袍花椒揮發(fā)油共分離鑒定出52種化學(xué)物，烴類化合物36種，占揮發(fā)油的59.53%，有機(jī)酸3種，占揮發(fā)油的28.38%，在已鑒定的化合物中，相對(duì)含量在1%以上者有23種，占被檢出物質(zhì)總量的85.79%。相對(duì)成分較高的有（Z）-6-十八烯酸（18.096%），1-甲基-4-（1-甲基乙基）-1,4-環(huán)己二烯（11.462%）、棕櫚酸（7.051%）等。花椒揮發(fā)油中，不飽和脂肪酸是具有多種優(yōu)勢(shì)的脂肪酸，它對(duì)難吸收的抗菌物質(zhì)、抗癌劑等藥品有顯著的促進(jìn)吸收效果，對(duì)前列腺素質(zhì)有調(diào)節(jié)功能，亞油酸等還是安全性高的抗癌藥物[19]；3-蒈烯、檸檬烯、石竹烯等是天然精油中重要的萜烯組分，為天然食品用香料可直接使用，具有多種生理作用，如蒈烯具有抗菌、抗炎作用[20]；檸檬烯有很好的抗癌活性[21]；石竹烯具有局麻、抗炎、趨蚊蟲(chóng)、抗焦慮抑郁等作用[22-23]。

表6 大紅袍花椒揮發(fā)油中化學(xué)成分鑒定結(jié)果Table6 Chemical components in volatile oil from from Zanthoanthoxylum bungeanum

續(xù)表6

主要化合物檢出情況與有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道有差別，文獻(xiàn)[24-25]報(bào)道含量較高的月桂烯未被檢出，而在本研究中被檢出含量居前兩位的化合物，則未見(jiàn)報(bào)道。檢出物質(zhì)種類、含量等方面的差異除與花椒產(chǎn)地、氣候、生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)外，還與提取條件有密切關(guān)系。已報(bào)道的文獻(xiàn)，多采用水蒸氣蒸餾或乙醚提取，而本研究中采用極性更低的石油醚做溶劑，因此其提取的揮發(fā)油中非極性成分較多。同時(shí)化合物1～8為低碳原子數(shù)的飽和烷烴，可能有兩種來(lái)源：1）花椒揮發(fā)油自身的成分；2）石油醚某些成分與揮發(fā)油形成了共沸物，造成溶劑殘留，這還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)選取花椒揮發(fā)油提取率作為優(yōu)選正交試驗(yàn)的考察指標(biāo)，優(yōu)化了提取方法，并通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法對(duì)花椒揮發(fā)油進(jìn)行分離、鑒定。方法簡(jiǎn)單、易行、重復(fù)性好，為有機(jī)溶劑熱浸法提取大紅袍花椒揮發(fā)油的工藝提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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Extraction and Composition Analysis by Gas Chromatography-Mass Spectrometry of Volatile Oil from Zanthoxylum bungeanum Maxim

YUE Wei, WU Shi-jun*, GAO Xin
(College of Engineering, Wuhan Yangtze Business University, Wuhan 430065, China)

The volatile oil of Zanthoxylum bungeanum Maxim (Dahongpao cultivar) was extracted with hot petroleum ether. The extraction parameters were optimized using orthogonal array design to obtain maximum extraction efficiency of volatile oil. The chemical constituents of the volatile oil were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GCMS). The results showed that the optimal extraction conditions determined were as follows: material to liquid ratio, 1:14 with petroleum ether (60–90 ℃) as extraction solvent; extraction temperature, 60 ℃, and extraction time, 3 h. A total of 52 compounds were identified by GC-MS, mainly including 6-octadecenoic acid (18.096%), 1-methyl-4-(1-methyl ethyl)-1,4 cycloheXadiene (11.462%), and palmitic acid (7.051%).

essential oil of Zanthoxylum bungeanum Maxim; petroleum ether; orthogonal array design; gas chromatographymass spectrometry (GC-MS)

TS207.3

A

1002-6630（2014）02-0261-05

10.7506/spkx1002-6630-201402051

2013-01-23

樂(lè)薇（1979—），女，講師，碩士，研究方向?yàn)樯锓治觥-mail：yuewei11@126.com

*通信作者：吳士筠（1950—），女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，本科，研究方向?yàn)樯锓治觥-mail：wusj5721@sina.com