正交實驗法優(yōu)選金刺梨花精油提取工藝條件

柯楊，程友史，鐘漫，周貴付，趙榮飛

（1.安順學(xué)院貴州省教育廳功能材料與資源化學(xué)特色重點實驗室化學(xué)化工學(xué)院，貴州安順561000；2.安順市林業(yè)科學(xué)研究所，貴州安順561000）

安順金刺梨又名無籽刺梨，屬薔薇科薔薇屬，是多年生常綠叢生灌木，也是貴州特有種系，果實成熟時呈金黃色，沒有野生刺梨的表皮毛刺及果核，果肉厚，口感酸甜適中，營養(yǎng)豐富[1-2]。金刺梨具有抗衰老等作用，其含糖量是普通刺梨的6倍以上，幾乎沒有單寧，VC、VP和超氧化物歧化酶的含量雄冠世界所有水果之首，有三王水果之稱[3]。安順市已將金刺梨作為安順特色農(nóng)業(yè)發(fā)展，目前在郊區(qū)已有大面積栽種，2015年安順金刺梨種植面積將達(dá)到13萬公頃以上。金刺梨花5月開花，花形大于野生刺梨花，花瓣呈淺粉紅色，具有特殊的香氣，花期一個月左右[4]。金刺梨花具有生長快、花色美、冠幅大、產(chǎn)量大等優(yōu)點，可以食用，性甘平，主治痢疾、腹瀉，有藥用價值，可作為活性物質(zhì)深度開發(fā)的原料[5]。花精油的應(yīng)用廣泛，在保健品、營養(yǎng)品、藥用制品、化妝品開發(fā)等方面具有極大的優(yōu)越性，對金刺梨花進(jìn)行深加工，提取金刺梨花精油，可增加產(chǎn)品附加值，不斷提高產(chǎn)品的市場競爭力[6]。目前花精油的提取方法主要有壓榨法、冷浸法、蒸餾法、亞臨界水萃取法等[7]。水蒸汽蒸餾法屬于傳統(tǒng)提取法，具有無污染，低成本，所需設(shè)備簡單，操作簡便等特點，因此廣泛應(yīng)用于植物精油的提取，例如玫瑰花、金蓮花等植物中揮發(fā)油的提取[8-9]。本文用開花后期的金刺梨花作為原料，采用水蒸氣蒸餾法提取金刺梨花精油，并用正交實驗法優(yōu)選最佳提取工藝條件，可為工業(yè)生產(chǎn)提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

金刺梨花：購于安順市平壩縣白云鎮(zhèn)高寨村。

1.1.2 試劑

無水硫酸鈉：分析純，國藥試劑；乙醚：分析純，國藥試劑。

1.1.3 儀器

98-1-C型數(shù)字控溫加熱套：天津市泰斯特儀器有限公司；水蒸氣蒸餾裝置：北京厚惠實驗儀器科技有限公司；新型微型化學(xué)儀器制備儀：安徽天長市長城玻璃儀器制造廠；SHZ-Ⅲ型循環(huán)水泵：上海亞榮生化儀器廠；AB204-N型電子分析天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；GC-MS-QP2010氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：日本SHIMADZU公司

1.2 方法

1.2.1 金刺梨花的預(yù)處理

金刺梨花花期僅30 d左右，新鮮金刺梨花不易保存，不利于工業(yè)化生產(chǎn)，故選用晾干后的金刺梨花作為原料提取精油。新鮮金刺梨花可選用開花后期接近或已掉落不久的花瓣，不僅不影響刺梨的掛果，而且晾干后的金刺梨花易于保存，可在非花期用于提取精油。

1.2.2 金刺梨花精油的提取

采用水蒸氣蒸餾法進(jìn)行提取。準(zhǔn)確稱取一定量的金刺梨干花，用一定濃度的鹽水浸泡一段時間，置于水蒸氣蒸餾裝置中，調(diào)整火力，讓餾出液以1滴/s的速度餾出。為方便收集精油，可在集液瓶中加少量無水乙醚，提取完畢后，分出乙醚層，用無水Na2SO4干燥，減壓蒸餾快速除去乙醚，稱量瓶重，計算金刺梨花精油的提取率。

1.2.3 金刺梨花精油提取率的計算

1.2.4 影響金刺梨花精油提取率主要因素的選擇

選擇蒸餾時間、料液比、鹽水濃度作為考察因素，實驗中不考慮交互作用影響，選擇L9（33）設(shè)計三因素三水平實驗，確定水蒸氣蒸餾法提取金刺梨花精油的最佳工藝條件。

1.2.5 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析條件

分析的GC條件：VF-WAXMS石英毛細(xì)管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 μm）；柱溫 30 ℃～230℃；程序升溫：初始溫度30℃保持3min，以5.6℃/min至100℃，保持1min，以3.1℃/min至125℃，以13℃/min至230℃保持17.44 min；柱流量為1.10 mL/min；進(jìn)樣口溫度260 ℃；柱前壓 52.7 kpa；進(jìn)樣量 1.0 μL；分流比 20 ∶1；載氣為高純氦氣。

分析的MS條件：EI離子源；電子能量70 ev；離子源溫度200℃；接口溫度270℃；質(zhì)量掃描范圍33～450；倍增器電壓1.1 Kv。

化學(xué)成分的定性：利用計算機(jī)譜庫檢索對質(zhì)譜圖進(jìn)行檢索和比對，結(jié)合人工解析，對金刺梨花精油的化學(xué)成分進(jìn)行鑒定。

2 實驗部分

2.1 提取金刺梨花精油的單因素實驗

2.1.1 鹽水濃度對精油提取率的影響

稱取金刺梨干花10.0 g，用水蒸氣蒸餾法進(jìn)行提取，提取時間 7 h，料液比 1 ∶20（g∶mL），鹽水濃度分別為1%、2%、3%、4%、5%，分別測試不同鹽水濃度下金刺梨花精油的提取率，結(jié)果見圖1。

圖1 鹽水濃度對提取率的影響Fig.1 Effect of concentration of salt solution on extraction rate

許多花精油的提取可用鹽水替代蒸餾水以提高提取率，如沙棗花精油的提取[10]。由圖1可知，鹽水濃度增加，可以增加精油的提取率，分析原因可能是鹽水能降低精油在水中的溶解度，從而提高精油的提取率，考慮到減少成本的因素，選取濃度為4%左右的鹽水較合適。

2.1.2 液料比對精油提取率的影響

稱取金刺梨干花10.0 g，用水蒸氣蒸餾法進(jìn)行提取，提取時間7 h，鹽水濃度為4%，分別測試料液比為1 ∶17、1 ∶18、1 ∶19、1 ∶20、1 ∶21（g/mL）對提取金刺梨花精油的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，料液比過低會降低精油的提取率，分析原因可能是金刺梨干花在浸泡過程中會吸收水分，鹽水過少會導(dǎo)致在加熱過程中產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，使得精油的提取率降低；鹽水過多，成本增加的同時，精油在水溶液中的溶解量也會增加，使得精油的提取率減小，因而選取1∶20（g∶mL）的料液比較合適。

圖2 料液比對提取率的影響Fig.2 Effect of solid to liquid ratio on extraction rate

2.1.3 提取時間對精刺梨精油提取率的影響

稱取金刺梨花10.0 g，用水蒸氣蒸餾法提取精油，料液比1∶20，鹽水濃度為4%，蒸餾時間分別為4、5、6、7、8 h，不同蒸餾時間對金刺梨花精油提取率的影響見圖3。

圖3 提取時間對提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate

由圖3得知，隨著蒸餾時間增長，精油的提取率增加，蒸餾時間過長，不僅使成本增加，而且精油的提取率也沒有太大提高，蒸餾時間為7 h提取率最佳。通過實驗得知，蒸餾時間為4 h時真空尾接管里透出較濃的香氣，蒸餾6 h時真空尾接管里透出的香氣較淡，7 h時基本沒有香氣，進(jìn)一步驗證了上述實驗結(jié)果，因而蒸餾時間為7 h較合適。

2.1.4 正交試驗因素水平設(shè)計

選擇蒸餾時間、料液比、鹽水濃度作為考察因素，正交實驗因素水平設(shè)計見表1。

表1 正交試驗因素水平設(shè)計Table 1 Factor levels of orthogonal experiment design

2.1.5 提取金刺梨花精油的正交試驗

以金刺梨精油的提取率為評價指標(biāo)，選取正交表L9（33）設(shè)計三因素三水平共9組實驗，各因素水平對精油提取率的影響數(shù)據(jù)見表2。

表2 提取金刺梨花精油正交試驗結(jié)果及分析表Table 2 Orthogonal experiment and results about extraction of rosa sterilis flower essential oil

從表2可知，3個因素對實驗結(jié)果影響大小為：蒸餾時間（B）＞料液比（C）＞鹽水濃度（A），蒸餾時間對金刺梨花精油的提取率存在顯著性影響，料液比有明顯影響，鹽水濃度影響不顯著。水蒸餾法提取金刺梨花精油最佳提取工藝組合為B3C3A3，即蒸餾時間7 h，料液比 1∶20（g∶mL），鹽水濃度 4%。

2.2 驗證實驗及金刺梨花精油得率的測定

按照正交實驗優(yōu)選出的最佳提取組合方案B3C3A3做6組平行實驗，所得金刺梨花精油平均提取率為0.748%，高于表2中的最高得率0.714%。

2.3 金刺梨花精油的主要成分分析

通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析金刺梨花精油組成，獲得GC-MS分析的總離子流色譜圖，見圖4，通過譜庫檢索及人工圖譜解析，檢測出19種化合物，得到各種化合物的相對含量數(shù)據(jù)，金刺梨花精油成分分析如表3所示。

圖4 金刺梨花精油的總離子流色譜圖Fig.4 Total ion chromatograms of rosa sterilis flower essential oil

表3 金刺梨花精油成分分析Table 3 Component analysis of volatile oil from rosa sterilis flower

由表3知，金刺梨花精油的主要成分是高級烴類、醛類、醇酚類、烯類、有機(jī)酸類，各類物質(zhì)含量較高的是11-癸二十四烷（19.77%），十一醛（10.80%），另外，還檢測出了十四烷醛、二叔丁基對羥基甲苯、2，4，4-三乙基-1-己烯、2-甲基-2-乙基十三醇等揮發(fā)性物質(zhì)。

3 結(jié)論

從金刺梨干花中提取的精油是白色固液混和物，不溶于水，易溶于有機(jī)試劑，有沁人心脾的獨特香氣。采用水蒸氣蒸餾法提取金刺梨花精油，以精油提取率為考察指標(biāo)，通過正交實驗法研究了料液比、蒸餾時間和鹽水濃度對提取金刺梨花精油產(chǎn)率的影響，優(yōu)選提取金刺梨花精油的最佳工藝條件。實驗結(jié)果表明，蒸餾時間是影響金刺梨精油的抽取率的主要因素，其次是料液比，鹽水濃度的影響最小。最佳提取工藝條件為：料液比 1 ∶20（g∶mL）、蒸餾時間 7 h、鹽水濃度4%，驗證實驗表明，在此條件下以金刺梨干花為原料提取金刺梨精油，提取率可達(dá)0.748%。金刺梨精油經(jīng)過GC-MS分析，通過檢索譜圖，初步鑒定出19種化學(xué)物質(zhì)，高級烴類占53.58%，共8種；醛類占18.61%，共2種；醇酚類占13.17%，共3種；烯類占9.87%，共3種；酸類占2.21%，共2種；醚類占2.55%，共1種。

[1] 林源,唐軍榮,田斌,等.無籽刺梨的研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(4)：122-124

[2] 付慧曉,王道平,黃麗榮,等.刺梨和無籽刺梨揮發(fā)性香氣成分分析[J].精細(xì)化工,2012,29(9)：875-878

[3] 唐玲,陳月玲,王電,等.刺梨產(chǎn)品研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J].食品工業(yè),2013,34(1)：175-178

[4] 劉松,趙德剛.無籽刺梨(Rosa kweichonensis var.sterilis)研究進(jìn)展[J].山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報,2014,33(1)：76-80

[5] 韋景楓,程友忠,蒙先舉,等.無籽刺梨生物學(xué)特性觀察[J].中國林副特產(chǎn),2012(6)：27-29

[6] 程劼,謝建春,孫寶國.國產(chǎn)玫瑰精油的化學(xué)成分及香氣特征[J].中國食品添加劑,2007(5)：66-70

[7] 應(yīng)麗亞,蘇平.亞臨界水萃取技術(shù)在植物精油提取中的應(yīng)用潛力[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2011(5)：142-145

[8] 余峰,張彬,周武,等.玫瑰精油的提取和理化性質(zhì)分析[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā),2012(6)：784-789

[9] 王建玲,倪克平,姬小明,等.金蓮花揮發(fā)油GC-MS分析及單料煙加香應(yīng)用研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2012(5)：121-124

[10]王雅,趙坤,趙萍,等.沙棗花精油提取工藝優(yōu)化及開花周期精油含量質(zhì)量研究[J].食品工業(yè)科技,2008(5)：92-94