基于GC-MS對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.南陽醫(yī)學高等專科學校，河南 南陽 473000；2.鄭州輕工業(yè)大學，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]，我國一共有45種花椒，是全球花椒種植面積最大的國家之一[3]，除我國的新疆、內蒙古和東北等少數(shù)地區(qū)外，其他省份均有分布，主要分布于我國長江以南[4]，如四川漢源、重慶江津、貴州、山東和河北等地。花椒屬于小型灌木，有特殊香氣，在莖干的表面有小刺[5]。

花椒的果皮作為調味品，深受消費者的喜愛，被稱為“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)學上來看，花椒主要有治療腹瀉、保肝、保護心臟、降血壓和抗癌等多種生物活性功能[8]。花椒樹作為我國西部的經(jīng)濟林，保持水土的樹種發(fā)展，由于花椒樹抗旱、喜光和耐貧瘠，所以其具有較大的生態(tài)價值和經(jīng)濟價值[9]。

花椒中的揮發(fā)油又被稱為花椒精油，具有芳香氣味[10]，能夠隨著水蒸氣被蒸餾出來，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、醇類和環(huán)氧化合物類，這些成分在殺蟲和抑制微生物生長方面具有明顯的作用[13-14]。

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

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

花椒(購于當?shù)厥袌?、乙醇、丙酮、甲醇、無水硫酸鈉、正己烷。

1.2 儀器和設備

微波合成反應儀 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-質譜聯(lián)用儀 天瑞儀器股份有限公司；移液槍；電子天平、多功能粉碎機 上海儀器科技有限公司。

1.3 試驗方法

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目的篩子進行過篩，然后將其放入燒瓶中，加入水進行浸泡，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，之后使用無水硫酸鈉進行干燥，本試驗將微波功率、提取時間和提取溫度作為變量因素，以揮發(fā)油提取量作為指標，進行單因素試驗和正交試驗[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，之后將燒瓶放入實驗室的微波合成儀器中進行加熱，收集上層油相，再用硫酸鈉干燥獲得花椒精油。計算花椒精油的得率[17]：

花椒精油得率(%)=花椒揮發(fā)油質量/所用花椒質量×100%。

1.3.3 單因素試驗

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

當研究微波功率對花椒揮發(fā)油的影響時，控制提取時間為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)對花椒揮發(fā)油提取率的影響。當研究提取時間對花椒揮發(fā)油提取率的影響時，控制微波功率為500 W，提取溫度為100 ℃，研究不同提取時間(20，40，60，80，100，120 min)對花椒揮發(fā)油提取率的影響。當研究提取溫度對花椒揮發(fā)油提取率的影響時，控制微波功率為500 W和提取時間為80 min，研究不同提取溫度(70，80，90，100，110，120 ℃)對花椒揮發(fā)油提取率的影響。

1.3.4 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結果，采用正交試驗進行優(yōu)化，以微波功率、提取時間和提取溫度作為變量因素，以花椒揮發(fā)油提取率作為評價指標，進行三因素三水平正交試驗，從而確定花椒揮發(fā)油的最佳提取工藝。正交試驗因素與水平設計見表1。

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

2 結果與討論

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，當微波功率小于500 W時，花椒揮發(fā)油提取率呈現(xiàn)升高的趨勢；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。這是由于當微波功率小于500 W時，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]。當微波功率為500 W時，花椒揮發(fā)油的提取率最高，為2.2%。

圖1 微波功率對花椒揮發(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 提取時間對花椒揮發(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間的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當提取時間為0～20 min時，花椒揮發(fā)油的提取率開始緩緩升高，當提取時間為20～60 min時，花椒揮發(fā)油的提取率快速增加，當提取時間為60～80 min時，花椒揮發(fā)油的提取率緩緩增加。當提取時間大于80 min時，花椒揮發(fā)油的提取率緩緩下降。這是由于隨著提取時間的增加，花椒中的一些雜質被提取出來，從而影響了花椒油的提取[19]。當提取時間為80 min時，花椒揮發(fā)油的提取率最高，為2.2%。

圖2 提取時間對花椒揮發(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，當提取溫度小于100 ℃時，花椒揮發(fā)油的提取率逐漸升高，但當提取溫度大于100 ℃時，花椒揮發(fā)油的提取率呈現(xiàn)下降的趨勢。當提取溫度為100 ℃時，花椒揮發(fā)油的提取率最高，為2.1%。

圖3 提取溫度對花椒揮發(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 正交試驗及結果分析

根據(jù)單因素試驗結果，將微波功率、提取時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，進行正交試驗，正交試驗設計及揮發(fā)油的提取率見表2。

表2 正交試驗設計及揮發(fā)油提取率Table 2 Orthogonal test design and extraction rate of volatile oil

由表2可知，3個影響因素對花椒揮發(fā)油提取率的影響順序為C>B>A，即提取溫度>提取時間>微波功率，提取溫度對花椒揮發(fā)油提取率的影響最大，而微波功率對揮發(fā)油提取率的影響最小。花椒揮發(fā)油的最佳提取工藝為A0B1C1，即微波功率為400 W，提取時間為80 min，提取溫度為100 ℃。此時，花椒揮發(fā)油的提取率為 2.24%。

2.3 基于GC-MS法對花椒揮發(fā)油的香氣成分進行分析

基于GC-MS法對SFME法提取的花椒揮發(fā)油進行分析，發(fā)現(xiàn)含有13種化合物，見表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源。

采用頂空固相萃取法提取的花椒揮發(fā)油中，一共檢測到20種化學成分，見表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)油化學成分的多樣性，結果表明，不同提取方法獲得的揮發(fā)油化學成分具有明顯差異。由表3和表4可知，無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成分種類更多，而采用SFME法獲得的花椒油揮發(fā)性成分種類更少。

3 小結

花椒揮發(fā)油的揮發(fā)性強味，是一種非常具有開發(fā)價值的資源，近些年來，采用微波輔助法提取植物精油的報道也越來越多[20]。為了研究不同提取條件對花椒揮發(fā)油提取率的影響，采用單因素試驗和正交試驗，對花椒揮發(fā)油的提取工藝進行優(yōu)化。研究結果表明，花椒揮發(fā)油的最佳提取工藝為微波功率400 W、提取時間80 min、提取溫度100 ℃，此時，花椒揮發(fā)油的提取率為2.24%。采用不同的方法對花椒揮發(fā)油進行提取，花椒揮發(fā)油中的揮發(fā)性化學成分有明顯差異，用頂空固相微萃取法提取的花椒揮發(fā)性物質中一共檢測到20種揮發(fā)性成分，而用SFME法提取的花椒揮發(fā)性物質中一共檢測到13種揮發(fā)性成分，說明采用頂空固相萃取法提取獲得的花椒揮發(fā)油中化學成分種類更多。