超声波辅助提取香椿叶挥发成分的工艺优化

杨月云,王小光,郜蒙蒙

(周口师范学院化学系,河南周口 466001)

超声波辅助提取香椿叶挥发成分的工艺优化

杨月云,王小光,郜蒙蒙

(周口师范学院化学系,河南周口 466001)

为研究香椿叶挥发成分,在单因素实验基础上,运用正交实验设计对超声波辅助提取香椿叶挥发成分的工艺条件进行优化,考察了原料粒度、超声萃取时间、液料比对香椿叶挥发成分得率的影响。结果表明,影响香椿叶挥发成分得率的因素从大到小依次为超声时间、原料粒度、料液比;最佳工艺条件为原料粒度100目、超声萃取时间20 min、料液比l:30(g:mL),此条件下,香椿叶挥发成分得率为6.42%。利用气相色谱-质谱联用法对香椿叶挥发成分进行分析。共鉴定并确定了其中73种化合物,占挥发油总量的66.95%。其主要化合物为酯类、噻吩类、萜烯类和烷烃类化合物。

香椿叶,超声辅助萃取,工艺优化,GC-MS

香椿因其叶片有特殊香气而得名,香椿叶不仅可供蔬食,还有一定的药用价值[1-3]。它的独特风味和部分药用价值来源于它的挥发性成分[4]。目前,国内提取挥发油成分的主要方法有传统的水蒸气蒸馏法[5-7]、蒸馏-萃取法[8]、超临界CO2流体萃取法[9-10]、顶空固相微萃取法[11-12]、微波萃取法[13-14],超声波辅助提取法。超声波辅助提取法是利用超声波产生的强烈振动及空化效应使植物细胞壁迅速破裂,而超声波的振动、搅拌等次级效应可以加速有效成分溶出并与溶剂充分混合,从而缩短提取时间,提高产物得率,并有效避免高温对有效成分的破坏,具有操作简便,经济、省时、高效、产品品质高等优点,已被广泛应用于天然产物有效成分的提取。本研究以乙醚为溶剂,采用超声波辅助提取法提取香椿叶挥发成分,对提取工艺进行优化;并采用气相色谱-质谱联用技术对香椿叶挥发成分进行分析,旨在为香椿的开发利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

乙醚 洛阳市化学试剂厂;无水硫酸钠 天津市福晨化学试剂厂;氯化钠 天津市风船化学试剂科技有限公司;新鲜香椿叶 2014年4月购于河南省周口市蔬菜市场。除香椿叶外,以上试剂均为分析纯。

KQ-500超声波萃取仪 昆山市超声仪器有限公司;AL204电子天平 梅特勒-托利多;SHB-Ⅲ循环水式真空泵 郑州欧卡仪器设备有限公司;PolarisQ ITQ 1100气相色谱质谱联用仪 美国赛默飞世尓科技有限公司。

1.2 样品制备

香椿叶洗净后用2%的盐水浸泡5 h后阴干至恒重,将干燥的叶子研钵研碎,过不同目数网筛。取1 g预处理好的香椿叶粉末,加入适量乙醚,放入超声波萃取仪进行超声辅助萃取(冰水混合物中),将萃取液真空抽滤,回收乙醚,用无水Na2SO4干燥后称重,计算挥发成分得率。

香椿叶挥发成分得率(%)=香椿叶挥发成分重量(g)/香椿叶重量(g)×100

1.3 单因素实验

采用超声波萃取法,以乙醚为萃取剂,设计单因素实验,分别考察原料粒度(20、40、60、80、100目),料液比[1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60(g∶mL)]以及超声时间(15、20、25、30、35 min)对香椿叶挥发成分得率的影响。

1.4 正交实验

在单因素的基础上,设计L9(33)正交实验(表1),考察原料粒度、萃取时间和料液比3个因素对香椿叶挥发成分得率的影响,确定香椿叶挥发成分的最佳提取工艺条件。

表1 正交因素及水平表

1.5 GC-MS分析条件

气相色谱条件:色谱柱:TR5石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),程序升温:初始温度为50 ℃,保持1 min后,以5 ℃/min升至100 ℃,保持1 min,再以10 ℃/min升至240 ℃,保持5 min;载气为高纯氦气;进样口温度:250 ℃,进样量:1 μL。

质谱条件:离子源为EI源;电子能量:70 eV;扫描范围:50～650 u;离子源温度:220 ℃;传输线温度:220 ℃;NIST2005标准谱库检索。

1.6 数据统计分析

用面积归一化法计算各组分的相对质量分数,对相对质量分数大于0.01%的成分进行积分并鉴定。对总离子流图中各色谱峰相应的质谱图进行NIST2005版谱库检索、人工谱图解析,根据各峰的质谱裂片,参考有关文献和手册对基峰、质核比和相对峰度等方面进行比较,分别对各峰加以确认,并且根据保留时间和其他可靠的质谱标准进行最后鉴定。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 原料粒度对香椿叶挥发成分得率的影响 原料粒度对香椿叶挥发成分得率的影响见图1。由图1可以看出,原料粒度为20目时,挥发成分得率很低,这是由于原料颗粒较大时,比表面积较小,原料不能与溶剂充分接触,导致有效成分溶出少,因此得率较低。随着原料颗粒的减小,挥发油得率迅速提高。当原料粒度为80目时,香椿叶挥发成分得率达到最大。但是当原料颗粒继续减小时,挥发成分得率稍有下降。出现这种状况的原因是由于原料粒度过小时易发生沉降,粘黏,甚至板结,堆积密度变大,通透性变差,传质阻力增加,致使溶剂沿阻力小的路径运动,使萃取显著不均匀,从而降低了挥发成分得率[15]。由此可知,原料粒度以80目结果较好。

图1 原料粒度对香椿叶挥发油得率的影响Fig.1 Effects of raw material size on toona sinensis leaves oil yield

2.1.2 料液比对香椿叶挥发成分得率的影响 不同的料液比对香椿叶挥发成分得率的影响见图2。

图2 料液比对香椿叶挥发油得率的影响Fig.2 Effects of solid-liquid ratio on toona sinensis leaves oil yield

由图2可以看出香椿叶挥发成分得率随着溶剂的增加迅速提高,当液料比为1∶40(g∶mL)时得率达到最大,之后随着溶剂的增加,得率反而下降。这是由于随着溶剂量增加,传质速度加快,挥发物质的得率提高,但溶剂用量过高会造成超声负荷增加、提取时间延长以及资源浪费。因此,料液比选1∶40(g∶mL)左右较宜。

表3 方差分析表

注:F0.05值F0.01值极显著(**);F值

2.1.3 超声时间对香椿叶挥发成分得率的影响 超声时间对香椿叶挥发成分得率的影响如图3所示,随着超声时间的延长,挥发成分得率迅速提高,25 min时达到最大,之后继续延长超声时间,挥发油得率反而下降。分析其主要原因可能是由于细胞内外存在着较大的浓度差,在超声波萃取前期有效成分迅速从细胞中溶出,但随着超声处理时间的延长,细胞内外的浓度差减小,加之超声波产生的大量热量和空化效应对挥发成分有所破坏,从而导致得率下降。因此,超声时间以25 min效果最好。

图3 超声时间对香椿叶挥发油得率的影响Fig.3 Effects of ultrasonic extraction time on toona sinensis leaves oil yield

2.2 正交实验及结果分析

极差分析结果(表2)表明,各因素对香椿叶挥发成分得率的影响从大到小依次为B超声时间、A原料粒度、C料液比,即B>A>C。由表3可知,B因素达到极显著水平(F值>F0.01值极显著),A因素达到显著水平(F0.05值

2.3 香椿叶挥发成分的GC-MS分析

采用GC-MS分析香椿叶挥发成分,共分析出73种主要化学物质,见表3(组分的相对含量经数据处理系统按峰面积归一法计算得出,已确定组分占总色谱峰面积的66.95%)。由表3可以看出香椿叶挥发成分主要有酯类、萜烯类、酸类、含硫化合物和长链烷烃类等。其中含量最多的是花生四烯酸乙酯(6.98%)、苯并噻唑(4.6%)、十五烷酸甲酯(4.28%)、正二十一烷(3.59%)、β-石竹烯(3.15%)、苯甲酸己酯(2.87%)、邻苯二甲酸丁辛酯(2.86%)、柠檬烯(2.24%)、二十七烷(1.77%)、棕榈酸(1.63%)等成分。这一结果与文献报道[12,16]存在一定的差异,可能是由于采摘期和原料产地不同造成。

表2 L9(33)正交实验结果

表3 香椿叶挥发成分表

续表

3 结论

本实验采用超声波辅助技术提取香椿叶挥发成分,运用正交实验设计优化提取工艺,通过正交实验结果的极差分析和方差分析表明,影响香椿叶挥发成分得率的因素从大到小依次为B超声时间、A原料粒度、C料液比,其中,B超声时间对提取结果影响极显著,A原料粒度影响显著,结合实际分析得到提取香椿叶挥发成分的最佳工艺条件为原料粒度100目,超声萃取时间20 min,料液比1∶30(g∶mL),在此条件下,验证实验的平均得率为6.42%,高于正交实验其他组合的结果,相对标准偏差(RSD)为0.0252%,重现性好,说明该工艺稳定可行,利用该方法提取香椿叶挥发成分,快速,高效,节省溶剂;利用气相色谱质谱联用仪对香椿叶挥发成分进行分析发现河南周口香椿叶主要成分为酯类、噻吩类、萜烯类和烷烃类化合物,而刘常金[12]对河南焦作红香椿的研究表明,其挥发性成分主要为萜烯类化合物和噻吩类化合物,这可能是由于原料产地、原料品种及采摘时间不同造成的分析结果差异。

[1]扶雄,张伟,朱思明,等.香椿叶多酚的提取分离及其体外对糖尿病关键酶活性的抑制作用[J].现代食品科技,2014,30(7):10-15;62.

[2]黄诗琪,冯卫华,于立梅,等.香椿多酚抑菌特性研究[J].食品科技,2013,38(11):212-216.

[3]赵二劳,冯冬艳,武宇芳,等.香椿叶提取物抗氧化及抑菌活性研究[J].河南工业大学学报,2013,34(6):69-72.

[4]董竞,杨婉秋,王曼,等.云南玉溪香椿果特征香气成分分析[J].食品科学,2013,34(4):217-220.

[5]刘信平,张驰,余爱农,等.香椿挥发性化学成分的研究[J].精细化工,2008,25(1):41-44.

[6]MU Ruimin,WANG Xiangrong,LIU Sixiu,et al.Rapid determination of volatile compounds in Toona sinensis (A.Juss.)Roem. by MAEHS-SPME followed by GC-MS[J]. Chromatographia,2007,65(7):463-467.

[7]张仕娜,刘锡葵. 食用香椿香味成分分析[J].昆明师范高等专科学校学报,2005(4):3-6.

[8]王昌禄,高蕾,刘常金,等.不同产地香椿籽风味物质提取及成分分析[J].食品与机械,2007,23(2):83-85.

[9]邱琴,刘静,陈婷婷,等.不同方法提取的香椿子挥发油的气质联用成分分析[J].药物分析杂志,2007(3):400-405.

[10]惠秋沙,金锋.香椿芽超临界二氧化碳流体萃取物挥发性成分的气相色谱-质谱联用分析[J].时珍国医国药,2008,19(6):1429-1430.

[11]陈丛瑾,杨国恩,袁列江,等.HS-SPME/GC-MS法分析香椿芽、叶的挥发性化学成分[J].精细化工,2009,26(11):1080-1084.

[12]刘常金,张杰,周争艳,等.GC-MS分析比较3个特产香椿品种的挥发性成分[J].食品科学,2013,34(20):261-267.

[13]李秀信,王建华,刘莉丽,等.微波辅助提取香椿叶黄酮工艺的研究[J].中国食品学报,2012,12(1):46-51.

[14]李秀信,张军华,关红玲,等.微波辅助提取香椿多糖工艺研究[J].食品研究与开发,2013,34(19):39-41;129.

[15]李冰. 亚临界萃取文冠果籽油工艺的响应面优化[J].中国油脂,2015,40(2):19-23.

[16]李贵军,汪帆.香椿嫩叶挥发油化学成分的GC-MS 分析[J]. 安徽化工,2014,40(3):85-88.

Optimization of ultrasonic-assisted extraction technology of essential compounds fromToonasinensisleaves

YANG Yue-yun,WANG Xiao-guang,GAO Meng-meng

(Department of Chemistry,Zhoukou Normal University,Zhoukou 466001,China)

The volatile components ofToonasinensisleaves was extracted by ultrasonic-assisted extraction method and its chemical composition was analyzed by GC-MS. Based on the single experiment,the extraction yield of volatile components inToonasinensisleaves as the response value,the best condition of volatile components extraction was optimized by orthogonal array design and analysis. At last,the results showed that ultrasonic time had the greatest impact on the extraction of volatile components,followed by mesh number ofToonasinensisleaves,liquid-solid affected least. The optimum extraction conditions were mesh number ofToonasinensisleaves 100 mash,ultrasonic time 20 min,and liquid-solid ratio 1∶30(g∶mL). Under this condition,the average value of the experiment was 6.42%. Totally 73 compounds were identified by GC-MS,accounting for 66.95% of the total separated volatile compounds. The major compounds identified were ester,thiophenes,while terpenes and long chain alkane.

Toonasinensisleaves;ultrasonic extraction;technology optimization;GC-MS

2015-03-10

杨月云(1983-)，女，硕士，讲师，研究方向：食品分析，E-mail：190626421@qq.com。

周口师范学院实验室开放项目资助(K201536)。

TS255.5

B

1002-0306(2015)23-0261-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.045