响应面法超声辅助提取黄姜花挥发油及其化学成分分析

李 翔，钟方友，孟凡冰，徐 宏，邓 杰，任菁菁

(成都大学 食品加工与应用四川省高校重点实验室，四川 成都 610106)

响应面法超声辅助提取黄姜花挥发油及其化学成分分析

李 翔，钟方友，孟凡冰，徐 宏，邓 杰，任菁菁

(成都大学 食品加工与应用四川省高校重点实验室，四川 成都 610106)

研究黄姜花挥发油成分提取工艺和分离、分析方法，为其在食品药品行业的进一步开发利用提供科学依据.采用响应面法优化黄姜花挥发油水蒸气蒸馏法的提取工艺及气—质联用技术研究其化学成分.优化提取工艺参数为，浸提时间6 h，超声60 min，料液比1∶9.67，预测挥发油得率为6.02(mg/g)，平行实验3次，平均挥发油得率为5.91(mg/g)，RSD为1.83%.气—质联用技术对黄姜花挥发油进行分离得到28个化合物，并鉴定出其中18个化合物，占总化合物的86.75%.本研究提取的黄姜花挥发油中大多数成分属于倍半萜化合物，其中含量最大的是β-石竹烯(37.74%)和橙花叔醇(13.37%)，这为以β-石竹烯为指标成分评价不同品种姜花挥发油作为食品、医药、化妆品行业重要原料提供了参考依据.

黄姜花；挥发油；气相色谱—质谱；倍半萜；β-石竹烯

0 引 言

黄姜花为姜族姜科姜花属植物，主产于我国西南各省，具有多种药理药效活性[1-3].研究表明，姜花属植物挥发油成分中含有较多的萜类、酯类和酮酚类化合物,比如顺式—罗勒烯酮、沉香醇、金合欢烯、1,8-桉油醇、α-蒎烯、β-蒎烯、芳樟醇、1,8-桉油素、石竹烯等[4-5].对于黄姜花挥发油提取，科研人员进行了大量的研究，并取得了较好的效果[6-11].在此基础上，本研究利用响应面法优化黄姜花挥发油提取工艺，采用气—质联用技术对其化学成分进行分析,以期找出黄姜花的特征香气成分，拟为黄姜花挥发油在食品药品行业的进一步开发利用提供科学依据.

1 材料、仪器与方法

1.1 材 料

实验所用的新鲜黄姜花采于四川省成都市郫县犀浦镇，乙醇(95%)购自成都市科龙化工试剂厂.

1.2 仪 器

实验所用仪器包括：HP HEWLETT GC-MS气相色谱/质谱联用仪(美国安捷伦公司)，PTHW型电热套(上海越众仪器设备有限公司)，水蒸气蒸馏挥发油提取器符合《药典》(2010版)的要求.

1.3 方 法

1.3.1 挥发油的提取.

取新鲜黄姜花粉碎并混合均匀置圆底烧瓶，加水适量与玻璃珠数粒，振摇混合后连接挥发油测定器与回流冷凝管，置电热套加热至沸并保持微沸4 h，参考《药典》(2010版)中挥发油测定法进行操作，计算供试品中挥发油的含量(%).

1.3.2 单因素实验.

取新鲜黄姜花于三角瓶中，加入95%的乙醇50 mL，常温(20 ℃)下.以浸提时间2 h、4 h、6 h，超声时间30 min、40 min、50 min、60 min)，料液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20为单因素，考察各因素对黄姜花挥发油得率的影响.

1.3.3 提取工艺响应面优化.

在单因素实验的基础上，选取浸提时间A、超声时间B、料液比C为自变量，以挥发油得率为响应值，通过响应面分析(response surface analysis,RSA)进行提取工艺条件的优化.

1.3.4 数据分析.

运用Design-Expert 8.05b软件对实验数据进行分析.

1.4 色谱条件

HP HEWLETT GC-MS气质联用仪的工作条件为：色谱柱为HP-INNOWAX(30 m×0.25 mm×0.25 μm)弹性石英毛细管柱，载气为高纯He气，流速为0.8 mL/min，分流进样比为40∶1，进样口温度为220 ℃；柱温的初始温度为40 ℃，以10 ℃/min的速率升温至140 ℃后以5 ℃/min的速率升温至220 ℃，保持至完成分析；GC-MS接口温度220 ℃，EI源70 eV，质量扫描范围20-450 amu.

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 浸提时间对挥发油提取得率的影响.

浸提时间对黄姜花挥发油得率的影响如图1所示.

图1浸提时间对挥发油得率的影响

图1显示，浸提时间越长，黄姜花挥发油得率越高，考虑提取时间越长，黄姜花挥发油有可能发生降解、缩合、氧化等化学反应，从而使得率下降，故实验选取浸提时间为6 h.

2.1.2 超声时间对挥发油提取得率的影响.

超声时间对黄姜花挥发油得率的影响如图2所示.

图2超声时间对挥发油得率的影响

图2显示，超声时间越长，黄姜花挥发油得率越高，基于“2.1.1”项下的原因，本实验选择超声时间为60 min.

2.1.3 料液比对挥发油得率的影响.

料液比对黄姜花挥发油得率的影响如图3所示.

图3料液比对挥发油得率的影响

图2显示，当浸提时间为6 h时，料液比的影响随着溶剂量增大，黄姜花挥发油得率先增大后减小，料液比为1∶10时，黄姜花挥发油得率最高，原因可能是溶剂增大，黄姜花挥发油与溶剂接触界面处的浓度差增大，有利于黄姜花挥发油扩散和溶解.

2.2 回归模型的建立及方差分析

根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理，综合单因素影响实验结果，选取浸提时间、超声时间、料液比对黄姜花挥发油提取影响显著的3个因素，在单因素试验的基础上采用三因素三水平的响应面分析方法进行实验设计，结果如表1.

表1 黄姜花挥发油提取工艺响应面实验设计及结果

采用Design Expert 8.0软件处理数据，将响应值与各个因素进行拟合，得回归模型，

Y=-1.26875+0.89025A+0.021967B+

0.4151C-0.000591667AB+0.000075AC+

0.00000333BC+0.00048125A2+

0.000015222B2-0.02183C2

回归方程中各变量对响应值影响的显著性，由F检验来判定，概率p(F>Fa)的值越小，则相应变量的显著程度越高.回归方程的方差分析见表2.

表2 回归方程方差分析

由表2可知：该回归模型方程的P=0.0001，R2=0.9734>0.9，说明模型影响显著，对数据能很好的拟合，实验方法可靠，模型失拟不显著，说明模型可以用于实际值的预测[13].方程一次项中，浸提时间P<0.0001，达到极其显著水平，超声时间和料液比影响显著；方程二次项中C2影响显著，其余项影响不显著.根据系数估计值及各因素P值可知，选定的因素对于黄姜花挥发油得率的影响大小依次为：浸提时间>超声时间>料液比.剔出影响不显著的交互相及二次项，可得优化回归模型，

Y=4.6+1.34A+0.18B-0.0085C-

0.18AB-0.55C2

2.3 响应面分析与工艺优化

2.3.1 响应面分析.

根据回归模型绘制出AB、AC及BC交互影响的响应面及等高线如图4所示.

由图4可知，交互项中，AB项(冷浸提和超声时间)影响最为显著，AC(冷浸时间和超声时间)次之，其与A项交互作用相差不大，BC项(超声时间和料液比)影响最不显著.

2.3.2 提取工艺优化.

本研究以黄姜花挥发油得率为指标，采用响应面设计，对浸提时间、超声时间和料液比进行了优化，并通过对回归方程进行分析，得到优化结果，即黄姜花挥发油提取的最佳工艺条件为：浸提时间6 h，超声60 min，料液比为1∶9.67，预测挥发油得率为6.02(mg/g).平行实验3次得挥发油平均得率为5.91(mg/g)，RSD为1.83%.说明该模型与实际情况拟合较好，模型可靠.

2.4 挥发油成分分析

在实验中，对提取出的黄姜花挥发油进行GC-MS分析，其总离子流色谱图见图5.通过检索WILEY质谱图库，结合有关文献人工图谱解析鉴定其结构[14]，按照峰面积归一法计算各成分在挥发油中的相对百分含量，结果见表3.

图4 AB,AC,BC对挥发油得率交互影响的响应面及等高线

图5 黄姜花挥发油成分的总离子流色谱图

由图5、表3可以看出，本实验共检测出黄姜花中的28种化合物，并鉴定出其中18种化合物，占检测成分总量的86.75%，其中相对含量最高的3种成分分别为β-石竹烯、橙花叔醇与金合欢烯，分别占黄姜花挥发油总量的37.74%、13.37%、5.56%.

表3 黄姜花的挥发性化学成分

3 讨 论

本研究以黄姜花挥发油得率为指标，采用单因素实验设计，并在此基础上通过三因素三水平响应面分析，建立了响应值与各因素之间的数学模型，依此模型可以预测黄姜花挥发油的理论提取率，根据此模型，确定了黄姜花精油的提取最佳工艺参数.利用响应面设计，对浸提时间、超声时间和料液比进行优化，同时，通过气—质联用技术对挥发油提取物进行成分分析.实验表明：料液比为1∶9.67，浸提6 h，超声60 min的提取效果最优，黄姜花挥发油得率高达5.91(mg/g)，通过GC-MS图谱检测出28种化合物，鉴定出其中18种化合物，占检测成分总量的86.75%，其中相对含量最高的3种成分分别为β-石竹烯、橙花叔醇与金合欢烯，分别占挥发油总量的37.74%、13.37%、5.56%.通过对比其他文献发现，黄姜花挥发油的β-石竹烯含量为最高，而其他植物分离提取得的挥发油中β-石竹烯含量均不超过30%[15-18].

4 结 论

本研究建立的模型能很好地预测各因素同提取率之间的关系.实验提取所得黄姜花挥发油呈淡黄色液体状，具有独特、浓郁的芳香味，这和黄姜花挥发油富含β-石竹烯有关.相关研究发现，β-石竹烯是一种双环倍半萜类化合物，其天然品存在于丁香油、丁香茎油、锡兰桂皮油、肉桂叶油、胡椒油及甘椒油等精油中，常用于调配丁香、胡椒、肉豆蔻、柑橘、药草等食用香精，同时，β-石竹烯也可作为食品中的功能性成分[19].本研究表明，黄姜花是一种潜在的植物资源，完全可用于β-石竹烯的高产量提取.

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StudyonChemicalConstituentsofEssentialOilofHeychiumFlavumRoxbwithAssistanceofResponseSurfaceUltrasound

LIXiang,ZHONGFangyou,MENGFanbing,XUHong,DENGJie,RENJingjing

(Food-processing Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

To study the extraction and separation process and also the analysis method of the essential oil components of Heychium Flavum Roxb,the paper is going to provide a scientific basis for the further development and utilization of it in food and drug industries. The extraction technique of the essential oil of Hedychium Flavum Roxb by steam distillation is optimized by using response surface methodology and GC/MS technique is sued for analysis of its components. The optimized parameters of extraction process are:soaking time is 6 h,ultrasonic time is 60 min,and the ratio of solid to liquid is 1∶9.67.Under this condition,the predicted value of volatile oil yield is 6.02% and the actual value of volatile oil yield is 5.91%,so the RSD is 1.83%.18 chemical compounds are isolated and identified by GC-MS among 28 compounds through the separation of the essential oil components of Heychium Flavum Roxb by GC-MS,which account for 86.75% of the total compounds.Most components of the essential oil are sesquiterpenoids,and the largest amount substance contained in them are β-caryophyllene(37.74%),and Nerolidol(13.37%).This provides a reference basis for the evaluation of different varieties of ginger essential oil as important raw materials in food,pharmaceutical and cosmetics industries by using β-caryophyllene as an index component.

Hedychium Flavum Roxb;essential oil;GC-MS;sesquiterpenoid;β-caryophyllene

TQ651+.2；O657.63

A

1004-5422(2017)04-0346-05

2017-09-07.

四川省教育厅创新团队(2016TD0036)、 成都市农业技术成果应用示范(2015-NY01-00013-NC)资助项目.

李 翔(1974 — )，女，博士，教授，从事食品加工与安全关键技术研究.