薤白揮發油提取工藝的優化及化學成分的氣相色譜-質譜分析

黃 芳，周 宏，于姍姍

薤白揮發油提取工藝的優化及化學成分的氣相色譜-質譜分析

黃 芳，周 宏，于姍姍

（南京曉莊學院生物化工與環境工程學院，江蘇 南京 211171）

以中藥薤白為原料，對薤白進行加溫浸泡、超聲預處理后，采用水蒸氣蒸餾法提取薤白中揮發油。以揮發油提取率為考察指標，在單因素試驗的基礎上，采用響應面法優化提取工藝條件，并利用氣相色譜-質譜法對揮發油化學成分進行分析。結果表明：最佳工藝條件為浸泡溫度40 ℃、超聲預處理30 min、液固比4.40∶1（mL/g）、蒸餾時間2.2 h，此條件下薤白揮發油提取率達1.030%。經氣相色譜-質譜分析，共測出其中17 個組分。采用峰面積歸一化法測定各組分的相對含量，其中已鑒定出的14 種化合物組分占提取物的93.46%。

薤白；揮發油；響應面法；氣相色譜-質譜

薤白（Allium macrostemon Bunge）為百合科蔥屬多年生草本植物，是一種安全、無毒的食用野菜，其鱗莖上屜蒸至半熟后曬干或烘干入藥稱作薤白[1-3]。薤白耐旱、耐瘠、耐低溫、適應性很強，廣布于全國各地，屬于可持續利用資源，是一種藥食兼用的粗放型經濟作物。現代研究證明，薤白含有多種生物活性成分，具有抗菌消炎、抗氧化、抗血小板聚集、抗動脈粥樣硬化、解痙平喘、防治動脈粥樣硬化等藥理作用[4]。現已從薤白中分離得到揮發油、皂苷、含氮化合物、前列腺素等化學成分[5]。薤白揮發油的生物活性和藥理功效已有一些初步研究，其揮發油中許多成分都具有較高的藥用價值[6-7]，對薤白揮發油的主要生物活性成分進行分離提取具有深遠的理論價值和實際意義。

目前，揮發油的提取方法有水蒸氣蒸餾法[8-9]、有機溶劑提取法[10-11]、超臨界流體萃取法[12-13]、微波輔助提取法[14-15]及超聲波輔助提取法等[16-17]。雖然超臨界流體萃取法、微波輔助提取法等具有時間短和收效高等優點，但其生產成本較高，難以在生產中普及。有機溶劑提取法容易引入雜質，造成有機溶劑殘留[18-19]。水蒸氣蒸餾法工藝簡單、便于操作，是《中國藥典》中揮發油含量測定所選用的方法[20]，林琳等[21]采用水蒸氣蒸餾和超臨界CO2萃取2 種方法提取薤白揮發油。但目前采用響應面試驗設計優化薤白揮發油的水蒸氣提取工藝還未曾見報道。本實驗以薤白為研究對象，在提取前采用加溫浸泡、超聲預處理，通過單因素試驗首先確定了浸泡溫度、超聲預處理時間、液固比等參數對薤白揮發油提取率的影響，然后采用三因素三水平的響應面分析法確定了水蒸氣蒸餾法提取薤白揮發油的最佳工藝條件，并采用氣相色譜-質譜聯用（gas chromatography-mass spectrometry，GCMS）技術對薤白揮發油中化學成分進行分離鑒定，為進一步薤白揮發油的綜合利用提供了參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

薤白購于南京中藥材市場，烘干粉碎，過40目篩備用。

無水硫酸鈉、環己烷（均為分析純） 南京化學試劑有限公司；實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 儀器與設備

揮發油提取器 南京晚晴玻璃儀器廠；AUY120電子分析天平、UV2450紫外分光光度計、QP2010氣相色譜-質譜儀 日本島津公司；HH-6水浴鍋 金壇市精達儀器制造廠；KQ-200KDB型高功率數控超聲清洗器昆山市超聲儀器有限公司；HDM型電熱套 鞏義市予華儀器有限責任公司；HK-068小型高速粉碎機 廣州市旭朗機械設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 提取方法

稱取50 g粉碎后的薤白粉末裝入500 mL圓底燒瓶中，按照液固比4.40∶1（mL/g）加入蒸餾水，置于水浴中加溫浸泡1 h后，放入超聲清洗器中超聲30 min。將圓底燒瓶連接揮發油測定器與回流冷凝管，自冷凝管上端加水使之充滿揮發油測定器的刻度部分，并溢流入燒瓶為止，再加入2 mL正己烷。將燒瓶置于電熱套上緩緩加熱至騰，并保持微沸一定時間。提取完成后，停止加熱，放置片刻。打開揮發油提取器下端活塞將水緩緩放出，收集環己烷層，50 ℃水浴揮去除正己烷，無水硫酸鈉干燥，得到薤白揮發油，精密稱質量，按下式計算提取率：

1.3.2 揮發油提取的單因素試驗設計

分別以不同的浸泡溫度（20、30、40、50、60 ℃）、超聲預處理時間（10、20、30、40、50 min）、液固比（3∶1、3.5∶1、4∶1、4.5∶1、5∶1）（mL/g）及提取時間（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h）為單因素，考察各因素對薤白揮發油提取率的影響。

1.3.3 響應面法優化薤白揮發油提取工藝

根據Box-Behnken試驗設計原理，綜合單因素試驗結果，選取對薤白揮發油提取率影響顯著的3 個因素，以薤白揮發油提取率為響應值，采用三因素三水平的響應面分析法進行試驗，因素與水平見表1。

表1 響應面試驗設計因素水平和編碼Table 1 Variables and levels in response surface design

1.3.4 色譜條件

色譜柱：HP-5MS石英彈性毛細管柱（30m×0.25mm，0.25 μm）；載氣為高純氦氣（99.999%）；流量1 mL/min；進樣口溫度250 ℃；升溫程序：初始溫度20 ℃，保持3 min，以6 ℃/min升至200 ℃，保持50 min；分流比1∶30；進樣量1 μL；柱前壓49 kPa；氣化室及檢測器溫度均為250 ℃。

1.3.5 質譜條件

電子電離源；電子能量70 eV；質量掃描范圍m/z 35～500；全離子掃描。

1.4 定性、定量分析

揮發油經GC-MS檢測，所得質譜圖經計算機質譜NIST 1.0譜庫檢索，并按各峰的質譜裂片圖與文獻資料比對，確定薤白揮發油的主要化學成分；采用峰面積歸一化法計算各組分的相對含量。

2 結果與分析

2.1 薤白揮發油提取的單因素試驗

2.1.1 浸泡溫度對薤白揮發油提取率的影響

圖1 浸泡溫度對揮發油提取率的影響Fig.1 Effect of soaking temperature on extraction yield of volatile oil

對薤白蒸餾提取前進行加溫浸泡，是揮發油提取的關鍵環節之一。由圖1可知，浸泡溫度對薤白揮發油提取率的影響較大。當浸泡溫度較低時，揮發油提取率隨著浸泡溫度的升高而迅速增加。當浸泡溫度為40 ℃時，薤白揮發油的提取率達到最高。此后再提高浸泡溫度，提取率反而迅速下降。可能是由于蒜類揮發油的產生過程主要為酶促反應，當浸泡處于一定的適宜溫度時，酶的活力高，揮發油的轉化快，產率較高[22-23]。此后再增加溫度，酶因溫度過高而活力下降，導致揮發油提取率下降。故選擇適宜的浸泡溫度為40 ℃。

2.1.2 超聲預處理時間對薤白揮發油提取率的影響

圖2 超聲預處理時間對揮發油提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic pretreatment time on extraction yield of volatile oil

本實驗在蒸餾提取前增加了超聲波預處理，一方面超聲波產生的強烈振動和空化效應可有效地破碎藥材的細胞壁，使有效成分呈游離狀態并溶入提取劑中，另一方面超聲波的攪拌作用可加速提取劑的分子運動，使得提取劑和藥材中的有效成分快速接觸，從而加速有效成分的浸出速率[24-25]。由圖2可知，薤白揮發油提取率隨著超聲預處理時間的延長而增加。當超聲預處理時間達30 min時，揮發油提取率達到最大，此后再延長超聲預處理時間，提取率增加不明顯，故選擇30 min為最佳超聲預處理時間。

2.1.3 液固比對薤白揮發油提取率的影響

圖3 液固比對揮發油提取率的影響Fig.3 Effect of liquid-to-solid ratio on extraction yield of volatile oil

從圖3可以看出，對一定質量的薤白，隨著水量的增加，揮發油提取率呈現先上升后減小的趨勢。當液固比達到4.5∶1（mL/g）時，溶劑對揮發油的提取達到飽和，揮發油提取率達到最大。此后，再繼續增加溶劑的量，揮發油提取率反而下降，故選擇液固比4.5∶1（mL/g）為宜。

2.1.4 提取時間對薤白揮發油提取率的影響

由圖4可知，揮發油提取率隨提取時間的延長呈現上升趨勢。當提取時間在2 h之內時，揮發油提取率增加明顯，說明提取時間短、提取不充分；在2 h后再增加提取時間，揮發油量增加趨近平緩，說明薤白中揮發油已基本提取完。為縮短提取時間節約能源，故選定提取時間為2 h。

圖4 提取時間對揮發油提取率的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction yield of volatile oil

2.2 優化薤白揮發油提取工藝的響應面試驗2.2.1 二次多項式回歸模型的建立

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Responses surface central composite design and experimental results

以薤白揮發油提取率為響應值，根據表2試驗結果進行二次回歸分析，方差分析見表3。

通過分析可以得到提取條件與提取率之間的二次多項式模型為：

R=1.02+0.21A-0.017B-0.064C+0.021AB-0.047AC+0.043BC-0.27A2-0.092B2-0.26C2

浸泡溫度和提取時間的P＜0.0001，說明這2 個因素對揮發油提取率的影響極顯著。方差結果顯示，P＜0.0001，表明回歸模型極顯著。相關系數R2Adj為0.9947，說明建立的模型能夠解釋99.47%響應值的變化來源于模型所選變量。方程失擬項不顯著（P＞0.05），表明該方程對實驗結果擬合較好，實驗誤差小。以上結果說明該模型能很好地描述薤白揮發油的提取過程中提取率隨提取條件的變化規律，能用于預測薤白揮發油提取過程中的提取率情況。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

2.2.2 各因素間的交互作用的分析

各因素間的交互作用及其對響應值的影響結果可通過響應曲面圖直觀反映出來（圖5）。當浸泡溫度一定時，薤白揮發油提取率隨液固比和提取時間的增加先增加后降低；當液固比一定時，揮發油提取率隨浸泡溫度和提取時間的增加先增加后降低；當提取時間一定時，揮發油提取率隨浸泡溫度和液固比的增加先增加后降低。圖5中各曲面較陡峭，說明3因素之間均有較強的交互作用。

2.2.3 模型的優化和驗證

通過分析可以得到最佳的薤白揮發油提取條件為：浸泡溫度39.14 ℃、液固比4.42∶1（mL/g）、提取時間2.2 h，提取率可達1.069%，根據實際情況，選擇浸泡溫度為40 ℃、液固比為4.40∶1（mL/g）、蒸餾時間2.2 h，測得薤白揮發油提取率為1.030%，與模型預測值接近，說明該模型可以很好的預測薤白揮發油的提取條件與薤白揮發油的提取率之間的關系，同時也證明了響應面法優化薤白揮發油的提取工藝參數的可行性。

2.3 薤白揮發油的GC-MS分析

對上述優化后得到的最佳工藝條件下得到的薤白揮發油進行GC-MS分析，結果見圖6、表4。

從表4可以看出，薤白揮發油中共分離出17 個組分，鑒定了其中的14 種化學成分，占全部揮發油化學成分的93.46%。在已鑒定的揮發油化學成分中，含硫揮發性化合物13 種，占全部揮發油的88.39%。揮發油中的主要硫化物為二甲基三硫醚、甲基烯丙基三硫醚和二甲基四硫醚等，這些都是薤白揮發油的主要活性成分。其中，甲基烯丙基三硫醚的含量最高，占揮發油中總量的27.50%，已有研究表明該化合物對血小板聚集具有強烈抑制作用[3]。

圖5 浸泡溫度、液固比和提取時間的交互作用對薤白揮發油提取率影響的響應面圖Fig.5 Response surface plots for the effects of soaking temperature, liquid-to-solid ratio and distillation time on extraction yield of volatile oil

圖6 薤白揮發油總離子流色譜圖Fig.6 Total ion current chromatogram of volatile oil from Allium macrostemon Bunge

表4 薤白揮發油化學成分分析結果Table 4 Chemical components in volatile oil from Allium macrostemon Bunge

與文獻[3]相比，本研究所鑒定出的含硫化合物的組成存在差異，且各含硫化合物相對含量不同，這可能與薤白的產地、氣候、生長環境有關外，還與提取條件有關，還有待進一步研究。

3 結 論

本實驗采用水蒸氣蒸餾法提取薤白揮發油，通過響應面法優化了提取工藝。結果表明，該法操作簡便、穩定可靠。實驗中回歸方程合理，能較好的預測各因素條件與提取率的關系。優化得到的最適宜工藝參數為浸泡溫度40 ℃、超聲預處理30min、液固比4.40∶1（mL/g）、蒸餾時間2.2 h，在此條件下，薤白揮發油的提取率可達1.030%。采用GC-MS聯用法對揮發油的化學成分進行了分離鑒定，從薤白揮發油中共分出17 個組分，鑒定了14 種化學成分，主要為含硫化合物，占全部揮發油化學成分的93.46%。

[1] 張占軍, 王富花. 藥食兩用植物薤白研究進展[J]. 食品研究與開發, 2012, 33(11): 234-237.

[2] 《中藥辭海》編審組. 中藥辭海: 第三卷[M]. 北京: 中國醫藥科技出版社, 1998: 1546.

[3] 吳雁, 彭軍鵬, 姚利強, 等. 蔥屬植物揮發油研究: Ⅰ. 中藥薤白(Allium macrostemon Bunge)揮發油成分的研究[J]. 沈陽藥學院學報, 1993, 10(1): 45-46; 62.

[4] 姜勇, 王乃利, 姚新生. 中藥薤白的研究進展[J]. 天然產物研究與開發, 2000, 12(5): 74-79.

[5] 彭軍鵬, 喬艷秋, 姚新生. 得自小根蒜及薤中的幾種含氮化合物[J].中國藥物化學雜志, 1995, 5(2): 134-139.

[6] 張卿, 高爾. 薤白揮發油抗腫瘤作用的實驗研究[J]. 腫瘤, 2003, 25(3): 228-231.

[7] 彭軍鵬, 喬艷秋, 肖克岳, 等. 蔥屬植物揮發油研究: Ⅲ. 薤(Allium chinense G. Don)揮發油成分的研究[J]. 中國藥物化學雜志, 1994, 4(4): 282-283; 288.

[8] 金文聞, 王晴芳, 李碩. 新疆產瑪咖的揮發油成分研究[J]. 食品科學, 2009, 30(12): 241-245.

[9] 潘素娟, 王長青, 李曉東, 等. 邪蒿揮發油化學成分的GC-MS分析及抑菌作用[J]. 食品科學, 2011, 32(24): 200-203.

[10] 吳朝霞, 夏天爽, 李琦, 等. 同時蒸餾法提取艾葉揮發油及其抑菌性研究[J]. 食品研究與開發, 2010, 31(8): 19-22.

[11] 樂薇, 吳士筠, 高欣. 梅花椒揮發油的提取及化學成分的GC-MS分析[J]. 食品科技, 2013, 38(7): 271-273; 277.

[12] 蔣合眾, 馬超英, 李艷, 等. 薤白揮發油的超臨界二氧化碳萃取工藝研究[J]. 時珍國醫國藥, 2009(1): 91-92.

[13] 劉勁蕓, 徐世濤, 魏杰, 等. 超臨界CO2萃取柚子葉揮發油的研究及GC-MS分析[J]. 化學研究與應用, 2013, 25(9): 1330-1336.

[14] 王雅, 趙萍, 任海偉, 等. 微波輔助萃取葫蘆巴莖葉揮發油工藝優化及抗氧化性研究[J]. 食品科學, 2011, 32(16): 326-329.

[15] 張麗媛, 申書昌, 劉志明, 等. 微波法輔助萃取萬壽菊花揮發油及其化學成分的氣質聯用分析[J]. 食品科學, 2010, 31(18): 120-123.

[16] 李祖光, 孟微微, 王芳, 等. 超聲微波協同水蒸氣蒸餾-GC/MS分析生姜揮發油化學成分[J]. 浙江工業大學學報, 2013, 41(6): 614-619; 645.

[17] 廖曉峰, 于榮. 超聲波提取芫荽(香菜)莖葉揮發油及其對NaNO2的清除作用的研究[J]. 食品研究與開發, 2013, 34(24): 47-51.

[18] 張志軍, 劉西亮, 李會珍, 等. 植物揮發油提取方法及應用研究進展[J].中國糧油學報, 2011, 26(4): 118-122.

[19] 溫悅. 揮發油提取方法研究概況[J]. 中國藥業, 2010, 19(12): 84-85.

[20] 中國藥典委員會. 中國藥典: 一部[M]. 北京: 化學工業出版社, 2005:附錄57.

[21] 林琳, 蔣合眾, 羅麗, 等. 薤白揮發油成分的超臨界CO2萃取及GC-MS分析[J]. 分析試驗室, 2008, 27(1): 115-118.

[22] 仇小艷, 黃小清, 蔡艷軍. 水蒸氣蒸餾法提取大蒜揮發油的工藝研究[J]. 氨基酸生物資源, 2013, 35(1): 11-14.

[23] 馬嬌, 陶海騰, 徐同成, 等. 響應面法優化超聲波輔助水酶法提取小麥胚芽油的研究.[J]. 中國糧油學報, 2013, 28(12): 57-62.

[24] 袁妍, 李懋鳴, 李成倍, 等. 響應面法優化石榴籽油超聲波提取工藝及成分分析[J]. 食品科技, 2013, 38(4): 179-184.

[25] 楊月云, 王小光, 周娟. 超聲波輔助萃取油菜花揮發油及其化學成分的氣質聯用分析[J]. 食品科學, 2013, 34(18): 98-102.

Optimization of Extraction of Volatile Oil from Allium macrostemon Bunge and Chemical Composition Analysis by Gas Chromatography-Mass Spectrometry

HUANG Fang, ZHOU Hong, YU Shan-shan
(School of Biochemical Engineering and Environmental Engineering, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing 211171, China)

The volatile oil from the bulbs of Allium macrostemon Bunge was extracted by steam distillation with soaking in hot water and ultrasonic pretreatment. Based on single factor experiments, the yield of volatile oil was selected as response value and the optimum extraction process was determined through response surface methodology. The chemical constituents of the volatile oil were analyzed by gas chromatography mass spectrometry (GC-MS). The results showed that the optimal extraction conditions were soaking in 40 ℃ water with a liquid-to-solid ratio of 4.40:1 (mL/g), ultrasonic pretreatment for 30 min and distillation for 2.2 h. Under these conditions, the yield of volatile oil was 1.030%. Totally 17 compounds were detected and 14 of them were identi fi ed by GC-MS in the extracted volatile oil, together accounting for 93.46% of the total amount of extracted compounds based on peak area normalization.

Allium macrostemon Bunge; volatile oil; response surface methodology; gas chromatography-mass spectrometry

O657.63

A

1002-6630（2014）08-0080-05

10.7506/spkx1002-6630-201408015

2013-07-22

國家自然科學基金面上項目（21171097）；江蘇省高校自然科學研究項目（13KJD150001）；

南京曉莊學院科研項目（2012NXY18）

黃芳（1978—），女，講師，碩士，研究方向為復雜體系的分離與分析。E-mail：fanghuang1998@163.com