超聲波輔助提取香椿葉揮發成分的工藝優化

楊月云,王小光,郜蒙蒙

(周口師范學院化學系,河南周口 466001)

超聲波輔助提取香椿葉揮發成分的工藝優化

楊月云,王小光,郜蒙蒙

(周口師范學院化學系,河南周口 466001)

為研究香椿葉揮發成分,在單因素實驗基礎上,運用正交實驗設計對超聲波輔助提取香椿葉揮發成分的工藝條件進行優化,考察了原料粒度、超聲萃取時間、液料比對香椿葉揮發成分得率的影響。結果表明,影響香椿葉揮發成分得率的因素從大到小依次為超聲時間、原料粒度、料液比;最佳工藝條件為原料粒度100目、超聲萃取時間20 min、料液比l:30(g:mL),此條件下,香椿葉揮發成分得率為6.42%。利用氣相色譜-質譜聯用法對香椿葉揮發成分進行分析。共鑒定并確定了其中73種化合物,占揮發油總量的66.95%。其主要化合物為酯類、噻吩類、萜烯類和烷烴類化合物。

香椿葉,超聲輔助萃取,工藝優化,GC-MS

香椿因其葉片有特殊香氣而得名,香椿葉不僅可供蔬食,還有一定的藥用價值[1-3]。它的獨特風味和部分藥用價值來源于它的揮發性成分[4]。目前,國內提取揮發油成分的主要方法有傳統的水蒸氣蒸餾法[5-7]、蒸餾-萃取法[8]、超臨界CO2流體萃取法[9-10]、頂空固相微萃取法[11-12]、微波萃取法[13-14],超聲波輔助提取法。超聲波輔助提取法是利用超聲波產生的強烈振動及空化效應使植物細胞壁迅速破裂,而超聲波的振動、攪拌等次級效應可以加速有效成分溶出并與溶劑充分混合,從而縮短提取時間,提高產物得率,并有效避免高溫對有效成分的破壞,具有操作簡便,經濟、省時、高效、產品品質高等優點,已被廣泛應用于天然產物有效成分的提取。本研究以乙醚為溶劑,采用超聲波輔助提取法提取香椿葉揮發成分,對提取工藝進行優化;并采用氣相色譜-質譜聯用技術對香椿葉揮發成分進行分析,旨在為香椿的開發利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乙醚 洛陽市化學試劑廠;無水硫酸鈉 天津市福晨化學試劑廠;氯化鈉 天津市風船化學試劑科技有限公司;新鮮香椿葉 2014年4月購于河南省周口市蔬菜市場。除香椿葉外,以上試劑均為分析純。

KQ-500超聲波萃取儀 昆山市超聲儀器有限公司;AL204電子天平 梅特勒-托利多;SHB-Ⅲ循環水式真空泵 鄭州歐卡儀器設備有限公司;PolarisQ ITQ 1100氣相色譜質譜聯用儀 美國賽默飛世尓科技有限公司。

1.2 樣品制備

香椿葉洗凈后用2%的鹽水浸泡5 h后陰干至恒重,將干燥的葉子研缽研碎,過不同目數網篩。取1 g預處理好的香椿葉粉末,加入適量乙醚,放入超聲波萃取儀進行超聲輔助萃取(冰水混合物中),將萃取液真空抽濾,回收乙醚,用無水Na2SO4干燥后稱重,計算揮發成分得率。

香椿葉揮發成分得率(%)=香椿葉揮發成分重量(g)/香椿葉重量(g)×100

1.3 單因素實驗

采用超聲波萃取法,以乙醚為萃取劑,設計單因素實驗,分別考察原料粒度(20、40、60、80、100目),料液比[1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60(g∶mL)]以及超聲時間(15、20、25、30、35 min)對香椿葉揮發成分得率的影響。

1.4 正交實驗

在單因素的基礎上,設計L9(33)正交實驗(表1),考察原料粒度、萃取時間和料液比3個因素對香椿葉揮發成分得率的影響,確定香椿葉揮發成分的最佳提取工藝條件。

表1 正交因素及水平表

1.5 GC-MS分析條件

氣相色譜條件:色譜柱:TR5石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),程序升溫:初始溫度為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;載氣為高純氦氣;進樣口溫度:250 ℃,進樣量:1 μL。

質譜條件:離子源為EI源;電子能量:70 eV;掃描范圍:50～650 u;離子源溫度:220 ℃;傳輸線溫度:220 ℃;NIST2005標準譜庫檢索。

1.6 數據統計分析

用面積歸一化法計算各組分的相對質量分數,對相對質量分數大于0.01%的成分進行積分并鑒定。對總離子流圖中各色譜峰相應的質譜圖進行NIST2005版譜庫檢索、人工譜圖解析,根據各峰的質譜裂片,參考有關文獻和手冊對基峰、質核比和相對峰度等方面進行比較,分別對各峰加以確認,并且根據保留時間和其他可靠的質譜標準進行最后鑒定。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 原料粒度對香椿葉揮發成分得率的影響 原料粒度對香椿葉揮發成分得率的影響見圖1。由圖1可以看出,原料粒度為20目時,揮發成分得率很低,這是由于原料顆粒較大時,比表面積較小,原料不能與溶劑充分接觸,導致有效成分溶出少,因此得率較低。隨著原料顆粒的減小,揮發油得率迅速提高。當原料粒度為80目時,香椿葉揮發成分得率達到最大。但是當原料顆粒繼續減小時,揮發成分得率稍有下降。出現這種狀況的原因是由于原料粒度過小時易發生沉降,粘黏,甚至板結,堆積密度變大,通透性變差,傳質阻力增加,致使溶劑沿阻力小的路徑運動,使萃取顯著不均勻,從而降低了揮發成分得率[15]。由此可知,原料粒度以80目結果較好。

圖1 原料粒度對香椿葉揮發油得率的影響Fig.1 Effects of raw material size on toona sinensis leaves oil yield

2.1.2 料液比對香椿葉揮發成分得率的影響 不同的料液比對香椿葉揮發成分得率的影響見圖2。

圖2 料液比對香椿葉揮發油得率的影響Fig.2 Effects of solid-liquid ratio on toona sinensis leaves oil yield

由圖2可以看出香椿葉揮發成分得率隨著溶劑的增加迅速提高,當液料比為1∶40(g∶mL)時得率達到最大,之后隨著溶劑的增加,得率反而下降。這是由于隨著溶劑量增加,傳質速度加快,揮發物質的得率提高,但溶劑用量過高會造成超聲負荷增加、提取時間延長以及資源浪費。因此,料液比選1∶40(g∶mL)左右較宜。

表3 方差分析表

注:F0.05值F0.01值極顯著(**);F值

2.1.3 超聲時間對香椿葉揮發成分得率的影響 超聲時間對香椿葉揮發成分得率的影響如圖3所示,隨著超聲時間的延長,揮發成分得率迅速提高,25 min時達到最大,之后繼續延長超聲時間,揮發油得率反而下降。分析其主要原因可能是由于細胞內外存在著較大的濃度差,在超聲波萃取前期有效成分迅速從細胞中溶出,但隨著超聲處理時間的延長,細胞內外的濃度差減小,加之超聲波產生的大量熱量和空化效應對揮發成分有所破壞,從而導致得率下降。因此,超聲時間以25 min效果最好。

圖3 超聲時間對香椿葉揮發油得率的影響Fig.3 Effects of ultrasonic extraction time on toona sinensis leaves oil yield

2.2 正交實驗及結果分析

極差分析結果(表2)表明,各因素對香椿葉揮發成分得率的影響從大到小依次為B超聲時間、A原料粒度、C料液比,即B>A>C。由表3可知,B因素達到極顯著水平(F值>F0.01值極顯著),A因素達到顯著水平(F0.05值

2.3 香椿葉揮發成分的GC-MS分析

采用GC-MS分析香椿葉揮發成分,共分析出73種主要化學物質,見表3(組分的相對含量經數據處理系統按峰面積歸一法計算得出,已確定組分占總色譜峰面積的66.95%)。由表3可以看出香椿葉揮發成分主要有酯類、萜烯類、酸類、含硫化合物和長鏈烷烴類等。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%)、鄰苯二甲酸丁辛酯(2.86%)、檸檬烯(2.24%)、二十七烷(1.77%)、棕櫚酸(1.63%)等成分。這一結果與文獻報道[12,16]存在一定的差異,可能是由于采摘期和原料產地不同造成。

表2 L9(33)正交實驗結果

表3 香椿葉揮發成分表

續表

3 結論

本實驗采用超聲波輔助技術提取香椿葉揮發成分,運用正交實驗設計優化提取工藝,通過正交實驗結果的極差分析和方差分析表明,影響香椿葉揮發成分得率的因素從大到小依次為B超聲時間、A原料粒度、C料液比,其中,B超聲時間對提取結果影響極顯著,A原料粒度影響顯著,結合實際分析得到提取香椿葉揮發成分的最佳工藝條件為原料粒度100目,超聲萃取時間20 min,料液比1∶30(g∶mL),在此條件下,驗證實驗的平均得率為6.42%,高于正交實驗其他組合的結果,相對標準偏差(RSD)為0.0252%,重現性好,說明該工藝穩定可行,利用該方法提取香椿葉揮發成分,快速,高效,節省溶劑;利用氣相色譜質譜聯用儀對香椿葉揮發成分進行分析發現河南周口香椿葉主要成分為酯類、噻吩類、萜烯類和烷烴類化合物,而劉常金[12]對河南焦作紅香椿的研究表明,其揮發性成分主要為萜烯類化合物和噻吩類化合物,這可能是由于原料產地、原料品種及采摘時間不同造成的分析結果差異。

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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

楊月云(1983-)，女，碩士，講師，研究方向：食品分析，E-mail：190626421@qq.com。

周口師范學院實驗室開放項目資助(K201536)。

TS255.5

B

1002-0306(2015)23-0261-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.045