響應面法優化金花葵微波萃取工藝研究及香氣分析

蔣美紅 李仙 張勃

摘要：為了研究金花葵（Hibiseusmanihot L.）在煙草、香料等方面的開發和應用，以響應面法對微波萃取金花葵干花的工藝條件進行優化，并對其揮發性成分進行了分析鑒定。在單因素試驗基礎上，選擇預處理加水量、萃取時間、萃取壓力為影響因素，以金花葵提取率為響應值，采用Box-Behnken試驗設計建立數學模型進行響應面分析，采用同時蒸餾提取裝置收集揮發性成分并用氣相色譜-質譜儀進行分析和鑒定。結果表明，最佳提取條件為預處理加水量為1∶2.5（g∶mL），萃取時間為85 min，萃取功率為520 W，金花葵提取率為0.290%。共鑒定出45種化合物，主要成分為（E）-9-二十碳烯、β-谷甾醇、亞麻酸、棕櫚酸、乙酸、n-十八碳七氟丁酸酯、鄰苯二甲酸單乙基己基酯、（3β）-麥角甾-5，24-二烯-3-醇、豆甾醇、9-十九碳烯等。微波萃取法可作為萃取金花葵煙用香料的有效方法，工藝穩定、可行。

關鍵詞：金花葵（Hibiseusmanihot L.）干花;微波萃取;響應面試驗;揮發性成分;氣相色譜-質譜法

中圖分類號：TQ461 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）01-0126-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.01.028 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： In order to study the development and application of Hibiseusmanihot L. in the fields of tobacco， flavor and fragrance industries，the process of microwave-assisted extraction to make tobacco flavor from Hibiseusmanihot L. was optimized by response surface methodology （RSM）， and its volatile components were analyzed and identified. Based on single factor experiment， with water addition at pretreatment， extraction time， extraction power as factors， and the yields of Hibiseusmanihot L.tobacco flavor as response value， the mathematical model was established by Box-Behnken Design（BBD）for response surface analysis. The volatile components were collected by simultaneous distillation and extraction device， analyzed and identified by gas chromatography-mass spectrometry. The results showed that the extraction yield of Hibiseusmanihot L.could be 0.290% when extracted 85 min 520 W power and the water addition at pretreatment was 1∶2.5. 45 components were identified and mainly of： 1-Docosene， β-Sitosterol， 9，12，15-Octadecatrienoic acid， n-Hexadecanoic acid， Acetic acid， n-octadecylester， 1，2-Benzenedicarboxylic acid， mono（2-ethylhexyl） ester， 26，26-Dimethyl-5，24（28）-ergostadien-3.beta.-ol， Stigmasterol， et al. It suggested that the microwave method could be used as an effective method to extract the flavor of Hibiseusmanihot L.

Key words： dried Hibiseusmanihot L.; microwavemethod; response surface methodology; volatile components; GC-MS

金花葵（Hibiseusmanihot L.）又名菜芙蓉，也稱野芙蓉，為一年生草本錦葵科秋葵屬植物，有的地區別名叫黏干或山榆皮。2003年8月被中國農業科學院在河北邢臺發現，是瀕臨絕種的植物。近年來，人們發現金花葵全草含有豐富的黃酮、多糖等成分，具食用、藥用、保健功能，有很高的利用價值[1-6]，開始進行大量種植。對金花葵花、子、葉中黃酮、總糖及生物活性物質有研究[7-15]，但多數集中在常規溶劑提取。此外，付偉等[16]采用了酶解法萃取金花葵花中多糖，宋琳琳等[17]采用了超聲波提取法提取金花葵花中總黃酮。關于金花葵花的微波萃取法鮮見文獻報道。微波萃取技術是一種很有潛力的萃取技術，在傳統萃取工藝基礎上進行了強化傳熱、傳質，具有裝置簡單、應用范圍廣、萃取效率高、重現性好、消耗溶劑和時間少、污染少等優點，且微波萃取目前已有工業化生產設備。本試驗采用響應面法優化金花葵煙用香料的微波萃取工藝條件，并采用氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）對提取物進行組分分析，以期為金花葵的開發利用提供參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?試劑與儀器

供試材料：金花葵干花（河北）。

試劑：95%乙醇（食品級）;無水硫酸鈉（AR，廣東汕頭市西隴化工廠）;二氯甲烷（AR，天津市博迪化工有限公司）。

儀器：微波萃取裝置（意大利MILESTONE公司NEOS GR型）;氣相色譜-質譜聯用儀（美國安捷倫公司Agilent 6890N/5975型）;電子天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）;旋轉蒸發儀（瑞士BUCHI公司BUCHIR-3000型）;循環水式真空泵[鞏義市予華儀器有限責任公司SHZ-D（Ⅲ）型]。

1.2 ?方法

1.2.1 ?金花葵微波萃取 ?將金花葵原料以適量水浸濕，投入微波萃取裝置中，保持一定的萃取功率進行萃取，提取結束后收集分離釜中的提取物，所得提取液經過處理，使用旋轉蒸發儀減壓蒸餾，濃縮物即為金花葵煙用香料。提取得率按式（1）計算。

提取得率=金花葵煙用香料質量（g）/金花葵原料質量（g）×100% ? ? （1）

1.2.2 ?提取物香氣分析

1）GC-MS分析。稱取1.00 g樣品，以10 mL二氯甲烷溶解，加入適量無水硫酸鈉置于4 ℃冰箱脫水12 h后過濾。濾液使用氣相色譜-質譜聯用儀進行檢測，儀器檢測：HP-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）毛細管柱，進樣口溫度240 ℃;載氣He;恒壓模式70 kPa;程序升溫：50 ℃保持1 min，以8 ℃/min升至160 ℃，保持2 min，再以8 ℃/min升至260 ℃，保持15 min;進樣量0.5 μL;分流比25∶1;傳輸線溫度280 ℃;電離方式EI;電離能量70 eV;離子源溫度230 ℃;四級桿溫度160 ℃;質量范圍35～455 aum;溶劑延遲2 min。

2）檢測模式。SCAN和SIM同步。

3）譜圖檢索。所得圖譜經計算機譜庫（NIST05，Wiley275）檢索，并結合標準質譜圖和有關文獻[13，14]，確定揮發性成分，并用色譜峰面積歸一化法測定得各揮發性成分的峰面積。

1.2.3 ?單因素試驗

1）保持萃取功率為500 W，萃取時間80 min，考察不同預處理加水量[料液比（g∶mL，下同）1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4]對金花葵提取物得率的影響。

2）保持預處理加水量為1∶2、萃取時間80 min，考察不同萃取功率（150、250、350、450、550 W）對金花葵提取率的影響。

3）保持預處理加水量為1∶2、萃取功率450 W，考察不同萃取時間（40、60、80、100、120 min） 對金花葵提取率的影響。

1.2.4 ?響應面優化試驗 ?在單因素試驗的基礎上，以提取率（Y）為指標，預處理加水量（A）、萃取時間（B）和萃取功率（C）為因素，按照響應面法的Box-Behnken Design（BBD）試驗方案進行三因素三水平 15 個實驗點的響應面試驗，試驗方案的15個實驗點中包括12個析因點（1～12）及3個中心點（13～15），中心點重復的目的是估計整個試驗的純實驗誤差，以金花葵的提取率Y作為響應面分析的響應值。響應面試驗因素與水平見表1。

2 ?結果與分析

2.1 ?單因素試驗

2.1.1 ?預處理加水量對金花葵提取率的影響 ?不同預處理加水量對金花葵提取物得率的影響見圖1。由圖1可知，隨著預處理加水量的增加，金花葵提取率提高，但當加水量達到1∶2后，繼續增加萃取壓力，金花葵提取率反而呈下降趨勢。這是因為加水量增大，金花葵浸泡充分，對溶質溶解度增加，但繼續增加水量，水分過多，在試驗過程中會影響油分滲出，導致得率變低。因此，預處理加水量采用1∶2為宜。

2.1.2 ?不同萃取功率對金花葵提取率的影響 ?不同萃取功率對金花葵提取率的影響見圖2。由圖2可知，金花葵提取率隨著萃取功率的升高而提高，這是因為萃取功率越大，溫度越高，對溶質的溶解度越大，在萃取功率450 W時金花葵提取率達到最大，此后繼續提高萃取功率，金花葵提取率基本無變化。因此，萃取功率以450 W為宜。

2.1.3 ?不同萃取時間對金花葵提取率的影響 ?不同萃取時間對金花葵提取率的影響見圖3。由圖3可知，萃取時間80 min內，金花葵提取率隨著萃取時間的延長而提高，但當萃取時間超過80 min后，提取率變化不大。分析原因可能是萃取基本達到平衡，再繼續延長萃取時間，成本增加。因此，選擇萃取時間為80 min。

2.2 ?響應面優化試驗

2.2.1 ?響應面優化試驗結果 ?響應面優化試驗結果見表2。

運用Design Expert 8.0.6軟件對表2試驗結果進行多元回歸擬合，得金花葵子油得率與各因素的二次多項式回歸模型見式（2）：

Y=-1.2135+0.176 63A+0.0180 44B+1.925×10-3C+1.05×10-3AB-1.375×10-4AC+6.625×10-6BC-0.044A2-1.412 5×10-4B2-1.925×10-6C2 ? （2）

對回歸模型進行方差分析和回歸系數顯著性檢驗，結果見表3。三因素交互作用對金花葵提取率的響應面分析結果見圖4至圖6。

由表3數據和圖4至圖6可以看出，該二次回歸方程模型極顯著（P=0.000 3<0.01），失擬項不顯著（P>0.05）;同時模型的決定系數R2為0.987 8，調整后R2為0.965 9，表明該模型擬合程度良好，試驗誤差小，該模型是合適的，可以用此模型對微波法萃取金花葵煙用香料進行分析和預測。在所選取的因素水平范圍內，各因素對結果的影響排序為萃取功率（C）>萃取時間（B）>預處理加水量（A）。由表3可知，一次項A（P=0.003 6<0.01）、B（P=0.002 6<0.01）和C（P=0.000 4<0.01）極顯著，說明預處理加水量、萃取時間和萃取功率對金花葵提取率有極顯著影響。二次項A2、B2和C2均達極顯著水平（P<0.01），說明預處理加水量、萃取時間和萃取功率對金花葵提取率的影響不是線性關系。AB交互項極顯著（P<0.01），AC、BC交互項顯著（P<0.05），說明3個因素的交互作用對金花葵提取率有顯著影響。

2.2.2 ?最佳萃取條件的預測和驗證 ?通過Design Expert 8.0.6軟件對回歸方程求解，在試驗的因素水平范圍內預測微波萃取的最佳條件為預處理加水量1∶2.13、萃取時間85.18 min、萃取功率520.48 W，在此條件下金花葵提取率可達0.292%。為了方便生產操作，將微波萃取的最佳條件修正為預處理加水量1∶2.5、萃取時間85 min、功率520 W，在此條件下進行二次驗證性試驗，測得的金花葵提取率均值為0.290%，與理論預測值0.292%的相對誤差很小，說明回歸方程對微波法萃取金花葵煙用香料進行分析和預測非常可靠。

2.3 ?金花葵樣品的揮發性成分分析

表4列出了GC-MS分離鑒定出的金花葵揮發性成分45種，用峰面積歸一化法測定各組分的相對含量，主要成分為（E）-9-二十碳烯、β-谷甾醇、亞麻酸、棕櫚酸、乙酸、n-十八碳七氟丁酸酯、鄰苯二甲酸單乙基己基酯、（3β）-麥角甾-5，24-二烯-3-醇、豆甾醇、9-十九碳烯。

3 ?結論

響應面法預測金花葵微波萃取的最佳條件為預處理加水量1∶2.5、萃取時間85 min、萃取功率520 W，此時金花葵提取率可達0.290%，與理論預測值0.292%的相對誤差很小，回歸方程對微波法萃取金花葵煙用香料進行分析和預測非常可靠。對金花葵樣品進行揮發性成分分析，共鑒定出45種化合物，主要成分為（E）-9-二十碳烯、β-谷甾醇、亞麻酸、棕櫚酸、乙酸、n-十八碳七氟丁酸酯、鄰苯二甲酸單乙基己基酯、（3β）-麥角甾-5，24-二烯-3-醇、豆甾醇、9-十九碳烯等。

參考文獻：

[1] 盧 ?丹，賈瑞波.中藥金花葵的研究進展[J].中國藥物評價，2015，32（2）：90-92.

[2] 李 ?蕓，楊秀松，何計國.金花葵黃酮對高脂血癥大鼠血脂的影響[J].食品科學，2012，33（1）：248-251.

[3] 吳正平.金花葵花總黃酮對衰老模型小鼠抗氧化和免疫功能的影響[J].中國老年學雜志，2011，31（10）：1800-1802.

[4] 吳正平.金花葵籽不飽和脂肪酸對實驗性高脂血癥大鼠血脂和肝功能的影響[J].中成藥，2011，33（7）：1245-1247.

[5] 樸明淑，李美蘭，葛冰潔，等.金花葵和葵花葉提取物的亞硝酸鹽清除能力的初步研究[J].新技術應用與實踐，2017，9（2）：191-192.

[6] 程麗敏，董 ?爽，梁文明，等.金花葵莖可溶性糖的提取及抗氧化性研究[J].食品研究與開發，2016，37（22）：59-63.

[7] 吳曉宗，郝莉花，趙光遠，等.響應面法優化超臨界CO2萃取金花葵籽油工藝[J].中國油脂，2017，42（7）：15-18.

[8] 劉 ?劍，羅倉學，伍賢密，等.響應面法優化金花葵籽多糖提取工藝研究[J].食品研究與開發，2018，39（1）：25-29.

[9] 李 ?浡，胡定煜，李雙石，等.金花葵籽油中不飽和脂肪酸的GC-MS測定[J].食品研究與開發，2012，33（5）：121-123.

[10] 李 ?俊，李鵬飛，逯曉丹，等.金花葵籽油脂肪酸組成及其氧化穩定性研究[J].福建農業學報，2018，33（7）：755-759.

[11] 王 ?菲，孫一焱，解長海，等.金花葵花總黃酮的提取及體外抗氧化活性研究[J].食品工業科技，2017，38（16）：31-37.

[12] 劉 ?琦，辛秀蘭，蘭 ?蓉，等.金花葵花中總黃酮提取工藝的研究[J].食品研究與開發，2011，32（7）：19-21.

[13] 楊富民.金花葵花中總黃酮提取工藝的研究[J].食品研究與開發，2011，32（7）：19-21.

[14] 吳名全，雷 ?波.金花葵花中總黃酮的提取純化及含量測定[J].農技服務，2009，26（10）：127，138.

[15] 王紅利，伍賢密，王 ?超，等.一種金花葵活性物質提取工藝[P].中國專利：CN201810431857.7，2018-09-04.

[16] 付 ?偉，韓佳佳，付 ?靜.金花葵花多糖提取方法[P].中國專利：CN201810114050.0，2018-05-11.

[17] 宋琳琳，黃蓓蓓，張朝暉.金花葵花中總黃酮的超聲波提取工藝[J].貴州農業科學，2016，44（2）：70-72.