沙芥果實精油提取工藝優(yōu)化及GC-MS分析

張鳳蘭，賈利霞，楊忠仁，郝麗珍，黃修梅，張曉艷

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝與植物保護學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)野生特有蔬菜種質(zhì)資源與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011）

植物精油是萃取于植物不同部位、具有強烈芳香成分的揮發(fā)油[1]，由于其具有較強的抗氧化和抑菌作用[2]，而廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)和日化等領(lǐng)域[3-5]。植物精油內(nèi)含的成分是維持植物生命的元素，被稱為植物的“第五元素”，其中所含有的酚類、烯類、萜類和醛酮類等化合物，具有廣泛的抑菌、殺蟲、抗毒素和抗氧化性能，可以作為天然抑菌劑和抗氧化劑的原料，具有很高的利用價值。目前在食品中使用的抗氧化劑和抑菌劑有人工合成和天然兩類，人工合成的抗氧化劑和抑菌劑具有一定的抗氧化和抑菌效果，但是由于其毒性大、殘留高以及不可生物降解等問題，影響其在食品中的應(yīng)用[6]，因此研發(fā)能夠廣泛應(yīng)用于各類食品中的新型、綠色、安全、高效、成本低廉的天然抗氧化劑和抑菌劑已經(jīng)成為研究人員關(guān)注的重點領(lǐng)域[7-9]。提取植物精油主要方法有壓榨法[10]、超臨界CO2萃取法[11]、水蒸氣蒸餾法[12-13]、溶劑浸提法[14-15]等。水蒸氣蒸餾法的原理是植物精油中揮發(fā)性較強成分易被水蒸氣帶出，經(jīng)冷卻后又與水分離，在天然植物精油的提取中應(yīng)用最為廣泛，具有設(shè)備簡單、操作便捷、溶劑環(huán)保無污染的優(yōu)點，故本試驗采用水蒸氣蒸餾法進行沙芥果實精油的提取。大多數(shù)精油的化學(xué)成分使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）進行分析，通過在正鏈烷烴（C8～C20）的程序升溫條件下計算它們的保留指數(shù)來鑒定組分[16]。

沙芥[Pugionium cornutum（L.）Gaertn.]為十字花科沙芥屬二年生草本植物，為中國特有種，是一種藥食兼用的沙生蔬菜，具有“沙漠人參”的美稱。富含粗蛋白、氨基酸、糖、纖維素和礦物質(zhì)等多種營養(yǎng)成分[17]及甙類、酚類、鞣質(zhì)、有機酸、皂甙、黃酮、內(nèi)酯、香豆素、生物堿、甾醇等化學(xué)成分[18]。沙芥也是一種藥用植物資源，據(jù)《中藥大辭典》記載沙芥可入中藥，具有行氣、止痛、消食、解毒、治療消化不良、胸脅脹滿、食物中毒的作用[19]。近年來對其研究主要集中在引種馴化栽培[20]、抗逆性[21-23]、優(yōu)良基因的挖掘[24-25]等方面，但對其開發(fā)利用研究缺乏足夠的關(guān)注，特別對其精油的研究尚不夠充分。本試驗采用水蒸氣蒸餾法提取沙芥果實精油，利用正交試驗優(yōu)化其提取工藝，并采用GC-MS方法對其精油成分進行分析，為沙芥這一寶貴資源的進一步開發(fā)利用和研發(fā)具有抗氧化、抑菌功效的沙芥果實精油產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

沙芥[P.cornutum（L.）Gaertn.]果實：采自毛烏素沙地，標本鑒定人為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)植物學(xué)教研室王六英教授，標本號081106，憑證標本保存于內(nèi)蒙古自治區(qū)野生特有蔬菜種質(zhì)資源與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室。取自然風干的沙芥果實經(jīng)粉碎后過20目篩制得粗粉，密封，于4℃條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗方法

1.2.1 沙芥果實精油提取單因素試驗

取沙芥果實干粉100 g，用水蒸氣蒸餾法進行提取，收集到的餾出液用無水硫酸鈉干燥，得到具有辛辣味、淡黃色、透明特征的油狀物即為沙芥果實的精油，測量精油體積，每組試驗重復(fù)4次。

1.2.1.1 料液比對沙芥果實精油提取量的影響

設(shè)沙芥果實干粉和蒸餾水的料液比分別為1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9（g/mL），浸泡時間為 3 h，提取時間為 2 h進行沙芥果實精油的提取。

1.2.1.2 浸泡時間對沙芥果實精油提取量的影響

設(shè)浸泡時間分別為 1、2、3、4、5、6 h，料液比為1.2.1.1試驗獲得的最佳料液比，提取時間為2 h進行沙芥果實精油的提取。

1.2.1.3 提取時間對沙芥果實精油提取量的影響

提取時間分別為 1、2、3、4 h 和 5 h，料液比為1.2.1.1試驗得的最佳料液比，浸泡時間為1.2.1.2最佳的浸泡時間進行沙芥果實精油的提取。

1.2.2 正交試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以沙芥果實精油提取量為指標，選擇料液比、浸泡時間和提取時間為影響因素，進行L9（34）正交試驗。試驗因素及水平見表1。

表1 正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment

1.2.3 沙芥果實精油GC-MS分析

氣相色譜條件:HP-5毛細管色譜柱（30m×0.32mm×0.25 μm）；柱溫為程序升溫，初始溫度為80℃，保持3 min后以25℃/min的速率升至250℃，保持5 min；進樣口溫度250℃；檢測器溫度260℃；載氣為高純氮氣，1.5 mL/min；燃氣為氫氣，30 mL/min；助燃氣為空氣，300 mL/min；尾吹氣為氮氣，25 mL/min；進樣方式為分流進樣，分流比 30∶1；進樣量 1 μL。質(zhì)譜條件：色譜柱，HP-5MS 柱（30 m×0.25 mm 0.25 μm），色譜-質(zhì)譜接口溫度為280℃；電子轟擊電離源，電離能量70 eV；總離子流方式；質(zhì)量掃描范圍為m/z 40～800；溶劑延遲1.5 min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件進行分析，Excel 2016軟件進行作圖，計量采用t檢驗，以P＜0.05作為數(shù)據(jù)間的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 料液比對沙芥果實精油提取量的影響

料液比對沙芥果實精油提取量的影響見圖1。

圖1 料液比對沙芥果實精油提取量的影響Fig.1 Effect of material-liquid ratio on the extraction rate of essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit

從圖 1 可以看出，在料液比 1∶5、1∶6、1∶7（g/mL）時，沙芥果實精油提取量隨溶劑體積的增加而增大，提取量由0.8 mL增至0.83 mL；當溶劑體積繼續(xù)增大時，精油提取量出現(xiàn)明顯的下降，當料液比為1∶9（g/mL）時其提取量降低至0.7 mL。溶劑過少或者過多都會影響提取量，過少沙芥果實水解作用不完全，過多精油在液體中的溶解量必將增大，勢必降低精油的提取量，因此沙芥果實精油提取適宜的料液比為1∶7（g/mL）。

2.1.2 浸泡時間對沙芥果實精油提取量的影響

浸泡時間對沙芥果實精油提取量的影響見圖2。

圖2 浸泡時間對沙芥果實提取量的影響Fig.2 Effect of soak time on the extraction rate of essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit

從圖2可以看出，3 h內(nèi)沙芥果實精油提取量隨浸泡時間的延長迅速上升，3 h后其提取量基本保持不變，說明沙芥果實精油不易發(fā)生水解較為穩(wěn)定，考慮節(jié)省時間，3 h為最佳浸泡時間。

2.1.3 提取時間對沙芥果實精油提取量的影響

提取時間對沙芥果實精油提取量的影響見圖3。

圖3 提取時間對沙芥果實精油提取量的影響Fig.3 Effect of extraction time on the extraction rate of essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit

由圖3可知，隨著提取時間的延長，沙芥果實精油提取量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當提取時間為3 h，其提取量最大為0.90 mL，說明3 h沙芥果實精油已經(jīng)基本提取完成，但與提取時間2 h的提取量0.87 mL差異不顯著，從節(jié)省提取時間和減少能耗考慮，沙芥果實精油的適宜提取時間為2 h。

2.2 水蒸氣蒸餾法提取沙芥果實精油工藝的正交優(yōu)化

正交試驗結(jié)果見表2。

表2 水蒸氣蒸餾法提取沙芥果實精油的正交試驗結(jié)果分析Table 2 Analysis of the results of orthogonal experiment on the extraction of essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit by steam distillation

由表2極差R值可以看出，對提取量的影響順序為B＞C＞A，提取時間是影響精油提取效果的主要因子，其次是料液比，浸泡時間對精油提取的影響最小。由于A的影響最弱，故將A因子作為誤差列進行方差分析。影響沙芥果實精油提取量各因子的方差分析見表3。

表3 影響沙芥果實精油提油量各因子的方差分析Table 3 Variance analysis of all indexes effecting the content of essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit

由表3方差分析可知，因子A（浸泡時間）的影響甚微。由此得出水蒸氣蒸餾法提取沙芥果實精油的適宜的工藝條件是 A2B3C2，即料液比 1∶7（g/mL），浸泡時間3 h，提取時間3 h，經(jīng)過3次驗證試驗，此時提取量為0.90 mL。

2.3 水蒸氣蒸餾法提取的沙芥果實精油GC-MS分析

對提取的沙芥果實精油進行GC-MS分析，其精油的總離子流圖見圖4，從沙芥果實精油中鑒定出41種化合物，鑒定的化合物占色譜流出峰總面積的49.094%。

圖4 水蒸氣蒸餾法提取的沙芥果實精油GC-MS總離子流色譜圖Fig.4 Total ion current chromatograms of the essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit by steam distillation

水蒸氣蒸餾法提取沙芥果實精油的主要化學(xué)組成見表4。

表4 水蒸氣蒸餾法提取沙芥果實精油的主要化學(xué)組成Table 4 The main chemical composition of essential oil rom P.cornutum（L.）Gaertn.fruit by steam distillation

水蒸氣蒸餾法提取的沙芥果實精油所含的41種成分中多為烷烴類、芳香類及其脂肪族化合物，化合物類型多以烷烴、酸、酯、醇、醚、烯為主。其中烷烴類共7種，占精油總量32.306%；醇類共5種，占10.654%；酸類5種，占2.296%；烯類1種，占1.464%；酯類5種，占1.23%；醚類2種，占1.107%。沙芥果實精油中相對含量最高的化合物是環(huán)十二烷，占10.073%；其次是月桂醇，占6.816%；居第3位的是環(huán)十四烷，占3.37%。

3 結(jié)論

采用水蒸氣蒸餾法提取沙芥果實精油，考察提取工藝中提取料液比、浸泡時間和提取時間對精油提取率的影響，在單因素試驗的基礎(chǔ)上通過正交試驗對提取工藝進行優(yōu)化，最后確定沙芥果實精油的最佳工藝條件：料液比 1∶7（g/mL），浸泡時間 3 h，提取時間 3 h，此時精油提取量為0.90 mL。同時進行了統(tǒng)計學(xué)分析，提取時間對精油的提取有顯著性意義（P＜0.05），而浸泡時間和料液比的影響甚微。

采用GC-MS技術(shù)，從提取的沙芥果實精油中鑒定出41種化合物，多以烷烴、酸、酯、醇、醚、烯為主。其中烷烴類化合物7種，占精油總量32.306%；醇類化合物5種，占10.654%；酸類化合物5種，占2.296%；烯類化合物1種，占1.464%；酯類化合物5種，占1.23%；醚類化合物2種，占1.107%。沙芥果實精油中相對含量最高的化合物是環(huán)十二烷，占10.073%；其次是月桂醇，占6.816%；居第3位的是環(huán)十四烷，占3.37%。