大红袍花椒挥发油的提取及化学成分的气相色谱-质谱分析

乐 薇，吴士筠*，高 欣

（武汉长江工商学院工学院，湖北 武汉 430065）

大红袍花椒挥发油的提取及化学成分的气相色谱-质谱分析

乐 薇，吴士筠*，高 欣

（武汉长江工商学院工学院，湖北 武汉 430065）

采用石油醚热浸法提取大红袍花椒挥发油，以挥发油的含量为考察指标，采用正交试验法优化提取工艺，并利用气相色谱-质谱法对花椒挥发油的化学成分进行分析。最佳工艺条件：提取剂石油醚（60～90 ℃）、料液比1∶14（g/mL）、温度60 ℃、提取时间3 h。经气相色谱-质谱法分析，分离鉴定出52种化学物，相对含量较高的有（Z）-6-十八烯酸（18.096%）、1-甲基-4-（1-甲基乙基）-1,4-环己二烯（11.462%）、棕榈酸（7.051%）等。

花椒挥发油；石油醚；正交试验；气相色谱-质谱法

花椒是指芸香科植物花椒（Zanthoxylum bungeanum Maxim）和青椒（Zanthoxylum schinifolium Sieb et Zucc）的干燥成熟果皮。花椒不仅是常用的食用香辛料，而且是重要的中药配料[1]。花椒挥发油是花椒深加工产品，主要作为高级调味香精，还具有抗菌、杀虫、麻醉、抗动脉粥样硬化形成等多种功效[2-6]。但因一直未能解决深加工提炼技术，没有得到更广泛的应用，因此研究花椒挥发油的高效提取技术十分必要。目前常用的提取方法有水蒸气蒸馏法、溶剂提取法、微波-同时蒸馏萃取法和超临界CO2萃取法[7-15]。虽然采用超临界CO2萃取法具有萃取温度低、时间短和收效高等优点，但其生产成本较高[15]；微波-同时蒸馏萃取花椒挥发油技术在生产上同样难以普及；而水蒸气蒸馏法工艺简单、品质好，但得率低，馏出组分相对较少，花椒挥发油提取率远不及有机溶剂提取法[16]。因此本实验采用有机溶剂热浸法，利用正交试验结合方差分析，对大红袍花椒挥发油的提取工艺进行优化，并用气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）法对花椒挥发油进行分离、鉴定，为综合开发利用花椒提供可靠依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大红袍花椒（产自陕西） 市购；石油醚（60～90 ℃，分析纯） 天津市津东天正精细化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

HP6890N-5973MSD气相色谱-质谱联用仪、HP-5MS弹性石英熔融毛细管柱 美国Agilent公司；RE52CS旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂；SHB-111循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；DZ-1A型真空干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司；DG120型便携式药材粉碎机 浙江省瑞安市春海药材器械厂。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理

将花椒果皮中残余的籽和枝拣出，于40 ℃真空干燥24 h，取出后于粉碎机中粉碎，备用。

1.3.2 花椒挥发油提取工艺的优化

参照文献[8]、[16]的实验方法，略作改进。称取5 g的花椒粉末装入滤纸包，封好的料包于40 ℃真空干燥2 h后精密称质量。将此料包放入烧瓶中，以石油醚（60～90 ℃）为溶剂，在一定料液比（1∶12、1∶13、1∶14、1∶15、1∶16（g/mL））、一定温度（30、40、50、60、70、80 ℃）条件下提取一定时间（0.5、1、2、3、4 h），取出料包于40 ℃真空干燥3 h，精密称质量。在40 ℃条件下用旋转蒸发仪真空减压蒸馏回收溶剂，然后将花椒挥发油于相同温度下真空干燥，并计算花椒挥发油提取率。依据单因素试验结果，设计正交试验因素与水平（表1）。

表1 正交试验因素水平表Table1 Factors and levels for orthogonal array design

1.3.3 气相色谱-质谱条件[16-18]

1.3.3.1 色谱条件

色谱柱：HP-5MS毛细管柱（30m×0.25 mm，0.25 μm）；载气氦气；进样口温度260 ℃；柱流速1 mL/min；进样量0.2 μL；分流比10∶1；气化室温度260 ℃；升温程序：起始温度50 ℃，保持1 min，升温速率8 ℃/min，升温到260 ℃，保持3 min；溶剂延迟时间2.2 min。

1.3.3.2 质谱条件

电子电离离子源；离子源温度230 ℃；四极杆温度150 ℃；接口温度280 ℃；电子能量70 eV；质量扫描范围m/z 10～40。

1.3.4 花椒挥发油提取率的计算

式中：m0为花椒粉末的质量/g；m1为提取后料包的质量/g；m2为提取前料包的质量/g。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 溶剂对花椒挥发油提取率的影响

图1 提取溶剂对大红袍花椒挥发油提取率的影响Fig.1 Effect of different extraction solvents on extraction efficiency

考察乙醇、石油醚（60～90 ℃）、正己烷和石油醚（90～120 ℃）作溶剂时，大红袍花椒挥发油的提取情况。发现乙醇提取产物为深褐色浑浊黏稠状，其他3种溶剂提取产物为黄色透明、有强烈辛辣芳香气味的油状物。这可能是因为乙醇溶解范围广、提取特异性低。其他3种溶剂对花椒挥发油提取率的影响见图1。石油醚（60～90 ℃）对大红袍花椒挥发油的提取率最高，价格也比正己烷低，故选用石油醚（60～90 ℃）作为提取剂。

2.1.2 提取温度对花椒挥发油提取率的影响

按1.3.2节操作，以石油醚（60～90 ℃）为溶剂，考察不同提取温度下花椒挥发油的提取率，结果如图2所示。随着提取温度的升高，花椒挥发油基本呈现上升趋势，70 ℃时提取率最高，再升高温度提取率反而下降，这是因为80 ℃时石油醚挥发较快，导致溶剂量减小，从而影响提取率。由于60 ℃和70 ℃条件下提取率相差不太，从成本考虑，提取温度定为60 ℃。

2.1.3 提取时间对花椒挥发油提取率的影响

图3 提取时间对大红袍花椒挥发油提取率的影响Fig.3 Effect of extraction time on extraction efficiency

按1.3.2节操作，在6 0℃条件下，以石油醚（60～90 ℃）为溶剂，考察提取时间对花椒挥发油提取率的影响，如图3所示。随着提取时间的延长，花椒挥发油的提取率逐渐增大，提取2 h后，花椒挥发油的提取率趋于稳定，因此提取时间选定为2 h。

2.1.4 料液比对花椒挥发油提取率的影响

图4 料液比对大红袍花椒挥发油提取率的影响Fig.4 Effect of solid-to-solvent ratio on extraction efficiency

按1.3.2节操作，在6 0 ℃条件下，以石油醚（60～90 ℃）为溶剂，考察在完全浸没料包的情况下，料液比对花椒挥发油提取率的影响，如图4所示。随着有机溶剂体积的增大，花椒挥发油提取率呈现平缓上升趋势。从经济角度考虑，选择1∶14为适宜的料液比。

2.2 正交试验优化花椒挥发油提取工艺

以石油醚（60～90 ℃）为提取溶剂，进行正交试验。

表2 正交试验结果与分析Table2 Orthogonal array e xperimental design and results

表3 方差分析结果Table3 Analysis of variance for the xperimental results of orthogonal array dessiiggnn

由表2、3可知，温度和时间的F值大于F临界值，对大红袍花椒挥发油提取率的影响达到显著水平。影响大红袍花椒挥发油提取率的因素为A（温度）＞C（时间）＞B（料液比）。通过正交试验和方差分析得出大红袍花椒挥发油最佳提取工艺组合为A3B2C3，即以石油醚（60～90 ℃）为提取剂，在料液比1∶14（g/mL）、60 ℃条件下提取3 h。

2.3 方法的重复性

在最佳工艺条件下，对大红袍花椒挥发油的提取进行了3次重复性实验，结果见表4。实验的重复性较好，方法稳定可行。

表4 重复性实验结果（n==33）Table4 Repeatability of the optimized extraction procedure (n == 33))

2.4 提取次数对提取率的影响

在上述最佳条件下，研究提取次数对花椒挥发油提取率的影响，结果见表5。随着提取次数的增加，花椒挥发油的提取率逐渐增大，但当提取次数大于2后，提取率增加很缓慢，说明经过2次提取，花椒挥发油已基本提取完全，故提取次数为2次。

表5 提取次数对花椒挥发油提取率的影响Table5 Effect of number of extraction cycles on extraction efficiency

综合上述结果，大红袍花椒挥发油的最佳提取工艺为：以石油醚（60～90 ℃）为提取剂，在料液比1∶14（g/mL）、温度60 ℃，提取2次，每次提取3 h。

2.5 气相色谱-质谱联用分析

图5 大红袍花椒挥发油总离子流色谱图Fig.5 Total ion chromatogram of volatile oil from Zanthoxylum bungeanum Maxim

对大红袍花椒挥发油进行气相色谱-质谱联用分析，结果见图5、表6。大红袍花椒挥发油共分离鉴定出52种化学物，烃类化合物36种，占挥发油的59.53%，有机酸3种，占挥发油的28.38%，在已鉴定的化合物中，相对含量在1%以上者有23种，占被检出物质总量的85.79%。相对成分较高的有（Z）-6-十八烯酸（18.096%），1-甲基-4-（1-甲基乙基）-1,4-环己二烯（11.462%）、棕榈酸（7.051%）等。花椒挥发油中，不饱和脂肪酸是具有多种优势的脂肪酸，它对难吸收的抗菌物质、抗癌剂等药品有显著的促进吸收效果，对前列腺素质有调节功能，亚油酸等还是安全性高的抗癌药物[19]；3-蒈烯、柠檬烯、石竹烯等是天然精油中重要的萜烯组分，为天然食品用香料可直接使用，具有多种生理作用，如蒈烯具有抗菌、抗炎作用[20]；柠檬烯有很好的抗癌活性[21]；石竹烯具有局麻、抗炎、趋蚊虫、抗焦虑抑郁等作用[22-23]。

表6 大红袍花椒挥发油中化学成分鉴定结果Table6 Chemical components in volatile oil from from Zanthoanthoxylum bungeanum

续表6

主要化合物检出情况与有关文献报道有差别，文献[24-25]报道含量较高的月桂烯未被检出，而在本研究中被检出含量居前两位的化合物，则未见报道。检出物质种类、含量等方面的差异除与花椒产地、气候、生长环境有关外，还与提取条件有密切关系。已报道的文献，多采用水蒸气蒸馏或乙醚提取，而本研究中采用极性更低的石油醚做溶剂，因此其提取的挥发油中非极性成分较多。同时化合物1～8为低碳原子数的饱和烷烃，可能有两种来源：1）花椒挥发油自身的成分；2）石油醚某些成分与挥发油形成了共沸物，造成溶剂残留，这还有待进一步研究。

3 结 论

本实验选取花椒挥发油提取率作为优选正交试验的考察指标，优化了提取方法，并通过气相色谱-质谱联用法对花椒挥发油进行分离、鉴定。方法简单、易行、重复性好，为有机溶剂热浸法提取大红袍花椒挥发油的工艺提供了实验依据。

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Extraction and Composition Analysis by Gas Chromatography-Mass Spectrometry of Volatile Oil from Zanthoxylum bungeanum Maxim

YUE Wei, WU Shi-jun*, GAO Xin
(College of Engineering, Wuhan Yangtze Business University, Wuhan 430065, China)

The volatile oil of Zanthoxylum bungeanum Maxim (Dahongpao cultivar) was extracted with hot petroleum ether. The extraction parameters were optimized using orthogonal array design to obtain maximum extraction efficiency of volatile oil. The chemical constituents of the volatile oil were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GCMS). The results showed that the optimal extraction conditions determined were as follows: material to liquid ratio, 1:14 with petroleum ether (60–90 ℃) as extraction solvent; extraction temperature, 60 ℃, and extraction time, 3 h. A total of 52 compounds were identified by GC-MS, mainly including 6-octadecenoic acid (18.096%), 1-methyl-4-(1-methyl ethyl)-1,4 cycloheXadiene (11.462%), and palmitic acid (7.051%).

essential oil of Zanthoxylum bungeanum Maxim; petroleum ether; orthogonal array design; gas chromatographymass spectrometry (GC-MS)

TS207.3

A

1002-6630（2014）02-0261-05

10.7506/spkx1002-6630-201402051

2013-01-23

乐薇（1979—），女，讲师，硕士，研究方向为生物分析。E-mail：yuewei11@126.com

*通信作者：吴士筠（1950—），女，高级实验师，本科，研究方向为生物分析。E-mail：wusj5721@sina.com