响应面法优化蒸参水中挥发油提取条件及GC-MS分析

牛春颖，张凤清，*，刁东梅，付彦臣

（1.长春工业大学化学与生命科学学院，吉林长春130012；2.四平宏宝莱饮品股份有限公司技术部，吉林四平136000）

响应面法优化蒸参水中挥发油提取条件及GC-MS分析

牛春颖1，张凤清1，*，刁东梅2，付彦臣2

（1.长春工业大学化学与生命科学学院，吉林长春130012；2.四平宏宝莱饮品股份有限公司技术部，吉林四平136000）

以红参加工副产物“蒸参水”为原料，采用溶剂提取法提取蒸参水中挥发油，在单因素基础上采用响应面法对提取条件进行优化，同时采用气相色谱-质谱法（GC-MS）对蒸参水挥发油进行成分分析。结果表明，以石油醚为提取溶剂的最佳提取工艺条件为：提取时间8h，提取温度80℃，料液比1∶5，在此最优提取条件下蒸参水挥发油的最高提取率达到0.51%。气相色谱-质谱分析结果表明蒸参水挥发油中主要成分为烷烃类（61.497%）、酯类（19.192%）、酸类（11.773%）、醛类（1.821%）、醇类（4.367%），还含有一组倍半萜化合物石竹烯和金合欢烯。

蒸参水，挥发油，响应面法，气相色谱-质谱法（GC-MS）

红参为五加科植物人参（Panax ginseng C.A.Mey.）的栽培品经蒸制后的干燥根和根茎[1]，经过清洗、分选、蒸制、晾晒、烘干等工序加工而成。蒸参水是红参加工过程中的副产物，是在红参加工过程中，水蒸气对人参蒸熏、浸渍，冷却后，溶于蒸锅内的一种暗棕色、混浊、粘稠状水溶液[2]。蒸参水在吉林省参区有较高的年产量，传统的观念认为蒸参水不具备药用价值，因此在生产中，常作为废物弃去，这不仅浪费资源而且污染环境。有些药厂也将蒸参水回喷于红参主体，令其吸附，以增加成品红参色泽和皂苷含量，提高优质红参的质量。在红参蒸制过程中，一部分人参皂苷溶于蒸参水中，因此里面含有一定含量的人参皂苷[3]。季迪新等[4]对蒸参水中的化学成分进行研究，证明蒸参水中含有人参皂苷、多种氨基酸和多种维生素，也有研究报道蒸参水中含有糖类、蛋白质、氨基酸、有机酸、酚类、皂苷等化学成分[5]，但对蒸参水中挥发油成分分析未见报道。挥发油多为从植物根、茎、花等固体粉末中一般采用水蒸气蒸馏法、溶剂提取法、超临界CO2萃取法、微波辅助提取法等方法提取[6-9]，但由于蒸参水物体状态的特殊性，本实验采用溶剂提取法提取蒸参水中挥发油。

为了开发利用蒸参水这一优势资源，了解蒸参水中挥发油成分，本实验采用溶剂提取法提取挥发油，在单因素的基础上采用响应面法对挥发油进行提取条件优化，同时运用气相色谱-质谱联用技术分析其化学成分，为蒸参水的企业开发、利用提供基础数据，并为蒸参水中挥发油作为香精香料等添加剂提供理论依据，同时将蒸参水变废为宝，提高人参的附加值，对充分利用资源和保护环境也有重要的实际意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蒸参水 吉林紫鑫药业提供，密度1.0g/L；实验用水 去离子水；无水乙醇 天津市富宇精细化工有限公司，分析纯；石油醚（60～90℃）、正己烷、乙酸乙酯、乙醚 天津天泰精细化学品有限公司，分析纯。

RE-52C系列旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂；SHB-ⅢA循环水式多用真空泵 上海豫康科教仪器设备有限公司；JY300电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；DHG-9134BS-III电热恒温鼓风干燥箱 上海新苗医疗器械仪器设备有限公司；HP6890/5975MSD毛细管气相色谱-质谱联用仪 美国Hew lett-Packark公司；HP-5MS石英毛细管柱（30m×0.25mm×0.25μm） Agilent公司。

1.2 实验方法

1.2.1 蒸参水的成分测定 水分含量测定：GB 5009.3-2010；还原糖的测定：GB/T 5009.7-2008；总糖的测定：蒽酮比色法；蛋白质含量测定：GB 50095-2010；粗脂肪的测定：GB/T 5009.6-2003；人参总皂苷的测定：紫外-可见分光光度法[10-11]。按照上述标准测定蒸参水中各种成分，并记录测定结果。

1.2.2 蒸参水挥发油提取工艺优化 采用溶剂提取法。量取适量蒸参水，按一定比例加入提取剂，在一定条件提取后，于分液漏斗静置。取下层液，旋转蒸发除去溶剂，称量。计算公式为：

式中：X—蒸参水中挥发油提取率，%；m—蒸参水的质量，单位为克（g）；m1—烧瓶的质量，单位为克（g）；m2—烧瓶加挥发油的质量，单位为克（g）。

1.2.2.1 蒸参水挥发油提取单因素实验 取浓缩到密度约为1mg/m L的蒸参水适量，以石油醚、正己烷、乙酸乙酯、乙醚为溶剂，两者按一定比例添加，考察提取溶剂、料液比、提取时间、提取温度4个因素，每个因素取3个水平，测定各因素对蒸参水挥发油提取率的影响。

a.提取溶剂对挥发油提取率的影响 在料液比为1∶6，提取时间为6h，提取温度为70℃条件下，考察不同提取溶剂对蒸参水挥发油提取率的影响。

b.料液比对挥发油提取率的影响 以石油醚为提取溶剂，提取时间为6h，提取温度为70℃条件下，考察料液比对蒸参水挥发油提取率的影响。

c.提取时间对挥发油提取率的影响 以石油醚为提取溶剂，料液比为1∶5，提取温度为70℃条件下，考察提取时间对蒸参水挥发油提取率的影响。

d.提取温度对挥发油提取率的影响 以石油醚为提取溶剂，料液比为1∶5，提取时间为8h条件下，考察提取温度对挥发油提取率的影响。

1.2.2.2 响应面法对蒸参水挥发油提取条件进行优化[12-13]在单因素实验的基础上，应用Design-Expert软件，根据Box-Behnken中心组合实验设计原理，选择对挥发油溶剂回流法提取工艺影响显著的3个因素即提取温度（A）、料液比（B）、提取时间（C）作为自变量，以蒸参水中挥发油提取率为响应值设计响应面实验，因素和水平表见表1。

表1 响应面分析因素和水平表Table 1 Factors and levels of response surface experiments

1.2.3 挥发油成分分析[14-15]气相色谱条件：Agilent HP-5MS石英毛细管柱（30m×0.25mm×0.25μm）；程序升温条件：初始温度为50℃，保持2m in，以10℃/m in升到280℃，保持10m in；进样口温度280℃，载气为He，柱流量1.0m L/m in，进样量1.0μL，分流比50∶1。

质谱条件：EI离子源，电子能量：70eV，离子源温度230℃，扫描范围m/z：50～550amu。

1.2.4 数据处理 采用Box-Benhnken设计方案，借助Design-Expert 8.0.5软件并结合方差分析法。

2 结果与分析

2.1 蒸参水成分分析

蒸参水中除含有大量的水分外，还含有微量的蛋白质、粗脂肪、还原糖和人参皂苷，其中人参皂苷的含量达到108.06mg/100g，结果列于表2，由成分分析可知说明蒸参水不是废物，还有较高的利用价值。

2.2 单因素实验结果与分析

2.2.1 提取溶剂对挥发油提取率的影响 在实验中提取溶剂的选择是影响提取效果的一个重要参数，根据相似相容的原理，并查阅相关文献选择正己烷、乙醚、石油醚、乙酸乙酯作为实验提取溶剂。在料液比、提取温度和提取时间一定的情况下，极性最弱的石油醚对蒸参水中挥发油提取的效果最好，其次是乙醚、正已烷，乙酸乙酯对挥发油提取的效果最差，实验结果见图1。

表2 蒸参水成分分析表Table 2 Componentanalysis of steamed ginsengwater

图1 溶剂对挥发油提取率的影响Fig.1 Effectof solvent on the extraction rate of volatile oil

2.2.2 料液比对挥发油提取率的影响 溶剂添加量的多少影响挥发油提取率的高低，选择合适的料液比对实验结果也有重要影响。由图2可以看出，随着溶剂量的增加，挥发油的提取率也逐渐增加，当料液比为1∶5时，蒸参水中挥发油的提取率较高。进一步增加溶剂用量，挥发油的提取率下降，分析原因可能为溶剂对挥发油的提取量趋于饱和，继续增加溶剂量会增加成本并造成资源浪费。由此可见，在料液比为1∶5时已经将蒸参水中的挥发油全部溶解在溶剂中，因此选择料液比1∶4、1∶5、1∶6为响应面因素水平。

图2 料液比对挥发油提取率的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of volatile oil

2.2.3 提取时间对挥发油提取率的影响 提取时间也是影响提取效果的一个重要因素，由图3可以看出，刚开始的提取率较低，随着提取时间的延长蒸参水挥发油的提取率随着增大：当提取时间在8h时，提取率达到最大，随着时间的进一步延长提取率反而下降，原因可能为溶剂已经饱和，不能溶解更多的挥发油，因此根据单因素实验，选择7、8、9h作为响应面因素水平。

图3 提取时间对挥发油提取率的影响Fig.3 Effectof time on the extraction rate of volatile oil

2.2.4 提取温度对挥发油提取率的影响 不同的提取溶剂的沸点不同，当选择好提取溶剂时，提取温度对挥发油提取率有一定影响，由图4可以看出，当提取温度为80℃时的提取效果最好，温度过高、过低都不理想。因为温度过高导致提取液中易挥发组分挥发；温度过低则由于沸点达不到使提取不完全，或延长提取时间，故提取温度选择75、80、85℃为响应面因素水平。

图4 提取温度对挥发油提取率的影响Fig.4 Effect of temperature on the extraction rate of volatile oil

2.3 响应面分析结果

2.3.1 回归方程的建立 在单因素实验结果基础上，采用Box-Benhnken设计方案进一步优化，所得实验数据如表3所示，并采用Design-Expert 8.0.5软件进行多元回归拟合，得到蒸参水挥发油提取率对提取温度、料液比、提取时间的二次多项回归方程为：Y= 0.49+0.052A+0.035B+0.044C-0.032AB-0.026AC-0.019BC-0.12A2-0.13B2-0.12C2。

表3 响应面设计方案及结果Table 3 Results of response surface experiments

该方程中各项系数绝对值的大小直接反映各因素对响应值的影响程度，系数的正、负反映了影响的方向。由于该方程的二次项系数均为负值，可以推断方程代表的抛物面开口向下，因而具有极大值点，可以进行优化分析。由方程的一次项系数可以得出，影响蒸参水挥发油提取率因素的主次顺序为：提取时间＞料液比＞提取温度。

2.3.2 回归方程的方差分析 由方差分析表4可知，方程的模型显著性p＜0.0001，是极显著的，说明模型有意义；R2Adj=0.9839说明该模型能解释98.39%响应值的变化；相关系数R2=0.9930，说明该模型拟合程度较好，实验误差小，实验方法是可靠的，能够很好地描述实验结果，使用该方程代替真实的实验点进行分析是可行的。因此该模型可以用于对蒸参水挥发油提取率进行分析。由表4可知，一次项A、B、C对模型的影响极为显著。交互项AB、AC差异极显著，BC差异显著，二次项A2、B2、C2极为显著。

图5直观地给出了各因素的交互作用效应。响应面曲面的坡度的平缓与陡峭程度直接的反映了在处理条件发生变化时蒸参水挥发油提取量的响应灵敏程度，如果响应面曲面坡度的平缓或陡峭，可以反映出表明对于处理条件的变化，响应值不敏感或敏感。由此可知，提取温度与提取时间，提取时间与料液比的交互作用较为显著。

2.3.3 工艺验证实验 采用Design-Expert 8.0.5软件分析回归模型，得出蒸参水挥发油的最佳提取工艺参数为提取时间8.2h，提取温度81.5℃，料液比1∶5.4，考虑到实际操作条件，对蒸参水中挥发油的最佳提取工艺条件进行修正：提取时间为8h、提取温度为80℃、料液比为1∶5，在此条件下进行验证实验，所得蒸参水挥发油提取率为0.51%。

2.4 挥发油成分分析测定结果

对总离子流图中的各峰质谱扫描后得质谱图，经过质谱计算机谱库检索及核对标准质谱图，并用峰面积归一化法测定其相对含量，经查对有关质谱资料，得提取的挥发油化学成分，结果见表5，总离子流图见图6。

图5 各交互因素对蒸参水挥发油提取率的响应面图Fig.5 Response surface plot showing the effects of any two factors on the yield of volatile oil

表4 回归模型方差分析及显著性检验Table 4 Variance analysis results of regressionmodel

图6 蒸参水挥发油总离子流图Fig.6 TLC of volatile oil from steamed ginsengwater

表5 蒸参水挥发油成分分析结果Table 5 Analysis results ofmain components of volatile oil from steamed ginsengwater

采用石油醚为提取溶剂得到的蒸参水挥发油总离子流图中共检出19个色谱峰，经过计算机检索和核对质谱库，鉴定其中的19个化合物（见表5），其主要成分为烯类（1.349%）、烷烃类（61.497%）、酯类（19.192%）、酸类（11.773%）、醛类（1.821%）、醇类（4.367%）等化合物，其中相对含量较高的组分为烷烃类化合物、酯类化合物和酸类化合物，蒸参水挥发油中还含有微量的倍半萜化合物，石竹烯和金合欢烯。蒸参水中挥发油成分与已经鉴别的人参根部及人参花蕾挥发油中有相同的化合物[16-19]：石竹烯、金合欢烯和棕榈酸。其中对人参花蕾挥发油的成分分析鉴别表明各化合物占总挥发油组分的比例为：倍半萜（43.5%）、烷烃（34.8%）、开链饱和脂肪酸（8.7%）、酯（8.7%）、酮（4.3%）。倍半萜化合物分子离子峰m/z为204，分子式皆为C15H24，204组分有强烈的人参香气，是人参香精的主要成分，可供人工调制人参香精参考。人参倍半萜类在医药、食品、饮料、化装品和高档人参加工方面有独特的用途。金合欢烯用于皂用、洗涤剂香精中和日化香精中。

3 结论

本文通过对蒸参水中基础化学成分进行分析测定，得出蒸参水中含有部分蛋白质和还原糖并且有含量可观的人参皂苷。并首次通过溶剂提取法对蒸参水中挥发油进行提取并对其成分进行分析，得出最优条件为提取时间8h、提取温度80℃、料液比1∶5，提取率可达0.51%。研究结果表明蒸参水中的挥发油成分与已经鉴别的人参根部及人参花蕾中的挥发油有相同的化合物，这为蒸参水的深加工和开发利用提供了基础数据支持，并为蒸参水挥发油生物活性作用提供理论基础，也为其在化妆品、添加剂和香料工业的开发利用提供了科学依据。

[1]国家药典委员会.中华人民共和国药典[M].北京：中国医药科技出版社，2010.

[2]刘继永.蒸参水化学成分及生物活性研究[D].北京：中国农业科学院，2010.

[3]娄子恒，张立臣，张引，等.蒸参水浓缩物中人参皂苷的含量测定[J].人参研究，2003，15（1）：33.

[4]季迪新，阊吉昌，卫永弟.蒸参水化学成分的研究[J].白求恩医科大学学报，1987，13（6）：506-508.

[5]张俊臣，许彦丽，宋广群.蒸参水成分分析[J].中成药研究，1985（4）：24.

[6]温悦.挥发油提取方法研究概况[J].中国药业，2010，19（12）：84-85.

[7]李健，宋帅娣，刘宁，等.万寿菊叶精油的提取及化学成分分析[J].食品科学，2010，31（18）：359-362.

[8]肖家军，王云，戴仕奎，等.苍耳挥发油的提取及抑菌和抗氧化性研究[J].食品工业科技，2011，32（7）：115-118.

[9]田小红，解成喜.微波辅助提取棉籽油及其脂肪酸组成分析[J].食品科技，2012，37（10）：154-157.

[10]郑义，陆辉.人参总皂苷提取工艺的优化研究[J].金陵科技学院学报，2008，24（2）：89-91.

[11]史国举.紫外-可见分光光度法测定复方红景天胶囊中总黄酮含量[J].药物研究，2011，14（1）：45-46.

[12]逮家辉，姜鑫，李昊龙，等.应用响应面法优化超声波法提取甘草中总黄酮的工艺[J].吉林大学学报：工学版，2008，38（2）：293-298.

[13]张允，王响，陈劲春.响应面法优化红薯渣果胶的提取条件[J].食品科技，2012，37（10）：196-199.

[14]周峰，籍保平，李博，等.肉桂油有效成分提取、纯化及鉴定研究[J].食品科学，2006，27（4）：59-61.

[15]刘海，周欣，张怡莎，等.吉祥草挥发油化学成分的研究[J].分析测试学报，2008，27（5）：560-562.

[16]孙允秀，张惠祥，刘永新，等.吉林人参花蕾挥发油成分及β-环糊精包合物研究[J].科学通报，1993，38（1）：26-34.

[17]毛坤元，孙允秀，张惠祥.吉林人参花蕾挥发油成分的分离和鉴定—吉林人参挥发油研究（Ⅶ）[J].吉林大学自然科学学报，1989（2）：105-108.

[18]张惠祥，孙允秀，王树政，等.吉林人参挥发性成分的分析[J].科学通报，1989（18）：1111-1114.

[19]张惠样，孙允秀，姜文普，等.人参倍半菇的成分鉴定[J].科学通报，1990（11）：836-837.

Extraction conditions optim ization of essentialoil from steamed ginseng water by response surface methodology and GC-MS analysis

NIU Chun-ying1，ZHANG Feng-qing1，*，DIAO Dong-mei2，FU Yan-chen2
（1.College of Chemistry and Life Science，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China；2.The Technical Division of HongBaoLai Beverage Limited Liability Company，Siping 136000，China）

The raw materialwas the steamed ginseng water（the byp roduc ts of the red ginseng p rocessing），the essential oil was extracted from the steamed ginseng water by solvent extraction method，the extrac tion technology was op tim ized by response surface methodology on the basis of a sing le factor，the com ponent of the essential oilextracted from the steamed ginseng water was also analyzed by GC-MS.The results showed thatwhen petroleum etherwas used as extrac tion solvent，the op timum extrac tion cond itions were 8h（extrac tion time），80℃（extraction temperature）and 1∶5（feed liquid ratio），the extraction ratio of essentialoil from steamed ginseng water reached 0.51%in this op timum extraction conditions.The GC-MS analysis showed that the main component of the essential oil contained alkanes（61.497%），esters（19.192%），acids（11.773%），aldehydes（1.821%），alcohol（4.367%）and a set of sesquiterpenes caryophyllene and farnesene.

steamed ginseng water；essential oil；response surface methodology；gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS）

TS209

B

1002-0306（2014）18-0310-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.18.061

2013－12－06 *通讯联系人

牛春颖（1989-），女，硕士研究生，研究方向：天然产物及保健食品研发。

吉林省医药产业发展专项资金（YYZX201130-2）。