薤白挥发油提取工艺的优化及化学成分的气相色谱-质谱分析

黄 芳，周 宏，于姗姗

薤白挥发油提取工艺的优化及化学成分的气相色谱-质谱分析

黄 芳，周 宏，于姗姗

（南京晓庄学院生物化工与环境工程学院，江苏 南京 211171）

以中药薤白为原料，对薤白进行加温浸泡、超声预处理后，采用水蒸气蒸馏法提取薤白中挥发油。以挥发油提取率为考察指标，在单因素试验的基础上，采用响应面法优化提取工艺条件，并利用气相色谱-质谱法对挥发油化学成分进行分析。结果表明：最佳工艺条件为浸泡温度40 ℃、超声预处理30 min、液固比4.40∶1（mL/g）、蒸馏时间2.2 h，此条件下薤白挥发油提取率达1.030%。经气相色谱-质谱分析，共测出其中17 个组分。采用峰面积归一化法测定各组分的相对含量，其中已鉴定出的14 种化合物组分占提取物的93.46%。

薤白；挥发油；响应面法；气相色谱-质谱

薤白（Allium macrostemon Bunge）为百合科葱属多年生草本植物，是一种安全、无毒的食用野菜，其鳞茎上屉蒸至半熟后晒干或烘干入药称作薤白[1-3]。薤白耐旱、耐瘠、耐低温、适应性很强，广布于全国各地，属于可持续利用资源，是一种药食兼用的粗放型经济作物。现代研究证明，薤白含有多种生物活性成分，具有抗菌消炎、抗氧化、抗血小板聚集、抗动脉粥样硬化、解痉平喘、防治动脉粥样硬化等药理作用[4]。现已从薤白中分离得到挥发油、皂苷、含氮化合物、前列腺素等化学成分[5]。薤白挥发油的生物活性和药理功效已有一些初步研究，其挥发油中许多成分都具有较高的药用价值[6-7]，对薤白挥发油的主要生物活性成分进行分离提取具有深远的理论价值和实际意义。

目前，挥发油的提取方法有水蒸气蒸馏法[8-9]、有机溶剂提取法[10-11]、超临界流体萃取法[12-13]、微波辅助提取法[14-15]及超声波辅助提取法等[16-17]。虽然超临界流体萃取法、微波辅助提取法等具有时间短和收效高等优点，但其生产成本较高，难以在生产中普及。有机溶剂提取法容易引入杂质，造成有机溶剂残留[18-19]。水蒸气蒸馏法工艺简单、便于操作，是《中国药典》中挥发油含量测定所选用的方法[20]，林琳等[21]采用水蒸气蒸馏和超临界CO2萃取2 种方法提取薤白挥发油。但目前采用响应面试验设计优化薤白挥发油的水蒸气提取工艺还未曾见报道。本实验以薤白为研究对象，在提取前采用加温浸泡、超声预处理，通过单因素试验首先确定了浸泡温度、超声预处理时间、液固比等参数对薤白挥发油提取率的影响，然后采用三因素三水平的响应面分析法确定了水蒸气蒸馏法提取薤白挥发油的最佳工艺条件，并采用气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry，GCMS）技术对薤白挥发油中化学成分进行分离鉴定，为进一步薤白挥发油的综合利用提供了参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

薤白购于南京中药材市场，烘干粉碎，过40目筛备用。

无水硫酸钠、环己烷（均为分析纯） 南京化学试剂有限公司；实验用水为二次蒸馏水。

1.2 仪器与设备

挥发油提取器 南京晚晴玻璃仪器厂；AUY120电子分析天平、UV2450紫外分光光度计、QP2010气相色谱-质谱仪 日本岛津公司；HH-6水浴锅 金坛市精达仪器制造厂；KQ-200KDB型高功率数控超声清洗器昆山市超声仪器有限公司；HDM型电热套 巩义市予华仪器有限责任公司；HK-068小型高速粉碎机 广州市旭朗机械设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 提取方法

称取50 g粉碎后的薤白粉末装入500 mL圆底烧瓶中，按照液固比4.40∶1（mL/g）加入蒸馏水，置于水浴中加温浸泡1 h后，放入超声清洗器中超声30 min。将圆底烧瓶连接挥发油测定器与回流冷凝管，自冷凝管上端加水使之充满挥发油测定器的刻度部分，并溢流入烧瓶为止，再加入2 mL正己烷。将烧瓶置于电热套上缓缓加热至腾，并保持微沸一定时间。提取完成后，停止加热，放置片刻。打开挥发油提取器下端活塞将水缓缓放出，收集环己烷层，50 ℃水浴挥去除正己烷，无水硫酸钠干燥，得到薤白挥发油，精密称质量，按下式计算提取率：

1.3.2 挥发油提取的单因素试验设计

分别以不同的浸泡温度（20、30、40、50、60 ℃）、超声预处理时间（10、20、30、40、50 min）、液固比（3∶1、3.5∶1、4∶1、4.5∶1、5∶1）（mL/g）及提取时间（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h）为单因素，考察各因素对薤白挥发油提取率的影响。

1.3.3 响应面法优化薤白挥发油提取工艺

根据Box-Behnken试验设计原理，综合单因素试验结果，选取对薤白挥发油提取率影响显著的3 个因素，以薤白挥发油提取率为响应值，采用三因素三水平的响应面分析法进行试验，因素与水平见表1。

表1 响应面试验设计因素水平和编码Table 1 Variables and levels in response surface design

1.3.4 色谱条件

色谱柱：HP-5MS石英弹性毛细管柱（30m×0.25mm，0.25 μm）；载气为高纯氦气（99.999%）；流量1 mL/min；进样口温度250 ℃；升温程序：初始温度20 ℃，保持3 min，以6 ℃/min升至200 ℃，保持50 min；分流比1∶30；进样量1 μL；柱前压49 kPa；气化室及检测器温度均为250 ℃。

1.3.5 质谱条件

电子电离源；电子能量70 eV；质量扫描范围m/z 35～500；全离子扫描。

1.4 定性、定量分析

挥发油经GC-MS检测，所得质谱图经计算机质谱NIST 1.0谱库检索，并按各峰的质谱裂片图与文献资料比对，确定薤白挥发油的主要化学成分；采用峰面积归一化法计算各组分的相对含量。

2 结果与分析

2.1 薤白挥发油提取的单因素试验

2.1.1 浸泡温度对薤白挥发油提取率的影响

图1 浸泡温度对挥发油提取率的影响Fig.1 Effect of soaking temperature on extraction yield of volatile oil

对薤白蒸馏提取前进行加温浸泡，是挥发油提取的关键环节之一。由图1可知，浸泡温度对薤白挥发油提取率的影响较大。当浸泡温度较低时，挥发油提取率随着浸泡温度的升高而迅速增加。当浸泡温度为40 ℃时，薤白挥发油的提取率达到最高。此后再提高浸泡温度，提取率反而迅速下降。可能是由于蒜类挥发油的产生过程主要为酶促反应，当浸泡处于一定的适宜温度时，酶的活力高，挥发油的转化快，产率较高[22-23]。此后再增加温度，酶因温度过高而活力下降，导致挥发油提取率下降。故选择适宜的浸泡温度为40 ℃。

2.1.2 超声预处理时间对薤白挥发油提取率的影响

图2 超声预处理时间对挥发油提取率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic pretreatment time on extraction yield of volatile oil

本实验在蒸馏提取前增加了超声波预处理，一方面超声波产生的强烈振动和空化效应可有效地破碎药材的细胞壁，使有效成分呈游离状态并溶入提取剂中，另一方面超声波的搅拌作用可加速提取剂的分子运动，使得提取剂和药材中的有效成分快速接触，从而加速有效成分的浸出速率[24-25]。由图2可知，薤白挥发油提取率随着超声预处理时间的延长而增加。当超声预处理时间达30 min时，挥发油提取率达到最大，此后再延长超声预处理时间，提取率增加不明显，故选择30 min为最佳超声预处理时间。

2.1.3 液固比对薤白挥发油提取率的影响

图3 液固比对挥发油提取率的影响Fig.3 Effect of liquid-to-solid ratio on extraction yield of volatile oil

从图3可以看出，对一定质量的薤白，随着水量的增加，挥发油提取率呈现先上升后减小的趋势。当液固比达到4.5∶1（mL/g）时，溶剂对挥发油的提取达到饱和，挥发油提取率达到最大。此后，再继续增加溶剂的量，挥发油提取率反而下降，故选择液固比4.5∶1（mL/g）为宜。

2.1.4 提取时间对薤白挥发油提取率的影响

由图4可知，挥发油提取率随提取时间的延长呈现上升趋势。当提取时间在2 h之内时，挥发油提取率增加明显，说明提取时间短、提取不充分；在2 h后再增加提取时间，挥发油量增加趋近平缓，说明薤白中挥发油已基本提取完。为缩短提取时间节约能源，故选定提取时间为2 h。

图4 提取时间对挥发油提取率的影响Fig.4 Effect of extraction time on extraction yield of volatile oil

2.2 优化薤白挥发油提取工艺的响应面试验2.2.1 二次多项式回归模型的建立

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Responses surface central composite design and experimental results

以薤白挥发油提取率为响应值，根据表2试验结果进行二次回归分析，方差分析见表3。

通过分析可以得到提取条件与提取率之间的二次多项式模型为：

R=1.02+0.21A-0.017B-0.064C+0.021AB-0.047AC+0.043BC-0.27A2-0.092B2-0.26C2

浸泡温度和提取时间的P＜0.0001，说明这2 个因素对挥发油提取率的影响极显著。方差结果显示，P＜0.0001，表明回归模型极显著。相关系数R2Adj为0.9947，说明建立的模型能够解释99.47%响应值的变化来源于模型所选变量。方程失拟项不显著（P＞0.05），表明该方程对实验结果拟合较好，实验误差小。以上结果说明该模型能很好地描述薤白挥发油的提取过程中提取率随提取条件的变化规律，能用于预测薤白挥发油提取过程中的提取率情况。

表3 回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

2.2.2 各因素间的交互作用的分析

各因素间的交互作用及其对响应值的影响结果可通过响应曲面图直观反映出来（图5）。当浸泡温度一定时，薤白挥发油提取率随液固比和提取时间的增加先增加后降低；当液固比一定时，挥发油提取率随浸泡温度和提取时间的增加先增加后降低；当提取时间一定时，挥发油提取率随浸泡温度和液固比的增加先增加后降低。图5中各曲面较陡峭，说明3因素之间均有较强的交互作用。

2.2.3 模型的优化和验证

通过分析可以得到最佳的薤白挥发油提取条件为：浸泡温度39.14 ℃、液固比4.42∶1（mL/g）、提取时间2.2 h，提取率可达1.069%，根据实际情况，选择浸泡温度为40 ℃、液固比为4.40∶1（mL/g）、蒸馏时间2.2 h，测得薤白挥发油提取率为1.030%，与模型预测值接近，说明该模型可以很好的预测薤白挥发油的提取条件与薤白挥发油的提取率之间的关系，同时也证明了响应面法优化薤白挥发油的提取工艺参数的可行性。

2.3 薤白挥发油的GC-MS分析

对上述优化后得到的最佳工艺条件下得到的薤白挥发油进行GC-MS分析，结果见图6、表4。

从表4可以看出，薤白挥发油中共分离出17 个组分，鉴定了其中的14 种化学成分，占全部挥发油化学成分的93.46%。在已鉴定的挥发油化学成分中，含硫挥发性化合物13 种，占全部挥发油的88.39%。挥发油中的主要硫化物为二甲基三硫醚、甲基烯丙基三硫醚和二甲基四硫醚等，这些都是薤白挥发油的主要活性成分。其中，甲基烯丙基三硫醚的含量最高，占挥发油中总量的27.50%，已有研究表明该化合物对血小板聚集具有强烈抑制作用[3]。

图5 浸泡温度、液固比和提取时间的交互作用对薤白挥发油提取率影响的响应面图Fig.5 Response surface plots for the effects of soaking temperature, liquid-to-solid ratio and distillation time on extraction yield of volatile oil

图6 薤白挥发油总离子流色谱图Fig.6 Total ion current chromatogram of volatile oil from Allium macrostemon Bunge

表4 薤白挥发油化学成分分析结果Table 4 Chemical components in volatile oil from Allium macrostemon Bunge

与文献[3]相比，本研究所鉴定出的含硫化合物的组成存在差异，且各含硫化合物相对含量不同，这可能与薤白的产地、气候、生长环境有关外，还与提取条件有关，还有待进一步研究。

3 结 论

本实验采用水蒸气蒸馏法提取薤白挥发油，通过响应面法优化了提取工艺。结果表明，该法操作简便、稳定可靠。实验中回归方程合理，能较好的预测各因素条件与提取率的关系。优化得到的最适宜工艺参数为浸泡温度40 ℃、超声预处理30min、液固比4.40∶1（mL/g）、蒸馏时间2.2 h，在此条件下，薤白挥发油的提取率可达1.030%。采用GC-MS联用法对挥发油的化学成分进行了分离鉴定，从薤白挥发油中共分出17 个组分，鉴定了14 种化学成分，主要为含硫化合物，占全部挥发油化学成分的93.46%。

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Optimization of Extraction of Volatile Oil from Allium macrostemon Bunge and Chemical Composition Analysis by Gas Chromatography-Mass Spectrometry

HUANG Fang, ZHOU Hong, YU Shan-shan
(School of Biochemical Engineering and Environmental Engineering, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing 211171, China)

The volatile oil from the bulbs of Allium macrostemon Bunge was extracted by steam distillation with soaking in hot water and ultrasonic pretreatment. Based on single factor experiments, the yield of volatile oil was selected as response value and the optimum extraction process was determined through response surface methodology. The chemical constituents of the volatile oil were analyzed by gas chromatography mass spectrometry (GC-MS). The results showed that the optimal extraction conditions were soaking in 40 ℃ water with a liquid-to-solid ratio of 4.40:1 (mL/g), ultrasonic pretreatment for 30 min and distillation for 2.2 h. Under these conditions, the yield of volatile oil was 1.030%. Totally 17 compounds were detected and 14 of them were identi fi ed by GC-MS in the extracted volatile oil, together accounting for 93.46% of the total amount of extracted compounds based on peak area normalization.

Allium macrostemon Bunge; volatile oil; response surface methodology; gas chromatography-mass spectrometry

O657.63

A

1002-6630（2014）08-0080-05

10.7506/spkx1002-6630-201408015

2013-07-22

国家自然科学基金面上项目（21171097）；江苏省高校自然科学研究项目（13KJD150001）；

南京晓庄学院科研项目（2012NXY18）

黄芳（1978—），女，讲师，硕士，研究方向为复杂体系的分离与分析。E-mail：fanghuang1998@163.com