正交实验法优选金刺梨花精油提取工艺条件

柯杨，程友史，钟漫，周贵付，赵荣飞

（1.安顺学院贵州省教育厅功能材料与资源化学特色重点实验室化学化工学院，贵州安顺561000；2.安顺市林业科学研究所，贵州安顺561000）

安顺金刺梨又名无籽刺梨，属蔷薇科蔷薇属，是多年生常绿丛生灌木，也是贵州特有种系，果实成熟时呈金黄色，没有野生刺梨的表皮毛刺及果核，果肉厚，口感酸甜适中，营养丰富[1-2]。金刺梨具有抗衰老等作用，其含糖量是普通刺梨的6倍以上，几乎没有单宁，VC、VP和超氧化物歧化酶的含量雄冠世界所有水果之首，有三王水果之称[3]。安顺市已将金刺梨作为安顺特色农业发展，目前在郊区已有大面积栽种，2015年安顺金刺梨种植面积将达到13万公顷以上。金刺梨花5月开花，花形大于野生刺梨花，花瓣呈浅粉红色，具有特殊的香气，花期一个月左右[4]。金刺梨花具有生长快、花色美、冠幅大、产量大等优点，可以食用，性甘平，主治痢疾、腹泻，有药用价值，可作为活性物质深度开发的原料[5]。花精油的应用广泛，在保健品、营养品、药用制品、化妆品开发等方面具有极大的优越性，对金刺梨花进行深加工，提取金刺梨花精油，可增加产品附加值，不断提高产品的市场竞争力[6]。目前花精油的提取方法主要有压榨法、冷浸法、蒸馏法、亚临界水萃取法等[7]。水蒸汽蒸馏法属于传统提取法，具有无污染，低成本，所需设备简单，操作简便等特点，因此广泛应用于植物精油的提取，例如玫瑰花、金莲花等植物中挥发油的提取[8-9]。本文用开花后期的金刺梨花作为原料，采用水蒸气蒸馏法提取金刺梨花精油，并用正交实验法优选最佳提取工艺条件，可为工业生产提供一定的数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

金刺梨花：购于安顺市平坝县白云镇高寨村。

1.1.2 试剂

无水硫酸钠：分析纯，国药试剂；乙醚：分析纯，国药试剂。

1.1.3 仪器

98-1-C型数字控温加热套：天津市泰斯特仪器有限公司；水蒸气蒸馏装置：北京厚惠实验仪器科技有限公司；新型微型化学仪器制备仪：安徽天长市长城玻璃仪器制造厂；SHZ-Ⅲ型循环水泵：上海亚荣生化仪器厂；AB204-N型电子分析天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；GC-MS-QP2010气相色谱-质谱联用仪：日本SHIMADZU公司

1.2 方法

1.2.1 金刺梨花的预处理

金刺梨花花期仅30 d左右，新鲜金刺梨花不易保存，不利于工业化生产，故选用晾干后的金刺梨花作为原料提取精油。新鲜金刺梨花可选用开花后期接近或已掉落不久的花瓣，不仅不影响刺梨的挂果，而且晾干后的金刺梨花易于保存，可在非花期用于提取精油。

1.2.2 金刺梨花精油的提取

采用水蒸气蒸馏法进行提取。准确称取一定量的金刺梨干花，用一定浓度的盐水浸泡一段时间，置于水蒸气蒸馏装置中，调整火力，让馏出液以1滴/s的速度馏出。为方便收集精油，可在集液瓶中加少量无水乙醚，提取完毕后，分出乙醚层，用无水Na2SO4干燥，减压蒸馏快速除去乙醚，称量瓶重，计算金刺梨花精油的提取率。

1.2.3 金刺梨花精油提取率的计算

1.2.4 影响金刺梨花精油提取率主要因素的选择

选择蒸馏时间、料液比、盐水浓度作为考察因素，实验中不考虑交互作用影响，选择L9（33）设计三因素三水平实验，确定水蒸气蒸馏法提取金刺梨花精油的最佳工艺条件。

1.2.5 气相色谱-质谱联用分析条件

分析的GC条件：VF-WAXMS石英毛细管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 μm）；柱温 30 ℃～230℃；程序升温：初始温度30℃保持3min，以5.6℃/min至100℃，保持1min，以3.1℃/min至125℃，以13℃/min至230℃保持17.44 min；柱流量为1.10 mL/min；进样口温度260 ℃；柱前压 52.7 kpa；进样量 1.0 μL；分流比 20 ∶1；载气为高纯氦气。

分析的MS条件：EI离子源；电子能量70 ev；离子源温度200℃；接口温度270℃；质量扫描范围33～450；倍增器电压1.1 Kv。

化学成分的定性：利用计算机谱库检索对质谱图进行检索和比对，结合人工解析，对金刺梨花精油的化学成分进行鉴定。

2 实验部分

2.1 提取金刺梨花精油的单因素实验

2.1.1 盐水浓度对精油提取率的影响

称取金刺梨干花10.0 g，用水蒸气蒸馏法进行提取，提取时间 7 h，料液比 1 ∶20（g∶mL），盐水浓度分别为1%、2%、3%、4%、5%，分别测试不同盐水浓度下金刺梨花精油的提取率，结果见图1。

图1 盐水浓度对提取率的影响Fig.1 Effect of concentration of salt solution on extraction rate

许多花精油的提取可用盐水替代蒸馏水以提高提取率，如沙枣花精油的提取[10]。由图1可知，盐水浓度增加，可以增加精油的提取率，分析原因可能是盐水能降低精油在水中的溶解度，从而提高精油的提取率，考虑到减少成本的因素，选取浓度为4%左右的盐水较合适。

2.1.2 液料比对精油提取率的影响

称取金刺梨干花10.0 g，用水蒸气蒸馏法进行提取，提取时间7 h，盐水浓度为4%，分别测试料液比为1 ∶17、1 ∶18、1 ∶19、1 ∶20、1 ∶21（g/mL）对提取金刺梨花精油的影响，结果见图2。

由图2可知，料液比过低会降低精油的提取率，分析原因可能是金刺梨干花在浸泡过程中会吸收水分，盐水过少会导致在加热过程中产生局部过热现象，使得精油的提取率降低；盐水过多，成本增加的同时，精油在水溶液中的溶解量也会增加，使得精油的提取率减小，因而选取1∶20（g∶mL）的料液比较合适。

图2 料液比对提取率的影响Fig.2 Effect of solid to liquid ratio on extraction rate

2.1.3 提取时间对精刺梨精油提取率的影响

称取金刺梨花10.0 g，用水蒸气蒸馏法提取精油，料液比1∶20，盐水浓度为4%，蒸馏时间分别为4、5、6、7、8 h，不同蒸馏时间对金刺梨花精油提取率的影响见图3。

图3 提取时间对提取率的影响Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate

由图3得知，随着蒸馏时间增长，精油的提取率增加，蒸馏时间过长，不仅使成本增加，而且精油的提取率也没有太大提高，蒸馏时间为7 h提取率最佳。通过实验得知，蒸馏时间为4 h时真空尾接管里透出较浓的香气，蒸馏6 h时真空尾接管里透出的香气较淡，7 h时基本没有香气，进一步验证了上述实验结果，因而蒸馏时间为7 h较合适。

2.1.4 正交试验因素水平设计

选择蒸馏时间、料液比、盐水浓度作为考察因素，正交实验因素水平设计见表1。

表1 正交试验因素水平设计Table 1 Factor levels of orthogonal experiment design

2.1.5 提取金刺梨花精油的正交试验

以金刺梨精油的提取率为评价指标，选取正交表L9（33）设计三因素三水平共9组实验，各因素水平对精油提取率的影响数据见表2。

表2 提取金刺梨花精油正交试验结果及分析表Table 2 Orthogonal experiment and results about extraction of rosa sterilis flower essential oil

从表2可知，3个因素对实验结果影响大小为：蒸馏时间（B）＞料液比（C）＞盐水浓度（A），蒸馏时间对金刺梨花精油的提取率存在显著性影响，料液比有明显影响，盐水浓度影响不显著。水蒸馏法提取金刺梨花精油最佳提取工艺组合为B3C3A3，即蒸馏时间7 h，料液比 1∶20（g∶mL），盐水浓度 4%。

2.2 验证实验及金刺梨花精油得率的测定

按照正交实验优选出的最佳提取组合方案B3C3A3做6组平行实验，所得金刺梨花精油平均提取率为0.748%，高于表2中的最高得率0.714%。

2.3 金刺梨花精油的主要成分分析

通过气相色谱-质谱联用技术分析金刺梨花精油组成，获得GC-MS分析的总离子流色谱图，见图4，通过谱库检索及人工图谱解析，检测出19种化合物，得到各种化合物的相对含量数据，金刺梨花精油成分分析如表3所示。

图4 金刺梨花精油的总离子流色谱图Fig.4 Total ion chromatograms of rosa sterilis flower essential oil

表3 金刺梨花精油成分分析Table 3 Component analysis of volatile oil from rosa sterilis flower

由表3知，金刺梨花精油的主要成分是高级烃类、醛类、醇酚类、烯类、有机酸类，各类物质含量较高的是11-癸二十四烷（19.77%），十一醛（10.80%），另外，还检测出了十四烷醛、二叔丁基对羟基甲苯、2，4，4-三乙基-1-己烯、2-甲基-2-乙基十三醇等挥发性物质。

3 结论

从金刺梨干花中提取的精油是白色固液混和物，不溶于水，易溶于有机试剂，有沁人心脾的独特香气。采用水蒸气蒸馏法提取金刺梨花精油，以精油提取率为考察指标，通过正交实验法研究了料液比、蒸馏时间和盐水浓度对提取金刺梨花精油产率的影响，优选提取金刺梨花精油的最佳工艺条件。实验结果表明，蒸馏时间是影响金刺梨精油的抽取率的主要因素，其次是料液比，盐水浓度的影响最小。最佳提取工艺条件为：料液比 1 ∶20（g∶mL）、蒸馏时间 7 h、盐水浓度4%，验证实验表明，在此条件下以金刺梨干花为原料提取金刺梨精油，提取率可达0.748%。金刺梨精油经过GC-MS分析，通过检索谱图，初步鉴定出19种化学物质，高级烃类占53.58%，共8种；醛类占18.61%，共2种；醇酚类占13.17%，共3种；烯类占9.87%，共3种；酸类占2.21%，共2种；醚类占2.55%，共1种。

[1] 林源,唐军荣,田斌,等.无籽刺梨的研究现状及发展建议[J].江苏农业科学,2014,42(4)：122-124

[2] 付慧晓,王道平,黄丽荣,等.刺梨和无籽刺梨挥发性香气成分分析[J].精细化工,2012,29(9)：875-878

[3] 唐玲,陈月玲,王电,等.刺梨产品研究现状和发展前景[J].食品工业,2013,34(1)：175-178

[4] 刘松,赵德刚.无籽刺梨(Rosa kweichonensis var.sterilis)研究进展[J].山地农业生物学报,2014,33(1)：76-80

[5] 韦景枫,程友忠,蒙先举,等.无籽刺梨生物学特性观察[J].中国林副特产,2012(6)：27-29

[6] 程劼,谢建春,孙宝国.国产玫瑰精油的化学成分及香气特征[J].中国食品添加剂,2007(5)：66-70

[7] 应丽亚,苏平.亚临界水萃取技术在植物精油提取中的应用潜力[J].食品与发酵工业,2011(5)：142-145

[8] 余峰,张彬,周武,等.玫瑰精油的提取和理化性质分析[J].天然产物研究与开发,2012(6)：784-789

[9] 王建玲,倪克平,姬小明,等.金莲花挥发油GC-MS分析及单料烟加香应用研究[J].河南农业科学,2012(5)：121-124

[10]王雅,赵坤,赵萍,等.沙枣花精油提取工艺优化及开花周期精油含量质量研究[J].食品工业科技,2008(5)：92-94