超临界萃取沙葱花挥发油的工艺优化及GC—MS分析

温俊峰

刘 侠

高立国1,2

李 睿1

(1. 榆林学院，陕西 榆林 719000；2. 榆林市农产品深加工重点实验室，陕西 榆林 719000)



超临界萃取沙葱花挥发油的工艺优化及GC—MS分析

温俊峰1,2

刘 侠

高立国1,2

李 睿1

(1. 榆林学院，陕西 榆林 719000；2. 榆林市农产品深加工重点实验室，陕西 榆林 719000)

以野生沙葱花为原料，利用响应曲面法优化超临界CO2提取沙葱花挥发油工艺，并对挥发油进行GC—MS检测分析。以萃取温度、萃取压力、萃取时间为影响因素，应用 Box-Behnken中心组合方法进行三因素三水平试验，以挥发油得率为响应值，进行响应面分析。沙葱花挥发油提取的最佳工艺条件为萃取温度39 ℃，萃取压力29 MPa，萃取时间1.2 h，流速20 L/h，挥发油得率预测值为19.36%，验证值为18.90%。通过GC—MS分析，分离出了29种组分，占总峰面积的96. 67%，鉴定出了27种化合物，其中醛类化合物8种共占37.63%，芳香烃化合物共占30.52%，姜辣素占12.60%。

沙葱花；挥发油；超临界CO2萃取；GC—MS

沙葱(AlliummongolicumRegel)又名蒙古韭，野葱、山葱，百合科，葱属多年生草本。主要生长于蒙古高原的荒漠草原和典型草原的沙地上，广泛分布于中国的内蒙古西北部、辽宁西部、陕西北部、宁夏北部、甘肃、青海和新疆东北部[1]。野生沙葱所含的生物矿物质、必需微量元素和氨基酸均高于一般的蔬菜[2]，富含植物蛋白、膳食纤维和维生素等多种营养成分。沙葱不仅是西北地区独特的地方风味，还是药用植物，据记载[3-4]，沙葱地上部分可入药，能开胃、消食、杀虫，主治消化不良、不思饮食、秃疮、青腿病等，还具有降血压、降血脂等功效，被誉为“菜中灵芝”。沙葱夏季开花，花香浓郁，有辛辣味，当地居民将沙葱花晾干后用作调味品。沙葱花中含有大量的挥发油，但目前尚未见沙葱花挥发油化学组分的文献报道。

植物精油是中草药中分布较广泛的一类成分，具有抗病毒、抗菌[5]、抗炎[6]、抗肿瘤[7]、驱虫、抗过敏、抗氧化等活性[8-9]。目前挥发油提取的方法主要有水蒸气蒸馏[10]、微波提取[11]、超声波提取[12]、超临界 CO2萃取[13-15]等，其中超临界 CO2萃取具有操作过程工艺简单、耗时少；萃取能力强、提取率高；挥发油纯度高，组分不被破坏的优点，被广泛用于天然植物中有效组分的提取[16-17]。

本试验拟采用超临界CO2萃取仪萃取沙葱花挥发油，利用Box-Behnken Design响应曲面法优化萃取条件，并通过GC—MS分析沙葱花挥发油的化学成分，旨在为开拓沙葱花在食品、医药等方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

沙葱花：采自陕西省榆林市神木县；

无水硫酸钠：分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司；

CO2气体：食品级，纯度99.9%，北京普莱克斯气体有限公司。

1.1.2 仪器

超临界流体萃取装置：HA121-50-01C型，江苏华安科研仪器有限公司；

电子天平：FA2204B型，上海精密科学仪器有限公司；

高速万能粉碎机：FW-100D型，天津鑫博仪器有限公司；

气相色谱质谱联用仪：GC-MS-QP2010型，日本岛津(上海)责任有限公司。

1.2 方法

1.2.1 超临界CO2萃取沙葱花挥发油的工艺流程 沙葱花阴干、粉碎、过60目筛，称取40 g，放入萃取釜内，同时在萃取柱的两端填塞少许脱脂棉及加装过滤片。固定CO2流速20 L/h(分离压力Ⅰ为5 MPa，温度55 ℃；分离压力Ⅱ为5 MPa，温度45 ℃)，考察萃取温度，萃取压力，萃取时间对挥发油得率的影响。萃取结束，从分离器出料口得粗挥发油，用无水硫酸钠干燥脱水后得浅黄色精制挥发油。

1.2.2 超临界CO2萃取沙葱花挥发油的单因素试验 选取萃取温度、萃取压力、萃取时间3个因素进行单因素试验，以挥发油得率为指标，确定各因素的优化区间。

(1) 温度：在萃取压力30 MPa，萃取时间1.5 h的条件下，考察萃取温度( 20，30，40，50，60 ℃)对挥发油得率的影响。

(2) 压力：在萃取温度40 ℃，萃取时间1.5 h的条件下，考察萃取压力(10，20，30，40，50 MPa)对挥发油得率的影响。

(3) 时间：在取萃取温度40 ℃，萃取压力30 MPa的条件下，考察萃取时间(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 h)对挥发油得率的影响。

1.2.3 响应面(RSM)试验设计 在单因素试验基础上，利用Design-Expert 8.05软件以沙葱花挥发油得率为指标，萃取温度、萃取压力、萃取时间为自变量，设计三因素三水平的响应面(RSM)试验方案。

1.2.4 挥发油得率计算

(1)

式中：

R——挥发油得率，%；

m1——萃取挥发油质量，g；

m2——沙葱花样品质量，g。

1.2.5 挥发油的GC—MS分析

(1) 气相色谱条件：色谱柱为AB - INowax弹性石英毛细管柱(30. 0 m×250 μm×0. 25 μm)，柱温50 ℃(保留2 min)，以6 ℃/min 升温至220 ℃，保持35 min；汽化室温度260 ℃；载气为高纯 He (99. 999%) ；柱前压100 kPa，载气流量1. 5 mL/min；进样量1 μL；分流比20∶1。

(2) 质谱条件： EI电离，离子源温度260 ℃，四极杆温度150 ℃，电子能量70 eV，发射电流34. 6 μA，倍增器电压1 015 V，接口温度260 ℃，质量范围30～550 amu，溶剂延迟5 min，NIST107标准质谱检索库。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 萃取温度对沙葱花挥发油得率的影响 由图1可知，挥发油得率随着萃取温度的升高而先升高后降低，温度为40 ℃时，挥发油收率最高。这是由于温度上升，加速了挥发油的扩散，增加了传质速度，有利于萃取；另一方面温度上升会导致CO2密度变小，对挥发油的溶解能力下降，不利于萃取。

图1 萃取温度对挥发油得率的影响Figure 1 Effect of the extraction temperature on extraction rate of essential oil

2.1.2 萃取压力对沙葱花挥发油得率的影响 由图2可知，随着萃取压力的增大，挥发油收率增大，当压力达到30 MPa后，收率达到最高，之后有所下降。原因是萃取压力升高，CO2密度增大，对挥发油的溶解性能增加，有利于萃取；但另一方面，压力增大，挥发油的扩散速率会下降而不利于萃取。

2.1.3 萃取时间对挥发油得率的影响 由图3可知，在0.5～1.0 h时，挥发油收率升高最快，1.5 h时达最大值，之后基本不再变化。因挥发油随时间不断溶解，最终达到溶解饱和，所以1.5 h后挥发油得率基本稳定。

图2 萃取压力对挥发油得率的影响Figure 2 Effect of the extraction pressure on extraction rate of essential oil

图3 萃取时间对挥发油得率的影响Figure 3 Effect of the extraction time on extraction rate of essential oil

2.2 响应曲面试验结果分析

2.2.1 Box-Behnken试验设计方案及结果分析 综合单因素试验结果，选取萃取温度、萃取时间、萃取压力3个因素，采用Box-Behnken设计多因素响应面试验，各因素水平的选取保证最佳萃取条件在其范围内，具体因素及水平见表1，试验方案及结果见表2。

2.2.2 模型方程的建立及显著性分析 采用Design-Expert8.05软件对表2中的试验数据进行二次线性回归拟合，得沙葱花挥发油提取收率对萃取温度、萃取压力、萃取时间二次多项回归模型方程：

表1 响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels in response surface experiment

表2 响应曲面试验设计及试验结果Table 2 Response surface design arrangement and experimental results

R=19.0-2.00A-0.48B+0.87C+2.99AB-0.42AC-0.29BC-9.21A2-2.75B2-1.44C2。

(2)

表3 回归模型方差分析†Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for the Response Surface Quadratic Model

根据表3中数据进一步检验可以看出一次项中A的偏回归系数极显著，说明萃取温度对沙葱花挥发油提取率有极显著影响；C项的偏回归系数高度显著，说明萃取时间对沙葱花挥发油提取率有高度显著影响；AB项的交互作用极显著；二次项中的A2、B2的偏回归系数达极显著水平，而C2达高度显著水平。由上分析，表明影响沙葱花挥发油萃取率的因素依次为萃取温度>萃取时间>萃取压力。

2.2.3 响应曲面分析 对表2 数据进行二次多元回归拟合，得到二次模型的响应曲面及等高线图，见图4～6。由图4可知，萃取温度和萃取压力的等高线呈椭圆形，说明具有极显著的交互作用；图5中萃取温度与萃取时间之间的等高线也偏椭圆形，显示二者也存在明显的交互作用；而图6中的等高线接近圆形，说明萃取压力与萃取时间之间交互作用不显著。

图4 萃取温度和萃取压力对挥发油得率影响的曲面和等高线图Figure 4 Response surface plot and contour line of the effects of extraction temperature and extraction pressure on extraction rate

图5 萃取温度和萃取时间对挥发油得率影响的曲面和等高线图Figure 5 Response surface plot and contour line of the effects of extraction temperature and extraction time on extraction rate

图6 萃取压力和萃取时间对挥发油得率影响的曲面和等高线图Figure 6 Response surface plot and contour line of the effects of extraction pressure and extraction time on extraction rate

2.2.4 超临界CO2萃取工艺条件优化结果 采用Design-Expert 8.05软件对模型方程(2)进行求解，得到超临界CO2萃取沙葱花挥发油的最优工艺为：萃取温度39.25 ℃，萃取压力29.1 MPa，萃取时间1.17 h，理论提取率为19.36%。考虑到实际操作的方便，确定沙葱花挥发油提取的条最优件为：萃取温度39 ℃，萃取压力29 MPa，萃取时间1.2 h。在此优化条件下进行3次平行实验，得提沙葱花挥发油取率为18.90%，与理论预测值基本相符。

2.3 沙葱花挥发油的组分分析结果

沙葱花挥发油GC—MS成分分析的总离子流图见图7，经Nist2007标准质谱图库数据系统检索和人工谱图解析，按各色谱峰的质谱裂片图与文献核对，对基峰、质荷比和相对丰度等方面进行直观分析比较，结果从沙葱花超临界萃取中分离出29个色谱峰，共鉴定出27个化学成分，占总离子峰相对含量的96. 67 %，结果见表4。

图7 沙葱花挥发油的总离子流图Figure 7 Total ion chromatogram of volatile oil of Allium mongolicum Regel flowers

由表4可知，超临界萃取产品中醛类化合物8种高达37.63%；芳香烃化合物含量也较高，占30.52%，其中甲氧基-4-(1-丙烯)苯25.33%；另外姜辣素含量达12.60%。

3 结论

(1) 超临界CO2萃取沙葱花挥发油的最优工艺为：萃取温度39 ℃，萃取压力29 MPa，萃取时间1.2 h，CO2流速20 L/h，沙葱花挥发油的得率为18.90%。

表4 沙葱花挥发油成分分析结果

Table 4 Identified components of volatile oil of Allium mongolicum Regel flowers

名称保留时间/min相对含量/%己醛3.1411.78异丙苯5.2680.65辛醛6.9410.54桉油精7.5600.58葵醛11.34322.393-甲基-4苯基丁醛12.1712.424-甲氧基-安息香醛12.5191.633,7-二甲基-2,6-辛二烯醛12.7601.391-甲氧基-4-(1-丙烯)苯13.10825.337,7-二甲基二环[4.1.0]庚三烯-3-甲醛13.2340.87邻苯二甲酸二甲酯16.4742.291-(1,5-二甲基-4-己烯基)-4-甲苯16.9521.475-甲基-(1,5-二甲基-4-己烯基)-1,3-环己烯17.1432.521-甲基-4-(4-甲基环己基)-亚甲基环己烷17.3850.583-(1,5-二甲基-4-己烯基)-6-甲苯17.6791.52未知18.5750.42邻苯二甲酸乙酯19.0022.044-(4-羟基-3-甲基苯基)丁酮19.9444.601-(3-甲基-2-丁氧基)-4-(1-丙烯基)苯20.3871.60反-Z-α-环氧化红没药烯22.5141.239-十六碳烯酸24.4222.86E-9-十四碳烯酸24.5496.48正二十酸(花生酸)24.6854.85氧杂环十七碳-10-烯-2-酮27.1253.509-十八碳烯醛27.1887.482-甲基1,3-十八碳二烯-1-醇27.5470.55姜辣素29.33412.601-(1,3-二甲基)-7-氧杂二环[4.1.0]庚烷29.4033.28未知32.1191.21

(2) 对在优化的最佳条件下获得的精油样品进行GC—MS分析，结果表明超临界萃取精油产品总共分离出29种成分，占总峰面积的96.67%，鉴定出了27种化合物，其中多为醛，芳香烃化合物，姜辣素，还有少量的酸、酯类化合物。姜辣素含量较高，有证据[18-19]显示，姜辣素有多种不同的药理学作用，包括抗氧化、抗细胞凋亡、抗炎、抗癌和化学防癌等作用，这对开发沙葱深加工产品提供了科学依据。

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Studies on volatile oil extracting process optimization by supercritical CO2and analysis by GC—MS of Allium mongolicum Regel flowers

WEN Jun-feng1,2

1

LIUXia1

GAOLi-guo1,2

LIRui1

(1.YulinUniversity,Yulin,Shaanxi719000,China;2.YulinKeyLaboratoryofDeepProcessingofAgriculturalproducts,Yulin,Shaanxi719000,China)

The volatile oil from theAlliummongolicumRegel flowers by supercritical-CO2fluid extraction(SFE) was optimized using response surface methodology(RSM)，and the volatile oil was identified by GC—MS. The effects of the extraction pressure, extraction temperature, extraction time on the yield of volatile oil were investigated by a three-factor and three-level Box-Behnken central composite design with the extraction rate as the response value. The results showed that the optimum conditions for the extraction ofAlliummongolicumRegel flower oil were as follows: extracting temperature 39 ℃, pressure 29 MPa, time 1.2 h, CO2flux 20 L/ h. Under such condition, the model-predicted and experimental values of oil yield were 19.36% and 18.90%. The 29 chemical components were separated by GC—MS, which were 96.67% of the total oil, and 27 compounds of them were also identified, including 8 aldehydes(37.63%), aromatic hydrocarbon compounds(30.52%) and Gingerol (12.60%).

AlliummongolicumRegel flowers; volatile oil; supercritical-CO2fluid extraction; GC—MS

陕西省榆林市科技局产学研项目(编号：2015LXY21)

温俊峰(1978—)，女，榆林学院副教授，硕士。 E-mail:wenjf_72@163.com

2016—03—23

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.036