响应面法优化香茅精油提取工艺及其成分分析

张洪军，曹亚斌，刘伟，丁华，刘光发，王建清*

(1.天津科技大学，天津 300222；2.西安工程大学，西安 710048)

响应面法优化香茅精油提取工艺及其成分分析

张洪军1,2，曹亚斌2，刘伟2，丁华1，刘光发1，王建清1*

(1.天津科技大学，天津 300222；2.西安工程大学，西安 710048)

采用水蒸气蒸馏的方法，在以NaCl溶液浓度、液料比、蒸馏时间、超声功率、超声时间为单因素分析的基础上采用中心组合响应面设计法(CCD)进行提取工艺优化，并利用GC-MS分析香茅精油的主要化学成分。结果表明：在NaCl溶液浓度9%，液料比15∶1，蒸馏时间170 min，功率420 W条件下超声65 min，香茅精油提取得率可达到最大值2.69%，共含有44种化学成分，其中含量最高的物质是香茅醛，占比高达36.94%。

香茅精油；提取；响应面优化；成分分析

香茅是禾本科香茅属芳香性植物，亦称为香茅草，为常见的香草之一，在亚洲的许多国家被用作传统的调味料，是经美国食药局认证的安全物质；香茅精油也广泛作为芳香剂使用，是中国相关标准中规定可以使用的香料物质之一[1]，初步研究显示：香茅精油挥发性化合物中含有醛类、醇类、酯类、烯类等化合物[2,3]，香茅精油在抵抗与食品相关的微生物上有很大的抗菌活性[4,5]。

本试验利用水蒸气蒸馏法提取香茅精油[6,7]，在单因素分析的基础上采用中心组合响应面设计法(CCD)进行提取工艺优化[8,9]，利用GC-MS分析香茅精油的主要化学成分，对香茅精油的鉴别与检测和开发利用香茅这一植物资源有一定的指导作用。

1 材料和方法

1.1 材料和仪器

香茅草(Citronella) 云南云药科技股份有限公司；水蒸气蒸馏装置 常州普天仪器制造有限公司； DZTW 型调温电热套 北京市永光明医疗仪器厂；AR2130型千分之一电子天平 梅特勒-托利多仪器上海有限公司；KQ5200B 型超声波清洗器 昆山市超声波仪器有限公司；GC/MS 4000 美国Varian公司。

1.2 试验方法

1.2.1 香茅精油的提取

取一定量约2 cm长的香茅草，放入2000 mL三口烧瓶中，注入一定量氯化钠溶液，超声后用水蒸气蒸馏装置进行蒸馏。用棕色瓶收集冷凝后的香茅精油，静置分离，并向其中加入无水硫酸钠干燥，吸去油层中含有的水分，装于试剂瓶中，放置于4 ℃冰箱中保存。

精油提取得率(V/g)=测得精油量(V)/香茅草质量(g)。

1.2.2 单因素试验设计

按照1.2.1的提取方法，称取40 g香茅草小段放入2000 mL三口烧瓶中，选取影响香茅精油提取得率的5个因素：氯化钠溶液浓度(g/g)、液料比(mL/g)、超声功率、超声时间、蒸馏时间，研究该5个变量对香茅精油提取得率的影响，以确定各个因素的适当取值范围。单因素变量设计见表1，当其中一个条件作为变量时，选取其他提取条件为固定值。

表1 单因素试验变量设计Table 1 Variables design of single factor experiment

1.2.3 香茅精油化学成分分析

仪器型号：GC/MS 4000，美国Varian公司。

气相条件：色谱柱型号为VF-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，进样口温度为280 ℃，载气为纯度为99.999%的氦气，载气流速为1 mL/min，分流比为5∶1。

色谱柱程序升温：初始温度为60 ℃，保持3 min，然后以8 ℃/min升至280 ℃，保持6 min。

质谱条件：EI离子源，离子阱温度220 ℃，传输线温度280 ℃，扫描方式：全扫描，扫描范围：50～500 amu。采用NIST05谱库检索。

2 单因素试验结果与分析

2.1 氯化钠溶液浓度对香茅精油提取得率的影响

相关文献[6]研究表明：一定浓度的氯化钠溶液可以降低香茅精油在水中的溶解度，提高香茅精油的提取得率。氯化钠溶液浓度对香茅精油提取得率的影响见图1。

图1 氯化钠溶液浓度对香茅精油提取得率的影响Fig.1 The effect of sodium chloride solution concentration on the extraction rate of citronella oil

在一定范围内(2%～10%)随着氯化钠溶液浓度增加，香茅精油提取得率相应增大，当氯化钠溶液浓度超过10%时，随着氯化钠溶液浓度增加，香茅精油的提取得率反而下降，因此，在优化提取香茅精油的试验中，选用浓度10%左右的氯化钠溶液作为零水平较为合适。

2.2 液料比对香茅精油提取得率的影响

液料比对香茅精油提取得率的影响见图2。

图2 液料比对香茅精油提取得率的影响Fig.2 The effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of citronella oil

在一定范围内随着液料比增加，香茅精油提取得率有所增加，当液料比为20∶1时，香茅精油提取得率达到最大值；当液料比高于20∶1时，继续增加溶剂用量，提取得率反而降低，这是因为当液料比较低时香茅草不能完全浸泡，蒸馏时无法完全浸出，而香茅精油在水里有一定的溶解性，随着液料比增加，溶剂中溶解的精油也增多，导致精油得率降低；综合试验结果，20∶1可作为进一步试验的最佳液料比。

2.3 超声功率对香茅精油提取得率的影响

超声功率对香茅精油提取得率的影响见图3。

图3 超声功率对香茅精油提取得率的影响Fig.3 The effect of ultrasonic power on extraction rate of citronella oil

随着超声功率的增大，香茅精油的提取得率逐渐升高，当超声功率为420 W时，香茅精油提取得率达到最高值，当超声功率超过420 W后，随着超声的进行，提取得率有大幅度的下降，出现这种现象的主要原因很可能是随着超声进行，香茅草与溶剂充分混合，而大功率超声产生强大的空化作用导致香茅精油挥发，提取得率下降。实验结果表明：420 W是所用设备香茅精油水蒸馏提取的最佳超声功率，因此后续工艺优化试验将固定该因素为420 W。

2.4 超声时间对香茅精油提取得率的影响

超声时间对香茅精油提取得率的影响见图4。

图4 超声时间对香茅精油提取得率的影响Fig.4 The effect of ultrasonic time on the extraction rate of citronella oil

随着超声时间的延长，香茅精油的提取得率稳中有升，当超声时间为70 min时，香茅精油提取得率达到最高值，当超声时间超过70 min后，随着超声的进行，提取得率有小幅度的下降，出现这种现象的主要原因很可能是随着超声进行，香茅精油挥发，导致了提取得率小幅度下降。实验结果表明：选用超声时间70 min作为零水平较为合适。

2.5 蒸馏时间对香茅精油提取得率的影响

蒸馏时间对香茅精油提取得率的影响见图5。

图5 蒸馏时间对香茅精油提取得率的影响Fig.5 The effect of distillation time on the extraction rate of citronella oil

在蒸馏的过程中，随着蒸馏时间的延长，香茅精油的提取得率不断升高，当蒸馏时间为180 min 时，香茅精油提取得率达到最高值，当蒸馏时间超过180 min 后，随着蒸馏的进行，提取得率有小幅度的下降，出现这种现象的主要原因是随着蒸馏进行，被提取出来的精油越来越少，而且会有少部分精油随着水蒸气挥发进而黏贴在三口烧瓶等空间体壁上，也可能是延长提取时间使香茅精油降解，出现了提取得率小幅度下降现象，因此，后续工艺优化试验蒸馏时间选择170～190 min 范围。

3 水蒸气法提取香茅精油的工艺优化

在单因素试验的基础上，根据通用旋转中心组合(CCD)设计原理，以提取得率Y为响应值，利用Design Expert 8.0.6软件设计四因素三水平的响应面试验，对反应条件进行优化，因子与水平的安排见表2，编码设计及试验结果见表3。

表2 香茅精油提取的中心组合试验设计与结果Table 2 The central composite experimental design and results of citronella oil extraction

表3 响应面设计编码及结果表Table 3 The response surface design code and result table

利用Design Expert 8.0.6软件对试验结果进行分析。响应面试验方差分析结果见表4。

表4 响应面试验方差分析Table 4 Variance analysis of response surface experiment

注：“*”为P<0.05，差异显著；“**”为P<0.01，差异极显著。

由表4可知，该模型在P<0.01水平上极显著，失拟项不显著(P>0.05)，说明该回归方程模型可以用于香茅精油提取的优化分析，多元回归方程为：Y=2.55-0.021A-0.051B-0.06C-0.027D+0.077BC-0.041B2-0.041C2。

根据F值的大小[10]，各实验因子对响应值Y的影响依次为BC>C>B>C2=B2>D>A。因素C,B,B2,C2,BC影响极显著(P<0.01)，因素D影响显著(0.01

对模型进一步优化求解，得到最佳实验条件为：氯化钠溶液浓度9%，液料比15∶1，蒸馏时间170 min，420 W功率条件下超声65 min。在最佳条件下香茅精油提取得率实测平均值为2.69%，预测值为2.7%，优于贾媛等未采用超声处理的提取得率2.53%，说明超声处理确实可以提高香茅精油的提取得率，实测值与预测值接近，说明经过优化后的回归方程对香茅精油进行分析和预测是可靠的，此实验条件可以用于香茅精油提取的优化[11]。

4 香茅精油的成分分析结果

香茅精油化学成分分析见表5。

表5 香茅精油化学成分分析Table 5 The chemical constituents analysis of citronella essential oil

续 表

香茅精油总离子峰谱图见图6。通过GC-MS 联用仪共分离出44种组分，占总组分的99.943%，其中相对含量最高的化合物是香茅醛(峰面积百分比为36.94%)，除此之外，还有多种烯类、醇类、酯类等化合物。

图6 香茅精油总离子峰图谱Fig.6 Total ion current chromatogram of the essential oil extracted from citronella

5 结论

本试验利用水蒸气蒸馏法提取香茅精油，采用中心组合响应面设计法(CCD)进行提取工艺优化，可知在氯化钠溶液浓度9%，液料比15∶1，蒸馏时间170 min，功率420 W条件下超声65 min，香茅精油提取得率达最大值2.69%，利用GC-MS分析得到香茅精油的主要化学成分有44种，采用面积归一化法确定香茅精油中含量最高的化合物是香茅醛，含量高达36.94%。研究结果为提高香茅提取得率和开发利用香茅这一植物资源具有一定的指导作用。

[1]GB 2760-2014,食品添加剂使用标准[S]．

[2]尹学琼,陈俊华,刘芳,等.柠檬香茅精油的提取及抗氧化活性[J].精细化工,2012,29(6)：568-571.

[3]王勇,赖伟勇,魏娜.GC-MS分析海南香茅挥发油成分[J].食品工业科技,2012,18(4):132-134.

[4]纪淑娟,常波,张娜,等.香茅精油对果蔬采后主要致病真菌的抑菌活性[J].中国实验方剂学杂志,2012(18):132-134.

[5]Ribeiro A D,Marques J,Forte M.Microencapsulation of citronella oil for solar-activated controlled release as an insect repellent[J].Applied Materials Today,2016,5:90-97.

[6]贾媛，胡铁，谭云,等.香茅精油提取工艺优化及其成分分析[J].中南林业科技大学学报，2015,35(4):130-134.

[7]Timung R,Barik C R,Purohit S,et al.Composition and anti-bacterial activity analysis of citronella oilobtained by hydrodistillation:process optimization study[J].Industrial Crops and Products,2016,94:178-188.

[8]杨晓清，张莹楠，王丽丽,等.基于响应面分析的蜜瓜果胶超声波提取及物理特性的测定[J].食品科学,2016,35(4):130-134.

[9]徐向宏，何明珠.实验设计与Design-Experts、Spass应用[M].北京:科学出版社，2010.

[10]朱素英.响应面法优化三七花多酚的提取工艺及其抗氧化性分析[J].食品科学,2015,36(10):65-69.

[11]陈小举,吴学凤,姜绍通,等.响应面法优化半纤维素酶提取梨渣中可溶性膳食纤维工艺[J].食品科学,2015,36(6):18-23.

Optimization of Citronella Oil Extraction Technology by ResponseSurface Method and Its Components Analysis

ZHANG Hong-jun1,2, CAO Ya-bin2, LIU Wei2, DING Hua1,LIU Guang-fa1, WANG Jian-qing1*

(1.Tianjin University of Science &Technology, Tianjin 300222,China；2.Xi'anPolytechnic University, Xi'an 710048, China)

With the method of steam distillation, on the basis of the analysis of sodium chloride solution concentration, the ratio of liquid to solid, the time of distillation,the ultrasonic power and the ultrasonic time, the method of central composite response surface design (CCD) is used to optimize the extraction process, and the chemical components of citronella oil are analyzed and identified by GC-MS method. The results show that the concentration of NaCl solution is 9%, the ratio of liquid to solid is 15∶1, the distillation time is 170 min, the ultrasonic power is 420 W when ultrasonic time is 65 min, and citronella extraction rate reaches the maximum value of 2.69%. A total of 44 kinds of chemical components are identified, and the highest content is citronellal, which accounts for 36.94%.

citronella oil；extraction；response surface optimization；component analysis

2017-02-16 *通讯作者

“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAD16B05-02)；天津科技大学科研创新团队资助

张洪军(1985-)，男，河南开封人，讲师，硕士，研究方向：食品包装技术与安全、运输包装；

王建清(1953-)，男，教授，博士生导师，研究方向：包装材料与技术。

TS224.8

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.08.004

1000-9973(2017)08-0015-06