基于GC-MS对顶空固相萃取法和微波辅助法获得的花椒挥发油香气成分分析

白亚蒙，张峰升，李皓，张迪

(1.南阳医学高等专科学校，河南 南阳 473000；2.郑州轻工业大学，郑州 450001)

花椒属于芸香科花椒属植物，全球大概有200种[1]，主要分布于亚洲、美洲、大洋洲的亚热带和热带地区[2]，我国一共有45种花椒，是全球花椒种植面积最大的国家之一[3]，除我国的新疆、内蒙古和东北等少数地区外，其他省份均有分布，主要分布于我国长江以南[4]，如四川汉源、重庆江津、贵州、山东和河北等地。花椒属于小型灌木，有特殊香气，在茎干的表面有小刺[5]。

花椒的果皮作为调味品，深受消费者的喜爱，被称为“八味”之一[6]。除了花椒的果皮可以食用和药用外，其他部位均可入药，有止痛、解毒和健胃等功效[7]。从现代医学上来看，花椒主要有治疗腹泻、保肝、保护心脏、降血压和抗癌等多种生物活性功能[8]。花椒树作为我国西部的经济林，保持水土的树种发展，由于花椒树抗旱、喜光和耐贫瘠，所以其具有较大的生态价值和经济价值[9]。

花椒中的挥发油又被称为花椒精油，具有芳香气味[10]，能够随着水蒸气被蒸馏出来，又与挥发性油状成分互不相溶[11]，花椒挥发油是一种混合物，成分复杂，不同区域不同品种的花椒中的挥发油含量具有明显差异[12]，花椒油中能够分离出烯烃类、醇类和环氧化合物类，这些成分在杀虫和抑制微生物生长方面具有明显的作用[13-14]。

本研究基于此，采用单因素试验和正交试验，对微波辅助法提取花椒挥发油的工艺进行优化，此外，通过GC-MS法对不同提取方法的花椒挥发油中化学成分进行分析，为更加高效地获取花椒挥发油提供了理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

花椒(购于当地市场)、乙醇、丙酮、甲醇、无水硫酸钠、正己烷。

1.2 仪器和设备

微波合成反应仪 莱伯泰科仪器股份有限公司；数控超声清洗仪 苏州江东精密仪器有限公司；气相色谱-质谱联用仪 天瑞仪器股份有限公司；移液枪；电子天平、多功能粉碎机 上海仪器科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 微波辅助法(SFME)提取花椒挥发油

取50 g花椒磨成粉，之后用20～40目的筛子进行过筛，然后将其放入烧瓶中，加入水进行浸泡，浸泡30 min，放入微波合成仪器中，上端连接冷凝管和挥发油收集器，之后使用无水硫酸钠进行干燥，本试验将微波功率、提取时间和提取温度作为变量因素，以挥发油提取量作为指标，进行单因素试验和正交试验[15-16]。

1.3.2 顶空萃取法提取花椒挥发油

取花椒250 g，放入二口烧瓶中，为了保证花椒精油的提取效果，把花椒的粉末浸泡在水中10 min，之后将烧瓶放入实验室的微波合成仪器中进行加热，收集上层油相，再用硫酸钠干燥获得花椒精油。计算花椒精油的得率[17]：

花椒精油得率(%)=花椒挥发油质量/所用花椒质量×100%。

1.3.3 单因素试验

控制其他影响因素不变，研究其中一个变量因素对花椒挥发油提取率的影响，这些变量因素分别为微波功率500 W、提取时间80 min和提取温度100 ℃。

当研究微波功率对花椒挥发油的影响时，控制提取时间为80 min和提取温度为100 ℃，研究不同微波功率(100，200，300，400，500，600，700 W)对花椒挥发油提取率的影响。当研究提取时间对花椒挥发油提取率的影响时，控制微波功率为500 W，提取温度为100 ℃，研究不同提取时间(20，40，60，80，100，120 min)对花椒挥发油提取率的影响。当研究提取温度对花椒挥发油提取率的影响时，控制微波功率为500 W和提取时间为80 min，研究不同提取温度(70，80，90，100，110，120 ℃)对花椒挥发油提取率的影响。

1.3.4 正交试验

根据单因素试验结果，采用正交试验进行优化，以微波功率、提取时间和提取温度作为变量因素，以花椒挥发油提取率作为评价指标，进行三因素三水平正交试验，从而确定花椒挥发油的最佳提取工艺。正交试验因素与水平设计见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

2 结果与讨论

2.1 微波提取法提取花椒挥发油的条件优化

2.1.1 微波功率对花椒挥发油提取率的影响

由图1可知，随着微波功率的逐渐增加，花椒挥发油提取率呈现先升高后降低的趋势，当微波功率小于500 W时，花椒挥发油提取率呈现升高的趋势；随着微波功率的持续增加，花椒挥发油提取率呈现下降的趋势。这是由于当微波功率小于500 W时，随着微波功率的增加，花椒挥发油的析出速率不断加快，且蒸汽挥发速率不断加快，所以致使挥发油的提取率越来越高；但随着微波功率的不断增加，提取容器的温度也不断增加，从而影响了花椒挥发油的提取率[18]。当微波功率为500 W时，花椒挥发油的提取率最高，为2.2%。

图1 微波功率对花椒挥发油提取率的影响Fig.1 Effect of microwave power on the extraction rate of volatile oil from Zanthoxylum bungeanum

2.1.2 提取时间对花椒挥发油提取率的影响

由图2可知，挥发油提取率随着提取时间的增加呈现先升高后降低的趋势。当提取时间为0～20 min时，花椒挥发油的提取率开始缓缓升高，当提取时间为20～60 min时，花椒挥发油的提取率快速增加，当提取时间为60～80 min时，花椒挥发油的提取率缓缓增加。当提取时间大于80 min时，花椒挥发油的提取率缓缓下降。这是由于随着提取时间的增加，花椒中的一些杂质被提取出来，从而影响了花椒油的提取[19]。当提取时间为80 min时，花椒挥发油的提取率最高，为2.2%。

图2 提取时间对花椒挥发油提取率的影响Fig.2 Effect of extraction time on the extraction rate of volatile oil from Zanthoxylum bungeanum

2.1.3 提取温度对花椒挥发油提取率的影响

由图3可知，随着提取温度的升高，花椒挥发油的提取率也呈现先升高后降低的趋势，当提取温度小于100 ℃时，花椒挥发油的提取率逐渐升高，但当提取温度大于100 ℃时，花椒挥发油的提取率呈现下降的趋势。当提取温度为100 ℃时，花椒挥发油的提取率最高，为2.1%。

图3 提取温度对花椒挥发油提取率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on the extraction rate of volatile oil from Zanthoxylum bungeanum

2.2 正交试验及结果分析

根据单因素试验结果，将微波功率、提取时间和提取温度作为变量因子，以花椒挥发油提取率作为参考因素，进行正交试验，正交试验设计及挥发油的提取率见表2。

表2 正交试验设计及挥发油提取率Table 2 Orthogonal test design and extraction rate of volatile oil

由表2可知，3个影响因素对花椒挥发油提取率的影响顺序为C>B>A，即提取温度>提取时间>微波功率，提取温度对花椒挥发油提取率的影响最大，而微波功率对挥发油提取率的影响最小。花椒挥发油的最佳提取工艺为A0B1C1，即微波功率为400 W，提取时间为80 min，提取温度为100 ℃。此时，花椒挥发油的提取率为 2.24%。

2.3 基于GC-MS法对花椒挥发油的香气成分进行分析

基于GC-MS法对SFME法提取的花椒挥发油进行分析，发现含有13种化合物，见表3。

表3 SFME法提取的花椒挥发油香气成分分析Table 3 Analysis of aroma components in volatile oil from Zanthoxylum bungeanum extracted by SFME method

由表3可知，其中芳香醇的含量为63.28 g/kg，D-柠檬烯的含量为13.33 g/kg，α-水芹烯含量为4.34 g/kg，β-罗勒烯含量为4.32 g/kg，2-环己烯-1-醇含量为2.32 g/kg，γ-萜品素含量为2.11 g/kg等，芳樟醇是花椒油中香气的主要来源。

采用顶空固相萃取法提取的花椒挥发油中，一共检测到20种化学成分，见表4。

表4 顶空固相萃取法提取的花椒挥发油香气成分分析Table 4 Analysis of aroma components in volatile oil from Zanthoxylum bungeanum extracted by headspace solid phase extraction

由表4可知，其中芳樟醇含量为63.27 g/kg，香芹烯含量为33.34 g/kg，α-水芹烯含量为4.34 g/kg和β-罗勒烯含量为4.32 g/kg等。

基于GC-MS法研究SFME法和顶空固相萃取法提取的花椒挥发油化学成分的多样性，结果表明，不同提取方法获得的挥发油化学成分具有明显差异。由表3和表4可知，无论采用哪种提取方法，花椒挥发油中含量最高的香气成分均为芳樟醇。采用顶空固相微萃取法获得的化学成分种类更多，而采用SFME法获得的花椒油挥发性成分种类更少。

3 小结

花椒挥发油的挥发性强味，是一种非常具有开发价值的资源，近些年来，采用微波辅助法提取植物精油的报道也越来越多[20]。为了研究不同提取条件对花椒挥发油提取率的影响，采用单因素试验和正交试验，对花椒挥发油的提取工艺进行优化。研究结果表明，花椒挥发油的最佳提取工艺为微波功率400 W、提取时间80 min、提取温度100 ℃，此时，花椒挥发油的提取率为2.24%。采用不同的方法对花椒挥发油进行提取，花椒挥发油中的挥发性化学成分有明显差异，用顶空固相微萃取法提取的花椒挥发性物质中一共检测到20种挥发性成分，而用SFME法提取的花椒挥发性物质中一共检测到13种挥发性成分，说明采用顶空固相萃取法提取获得的花椒挥发油中化学成分种类更多。