全 文 ：121※工艺技术 食品科学 2011, Vol. 32, No. 04
杜衡挥发油微波辅助提取及气相色谱-质谱
联用分析
李 超，王乃馨，郑 义，严茂飞，李姣姣
(徐州工程学院食品工程学院，江苏 徐州 221008)
摘 要：在单因素试验基础上，采用Box-Behnken设计对杜衡挥发油微波提取工艺中的液料比、微波功率和微波时
间 3 因素进行研究，分析各因素与得率的关系，得出优化组合，并建立数学模型。结果表明：最佳的工艺条件
为液料比(mL/g)8.3:1、微波功率 309W、微波时间 154s；在此条件下做验证实验，得出杜衡挥发油得率 7.96%，
与理论值 7.90%基本一致，说明回归模型能较好地预测杜衡挥发油提取得率。采用气相色谱 -质谱联用技术对杜衡
挥发油成分进行分离鉴定，分离出 25种成分，共确认了其中 19种，采用峰面积归一化法确定了各成分的相对含
量。本方法可为杜衡的进一步开发和利用提供参考。
关键词：微波辅助提取；杜衡；挥发油；响应曲面法；气相色谱 - 质谱联用
Microwave-assisted Extraction and Gas Chromatography-Mass Spectrometry Analysis of Volatile Oil from
Asarum forbesii Maxim
LI Chao，WANG Nai-xin，ZHENG YI，YAN Mao-fei，LI Jiao-jiao
(College of Food Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221008, China)
Abstract ：The optimization of the extraction of volatile oil from Asarum forbesii Maxim with microwave assistance was studied
through one-factor-at-a-time instigations followed by mathematical modeling for extraction efficiency as a response to liquid-to-
solid ratio, microwave power and treatment time based on the principle of Box-Behnken experimental design and response
surface analysis of model. Liquid-to-solid ratio of 8.3:1, microwave power of 309 W and treatment time of 154 s were found
optimum for the extraction of volatile oil with ethyl acetate, which was selected out of four common organic solvents based on
oil yield. Under these conditions, the experimental value of oil yield was 7.96%, substantially complying with the theoretical
value. This indicates good reliability of the developed regression model in predicting oil yield. The volatile oil extracted by the
optimized method was subjected to separation and identification on a gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)
system. A total of 25 constituents were separated and 19 of them were identified and quantified by area normalization method.
This study can provide useful references for the development and exploitation of Asarum forbesii Maxim.
Key words：microwave-assisted extraction；Asarum forbesii Maxim；volatile oil；response surface methodology；gas
chromatography-mass spectrometry
中图分类号：TS224.4 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2011)04-0121-05
收稿日期：2010-03-28
基金项目：徐州工程学院青年项目(XKY2009121)
作者简介：李超(1978—)，男，讲师，博士，研究方向为天然产物化学。E-mail：chaoge002@163.com
杜衡(Asarum forbesii Maxim.)为马兜铃科细辛属植物
杜衡的根茎及草或全草，又名马辛、南细辛、马蹄香、
马蹄细辛，为多年生草本植物，产于江苏、安徽、浙
江、江西、河南南部、湖北及四川东部。本品全草
入药，具有驱风逐寒、消痰引水、活血平喘、定痛
等作用[1]。杜衡主要有效成分为挥发油，其常用提取方
法有水蒸气蒸馏法、热回流提取等，都存在提取时间
长等缺点。微波辅助提取作为一种优良的提取方法，具
有操作简便快捷、提取时间短及提出率高等特点，广
泛应用在生物活性物质的提取方面[2-9]。运用微波辅助提
取杜衡挥发油的工艺及其成分分析未见报道，本实验在
单因素试验基础上运用响应曲面法研究微波辅助提取其
挥发油的最佳工艺参数，同时通过气相色谱 -质谱联用
技术对挥发油成分进行分析。
2011, Vol. 32, No. 04 食品科学 ※工艺技术122
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
杜衡 安徽亳州市三义堂药业有限责任公司。石油
醚(30～60℃)、乙醚、正己烷、乙酸乙酯和无水Na2SO4
皆为分析纯。
1.2 仪器与设备
标准检验筛 浙江上虞华美仪器纱筛厂；风选中药
粉碎机 山东省青州市精诚机械制造有限公司；FA2104N
电子分析天平 上海精密科学仪器有限公司；SENCO
R201L旋转蒸发器 上海申生科技有限公司；XMT-152
电热恒温干燥箱 上海跃进医疗器械厂；CW-2000型超
声 -微波协同萃取仪 上海新拓分析仪器科技有限公司。
1.3 方法
1.3.1 微波提取
杜衡粉碎后过 80目筛，精确称取约 5g置于 100mL
特制三角瓶中，加入一定体积的提取剂后，按照试验
设计提取一定时间后，在提取液加入无水Na 2SO 4后过
滤，旋转蒸发后称量。根据 CW-2000型超声 -微波协
同萃取仪的特点，提取时将超声波处于关闭状态。
1.3.2 工艺优化设计
1.3.2.1 单因素试验
分别以提取剂种类、液料比、微波功率和微波时
间为影响因素考察其对得率的影响。
1.3.2.2 Box-Behnken试验设计
根据Box-Behnken试验设计原理，在单因素试验基
础上，选取液料比、微波功率和微波时间 3 个影响因
素，采用三因素三水平响应曲面分析方法，因素与水
平设计见表 1。共 15 个试验点，其中 12 个为析因点，
3 个为中心点。
因素 代码
水平
－ 1 0 1
液料比(mL/g) x1 6:1 8:1 10:1
微波功率 /W x2 200 300 400
微波时间 /s x3 120 150 180
表 1 杜衡挥发油微波辅助提取 Box-Behnken试验因素水平表
Table 1 Coded variables and their coded levels in response surface
analysis
设该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程为：
得率(EY)=β0+∑βix i+∑∑βijx ixj+∑βiixi2+ε
式中：EY为预测响应值；x i和 x j为自变量代码值；
β0 为常数项，βi为线性系数，βi j为交互项系数，βi i为
二次项系数，ε为随机误差。按照Box-Behnken试验设
计的统计学要求，对方程的各项回归系数进行回归拟合。
1.3.3 得率的计算

挥发油质量
EY/%=———————× 100

杜衡质量
1.4 气相色谱 -质谱联用分析条件
气相色谱条件：色谱柱：HP-5(30m× 0.25mm，
0.25μm)；进样温度 260℃；升温程序为初始温度 60℃
保持1min，20℃/min升温至100℃，10℃/min升温至250℃，
20℃/min升温至 290℃、保持 5min。载气 He，流量为
1.0mL/min，溶剂延迟时间：3min；分流比为 50:1；进
样量为 0.2μL。
质谱条件：EI 离子源，离子源温度 230℃，电子
能量 70eV，质量扫描范围 33～500u，接口温度 280℃。
2 结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 提取剂种类的影响
为考察提取剂种类对杜衡挥发油得率的影响，试验
设定液料比 6:1(mL/g)、微波功率 200W和微波时间 90s，
在不同提取剂条件下对得率进行研究，结果见图 1。
图 1 提取剂种类对得率的影响
Fig.1 Effect of different solvents on oil yield
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
得
率
/%
提取剂种类
石油醚 乙醚 正己烷 乙酸乙酯
作为提取杜衡挥发油的理想溶剂应具有以下特性：
对挥发油的溶解性好、选择性好，性质稳定、价格低
廉、来源广泛。杜衡挥发油的提取属于固 - 液萃取过
程，提取效果主要由原料颗粒度和溶剂的性质决定。从
图 1可知，4种溶剂中出得率最高的为正己烷 7.19%，同
时注意到采用正己烷和乙酸乙酯的得率相差不大，但乙
酸乙酯的价格却是正己烷的二分之一。因此选择乙酸乙
酯作为杜衡挥发油的提取剂。
2.1.2 液料比的影响
为考察液料比对杜衡挥发油得率的影响，选择乙酸
乙酯作为提取剂，同时设定微波功率 200W 和微波时间
90s，在不同液料比条件下对得率进行研究，结果见图 2。
由图 2 可知，乙酸乙酯的增加，更有利于杜衡挥
发油的溶出，这是因为溶剂和原料间的浓度差越大，其
提取效率就越高，目标物质就越容易溶出，然而在液
料比增加到 8 :1 之后，杜衡挥发油得率有下降的趋势，
3 3 3
i=1i=1 i ＜ j=1
123※工艺技术 食品科学 2011, Vol. 32, No. 04
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性
模型 1.14 9 0.13 18.40 0.0025 **
x1 0.023 1 0.023 3.35 0.1267
x2 0.070 1 0.070 10.19 0.0242 *
x3 0.061 1 0.061 8.88 0.0308 *
x1x2 0.10 1 0.10 14.84 0.0120 *
x2x3 0.000625 1 0.000625 0.091 0.7755
x1x3 0.000225 1 0.000225 0.033 0.8638
x1 0.088 1 0.088 12.72 0.0161 *
x2 0.56 1 0.56 81.06 0.0003 **
x3 0.35 1 0.35 50.34 0.0009 **
残差 0.034 5 0.006898
失拟项 0.028 3 0.009208 2.68 0.2832
误差项 0.006867 2 0.003433
总和 1.1768 14
R2=0.9707 R2Adj=0.9179 RSN=12.823
表 3 响应曲面二次回归方程模型方差分析结果
Table 3 Analysis of variance of the developed quadratic regression
model
注：**.差异极显著(P＜ 0.01)；*.差异显著(P＜ 0.05)。
2
2
2
这是因为当溶剂过大时，微波的能量对沉滞低层的杜衡
颗粒的热效应(相同时间提供的热量被提取剂吸收的比例
增加)的强度减弱，影响提取的效果，同时会造成溶剂
和能源的浪费，并给后续的浓缩工作带来困难。因此
选择液料比为 8:1进入后续试验。
图 2 料液比对得率的影响
Fig.2 Effect of liquid-to-solid ratio on oil yield
7.5
7.0
6.5
6.0
得
率
/%
液料比(mL/g)
6:1 8:1 10:1 12:1 14:1
2.1.3 微波功率的影响
为考察微波功率对杜衡挥发油得率的影响，试验选
择乙酸乙酯作为提取剂，同时设定液料比 8:1(mL/g)和微
波时间 9 0 s，在不同微波功率的条件下对得率进行研
究，结果见图 3 。
图 3 微波功率对得率的影响
Fig.3 Effect of microwave power on oil yield
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
得
率
/%
微波功率 /W
100 200 300 400 500
由图 3 可知，随着微波功率的增加，物质的加热
程度也随之增加，使杜衡挥发油能够容易地被提取出
来，即得率增加；在微波功率达到 300 W 之后，杜衡
挥发油得率有减少的趋势，这可能是由于高微波功率的
热效应导致杜衡挥发油分解或挥发所致[ 1 0 ]。因此选择
300W 进入后续试验。
2.1.4 微波时间的影响
为考察微波时间对杜衡挥发油得率的影响，试验选
择乙酸乙酯作为提取剂，同时设定液料比 8:1(mL/g)和微
波功率 300W，在不同微波功率的条件下对得率进行研
究，结果见图 4 。
由图 4可知，在微波时间为 150s 之前，杜衡挥发
油不能充分转移到溶液中，随着微波时间的延长，杜
衡挥发油得率增加，在 150s 时达到峰值，之后，继续
延长时间，得率有所下降，这可能是因为随着微波时
间的延长，温度急剧升高，导致杜衡挥发油分解或挥
发所致[11- 12]。因此 150s 为最佳微波时间。
图 4 微波时间对得率的影响
Fig.4 Effect of microwave treatment time on oil yield
8.0
7.5
7.0
6.5
得
率
/%
微波时间 /s
90 120 150 180 210 240
2.2 Box-Behnken试验
2.2.1 模型的建立及显著性检验
试验号 液料比(mL/g) 微波功率 /W 微波时间 /s 得率 /%
1 6:1 200 150 6.98
2 10:1 200 150 7.45
3 6:1 400 150 7.55
4 10:1 400 150 7.38
5 6:1 300 120 7.36
6 10:1 300 120 7.40
7 6:1 300 180 7.42
8 10:1 300 180 7.51
9 8:1 200 120 7.00
10 8:1 400 120 7.11
11 8:1 200 180 7.25
12 8:1 400 180 7.39
13 8:1 300 150 7.95
14 8:1 300 150 7.84
15 8:1 300 150 7.86
表 2 微波辅助提取杜衡挥发油 Box-Behnken试验结果
Table 2 Box-Behnken experimental design scheme and corresponding
experimental results
2011, Vol. 32, No. 04 食品科学 ※工艺技术124
利用Design expert V7.0.0统计软件通过逐步回归对
表 2试验数据进行回归拟合，得到杜衡挥发油得率对以
上三个因素的二次多项回归模型为：
EY/%=－ 8.244＋ 0.852x1＋ 0.03x2＋ 0.103x3－ 8×
10-4x1x2＋ 2.08× 10-4x1x3＋ 2.5× 10-6x2x3－ 0.0385x12－
3.8928× 10-5x22－ 3.407×10-4x32
对该模型进行方差分析，结果见表 3。由表 3可见，
模型极显著(P＜ 0.01)，失拟项(P＞ 0.05)不显著以及
R2Adj=0.9179和 RSN(信噪比)为 12.823≥ 4，可知回归方程
拟合度和可信度均很高，试验误差较小，故可用此模
型对微波提取杜衡挥发油的工艺结果进行分析和预测。
2.2.2 响应曲面分析与优化
根据回归方程的响应曲面图，考察所拟合的响应曲
面的形状，分析液料比、微波功率和微波时间对得率
的影响。其响应曲面及其等高线如图 5所示，3组图直
观地反映了各因素对响应值的影响。
7.9500
7.7075
7.4650
7.2225
6.9800
得
率
/%
400
350 300 250 200 6
7
8
9
10
X1
：
液
料
比
(m
L/
g)
X 2：微波功率 / W
固定水平：微波时间 1 5 0 s。
A.液料比和微波功率
400
350
300
250
200
X
2
：
微
波
功
率
/
W
X1：液料比(mL/g)
6 7 8 9 10
得率 /%
7.60487 7.46178
7.60487
7.74796
7.86991
7.8243
7.60487
7.31868
7.17559 7.46178
3
7.950
7.785
7.620
7.455
7.290
得
率
/%
180
165 150 135
120
6
7
8
9
10
X1
：
液
料
比
(m
L/
g)
X 3：微波时间 / s
固定水平：微波功率 3 0 0 W。
B.液料比和微波时间
180
165
150
135
120
X
3
：
微
波
时
间
/
s
X1：液料比(mL/g)
6 7 8 9 10
得率 /%
7.60487
3
7.74796
7.86991
7.8243
7.60487
7.46178
7.9500
7.7125
7.4750
7.2375
7.0000
得
率
/%
180
165 150
135 120 200
250
300
350
400
X
2：
微
波
功
率
/ W
X 3：微波时间 / s
固定水平：液料比 8:1(mL/g)。
C.微波功率和微波时间
图 5 各因素交互作用对得率影响的响应面和等高线
Fig.5 Response surface and contour plots for the effects of pairwise
interactions of three operating parameters on volatile oil yield
180
165
150
135
120
X
3
：
微
波
时
间
/
s
X 2：微波功率 / W
6 7 8 9 10
得率 /%
7.31868
7.46178 7.86991
7.8243
7.74796
7.604877.46178
7.318687.17559
7.31868
等高线的形状可反映出交互效应的强弱，椭圆形表
示两因素交互作用显著，而圆形则与之相反。比较 3组
图并结合表 3中 P值可知：模型的一次项 x2(P＜ 0.05)和
x3(P＜ 0.05)显著、x1(P＞ 0.05)不显著；交互项 x1x2(P＜
0.05)显著，其他各交互项都不显著；二次项 x12(P＜ 0.05)
显著，其他二次项都极显著，表明各影响因素对杜衡
挥发油得率的影响不是简单的线性关系。
为进一步确定最佳提取工艺参数，对所得方程进行
逐步回归，删除不显著项，然后求一阶偏导，并令其
为 0，可得最佳工艺参数为液料比 8.3:1(mL/g)、微波功
率309W和微波时间 154s，此时杜衡挥发油得率为7.90%。
2.2.3 验证实验
为检验Box-Behnken试验设计所得结果的可靠性，
125※工艺技术 食品科学 2011, Vol. 32, No. 04
其中相对含量最高的是甲基丁香酚，占 35.76%，其次
是橄香素，占22.77%，居第三位的是细辛脂素，占12.78%。
在已鉴定出的19种化合物与文献[8-10]报道既有相似的地
方也有一定的区别的，原因可能是原料产地不同也有可
能是由提取方法不同造成的。
3 结 论
3.1 在单因素试验基础上建立一个以杜衡挥发油提取得
率为目标值，以液料比、微波功率和微波时间为因素
的数学模型，方差分析表明拟合较好。通过对回归方
程优化计算，得到提取的最佳工艺条件为液料比 8.3:1
(mL/g)、微波功率 309W和微波时间 154s。对所建立的
数学模型进行验证实验，在最优条件下，得到杜衡挥
发油得率为 7.96%，与理论值 7.90%基本一致。
3.2 从杜衡挥发油中共分离出 25个峰，确定其中的 19
种化合物，所鉴定成分占总挥发油的 95.64%，经气相
色谱面积归一化法测定各组分的相对百分含量，其中相
对含量最高的是甲基丁香酚，占 35.76%，其次是橄香
素，占 22.77%，居第 3位的是细辛脂素占 12.78%。
参 考 文 献 ：
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采用上述优化出的工艺参数提取 3次，实际测得的平均
得率为7.96%，与理论预测值相比，其相对误差约为0.76%。
因此，基于Box-Behnken试验设计所得的最佳工艺参数
准确可靠，具有实用价值。
2.3 杜衡挥发油化学成分的气相色谱 -质谱联用分析
序 保留时
化合物名称 分子式
相对分 相对含
号 间 /min 子质量 量 /%
1 5.675 2,6,6-三甲基 -2,4-环庚二烯 -1-酮 C10H14O 150 0.34
2 7.689 2-叔丁基对甲苯酚 C11H16O 164 2.53
3 8.639 甲基丁香酚 C11H14O2 178 35.76
4 8.736 3,4,5-三甲氧基甲苯 C10H14O3 182 2.30
5 9.273 (Z)-β-金合欢烯 C15H24 204 0.75
6 9.756 十五烷 C15H32 212 1.33
7 9.805 肉豆蔻醚 C11H12O3 192 2.81
8 10.438 橄香素 C12H16O3 208 22.77
9 11.029 4-烯丙基 -2,6-二甲氧基苯酚 C11H14O3 194 1.02
10 11.136 芥子酸 C11H12O5 224 0.54
11 11.298 2-氰基 -3-(2-二噻吩基)-丙烯硫羰胺 C8H6N2S2 194 8.55
12 11.861 β-细辛脑 C12H16O3 208 0.76
13 13.585 [2,7]萘啶 -1,3,6,8-四醇 C12H16O4N2 252 0.09
14 14.718 3-甲氧基 -4-三甲基硅氧基 -苯甲醚 C12H13N3O 215 0.48
15 16.882 (E,E)-2,4-癸二烯醛 C10H16O 152 0.88
16 19.868 卡巴胆碱 C6H15N2O2 147 0.40
17 20.496 1-二甲基(苯基)甲硅烷基氧戊烷 C13H26OSi 226 0.56
18 21.592 二乙基双(三甲基硅烷基)硅酯 C6H18O3Si3 222 0.99
19 23.917 细辛脂素 C20H18O6 354 12.78
表 4 杜衡挥发油化学成分的分析结果
Table 4 Chemical composition of volatile oil from Asarum forbesii
Maxim
取最佳提取工艺参数下的杜衡挥发油适量按上述气
相色谱 -质谱联用分析条件，通过气质联用仪对杜衡挥
发油化学成分进行分析，各分离组分利用计算机谱库
(NIST 05)进行检索和有关文献进行人工谱图解析，采用
色谱峰面积归一化法进行相对定量[13-15]。从杜衡挥发油
中共分离出 25个峰，确定了其中的 19种化合物，所鉴
定成分占总挥发油的 95.64%，经气相色谱面积归一化法
测定了各组分的相对含量，分析鉴定结果见图 6和表4。相
对含量在1%以上的有 9种化合物，占总化合物的 89.85%，
图 6 微波辅助提取杜衡挥发油的气相色谱 - 质谱联用分析
总离子流图
Fig.6 GC-MS total ion current chromatogram of volatile oil extraction
from Asarum forbesii Maxim by optimized microwave-assisted method
2500000
2000000
1500000
1000000
500000
0
丰
度
时间 /min
0 5 10 15 20 25