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杜衡挥发油的超声波协同
微波辅助提取及其 GC/MS分析
商学兵 , 王乃馨
(徐州工程学院食品工程学院 , 徐州 221008)
摘 要:在单因素试验的基础上 , 采用 Box-Behnken设计对杜衡挥发油超声波协同微波提取工艺中的液
料比 、 微波功率和微波时间 3因素的最优化组合进行了定量研究 , 建立并分析了各因素与得率关系的数学模
型。结果表明:最佳的工艺条件为液料比 10mL/g, 微波功率 234W和提取时间 131s。经试验验证 , 在此条件
下得率为 8.29%, 与理论计算值 8.32%基本一致。说明回归模型能较好地预测杜衡挥发油的提取得率 。并采
用气相色谱 -质谱联用技术对杜衡挥发油成分进行了分离鉴定 , 分离出 30种成分 , 确认了其中 21种 , 采用
峰面积归一化法确定了各成分的相对含量。
关键词:超声波协同微波提取;杜衡;挥发油;响应曲面法;GC/MS
中图分类号:TS202.1 文献标识码:A 文章编号:1006-2513(2011)02-××××-06
Ultrasonic-microwavesynergisticextractionand
GC/MSanalysisofvolatileoilfromAsarumforbesiMaxim
SHANGXue-bing, WANGNai-xin
(ColegeofFoodEngineering, XuzhouInstituteofTechnology, Xuzhou221008)
Abstract:Theinfluencesofsolventtomaterialratio, microwavepowerandextractiontimeontheextractionyieldof
volatileoilfromAsarumforbesiiMaximwiththeultrasonic-microwavesynergisticextraction(UMSE)techniquewere
studied.Box-Behnkenexperimentaldesignwasbasedonthesinglefactorexperiments.Onemathematicalmodeles-
tablishedandanalyzedbyresponsesurfacemethodology(RSM)wasadequatetodescribetherelationshipsbetweenthe
studiedfactorsandtheresponseofvolatileoilextractionyield.Basedonthecanonicalanalysis, theoptimumextraction
conditionswereobtainedasfolows:solventtomaterialratio10mL/g, microwavepower234W andextractiontime
131s.Undertheoptimizedextractionconditions, theextractionyieldis8.29%, whichisclosetotheestimatedvalue
8.32% atainedbyusingregressionmodel.Thismodelcanwelpredicttheexperimentresults.Thenthechemical
componentsofthevolatileoilwereexaminedbyGC-MS.Finaly30 kindsofcompoundswereseparated, 21kindsof
compoundswereidentified, andtherelativecontentsofthesecomponentsweredeterminedbypeakareanormalization
method.
Keywords:ultrasonic-microwavesynergisticextraction;Asarum forbesiiMaxim;volatileoil;responsesurface
methodology;GC/MS
收稿日期: 2010-11-10
基金项目:徐州工程学院青年项目 (XKY2009121)。
作者简介:商学兵 (1963-), 男 , 学士 , 经济师 , 中国烹饪大师 , 研究方向为食用资源利用及烹饪加工。
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杜衡 (AsarumforbesiMaxim.)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 , 但都存在提取时间长
等缺点 。而超声波协同微波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 , 目前己广泛应用在生物活性物质
的提取方面 [ 2 ～ 4] 。但运用微波辅助提取杜衡挥发
油的工艺及其成分分析还未见有报道 , 因此 , 本
实验在单因素的基础上运用响应曲面法探索超声
波协同微波提取其挥发油的最佳工艺参数 , 同时
通过 GC/MS对挥发油成分进行分析 , 具有较为
重要的生产应用指导意义 。
1 材料与方法
1.1 原料与试剂
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 , 水为去离子
水 。
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;SENCOR201L旋转蒸发器 , 上海申
生科技有限公司;CW-2000型超声 -微波协同
萃取仪 (超声波频率 40KHz, 功率 50W;微波频
率 2450MHz, 功率 50 800W, 可微调)上海新
拓分析仪器科技有限公司 。
1.3 方法
1.3.1 超声波协同微波提取
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 Na2SO4后过滤 , 旋转蒸发后称重。根据
CW-2000型超声 -微波协同萃取仪的特点 , 提
取时将超声波处于运行状态。
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 、 微波功率和提
取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
试验的基础上 , 选取液料比 、 微波功率和提取时
间 3个影响因素 , 采用 3因素 3水平的响应曲面
分析方法 , 试验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。
表 1 因素水平表
Table1 Thedesigntableoffactorsandlevels
因素 代码
水 平
-1 0 1
液料比 (mL/g) x1 8 10 12
微波功率 (W) x2 100 200 300
提取时间 (s) x3 90 120 150
设该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方
程为:
EY=β0 +∑3i=1 βixi+∑∑
3
i
式中 , EY为预测响应值 , xi和 xj为自变量代
码值 , β0为常数项 , βi为线性系数 , βij为交互项
系数 , βii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 , 对上述方程
的各项回归系数进行回归拟合。
1.3.3 得率的计算
得率 (%) =挥发油的质量杜衡的质量 ×100
1.4 分析条件
GC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, 程序升温 20℃/min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。
MS条件:EI离子源 , 离子源温度 230℃, 电
子能量 70eV, 质量扫描范围 33 500amu, 四极
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杆温度 150℃, 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 8mL/g、 微波功率 200W和
提取时间 90s, 在不同提取剂的条件下对得率进
行研究 , 结果见图 1。
图 1 提取剂种类对得率的影响
Fig.1 Effectsofdifferentextractants
onextractionyield
作为提取杜衡挥发油的理想溶剂应具有以下
特性:对杜衡挥发油的溶解性好 、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
中得率最高的乙酸乙酯为 7.99%, 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 1/2。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 , 试
验选择乙酸乙酯作为提取剂 , 同时设定微波功率
200W和提取时间 90s, 在不同液料比的条件下对
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 10mL/g之后 , 杜衡
挥发油得率有下降的趋势 , 这是因为当溶剂过大
时 , 超声波协同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)、空化效应和机械效应等效应的强
度减弱 , 影响提取的效果 , 同时会造成溶剂和能
源的浪费 , 并给后序的浓缩工作带来困难 。因此
选择液料比为 10mL/g作为后面的试验继续考察。
图 2 料液比对得率的影响
Fig.2 Effectsofsolventtomaterial
ratioonextractionyield
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
10mL/g和提取时间 90s, 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 Effectsofmicrowave
poweronextractionyield
由图 3可知 , 随着微波功率的增加 , 物质的
加热程度也随着增加 , 使杜衡挥发油能够容易
的被提取出来 , 即得率增加;在微波功率达到
200W之后 , 杜衡挥发油得率有减少趋势 , 这可
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能是由于较长时间的超声波空化效应和高微波
功率导致的热效应导致杜衡挥发油分解或挥发
所致 [ 5] 。因此选择 200W作为后面的试验继续
考察 。
2.1.4 提取时间的影响
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
10mL/g和微波功率 200W, 在不同微波功率的条
件下对得率进行研究 , 结果见图 4。
图 4 提取时间对得率的影响
Fig.4 Effectsofextractiontimeonextractionyield
由图 4可知 , 在提取时间为 120s之前 , 杜衡
挥发油不能充分的转移到溶液中 , 随着提取时间
的增加 , 杜衡挥发油的含量增加 , 在 120s时达到
峰值 , 之后 , 继续增加时间 , 杜衡挥发油得率有
所下降 , 这可能是因为随着提取时间的增加 , 温
度急剧升高 , 导致杜衡挥发油分解或挥发所
致 [ 5] 。因此 120s为最佳提取时间 。
2.2 Box-Behnken试验
2.2.1 模型的建立及其显著性检验
利用 DesignexpertV7.0.0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(%) =-9.14 +1.106x1 +0.0287x2 +
0.1334x3 -6×10-4x1x2 -3.75 ×10-4x1x3 -1.417
×10-5 x2x3 -0.0471x12 -4.483×10-5x22 -4.843
×10-4x32
对该模型进行方差分析 , 结果见表 3。
表 2 Box-Behnken试验结果
Table2 TheexperimentresultsofBox-Behnken
No. 液料比(mL/g)
微波功率
(W)
提取时间
(s)
得率
(%)
1 8 100 120 7.10
2 12 100 120 7.31
3 8 300 120 8.07
4 12 300 120 7.80
5 8 200 90 7.12
6 12 200 90 7.19
7 8 200 150 8.02
8 12 200 150 8.00
9 10 100 90 6.82
10 10 300 90 7.41
11 10 100 150 7.32
12 10 300 150 7.74
13 10 200 120 8.15
14 10 200 120 8.21
15 10 200 120 8.26
由该模型的方差分析表 3可见:模型具有高
度的显著性 (p<0.01), 失拟项 (p>0.05)不
显著以及 R2Adj=0.8852和 S/N (信噪比 )为
11.809远大于 4, 可知回归方程拟合度和可信度
均很高 , 实验误差较小 , 故可用此模型对超声波
协同微波提取杜衡挥发油的工艺结果进行分析和
预测 。又由表 3中 p可知:模型的一次项 x2和 x3
(p<0.05)都极显著 、 x1不显著;交互项都不显
著;二次项 x22和 x32 (p<0.05)都极显著 , x12不
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 10mL/g, 微波功率 234W和提取
时间 131s, 此时得率为 8.32%。
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表 3 响应曲面二次回归方程模型方差分析结果
Table3 ANOVAresultsofquadraticregressionmodelforresponsesurface
变异来源 SS df MS F值 p
模型 3.03 9 0.34 13.00 0.0057 ＊＊
x1 1.25×10-5 1 1.25×10-5 4.82×10-4 0.9833
x
2 0.76 1 0.76 29.40 0.0029 ＊＊
x3 0.81 1 0.81 31.09 0.0026 ＊＊
x1x2 0.058 1 0.058 2.22 0.1964
x2x3 2.025×10-3 1 2.025×10-3 0.078 0.7911
x1x3 7.225×10-3 1 7.225×10-3 0.28 0.6202
x21 0.13 1 0.13 5.05 0.0746
x22 0.74 1 0.74 28.61 0.0031 ＊＊
x23 0.70 1 0.70 27.04 0.0035 ＊＊
残差 0.13 5 0.026
失拟项 0.12 3 0.041 13.59 0.0693
误差项 6.067×10-3 2 3.033×10-3
总和 3.16 14
R2 =0.9590 R2Adj=0.8852 S/N=11.809
注:＊＊表示极显著 , 即 0.01水平显著
2.2.2 验证实验
为检验 Box-Behnken试验设计所得结果的可
靠性 , 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 8.29%, 与理论预测值相
比 , 其相对误差约为 0.36%。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 GC/MS分析
取最佳提取工艺参数下的杜衡挥发油适量按
上述 GC/MS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 (NIST05)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 [ 6-8] 。从杜衡挥发油中共分离出 30个峰 , 确定
了其中的 21种化合物 , 所鉴定成分占总挥发油的
93.97%, 经气相色谱面积归一化法测定了各组分
的相对百分含量 , 分析鉴定结果见表 4。相对含
量在 1%以上的有 12种化合物 , 含量占总化合物
的 88.43%, 其中含量最高的是甲基丁香酚 , 占
31.80%;其次是橄香素 , 占 22.08%;居第三位
的是细辛脂素 , 占 12.87%。
3 结论
(1)在单因素试验的基础上建立了一个以杜
衡挥发油提取得率为目标值 , 以液料比 、 微波功
率和提取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 , 得到超声
波协同微波提取的最佳工艺条件为液料比 10mL/
g, 微波功率 234W和提取时间 131s。对所建立的
数学模型进行了试验验证。在最优条件下 , 得到的
提取得率为 8.29%, 与理论值 8.32%基本一致。
(2)从杜衡挥发油中共分离出 30个峰 , 确
定了其中的 21种化合物 , 所鉴定成分占总挥发油
的 93.97%, 经气相色谱面积归一化法测定了各
组分的相对百分含量 , 其中含量最高的是甲基丁
香酚 , 占 31.80%;其次是橄香素 , 占 22.08%;
92
居第三位的是细辛脂素 , 占 12.87%。
表 4 杜衡挥发油化学成分的分析结果
Table4 AnalyticalresultsofmaincomponentsofvolatileoilfromAsarumforbesiMaxim.
保留时间 (min) 化合物名称 分子式 相对含量 (%)
1 5.675 2, 6, 6-三甲基 -2, 4-环庚二烯 -1-酮 C10H14O 0.29
2 5.847 L-龙脑 C10H18O 0.44
3 7.689 2-叔丁基对甲苯酚 C11H16O 2.32
4 8.639 甲基丁香酚 C11H14O2 31.80
5 8.736 3, 4, 5-三甲氧基甲苯 C10H14O3 0.90
6 9.273 (Z) -β -金合欢烯 C15H24 0.62
7 9.751 十五烷 C15H32 1.10
8 9.810 肉豆蔻醚 C11H12O3 2.57
9 10.438 橄香素 C12H16O3 22.08
10 11.023 4-烯丙基 -2, 6-二甲氧基苯酚 C11H14O3 1.09
11 11.131 芥子酸 C11H12O5 0.48
12 11.297 2-氰基 -3-(2-二噻吩基) -丙烯硫羰胺 C8H6N2S2 9.98
13 11.861 β -细辛脑 C12H16O3 0.78
14 13.521 [ 2, 7] 萘啶 -1, 3, 6, 8-四醇 C12H16O4N2 0.47
15 14.723 3-甲氧基 -4-三甲基硅氧基 -苯甲醚 C12H13N3O 0.32
16 14.793 邻苯二甲酸二异丁酯 C12H14O4 1.22
17 16.882 (E, E) -2, 4-癸二烯醛 C10H16O 1.36
18 19.836 卡巴胆碱 C6H15N2O2 1.25
19 20.496 1-二甲基 (苯基)甲硅烷基氧戊烷 C13H26OSi 1.26
20 22.247 二乙基双 (三甲基硅烷基)硅酯 C6H18O3Si3 0.77
21 23.911 细辛脂素 C20H18O6 12.87
参考文献:
[ 1] 吴贻谷.中药大辞典 [ M] .上海:上海科学技术出版社 ,
1986: 1034.
[ 2] ZhangLF, LiuZL.Optimizationandcomparisonofultrasound/
microwaveassistedextraction(UMAE)andultrasonicasisted
extraction(UAE)oflycopenefromtomatoes[ J].Ultrasonics
Sonochemistry, 2008, 15:731-737.
[ 3] 汪河滨 , 郭志愿 , 赵小亮 , 等.超声 -微波协同萃取灰叶胡
杨花粉中总黄酮的工艺研究 [ J] .食品科学, 2009, 30
(2):61-64.
[ 4] 马利华 , 秦卫东 , 戴晓娟.超声波 -微波协同提取牛蒡中类
胡萝卜素 [ J] .食品研究与开发 , 2007, 28 (1): 81-85.
[ 5] 蔡友华 , 范文霞 , 刘学铭.超声 -微波协同萃取巴西虫草菌
丝体中甘露醇的研究 [ J].江西农业大学学报 , 2008, 30
(4):348-354.
[ 6] 陈健 , 潘艺 , 林庆生.CO2超临界流体萃取法提取杜衡挥发
油化学成分的分析 [ J] .中国药房 , 2007, 18 (36): 2841
-2843.
[ 7] 潘炯光 , 徐植灵 , 王光辉 , 等.中国细辛属植物挥发油的气
相色谱 -质谱分析汉城细辛 、 杜衡 、 灯笼细辛 、鼎湖细辛和
花叶尾花细辛 [ J] .中药通报, 1984, 9 (4): 31-33.
[ 8] 张峰 , 徐青 , 付绍平 , 等.杜衡挥发油的化学成分研究
[ J] .中草药 , 2004, 35 (11): 1215-1217.