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山苍子挥发油超声波辅助提取工艺优化
及其 GC MS分析
李文爽1，江晓波1，王 涛1，姜媛媛1，张 利2，* ，李 梅3，魏 晓3
(1.四川农业大学 生命科学学院，四川雅安 625014;
2.四川农业大学 理学院，四川雅安 625014;
3.四川农业大学 林学院，四川雅安 625014)
收稿日期:2014－06－13
作者简介:李文爽(1988－) ，女，硕士研究生，研究方向:植物化学成分分析。
* 通讯作者:张利(1969－) ，女，博士，教授，研究方向:植物化学与成分分析。
基金项目:四川省科技型中小企业技术创新基金项目(13CX02806098) ;国家科技部农业科技成果转化基金项目(2012GB2F000385) ;国家科技部
科技型中小企业技术创新基金项目(12C26215105863);成都市科技型中小企业技术创新基 金项目(11CXYB958JH－003)。
摘 要:采用响应面法优化超声波辅助提取山苍子挥发油的工艺条件。在单因素实验的基础上，选择提取时间、液固
比、超声时间为影响因素，应用 Box－Behnken中心组合进行 3 因素 3 水平的实验设计，以山苍子挥发油得率作为响应
值，进行响应面分析(ＲSM)。结果表明:超声波法提取山苍子挥发油的最佳提取条件为:提取时间 3.4h、液固比 18∶1
(mL/g)、超声时间 12min，验证值为 5.33%。同时采用气相色谱－质谱法(GC－MS)对挥发油进行成分分析，从挥发油
中共分离出 25 个色谱峰，鉴定出 21 个化合物，检出率为 98.97%，萜类化合物 15 个，GC 含量为 83.50%，其中(Z)－柠
檬醛、(E)－柠檬醛、柠檬醛，是山苍子果实的特征性香气成分。
关键词:山苍子挥发油，超声波提取，响应面法，气相色谱－质谱(GC－MS)，香气成分
Optimization of the ultrasound assisted extraction of volatile oil
from Litsea Cubeba and analysis by GC－MS
LI Wen－shuang1，JIANG Xiao－bo1，WANG Tao1，JIANG Yuan－yuan1，ZHANG Li2，* ，LI Mei3，WEI Xiao3
(1.College of Life Science，Sichuan Agricultural University，Ya’an 625014，China;
2.College of Science，Sichuan Agricultural University，Ya’an 625014，China;
3.College of Forestry，Sichuan Agricultural University，Ya’an 625014，China)
Abstract:Ｒesponse surface analysis methodology(ＲSM)was used for optimizing ultrasound－assisted extraction of
volatile oil from Litsea Cubeba. Based on single － factor experiments，three independent variables including
extracting time，solvent－ solidratio and ultrasound time，were selected as affecting factors during extraction.The
experiments were arranged according to Box－Behnken central composite experiment design.Ｒesponse surface
analysis method was applied to determine the effect of central composite experiment design.The results showed
that the optimum ultrasound extraction conditions for volatile oil from Litsea Cubeba were as follow:extraction time
3.4h，ratio of liquid to solid 18∶1(mL/g)and ultrasound time 12min.While the actual extraction yield was 5.33% .The
volatile oil was analyzed by GC－MS，25 peaks were separated and 21 compounds which accounted for 98.97% of
GC were identified.The result showed，that among 21 compounds，15 compounds are terpines.Among all of the
chemical constituents of volatile oil from Litsea Cubeba，three isomers of Citral(z)－ 3，7 － Dimethylocta－ 2，6 －
octadiena，(E)－3，7－Dimethyl－2，6－octadienal and 3，7－Dimethyl－2，6－octadiena were the characteristic aroma
constituent for fruits of Litsea Cubeba.
Key words:volatile oil from Litsea Cubeba;ultrasonic extraction;response surface analysis methodology;gas
chromatography－mass spectrometry(GC－MS) ;aroma components
中图分类号:TS207.3 文献标识码:A 文 章 编 号:1002－0306(2015)07－0308－06
doi:10． 13386 / j． issn1002 － 0306． 2015． 07． 056
山苍子(Litsea cubeba)为樟科(Lauraceae)木姜
子属(Litsea)落叶灌木或小乔木［1］。主要分布于长江
以南等省，迄今仍以野生为主，我国山苍子资源丰
富，是山苍子挥发油生产及出口大国［2］。山苍子的
309
叶、花和果实均含有以柠檬醛为主的挥发性芳香成
分，经水蒸汽蒸馏可制取挥发油［3］。山苍子挥发油成
分复杂，主要是萜、烯、醛、酮、醇类，以萜类含量最
高［4］，广泛用于食品、医药、农药、化妆品等行业，是我
国传统的林产化工产品［5］。鲜果挥发油是香料工业
中合成紫罗兰酮等香料的重要原料，也是我国食品
添加剂中的增香剂［6］。
山苍子果实挥发油常见的提取方法，已见文献
报道的有水蒸气蒸馏法、有机溶剂提取法、压榨法、
超临界二氧化碳萃取法等［7－10］。水蒸气蒸馏法是传
统工业生产方法，但其得率低品质差;溶剂提取法易
造成残留多不稳定等问题;压榨法杂质多出油率低;
超临界二氧化碳萃取技术得率高残留低，但工艺复
杂成本高，使这种方法只能局限于实验室研究［11－13］。
超声波提取法具有操作简便、提取效率高等优点，已
被广泛用于植物次生代谢产物的提取［14－18］，但关于山
苍子挥发油超声波提取法的研究未见报道。响应面
法(ＲSM)能以最经济的方式，用相对较少的时间对
实验进行全面的研究，广泛应用于优化提取工艺等
领域，但采用响应面法优化山苍子中挥发油提取条
件的研究尚属空白。因此，本研究采用响应面法
(ＲSM)对超声波辅助提取山苍子果实中挥发油的
工艺进行优化，并同时对其挥发油进行 GC－MS 测
定，确定山苍子挥发油的特征性香气成分，以期提
高山苍子挥发油的得率，为其开发利用提供理论
依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
山苍子鲜果 2013 年 7 月采自重庆市万州山苍子
种植基地，基地位于海拔 800 米左右的山坡上，经四
川农业大学林学院李梅教授鉴定为樟科木姜子属植
物山苍子(Litsea cubeba)，采集后－20℃冷藏备用。
Agilent 7890A/5975C 气质联用仪 美国安捷伦
科技公司;KQ － 300GDV 型恒温数控超声波清洗
器 昆山市超声波仪器厂;BUCHI Ｒ－ 3 旋转蒸发
仪 瑞士 Buchi 有限公司;SHZ－D(Ⅲ)循环水式真
空泵 河南巩义英峪仪器厂;DZTW 电子调温电热
套 北京永光明医疗仪器有限公司;BT124s 电子天
平 Sartorius公司;挥发油提取装置;玻璃注射器等。
无水硫酸钠，正己烷等均为分析纯 成都市科龙化
工试剂厂。
1.2 实验方法
1.2.1 山苍子挥发油超声波辅助提取工艺 准确称
取 10g山苍子鲜果置于圆底烧瓶中，按照一定液固比
加水，振荡混匀后置于超声波清洗器中(超声频率
40kHz、输出功率 600W)进行超声波处理一定的时
间，使植物细胞壁破碎，然后将圆底烧瓶放入电热套
并连接冷凝管及挥发油提取器，回流提取。挥发油
经无水硫酸钠干燥后于－4℃保存待用［19－20］。
挥发油得率(%)=挥发油质量 /山苍子鲜果质
量 × 100
1.2.2 单因素实验 以山苍子挥发油得率为指标，
研究提取时间(1、2、3、4、5h)、液固比(10 ∶1、15 ∶1、
20∶1、25∶1、30∶1mL /g)、超声时间(0、5、10、15、20min)
对得率的影响，筛选影响提取结果的各因素最佳提
取条件。
1.2.3 响应面实验设计优化 在单因素实验结果的
基础上，采用 Box－Behnken design(BBD)对超声波辅
助水蒸气提取进行响应面优化，以提取时间(A)、液
固比(B)、超声时间(C)为自变量，以山苍子挥发油
得率(Y)为响应值，设计三因素三水平表，实验设计
如表 1。
表 1 响应面分析因素及水平表
Table 1 Factors and levels of response surface experiments
因素
水平
－ 1 0 1
A提取时间(h) 1 3 5
B液固比(mL/g) 10∶1 20∶1 30∶1
C超声时间(min) 0 10 20
1.2.4 山苍子挥发油香气成分的 GC－MS 分析 气
相色谱条件:HP－5 MS 5% Phenyl Methyl Silox(30m
× 0.25mm，0.25μm)色谱柱，载气为高纯度氦气
(99.999%)，分流比为 20 ∶1，分流流量 20mL /min，流
速 1mL /min。升温程序:进样量 1μL，从 50℃开始，
保持 1min，以 5℃ /min 升至 250℃，保持 4min。
质谱条件:电子轰击(electron impact，EI)离子
源，离子源温度 230℃，四级杆温度 150℃，电子能量
70eV，溶剂延时 5min，扫描范围:40～550amu。
1.3 数据处理
所有数据均为 3 次重复实验的平均值，应用
Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0、Design Expert 8.0 对
数据进行处理、分析和作图。供试挥发油样香气成
分根据 GC－MS分析得到的各色谱峰，通过计算机谱
库检索(Wiley和 NIST库)，结合相对保留时间，查阅
相关文献进行定性，鉴定出 21 种主要的挥发性成
分，最终根据香气成分的峰面积值相对定量。
2 结果与分析
2.1 单因素实验
2.1.1 提取时间对山苍子挥发油得率的影响 由
图 1a可见，随着提取时间的延长，挥发油的得率先增
大后减小，3h 时挥发油的得率为最大值 3.89%。这
可能是由于随着时间的延长，山苍子果皮细胞中的
挥发油成分不断被溶出，使得率上升，但是提取时间
超过 3h 之后，挥发油类成分已经基本溶出，得率趋
于平缓，继续延长时间得率增加缓慢。所以通过单
因素实验选择提取时间为 3h左右。
2.1.2 液固比对山苍子挥发油得率的影响 从图 1b
可以看出，挥发油得率随着液固比的增大而升高，液
固比超过 20∶1 之后，挥发油得率明显下降。这可能
是物料与溶剂之间扩散已经达到平衡，再继续增加
溶剂量已不能提取出更多的挥发油。所以通过单因
素实验选择液固比为 20∶1mL /g左右。
2.1.3 超声时间对山苍子挥发油得率的影响 由图
1c可见，超声波处理时间延长，挥发油得率增加，当
时间延长至 10min 后，挥发油得率随着时间延长有
310
所降低，这可能是由于超声波在 10min 内对细胞膜
的破坏作用较大，溶出物多，得率高，但超声波作用
时间太长可能会使提取物中部分精油结构受到破
坏。因此，为了保证有效成分结构完好且提取完全，
所以选择提取时间为 10min左右。
图 1 提取时间、液固比及超声时间
对山苍子挥发油得率的影响
Fig.1 Effects of extracting time，ratio of
liquid to solid and ultrasound time on
extraction yield of volatile oil from Litsea Cubeba
2.2 响应面法优化超声波辅助提取山苍子挥发油
工艺
2.2.1 响应面实验设计及结果 根据设计进行实
验，结果见表 2。
采用 design expert 8.0 软件对所得数据进行多元
回归拟合，得模型表达式如下:
Y =5.63 + 0.51A－0.12B + 0.20C + 9.750 × 10 －3 －
0.03AB－0.17AC－0.043BC－1.18A－0.31B－0.37C
对该模型采用方差分析(analysis of variance，
ANOVA) ，分析结果见表 3。由表 3 可知，整体模型
达极显著水平(p ＜ 0.01) ，表明该二次方程模型高度
显著。模型的失拟项(p ＞ 0.05)不显著，方程的相关
系数 Ｒ2 = 0.9743，说明该方程对实验拟合较好［21－22］，
可用于山苍子挥发油提取工艺实验的预测。另外，
该模型的变异系数 CV = 1.9%，在可接受范围
内［23－24］。A、B、C、A2、B2、C2 影响极显著，AC 极显著。
同时说明各实验因素对挥发油得率的影响不是简单
的线性关系，简单的分析方法难以解析，响应面法能
够较好的描述它们之间的关系，并能较好的优化挥
发油的提取工艺。
表 2 响应面实验设计及结果
Table 2 Ｒesults of response surface experiments
实验号 A B C 挥发油得率(%)
1 0 0 0 5.70
2 1 1 0 4.60
3 0 － 1 － 1 4.87
4 1 0 1 4.64
5 0 0 0 5.73
6 － 1 0 1 3.95
7 0 1 1 4.96
8 0 0 0 5.66
9 1 0 － 1 4.56
10 0 1 － 1 4.64
11 － 1 － 1 0 3.72
12 － 1 1 0 3.56
13 0 0 0 5.58
14 0 － 1 1 5.37
15 － 1 0 － 1 3.20
16 0 0 0 5.49
17 1 － 1 0 4.72
2.2.2 响应面分析 根据回归方程，做出响应面和
等高线的分析图，分析各因素对响应值的影响及各
因素之间的交互作用，如图 2 所示。等高线的形状
可以反映出交互作用的强弱，椭圆形表明交互作用
显著，而圆形则与之相反，有闭合的椭圆或圆形则表
明有极大值［25］。图 2a显示了液固比为 20∶1mL /g，超
声时间和提取时间之间的交互作用对挥发油得率的
影响;两者的 3D图曲线最陡，等高线椭圆弧度最大，
说明了提取时间与超声时间的交互效应最为显著。
图 2b 显示了超声时间为 10min，液固比与提取时间
之间的交互作用对挥发油得率的影响;其 3D 图曲线
较为平滑，等高线偏圆形，说明了液固比与提取时间
的交互效应不显著。图 2c显示了提取时间 3h，超声
时间和液固比之间的交互作用对挥发油得率的影
响;两者的 3D图最为平滑，等高线几乎为圆形，说明
了超声时间和液固比的交互效应不显著。在本实验
中，提取时间是影响挥发油得率的最重要因素，次之
是超声时间，料液比影响最小。
2.2.3 回归模型的验证实验 通过得出的模型，确
定超声波辅助提取山苍子挥发油的最佳条件为提取
时间 3.44h、液固比 17.96∶1mL /g、超声时间 12.34min，
在此条件下，预测山苍子挥发油得率达 5.72045%。
考虑到实验操作的可行性，将最佳工艺条件修改为
提取时间 3.4h、液固比 18 ∶1mL /g、超声时间 12min。
为了检验模型预测的准确性，按上述最佳条件进行
提取，实验重复 3 次进行。平均得率为 5.33%，与预
测值基本一致;说明该方程与实际情况拟合很好，充
分验证了所建模型的正确性。本实验采用的方法优
311
表 3 回归方程模型显著性分析表
Table 3 Significance test for cofficients of the regression model developed
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 p 显著性
模型 9.9089 9 1.1009 136.6157 ＜ 0.0001 ＊＊
A 2.0838 1 2.0839 258.5745 ＜ 0.0001 ＊＊
B 0.1083 1 0.1083 13.4439 0.0080 ＊＊
C 0.3346 1 0.3346 41.5139 0.0004 ＊＊
AB 0.0004 1 0.0004 0.0472 0.8342
AC 0.1156 1 0.1156 14.3441 0.0068 ＊＊
BC 0.0074 1 0.0074 0.9177 0.3700
A2 5.8268 1 5.8268 723.0109 ＜ 0.0001 ＊＊
B2 0.3965 1 0.3965 49.2012 0.0002 ＊＊
C2 0.5691 1 0.5690 70.6095 ＜ 0.0001 ＊＊
残差 0.0564 7 0.0081
失拟项 0.0163 3 0.0054 0.5423 0.6787
纯误差 0.0401 4 0.01
总和 9.9653 16
注:表中＊＊为极显著(p ＜ 0.01) ，* 为显著(p ＜ 0.05)。
图 2 Y = f(A，C) (a)、Y = f(A，B) (b)及 Y = f(B，C) (c)的
响应面图和等高线图
Fig.2 Ｒesponsive surfaces and contour plots of
Y = f(A，C) (a) ，Y = f(A，B) (b)andY = f(B，C) (c)
化了提取的工艺条件，并提高了挥发油的得率达
5.33%，优于传统提取方法［26－28］。
2.3 重庆万州产山苍子挥发油的 GC－MS分析
采用 GC－MS联用技术，对最优条件下超声波辅
助水蒸气蒸馏法提取的山苍子挥发油进行分离，得
到挥发油的总离子流图，如图 3 所示。
图 3 山苍子挥发油总离子流程图
Fig.3 Total ions chromatogram(TIC)
of volatile oil from Litsea Cubeba
经计算机数据处理和 NIST－08 质谱图库检索，
并按峰面积归一化法计算各组分的 GC 含量，结果见
表 4，从山苍子挥发油中共检测出 25 个色谱峰，初步
鉴定了 21 个化合物，鉴出率为 98.97%。
萜类是植物界中广泛存在的一类次生代谢产
物，其中单萜和倍半萜主要是以挥发性物质存在于
植物体的腺细胞和表皮当中，具有浓郁的木香、花香
和甜香［29］。在已鉴定成分中萜类物质有 15 个，GC
含量为 83.50%，是挥发油的主要成分;其中单萜成分
及其衍生物为 12 个，GC含量为 80.11%;倍半萜及其
衍生物 3 个，GC含量为 3.39%。在萜类物质中无环
单萜含氧衍生物(Z)－柠檬醛、(E)－柠檬醛、柠檬醛
GC含量最高，达到 68.53%，所以根据本实验结果，
(Z)－柠檬醛、(E)－柠檬醛、柠檬醛为重庆万州山苍
子的特征性香气成分，这个结果与已有相关文献中
各地不同品种山苍子的特征性香气成分相一致［30－32］。
3 结论
本实验在单因素实验的基础上，将响应面法
应用于优化山苍子精油的超声波辅助提取条件，
312
表 4 超声波辅助水蒸气蒸馏法提取山苍子挥发油化学成分分析结果
Table 4 Analysis results of the volatile oil from Litsea Cubeba by ultrasonic assisted
峰号
保留时间
(min) 化合物名称 化学式
Mr
GC含量
(%)
1 8.882 α蒎烯;6，6－trimethyl－(1theta)－bicyclo［3.1.1］hept－2－en; C10H16 136 0.17
2 9.317 莰烯;Camphene; C10H16 136 0.11
3 10.106
(1Ｒ)－2，2－双甲基－3－亚甲基二环［2.2.1］庚烷;
2，2－dimethyl－3－methylene－，(1Ｒ)－Bicyclo［2.2.1］heptane;
C10H16 136 0.17
4 10.421 月桂烯;Myrcene; C10H16 136 0.41
5 11.583 柠檬烯;Limonene; C10H16 136 1.29
6 11.686 桉叶油醇;Eucalyptol; C10H18O 154 0.25
7 13.637 芳樟醇;Linalool; C10H18O 154 0.91
9 15.17 香茅醛;Citronellal; C10H18O 154 0.84
10 15.497 3，5－二羟基苯乙酮;3，5－Dihydroxyacetophenone; C8H8O3 152 0.49
11 16.011
5－甲基－2－(1－甲基亚乙基)环己酮;
5－methyl－2－(1－methylethylidene)－Cyclohexanone;
C10H16O 152 1.22
12 16.389 alpha－松油醇;alpha－Terpineol; C10H18O 154 0.28
13 17.711 (Z)－柠檬醛;(z)－3，7－Dimethylocta－2，6－octadienal; C10H16O 152 21.97
14 18.054 橙花醇;2，6－Octadien－1－ol，3，7－dimethyl－，(2Z)－; C10H18O 154 0.53
15 18.518 (E)－柠檬醛;(E)－3，7－Dimethyl－2，6－octadienal; C10H16O 152 27.81
16 19.839 柠檬醛;3，7－Dimethyl－2，6－octadiena; C10H16O 152 18.75
17 20.858 香叶醇;Geraniol; C10H18O 154 7.04
18 21.871 cis－z－α－红没药烯环氧化物;cis－Z－.alpha.－Bisabolene epoxide; C15H24O 220 7.34
19 22.391 金合欢醇;(E，E)－Farnesol; C15H26O 222 2.86
20 22.678 1－石竹烯;l－Caryophyllene; C15H24 204 0.28
21 22.952 环己基异丁烯酸酯;Cyclohexyl methacrylate; C10H16O2 168 6.25
依据回归分析和验证实验结果可知，此方法合理
可行。得到山苍子挥发油超声波辅助提取的最佳
提取工艺为:提取时间 3.4h、液固比 18 ∶1(mL /g)、
超声时间 12min，在此条件下，实际得率 5.33%，
与模型理论预测值 5.72% 相比相对误差仅为
0.39%。因此采用响应面法的挥发油超声波提取
工艺优化条件，对改进现有山苍子挥发油的提取
工艺、提高挥发油生产的经济效益具有一定的理
论指导意义。
采用超声波辅助提取的山苍子挥发油，经
GC－MS分离和鉴定共检测出 25 个色谱峰，初步鉴定
了 21 个化合物，鉴出率为 98.97%。在检出成分中，
其中(Z)－柠檬醛、(E)－柠檬醛、柠檬醛含量最高，达
68.53%，因此鉴定(Z)－柠檬醛、(E)－柠檬醛、柠檬
醛为重庆万州山苍子的特征性香气成分，为山苍子
挥发油的深加工产业提供理论依据。
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