正交實驗法優選金刺梨花精油提取工藝條件

柯楊，程友史，鐘漫，周貴付，趙榮飛

（1.安順學院貴州省教育廳功能材料與資源化學特色重點實驗室化學化工學院，貴州安順561000；2.安順市林業科學研究所，貴州安順561000）

安順金刺梨又名無籽刺梨，屬薔薇科薔薇屬，是多年生常綠叢生灌木，也是貴州特有種系，果實成熟時呈金黃色，沒有野生刺梨的表皮毛刺及果核，果肉厚，口感酸甜適中，營養豐富[1-2]。金刺梨具有抗衰老等作用，其含糖量是普通刺梨的6倍以上，幾乎沒有單寧，VC、VP和超氧化物歧化酶的含量雄冠世界所有水果之首，有三王水果之稱[3]。安順市已將金刺梨作為安順特色農業發展，目前在郊區已有大面積栽種，2015年安順金刺梨種植面積將達到13萬公頃以上。金刺梨花5月開花，花形大于野生刺梨花，花瓣呈淺粉紅色，具有特殊的香氣，花期一個月左右[4]。金刺梨花具有生長快、花色美、冠幅大、產量大等優點，可以食用，性甘平，主治痢疾、腹瀉，有藥用價值，可作為活性物質深度開發的原料[5]?；ň偷膽脧V泛，在保健品、營養品、藥用制品、化妝品開發等方面具有極大的優越性，對金刺梨花進行深加工，提取金刺梨花精油，可增加產品附加值，不斷提高產品的市場競爭力[6]。目前花精油的提取方法主要有壓榨法、冷浸法、蒸餾法、亞臨界水萃取法等[7]。水蒸汽蒸餾法屬于傳統提取法，具有無污染，低成本，所需設備簡單，操作簡便等特點，因此廣泛應用于植物精油的提取，例如玫瑰花、金蓮花等植物中揮發油的提取[8-9]。本文用開花后期的金刺梨花作為原料，采用水蒸氣蒸餾法提取金刺梨花精油，并用正交實驗法優選最佳提取工藝條件，可為工業生產提供一定的數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

金刺梨花：購于安順市平壩縣白云鎮高寨村。

1.1.2 試劑

無水硫酸鈉：分析純，國藥試劑；乙醚：分析純，國藥試劑。

1.1.3 儀器

98-1-C型數字控溫加熱套：天津市泰斯特儀器有限公司；水蒸氣蒸餾裝置：北京厚惠實驗儀器科技有限公司；新型微型化學儀器制備儀：安徽天長市長城玻璃儀器制造廠；SHZ-Ⅲ型循環水泵：上海亞榮生化儀器廠；AB204-N型電子分析天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；GC-MS-QP2010氣相色譜-質譜聯用儀：日本SHIMADZU公司

1.2 方法

1.2.1 金刺梨花的預處理

金刺梨花花期僅30 d左右，新鮮金刺梨花不易保存，不利于工業化生產，故選用晾干后的金刺梨花作為原料提取精油。新鮮金刺梨花可選用開花后期接近或已掉落不久的花瓣，不僅不影響刺梨的掛果，而且晾干后的金刺梨花易于保存，可在非花期用于提取精油。

1.2.2 金刺梨花精油的提取

采用水蒸氣蒸餾法進行提取。準確稱取一定量的金刺梨干花，用一定濃度的鹽水浸泡一段時間，置于水蒸氣蒸餾裝置中，調整火力，讓餾出液以1滴/s的速度餾出。為方便收集精油，可在集液瓶中加少量無水乙醚，提取完畢后，分出乙醚層，用無水Na2SO4干燥，減壓蒸餾快速除去乙醚，稱量瓶重，計算金刺梨花精油的提取率。

1.2.3 金刺梨花精油提取率的計算

1.2.4 影響金刺梨花精油提取率主要因素的選擇

選擇蒸餾時間、料液比、鹽水濃度作為考察因素，實驗中不考慮交互作用影響，選擇L9（33）設計三因素三水平實驗，確定水蒸氣蒸餾法提取金刺梨花精油的最佳工藝條件。

1.2.5 氣相色譜-質譜聯用分析條件

分析的GC條件：VF-WAXMS石英毛細管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 μm）；柱溫 30 ℃～230℃；程序升溫：初始溫度30℃保持3min，以5.6℃/min至100℃，保持1min，以3.1℃/min至125℃，以13℃/min至230℃保持17.44 min；柱流量為1.10 mL/min；進樣口溫度260 ℃；柱前壓 52.7 kpa；進樣量 1.0 μL；分流比 20 ∶1；載氣為高純氦氣。

分析的MS條件：EI離子源；電子能量70 ev；離子源溫度200℃；接口溫度270℃；質量掃描范圍33～450；倍增器電壓1.1 Kv。

化學成分的定性：利用計算機譜庫檢索對質譜圖進行檢索和比對，結合人工解析，對金刺梨花精油的化學成分進行鑒定。

2 實驗部分

2.1 提取金刺梨花精油的單因素實驗

2.1.1 鹽水濃度對精油提取率的影響

稱取金刺梨干花10.0 g，用水蒸氣蒸餾法進行提取，提取時間 7 h，料液比 1 ∶20（g∶mL），鹽水濃度分別為1%、2%、3%、4%、5%，分別測試不同鹽水濃度下金刺梨花精油的提取率，結果見圖1。

圖1 鹽水濃度對提取率的影響Fig.1 Effect of concentration of salt solution on extraction rate

許多花精油的提取可用鹽水替代蒸餾水以提高提取率，如沙棗花精油的提取[10]。由圖1可知，鹽水濃度增加，可以增加精油的提取率，分析原因可能是鹽水能降低精油在水中的溶解度，從而提高精油的提取率，考慮到減少成本的因素，選取濃度為4%左右的鹽水較合適。

2.1.2 液料比對精油提取率的影響

稱取金刺梨干花10.0 g，用水蒸氣蒸餾法進行提取，提取時間7 h，鹽水濃度為4%，分別測試料液比為1 ∶17、1 ∶18、1 ∶19、1 ∶20、1 ∶21（g/mL）對提取金刺梨花精油的影響，結果見圖2。

由圖2可知，料液比過低會降低精油的提取率，分析原因可能是金刺梨干花在浸泡過程中會吸收水分，鹽水過少會導致在加熱過程中產生局部過熱現象，使得精油的提取率降低；鹽水過多，成本增加的同時，精油在水溶液中的溶解量也會增加，使得精油的提取率減小，因而選取1∶20（g∶mL）的料液比較合適。

圖2 料液比對提取率的影響Fig.2 Effect of solid to liquid ratio on extraction rate

2.1.3 提取時間對精刺梨精油提取率的影響

稱取金刺梨花10.0 g，用水蒸氣蒸餾法提取精油，料液比1∶20，鹽水濃度為4%，蒸餾時間分別為4、5、6、7、8 h，不同蒸餾時間對金刺梨花精油提取率的影響見圖3。

圖3 提取時間對提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate

由圖3得知，隨著蒸餾時間增長，精油的提取率增加，蒸餾時間過長，不僅使成本增加，而且精油的提取率也沒有太大提高，蒸餾時間為7 h提取率最佳。通過實驗得知，蒸餾時間為4 h時真空尾接管里透出較濃的香氣，蒸餾6 h時真空尾接管里透出的香氣較淡，7 h時基本沒有香氣，進一步驗證了上述實驗結果，因而蒸餾時間為7 h較合適。

2.1.4 正交試驗因素水平設計

選擇蒸餾時間、料液比、鹽水濃度作為考察因素，正交實驗因素水平設計見表1。

表1 正交試驗因素水平設計Table 1 Factor levels of orthogonal experiment design

2.1.5 提取金刺梨花精油的正交試驗

以金刺梨精油的提取率為評價指標，選取正交表L9（33）設計三因素三水平共9組實驗，各因素水平對精油提取率的影響數據見表2。

表2 提取金刺梨花精油正交試驗結果及分析表Table 2 Orthogonal experiment and results about extraction of rosa sterilis flower essential oil

從表2可知，3個因素對實驗結果影響大小為：蒸餾時間（B）＞料液比（C）＞鹽水濃度（A），蒸餾時間對金刺梨花精油的提取率存在顯著性影響，料液比有明顯影響，鹽水濃度影響不顯著。水蒸餾法提取金刺梨花精油最佳提取工藝組合為B3C3A3，即蒸餾時間7 h，料液比 1∶20（g∶mL），鹽水濃度 4%。

2.2 驗證實驗及金刺梨花精油得率的測定

按照正交實驗優選出的最佳提取組合方案B3C3A3做6組平行實驗，所得金刺梨花精油平均提取率為0.748%，高于表2中的最高得率0.714%。

2.3 金刺梨花精油的主要成分分析

通過氣相色譜-質譜聯用技術分析金刺梨花精油組成，獲得GC-MS分析的總離子流色譜圖，見圖4，通過譜庫檢索及人工圖譜解析，檢測出19種化合物，得到各種化合物的相對含量數據，金刺梨花精油成分分析如表3所示。

圖4 金刺梨花精油的總離子流色譜圖Fig.4 Total ion chromatograms of rosa sterilis flower essential oil

表3 金刺梨花精油成分分析Table 3 Component analysis of volatile oil from rosa sterilis flower

由表3知，金刺梨花精油的主要成分是高級烴類、醛類、醇酚類、烯類、有機酸類，各類物質含量較高的是11-癸二十四烷（19.77%），十一醛（10.80%），另外，還檢測出了十四烷醛、二叔丁基對羥基甲苯、2，4，4-三乙基-1-己烯、2-甲基-2-乙基十三醇等揮發性物質。

3 結論

從金刺梨干花中提取的精油是白色固液混和物，不溶于水，易溶于有機試劑，有沁人心脾的獨特香氣。采用水蒸氣蒸餾法提取金刺梨花精油，以精油提取率為考察指標，通過正交實驗法研究了料液比、蒸餾時間和鹽水濃度對提取金刺梨花精油產率的影響，優選提取金刺梨花精油的最佳工藝條件。實驗結果表明，蒸餾時間是影響金刺梨精油的抽取率的主要因素，其次是料液比，鹽水濃度的影響最小。最佳提取工藝條件為：料液比 1 ∶20（g∶mL）、蒸餾時間 7 h、鹽水濃度4%，驗證實驗表明，在此條件下以金刺梨干花為原料提取金刺梨精油，提取率可達0.748%。金刺梨精油經過GC-MS分析，通過檢索譜圖，初步鑒定出19種化學物質，高級烴類占53.58%，共8種；醛類占18.61%，共2種；醇酚類占13.17%，共3種；烯類占9.87%，共3種；酸類占2.21%，共2種；醚類占2.55%，共1種。

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