沙芥果实精油提取工艺优化及GC-MS分析

张凤兰，贾利霞，杨忠仁，郝丽珍，黄修梅，张晓艳

（1.内蒙古农业大学园艺与植物保护学院，内蒙古自治区野生特有蔬菜种质资源与种质创新重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011；2.内蒙古自治区农牧业大数据研究与应用重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011）

植物精油是萃取于植物不同部位、具有强烈芳香成分的挥发油[1]，由于其具有较强的抗氧化和抑菌作用[2]，而广泛应用于食品工业和日化等领域[3-5]。植物精油内含的成分是维持植物生命的元素，被称为植物的“第五元素”，其中所含有的酚类、烯类、萜类和醛酮类等化合物，具有广泛的抑菌、杀虫、抗毒素和抗氧化性能，可以作为天然抑菌剂和抗氧化剂的原料，具有很高的利用价值。目前在食品中使用的抗氧化剂和抑菌剂有人工合成和天然两类，人工合成的抗氧化剂和抑菌剂具有一定的抗氧化和抑菌效果，但是由于其毒性大、残留高以及不可生物降解等问题，影响其在食品中的应用[6]，因此研发能够广泛应用于各类食品中的新型、绿色、安全、高效、成本低廉的天然抗氧化剂和抑菌剂已经成为研究人员关注的重点领域[7-9]。提取植物精油主要方法有压榨法[10]、超临界CO2萃取法[11]、水蒸气蒸馏法[12-13]、溶剂浸提法[14-15]等。水蒸气蒸馏法的原理是植物精油中挥发性较强成分易被水蒸气带出，经冷却后又与水分离，在天然植物精油的提取中应用最为广泛，具有设备简单、操作便捷、溶剂环保无污染的优点，故本试验采用水蒸气蒸馏法进行沙芥果实精油的提取。大多数精油的化学成分使用气相色谱-质谱联用仪（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）进行分析，通过在正链烷烃（C8～C20）的程序升温条件下计算它们的保留指数来鉴定组分[16]。

沙芥[Pugionium cornutum（L.）Gaertn.]为十字花科沙芥属二年生草本植物，为中国特有种，是一种药食兼用的沙生蔬菜，具有“沙漠人参”的美称。富含粗蛋白、氨基酸、糖、纤维素和矿物质等多种营养成分[17]及甙类、酚类、鞣质、有机酸、皂甙、黄酮、内酯、香豆素、生物碱、甾醇等化学成分[18]。沙芥也是一种药用植物资源，据《中药大辞典》记载沙芥可入中药，具有行气、止痛、消食、解毒、治疗消化不良、胸胁胀满、食物中毒的作用[19]。近年来对其研究主要集中在引种驯化栽培[20]、抗逆性[21-23]、优良基因的挖掘[24-25]等方面，但对其开发利用研究缺乏足够的关注，特别对其精油的研究尚不够充分。本试验采用水蒸气蒸馏法提取沙芥果实精油，利用正交试验优化其提取工艺，并采用GC-MS方法对其精油成分进行分析，为沙芥这一宝贵资源的进一步开发利用和研发具有抗氧化、抑菌功效的沙芥果实精油产品提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

沙芥[P.cornutum（L.）Gaertn.]果实：采自毛乌素沙地，标本鉴定人为内蒙古农业大学植物学教研室王六英教授，标本号081106，凭证标本保存于内蒙古自治区野生特有蔬菜种质资源与种质创新重点实验室。取自然风干的沙芥果实经粉碎后过20目筛制得粗粉，密封，于4℃条件下保存备用。

1.2 试验方法

1.2.1 沙芥果实精油提取单因素试验

取沙芥果实干粉100 g，用水蒸气蒸馏法进行提取，收集到的馏出液用无水硫酸钠干燥，得到具有辛辣味、淡黄色、透明特征的油状物即为沙芥果实的精油，测量精油体积，每组试验重复4次。

1.2.1.1 料液比对沙芥果实精油提取量的影响

设沙芥果实干粉和蒸馏水的料液比分别为1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9（g/mL），浸泡时间为 3 h，提取时间为 2 h进行沙芥果实精油的提取。

1.2.1.2 浸泡时间对沙芥果实精油提取量的影响

设浸泡时间分别为 1、2、3、4、5、6 h，料液比为1.2.1.1试验获得的最佳料液比，提取时间为2 h进行沙芥果实精油的提取。

1.2.1.3 提取时间对沙芥果实精油提取量的影响

提取时间分别为 1、2、3、4 h 和 5 h，料液比为1.2.1.1试验得的最佳料液比，浸泡时间为1.2.1.2最佳的浸泡时间进行沙芥果实精油的提取。

1.2.2 正交试验

在单因素试验基础上，以沙芥果实精油提取量为指标，选择料液比、浸泡时间和提取时间为影响因素，进行L9（34）正交试验。试验因素及水平见表1。

表1 正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment

1.2.3 沙芥果实精油GC-MS分析

气相色谱条件:HP-5毛细管色谱柱（30m×0.32mm×0.25 μm）；柱温为程序升温，初始温度为80℃，保持3 min后以25℃/min的速率升至250℃，保持5 min；进样口温度250℃；检测器温度260℃；载气为高纯氮气，1.5 mL/min；燃气为氢气，30 mL/min；助燃气为空气，300 mL/min；尾吹气为氮气，25 mL/min；进样方式为分流进样，分流比 30∶1；进样量 1 μL。质谱条件：色谱柱，HP-5MS 柱（30 m×0.25 mm 0.25 μm），色谱-质谱接口温度为280℃；电子轰击电离源，电离能量70 eV；总离子流方式；质量扫描范围为m/z 40～800；溶剂延迟1.5 min。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0软件进行分析，Excel 2016软件进行作图，计量采用t检验，以P＜0.05作为数据间的显著性差异。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 料液比对沙芥果实精油提取量的影响

料液比对沙芥果实精油提取量的影响见图1。

图1 料液比对沙芥果实精油提取量的影响Fig.1 Effect of material-liquid ratio on the extraction rate of essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit

从图 1 可以看出，在料液比 1∶5、1∶6、1∶7（g/mL）时，沙芥果实精油提取量随溶剂体积的增加而增大，提取量由0.8 mL增至0.83 mL；当溶剂体积继续增大时，精油提取量出现明显的下降，当料液比为1∶9（g/mL）时其提取量降低至0.7 mL。溶剂过少或者过多都会影响提取量，过少沙芥果实水解作用不完全，过多精油在液体中的溶解量必将增大，势必降低精油的提取量，因此沙芥果实精油提取适宜的料液比为1∶7（g/mL）。

2.1.2 浸泡时间对沙芥果实精油提取量的影响

浸泡时间对沙芥果实精油提取量的影响见图2。

图2 浸泡时间对沙芥果实提取量的影响Fig.2 Effect of soak time on the extraction rate of essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit

从图2可以看出，3 h内沙芥果实精油提取量随浸泡时间的延长迅速上升，3 h后其提取量基本保持不变，说明沙芥果实精油不易发生水解较为稳定，考虑节省时间，3 h为最佳浸泡时间。

2.1.3 提取时间对沙芥果实精油提取量的影响

提取时间对沙芥果实精油提取量的影响见图3。

图3 提取时间对沙芥果实精油提取量的影响Fig.3 Effect of extraction time on the extraction rate of essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit

由图3可知，随着提取时间的延长，沙芥果实精油提取量呈现先上升后下降的趋势，当提取时间为3 h，其提取量最大为0.90 mL，说明3 h沙芥果实精油已经基本提取完成，但与提取时间2 h的提取量0.87 mL差异不显著，从节省提取时间和减少能耗考虑，沙芥果实精油的适宜提取时间为2 h。

2.2 水蒸气蒸馏法提取沙芥果实精油工艺的正交优化

正交试验结果见表2。

表2 水蒸气蒸馏法提取沙芥果实精油的正交试验结果分析Table 2 Analysis of the results of orthogonal experiment on the extraction of essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit by steam distillation

由表2极差R值可以看出，对提取量的影响顺序为B＞C＞A，提取时间是影响精油提取效果的主要因子，其次是料液比，浸泡时间对精油提取的影响最小。由于A的影响最弱，故将A因子作为误差列进行方差分析。影响沙芥果实精油提取量各因子的方差分析见表3。

表3 影响沙芥果实精油提油量各因子的方差分析Table 3 Variance analysis of all indexes effecting the content of essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit

由表3方差分析可知，因子A（浸泡时间）的影响甚微。由此得出水蒸气蒸馏法提取沙芥果实精油的适宜的工艺条件是 A2B3C2，即料液比 1∶7（g/mL），浸泡时间3 h，提取时间3 h，经过3次验证试验，此时提取量为0.90 mL。

2.3 水蒸气蒸馏法提取的沙芥果实精油GC-MS分析

对提取的沙芥果实精油进行GC-MS分析，其精油的总离子流图见图4，从沙芥果实精油中鉴定出41种化合物，鉴定的化合物占色谱流出峰总面积的49.094%。

图4 水蒸气蒸馏法提取的沙芥果实精油GC-MS总离子流色谱图Fig.4 Total ion current chromatograms of the essential oil from P.cornutum（L.）Gaertn.fruit by steam distillation

水蒸气蒸馏法提取沙芥果实精油的主要化学组成见表4。

表4 水蒸气蒸馏法提取沙芥果实精油的主要化学组成Table 4 The main chemical composition of essential oil rom P.cornutum（L.）Gaertn.fruit by steam distillation

水蒸气蒸馏法提取的沙芥果实精油所含的41种成分中多为烷烃类、芳香类及其脂肪族化合物，化合物类型多以烷烃、酸、酯、醇、醚、烯为主。其中烷烃类共7种，占精油总量32.306%；醇类共5种，占10.654%；酸类5种，占2.296%；烯类1种，占1.464%；酯类5种，占1.23%；醚类2种，占1.107%。沙芥果实精油中相对含量最高的化合物是环十二烷，占10.073%；其次是月桂醇，占6.816%；居第3位的是环十四烷，占3.37%。

3 结论

采用水蒸气蒸馏法提取沙芥果实精油，考察提取工艺中提取料液比、浸泡时间和提取时间对精油提取率的影响，在单因素试验的基础上通过正交试验对提取工艺进行优化，最后确定沙芥果实精油的最佳工艺条件：料液比 1∶7（g/mL），浸泡时间 3 h，提取时间 3 h，此时精油提取量为0.90 mL。同时进行了统计学分析，提取时间对精油的提取有显著性意义（P＜0.05），而浸泡时间和料液比的影响甚微。

采用GC-MS技术，从提取的沙芥果实精油中鉴定出41种化合物，多以烷烃、酸、酯、醇、醚、烯为主。其中烷烃类化合物7种，占精油总量32.306%；醇类化合物5种，占10.654%；酸类化合物5种，占2.296%；烯类化合物1种，占1.464%；酯类化合物5种，占1.23%；醚类化合物2种，占1.107%。沙芥果实精油中相对含量最高的化合物是环十二烷，占10.073%；其次是月桂醇，占6.816%；居第3位的是环十四烷，占3.37%。