紫苏精油微波萃取工艺的响应面优化及其化学成分研究_图文

1、浙江大学学报(农业与生命科学版37(6:677683,2011Journal of Zhejiang University(Ag r ic1&Life Sci1文章编号:1008-9209(201106-0677-07DOI:10.3785/j.issn.1008-9209.2011.06.013紫苏精油微波萃取工艺的响应面优化及其化学成分研究林梦南,苏平,应丽亚,高宏建(浙江大学生物系统工程与食品科学学院食品科学与工程系,浙江杭州310058摘要:采用微波辅助溶剂法提取紫苏叶中的精油,通过响应面法实验设计研究微波萃取的最佳工艺,并用气-质联用技术对其化学成分进行分析,同时通过透射电镜观察微波

2、对紫苏叶细胞结构的破坏程度.结果表明:微波萃取的最佳工艺参数为:以环己烷为萃取剂,微波功率329W,微波时间80s,料液比1B6,浸泡时间56min,实际得率为11783%,与理论值较接近;通过气相色谱-质谱联用仪(gas chro mat og raphy-mass spectro met ry,GC-M S分析,鉴定出紫苏精油中的17种物质,占总量的80161%,其中以紫苏醛(44154%、(+-柠檬烯(1517%的含量最高;透射电镜照片表明,在微波加热过程中,细胞壁没有遭到明显破坏,但是细胞膜和线粒体遭到了严重破坏,叶绿体、淀粉粒等细胞器内容物流出,但是其轮廓尚存.关键词:紫苏精油;微波

3、萃取;响应面法;气相色谱-质谱联用仪;细胞结构中图分类号:T Q654.2;R284.2文献标志码:AL IN M eng-nan,SU P ing,Y IN G L-i ya,GA O H ong-jian(Dep ar tment of Food Science andE ngineer ing,School of B iosy stems Engineer ing and Food S cience,Zhej iang Univ er s ity,H angz hou310058,ChinaOptimization of microwave extraction process of e

4、ssential oil f rom Perilla f rutescens by response surface methodology and its chemical composition analysis.Journal o f Zhejiang U niversit y(A g ric1&L ife Sci1,2011,37(6:677-683Abstract:T he essential oil from Per illa f r utescens were ex tracted by microwave method,and the optimum extractio n c

5、onditio ns were obtained thr ough response surface methodolog y,then the const ituents of the essential oil w ere identified by gas chromatog raphy-mass spectro metry(GC-M S,in the meantime,with scanning electron microscope(SEM,the damages of the cell structures were observed.T he results showed tha

6、t the optimum extractio n co ndition was as follows:cyclohexane as solvent,micr owave power of329W,irradiation time of80s,mater ial to liquid ratio of1B6,soaking time of56min.Under the optimum ex traction conditio n,the actual detection value of the essential oil was11783%,that was almost equal to t

7、he pr edictable value.Seventeen compounds,identified by means of GC-M S,made up80161%of the essential oil,whose main components wer e perillaldehyde(44154%and D-limonene(1517%.Under the scanning electron microscope (SEM,the cell wall had little damage during the irradiation,but the cell membrane and

8、 mitochondria were badly damaged;although the outlines of several cellular org ans were clear,including chlo roplast and starchg rain,they all had so me contents effusing.收稿日期:2011-01-20作者简介:林梦南(1988,女,浙江宁波人,硕士研究生,主要从事天然产物提取方面的研究.E-mai l:linmengnan-nancy .通信作者:苏平,男,副教授,主要从事果蔬加工及农产品综合利用方面的研究.E-mail:s

9、upin g166.浙江大学学报(农业与生命科学版Key words:essentia l oil fr om Per illa f r utes cens;micro wav e ex tractio n;r esponse sur face methodo lo gy;g as chro matog raphy-mass spectro metry;cell structure紫苏Perilla f r utescens(L.Britt.,别名赤苏、红苏、红紫苏,系唇形科紫苏属1年生草本植物1,是国家卫生部首批颁布的既是药品又是食品的60种中药之一2.紫苏叶精油为紫苏叶经提取后的挥发性油状

10、液体,是紫苏叶的主要活性成分.据报道,紫苏精油具有抑菌3、抗炎4、解热5、镇静6等作用,广泛用于食品、香料、医药保健等行业.提取精油的传统方法一般有水蒸汽蒸馏法、压榨法、溶剂浸提法等.微波萃取法即微波辅助萃取法(m icrow ave-assisted extraction,具有穿透力强、选择性高、加热能力强等特点7,被广泛应用于天然产物的提取中.本文采用微波辅助溶剂法提取紫苏叶中的精油,通过响应面法实验设计研究微波萃取的最佳工艺,并用气-质联用技术对其化学成分进行分析,同时通过透射电镜观察微波对紫苏叶细胞结构的破坏程度,以便为其工业化生产及综合开发利用提供技术支持.1材料与方法111材料与试

11、剂新鲜紫苏叶,采自浙江龙泉;石油醚、正己烷、乙酸乙酯、乙醚购自上海国药集团化学试剂有限公司,环己烷购自杭州双林化工试剂厂,无水硫酸钠购自上海试四赫维化工有限公司;所有试剂及药品均为分析纯.112设备与仪器6890N/5975B气相色谱-质谱联用仪(美国安捷伦公司;色谱柱:H P-5(30m250L m 0125L m;WGD2S-01型微波设备(南京三乐微波技术发展有限公司;DFT-50粉碎机(温州市林大机械有限公司;GB204万分之一电子天平(瑞士梅特勒-托利多公司;RE-52AAA 旋转蒸发仪(上海嘉鹏科技有限公司;H-7650透射电镜(日本日立公司.113试验方法11311微波提取紫苏精

12、油取新鲜紫苏叶,粉碎后,在溶剂中浸泡.调整适当的微波功率,对其进行一定时间的微波辐射,重复2次.凉至室温,抽滤,除去杂质.滤液中添加无水硫酸钠,静置过夜,用旋转蒸发仪除去有机溶剂,得精油.挥发油提取率=提取出的挥发油质量/原料质量100%.11312单因素试验萃取剂的选择:在料液比为1B6,浸泡30min,微波功率200W,辐射时间45s的条件下,分别用石油醚、乙醚、正己烷、环己烷、乙酸乙酯为萃取剂对紫苏叶进行微波提取.浸泡时间的选择:料液比1B6,微波功率200W,辐射时间45s,分别浸泡0、30、60、90、120m in.料液比的选择:浸泡30m in,微波时间45 s,微波功率200W

13、,料液比分别为1B4、1B6、1B8、1B10.微波时间的选择:浸泡60m in,料液比1B 6,微波功率200W,微波时间分别为45、75、105、135、165s.微波功率的选择:浸泡30m in,料液比1B 6,微波时间45s,微波功率分别为100、200、300、400、500W.11313响应面分析因素和水平的选取在单因素基础上,利用Desig n-Exper t711中Box-Behnken原理,采用3因素3水平的响应面分析方法对紫苏精油的微波萃取工艺进行优化,分析因素与水平见表1.表1Box-Behnken试验设计因素和水平T able1Factors and levels of

14、 Box-Behnken exp erimentdesign因素水平-101A微波功率/W200300400B微波时间/s4575105C浸泡时间/m in306090 11314气-质联用色谱条件气相色谱条678第37卷林梦南,等:紫苏精油微波萃取工艺的响应面优化及其化学成分研究 件:进样口温度250e ;程序升温:50e (保持3min,以4e !min -1升温到220e (保持20min.质谱条件:电子能量:70eV;质量范围:10500u;传输线温度:150e ;离子源温度:230e .分流比:5B 1;进样量:1L L.11315 透射电镜观察叶片微观结构 选取微波辐射后的紫苏叶和

15、新鲜的紫苏叶进行透射电镜拍摄,观察其结果.2 结果与讨论 211 单因素实验21111 萃取剂的选择 由图1可知,在5种溶剂中,用环己烷提取的紫苏精油的出油率最高.在微波辐射中,当提取的物料中含有不稳定或挥发性成分时,应选取对微波辐射高度透明的溶剂作为萃取介质8,环己烷是一种介电常数较小的物质,且其萃取出来的精油外观呈淡黄色,杂质较少;因此,选择环己烷作为萃取剂. 图1 不同溶剂提取紫苏精油的得油率Fig.1 E xtraction rate ofes sen tialoilextracted bydifferent s olvents21112 浸泡时间对出油率的影响 从图2可知:随着浸泡时

16、间的延长,紫苏精油的出油率也逐渐增大,但是当浸泡时间超过60m in 之后,出油率下降,故浸泡时间以60min 为宜.提前用溶剂浸泡紫苏叶,相当于对紫苏叶进行了预提取,并且提取过程中微波能量可直接作用到初期渗入至叶片表面处的溶剂9.21113 料液比对出油率的影响 从图3可知,最初随着溶剂用量的加大,出油率明显提高,但是当料液比超过1B 6时,由于溶剂本身图2 浸泡时间对出油率的影响Fig.2 Effects of s oaking tim e on extraction rate ofessential oil也会吸收一定的微波,使得进入基体内部的微波相对减少10,出油率下降,而且溶剂量过大

17、,成本升高.所以本实验选取料液比为1B 6.图3 料液比对出油率的影响Fig.3 Effects of material to liquid ratio on extraction rateof essential oil21114 微波时间对出油率的影响 由图4可知,紫苏精油的出油率随着微波时间增加呈现先上升后下降的趋势.紫苏叶吸收微波的能量导致细胞破裂,但是超过75s 以后,能量吸收饱和,有时会出现溶剂沸腾现象.因此微波时间为75s 时,出油率最高.21115 微波功率对出油率的影响 在相同的辐射条件下,微波功率越大,紫苏精油的出油率越高,在300W 时达到最高值,超过300W 后,溶剂开

18、始沸腾,出现提取剂逃逸11现象,出油率下降;因此,300W 为最佳微波功率(图5.679第6期浙江大学学报(农业与生命科学版 图4 微波时间对出油率的影响Fig.4 Effects of microw ave treatment time on extractionrate of ess entialoil 图5 微波功率对出油率的影响Fig.5 E ffectsofmicrow aveirradiationp ow eronextraction rate of essential oil212 响应面优化紫苏精油的微波萃取工艺21211 响应面分析方案及结果 以微波功率、微波时间、浸泡时间为

19、自变量,挥发油出油率Y 为响应值,响应面分析方案及结果见表2. 将表3中的分析数据按照标准二次多项式回归,得到紫苏精油得油率的回归方程为:Y =1178+01029A +01015B -01023C +51250E -003AB -01015AC +61000E -003BC -01053A 2-01046B 2-0111C 2.表2 Box -Behnken 设计方案及响应值结果Table 2 Des ign of Box -Beh nken and the response values 实验序号A 微波功率B 微波时间C 浸泡时间Y 出油率/%1-1-101165421-10116813

20、-110116724110117205-10-111593610-1116997-1011157581011162290-1-1116431001-111661110-1111587120111162913000117901400011781150001177916000117691711784表3 回归分析结果T able 3 Results of r egression an aly sis方差来源自由度平方和均方F 值P 值显著性模型90108791679E -0367142010001*A 161498E -0361498E -0345126010003*B 111711E -0311

21、711E -0311192010107*C 141186E -0341186E -0329116010010*A B 111102E -0411102E -040177014099A C 181703E -0481703E -046106010433*B C 111440E -0411440E -0411*A 21010120101283132010001*B 2181736E -0381736E -0360185010001*C 210104601046323165010001*残差711005E -0311436E -04失拟项371677E -0421559E -044132010958

22、纯误差421372E -0451930E -05总误差1601088注:*表示在P 0101水平差异极显著;*表示在P 0105水平差异显著.680第37卷林梦南,等:紫苏精油微波萃取工艺的响应面优化及其化学成分研究 从表3可知,模型P 0105,说明该二次方程能够较好地拟合真实水平.R 2为98186%,R 2Adj 为97139%,说明该模型能解释响应值变化的97139%.因此该方程能够很好地预测和解释紫苏精油的出油率随各项参数变化的规律.根据二次回归方程绘制响应面图(图68.从表3和图68中还可知,模型一次项A 、C 高度显著,B 显著;交互项AC 显著,即微波功率和浸泡时间交互作用显著

23、,AB 、BC 不显著;二次项A 2、B 2、C 2极显著.同时根据F 值的大小可得各条件对紫苏挥发油得油率的影响程度依次为:A C B ,即微波功率浸泡时间微波时间. 图6 微波功率和微波时间对出油率影响的响应面图Fig.6 Response surface plot sh owin g the effects ofmicrow ave power and m icrow ave treatment time on ess ential oilyield 图7 微波功率和浸泡时间对出油率影响的响应面图Fig.7 Response surface plot sh owin g the effe

24、cts ofmicrow ave power and s oaking time on ess ential oilyield图8 微波时间和浸泡时间对出油率影响的响应面图Fig.8 Resp on se su rface plotshow ing the effects ofmicrowave treatm ent time and s oakin g time onessential oil yield21212 挥发油提取工艺条件的寻优及检验对方程进行模拟寻优,分析得到最大响应值(Y 时,A 、B 、C 对应的编码值为A =01293,B =01169,C =-01125,与其相对应的提

25、取工艺条件为微波功率329132W,微波时间80107s,浸泡时间56124m in,预测精油的出油率为11787%.考虑到实际操作条件,修正为微波功率329W,微波时间80s,浸泡时间56min,在此条件下进行验证性实验,取平均值得到出油率为11783%,与理论值较接近,说明用响应面法对微波萃取紫苏精油进行工艺优化具有一定的可行性.213 挥发油成分分析根据GC -MS 系统分析得到质谱图,鉴定出17种化合物(表4.从微波萃取的紫苏精油中共鉴定出17种物质,占挥发油总量的80161%,其中紫苏精油的主要成分是紫苏醛(perillaldehyde 44154%、(+-柠檬烯(D -lim on

26、ene1517%、tr ans -shiso ol 516%、1-辛烯-3-醇(1-octen -3-ol 3179%、石竹烯(caryo phyllene 2132%、莰烯(camphene 2101%、芳樟醇(linalool1199%;以紫苏醛和柠檬烯的含量最高,它们是构成紫苏香味最主要的物质,因此判定本实验所提取的精油是紫苏醛型.681第6期682 浙 江 大 学 学 报( 农业与生命科学版 表4 Table 4 第37卷 紫苏挥发油化学成分的 GC - MS 鉴定结果 分子式 乙酸异丁酯 苯乙烷 苯乙烯 环己酮 1 - 辛烯 -3 -醇 ( + - 柠檬烯 苯乙醛 芳樟醇 紫苏醛 莰

27、烯 丁香酚 石竹烯 3 - 蒈烯 B - 荜澄茄油烯 2, 5 - 二叔丁基酚 邻苯二甲酸二乙酯 C 6 H 12 O2 C 8 H 10 C8 H 8 C 6 H 12 O C 8 H 16 O C 10 H 16 C8 H 8 O C 10 H 18 O C 10 H 14 O C 10 H 16 C 10 H 12 O 2 C 15 H 24 C 10 H 16 C 15 H 24 C 14 H 22 O C 12 H 14 O 4 相对分子质量 116 106 104 100 128 136 120 154 Ch emical com pon ent s and r elat ive

28、cont ent s of essent ial oil f rom P 1 f r ut escens ident if ied by GC -M S 化合物名称 w/ % 0 1 53 0 1 41 0 1 53 0 1 74 3 1 79 15 17 0 1 54 1 1 99 5 16 150 136 164 204 136 204 206 222 44 1 54 2 1 01 0 1 65 2 1 32 0 1 18 0 1 22 0 1 53 0 1 33 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 A cet ic acid, 2 -

29、m et hylpr opyl est er Et hylbenzene St yrene Cyclohexanone 1 -O ct en -3 -ol D - Limonen e Benzeneacet ald ehyde Linal ool tr ans - Sh isool Perillaldehyde Cam phen e Eugen ol Caryoph yl len e 3 -Caren e B -Cubeben e Ph enol, 2, 5 - bis( 1, 1 - dimet hyl et hyl Dieth yl pht hal at e 2 14 透射电镜的观察结果及

30、分析 通过透射电镜比较微波辐射后的紫苏叶与 持较好 , 没有明显损伤 . 因为细胞壁内外体系近 似相通 , 都含有含水量较大且组成相同的体液 , 当微波加热含水量较大的体液时 12 新鲜紫苏叶的不同( 图 9 10 , 结果发现: 1 相 对于新鲜叶片 , 微波辐射后的叶片其细胞壁保 , 细胞壁内 外压力基本保持平衡, 不易破裂 . 2 细胞膜破坏 A : 4 000; B: 30 000; C: 50 000. 图9 Fig. 9 新鲜紫苏叶内部细胞结构的电镜照片 El ect ron micr ographs of cell s tru ct ure of f resh P 1 f rut

31、 escens leaves A : 4 000; B: 30 000; C: 50 000. 图 10 Fig. 10 经微波辐射后的紫苏叶内部细胞结构的电镜照片 El ect ron micrograph s of cel l st ruct ure of P 1 f r ut escens leaves aft er m icrow ave ir radiat ion 第6期 林梦南 , 等 : 紫苏精油微波萃取工艺的响应面优化及其化学成分研究 683 严重 . 细胞膜是一种选择半透性膜 , 植物细胞内 所保持的各离子浓度与细胞外部环境中的离子 浓度不同 12 , 这种差异会引起微波的选

32、择性作 用, 导致细胞质壁分离, 使得细胞内的有效成分 浸出 . 3 经过微波辐射后 , 细胞质中细胞器数量 减少 ; 叶绿体中出现空泡 , 很有可能是脂类物质 溶出 , 轮廓尚在, 但片层结构不清楚; 线粒体已 被破坏; 淀粉粒膜受损, 形状缩小, 但轮廓尚在 . 5 4 of Food Industry( 食 品工业 科技 , 2003, 24 ( 9 : 25 - 26 1 ( in Chinese G U O Q un -qun ( 郭 群 群 1 St udy on ant imicrobial sub st ance of P eri l la f rut escen s ( 紫苏

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