丁華，王建清

（天津科技大學(xué)包裝與印刷工程學(xué)院，天津 300222）

香茅精油的超聲輔助提取及成分分析

丁華，王建清＊

（天津科技大學(xué)包裝與印刷工程學(xué)院，天津 300222）

結(jié)合超聲輔助技術(shù)采用水蒸氣蒸餾法提取香茅精油，考察了料液比、NaCl濃度、提取時(shí)間對(duì)精油得率的影響，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。最后，通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）對(duì)香茅精油的化學(xué)成分進(jìn)行分析鑒定。結(jié)果表明：在超聲功率為420W、超聲時(shí)間為30min的前提下，料液比為1∶20、NaCl用量為10%的條件下，提取時(shí)間180min，香茅精油得率最高，為2.8%。GC-MS技術(shù)檢測(cè)出香茅精油共含45種化學(xué)成分，其中相對(duì)含量最高的是香茅醛，其次是香葉醇、香茅醇。

香茅精油；水蒸氣蒸餾法；提取；GC-MS

香茅草又稱檸檬草，為禾本科香茅屬多年生草本植物，原產(chǎn)于熱帶及亞熱帶如南印度、斯里蘭卡，在我國(guó)華南、西南等地均有分布，其中云南是香茅草的主要種植區(qū)域［1，2］。香茅草因其性味辛、溫，具有疏風(fēng)通絡(luò)、和胃通氣的功效而被載入《中藥大辭典》［3，4］。非洲民間用其治療感冒引起的發(fā)熱和焦慮癥，巴西等國(guó)已開發(fā)出具有清熱解毒功效的保健茶［5］。在印度、泰國(guó)、越南及我國(guó)云南德宏等地，香茅則是一種常見(jiàn)的食物調(diào)料［6，7］。從香茅中提取的揮發(fā)油呈黃色澄清液體狀，其所含成分因香茅種類及產(chǎn)地而有明顯差異［8－11］。研究證明：香茅精油不僅具有抗菌、抗痙攣、抗氧化、止痛、降壓利尿、抑制腫瘤等藥理作用［12－16］，還可用于香水、化妝品和肥皂的香精，同時(shí)，也是美國(guó)天然藥草防蚊劑中的主要活性成分［17，18］。超聲波輔助提取屬于物理破碎過(guò)程，通過(guò)超聲波的空化作用，破壞植物組織的細(xì)胞，從而加速植物有效成分溶出；此外，如機(jī)械震動(dòng)、乳化、擴(kuò)散、擊碎、化學(xué)效應(yīng)等超聲波次級(jí)效應(yīng)，能加速植物細(xì)胞內(nèi)有效成分的擴(kuò)散、釋放和溶解而強(qiáng)化精油的提?。?9，20］。

因此，本文采用超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取云南的香茅草精油，考察了料液比、NaCl濃度、提取時(shí)間等因素對(duì)精油得率的影響，并對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)利用氣相-氣質(zhì)聯(lián)用儀分析香茅精油的化學(xué)成分，對(duì)香茅精油在新型天然防腐劑的開發(fā)領(lǐng)域起指導(dǎo)作用，并為其進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

香茅草（食品級(jí)） 毫州坤記中草藥行；氯化鈉（分析純） 天津市江天化工技術(shù)有限公司；無(wú)水硫酸鈉（分析純） 天津市興復(fù)精細(xì)化工研究所；正己烷（色譜純） 天津市元立化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AR2130型電子天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司；BCD-200AN型海爾電冰箱 青島海爾股份有限公司；SXKW數(shù)顯控溫電熱套 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；KQ5200B型超聲波清洗器 昆山市超聲波儀器有限公司；Varian 4000GC/MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)瓦里安公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 香茅精油的提取

在確定超聲功率為420W、超聲時(shí)間為70min的條件下，準(zhǔn)確稱取一定量干香茅，置于2000mL圓底燒瓶中，按料液比向燒瓶中加入一定體積的蒸餾水，再加入一定量的NaCl和幾粒沸石，用玻璃棒將其混合攪拌均勻，浸泡一定時(shí)間后進(jìn)行超聲分散，最后用水蒸氣蒸餾裝置進(jìn)行蒸餾。停止加熱后，使乳白色的乳濁液靜置分離，然后用無(wú)水硫酸鈉干燥，吸去油層中含有的水分，最終用移液槍將精油裝于棕色試劑瓶中，將其密封后放置于4℃冰箱中保存。

精油得率計(jì)算公式：精油得率（%）＝（精油產(chǎn)量/干香茅草重量）×100。

1.3.2 香茅精油化學(xué)成分分析

采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)所提取的香茅精油進(jìn)行化學(xué)成分分析。

1.3.2.1 實(shí)驗(yàn)條件

氣相色譜條件：色譜柱型號(hào)VF-5ms（30m× 0.25mm×0.25μm），載氣為氦氣，純度為99.999%，載氣流速為1mL/min，分流比為5∶1，進(jìn)樣口溫度為280℃。色譜柱程序升溫：初始溫度為60℃，保持3min，再以8℃/min升至280℃，保持6min。

氣相質(zhì)譜條件：傳輸線溫度為280℃，質(zhì)量分析器為離子阱，離子阱溫度為220℃，掃描方式為全掃描，掃描范圍為50～500amu。

檢索譜庫(kù)版本：NIST05。

1.3.2.2 樣品處理及測(cè)定

取1mL香茅精油溶解到100mL正己烷中，進(jìn)樣0.4μL進(jìn)行GC-MS分析。利用NBS75K標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)-計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)檢索，與質(zhì)譜圖集的標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比、復(fù)合，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行人工解析，得到香茅精油中的各個(gè)化學(xué)成分。按面積歸一化法進(jìn)行成分含量分析，分別計(jì)算各個(gè)成分的相對(duì)百分含量。

1.4 香茅精油提取單因素試驗(yàn)

1.4.1 料液比的確定

稱取一定量的干香茅，將其放入水蒸氣蒸餾裝置中，按照1.3.1的方法進(jìn)行蒸餾提取，其中料液比分別為1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，1∶50，計(jì)算香茅精油得率。

1.4.2 NaCl濃度的確定

稱取一定量的干香茅，將其放入水蒸氣蒸餾裝置中，按照1.3.1的方法進(jìn)行蒸餾提取，其中NaCl的濃度分別為4%，6%，8%，10%，12%，14%，計(jì)算香茅精油得率。

1.4.3 提取時(shí)間的確定

稱取一定量的干香茅，將其放入水蒸氣蒸餾裝置中，按照1.3.1的方法進(jìn)行蒸餾提取，其中蒸餾時(shí)間分別為90，120，150，180，210，240min，計(jì)算香茅精油得率。

1.5 正交試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)單因素對(duì)香茅精油得率的影響程度，對(duì)料液比、NaCl濃度、提取時(shí)間進(jìn)行3個(gè)因素3個(gè)水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因子與水平的安排見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素及其水平Table 1 Orthogonal test factors and levels

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取香茅精油單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 料液比對(duì)香茅精油得率的影響

料液比對(duì)香茅精油得率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 料液比對(duì)香茅精油得率的影響Fig.1Effect of the solid-liquid radio on citronella essence oil yield

由圖1可知，隨著開始時(shí)料液比的增加，香茅精油得率有所增加，當(dāng)料液比為1∶20時(shí)，香茅精油得率達(dá)到最大值2.61%；當(dāng)繼續(xù)增大溶劑用量時(shí)，得率反而降低，這是由于香茅精油在水中有一定的溶解性，隨著溶劑用量增大，溶解在水中的精油也會(huì)增加，從而降低了精油得率；綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用水蒸氣提取香茅精油時(shí)，料液比為1∶20左右較好，不僅精油得率高，同時(shí)降低了能耗避免了能源的浪費(fèi)。

2.1.2 NaCl濃度對(duì)香茅精油得率的影響

采用水蒸氣蒸餾法提取香茅精油會(huì)使一定量的精油溶解在水中，添加適量的無(wú)機(jī)鹽助劑如NaCl可降低精油的溶解度，從而提高香茅精油得率。NaCl的不同用量對(duì)香茅精油得率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 NaCl加入量對(duì)香茅精油得率的影響Fig.2Effect of NaCl adding amount on citronella essence oil yield

由圖2可知，當(dāng)NaCl的質(zhì)量濃度在2%～10%之間時(shí)，提取率不斷增大；當(dāng)NaCl的質(zhì)量濃度超過(guò)10%時(shí)，提取率反而降低；因此，考慮到生產(chǎn)成本及對(duì)精油得率的影響，采用水蒸氣提取香茅精油時(shí)，NaCl的質(zhì)量濃度應(yīng)控制在10%左右。

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)香茅精油得率的影響

采用水蒸氣蒸餾法提取香茅精油，提取時(shí)間對(duì)精油得率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 提取時(shí)間對(duì)香茅精油得率的影響Fig.3Effect of extraction time on citronella essence oil yield

由圖3可知，隨著提取時(shí)間的增加，精油的得率明顯增大，當(dāng)提取時(shí)間為180min時(shí)，香茅精油得率達(dá)到最大值，為2.8%；超過(guò)180min后，繼續(xù)增加提取時(shí)間，得率反而會(huì)略微降低，其原因主要是隨著蒸餾時(shí)間的延長(zhǎng)，原料中的精油逐漸被提取出來(lái)，繼續(xù)增加提取時(shí)間，被提取出來(lái)的精油越來(lái)越少，而且部分精油隨著水蒸氣回流到燒瓶中進(jìn)行二次蒸餾會(huì)使精油掛在瓶壁上，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境也可能會(huì)使部分精油發(fā)生氧化反應(yīng)從而導(dǎo)致分解；因此，綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用水蒸氣提取香茅精油時(shí)，提取時(shí)間應(yīng)控制在180min左右較為合適。

2.2 香茅精油提取工藝正交試驗(yàn)優(yōu)化

香茅精油提取正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3。

表2 正交試驗(yàn)組合及結(jié)果Table 2Combination and results of orthogonal experiment

表3 方差分析Table 3Analysis of variance

由表2中數(shù)據(jù)的極差分析可知，各因素對(duì)香茅精油提取率的影響順序?yàn)锳＞C＞B，即影響因素依次為料液比＞提取時(shí)間＞NaCl濃度。由表3方差分析可知，料液比和香茅精油的提取時(shí)間均為顯著性影響因素。由表2中數(shù)據(jù)的均值分析可知，優(yōu)化后的最佳工藝條件組合為A2B2C2，即料液比1∶10、提取時(shí)間180min、NaCl濃度10%，在此實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，得出香茅精油的提取率為2.8%，高于正交試驗(yàn)中第4號(hào)精油得率最高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.65%，故該理論條件與實(shí)際相符，具有可行性。

2.3 香茅精油化學(xué)成分分析

香茅精油主要化學(xué)成分見(jiàn)表4，精油總離子峰譜圖見(jiàn)圖4。GC-MS聯(lián)用儀檢測(cè)出香茅精油共含有45種化學(xué)成分，確定了其中的43種成分，通過(guò)面積歸一化法確定各成分的百分含量，結(jié)果顯示：相對(duì)含量最高的是峰面積百分比為36.94%的香茅醛，其次是峰面積百分比為16.78%的香葉醇、峰面積百分比為16.32%的香茅醇，此外，還含有其他多種少量的醛類、醇類、萜烯類和酯類等化合物。

表4 香茅精油化學(xué)成分分析結(jié)果Table 4Analysis results of citronella oil chemical composition

續(xù) 表

圖4 香茅精油總離子峰圖譜Fig.4Total ion current chromatogram of citronella essence oil

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)結(jié)合超聲輔助技術(shù)通過(guò)水蒸氣蒸餾法對(duì)香茅精油進(jìn)行提取，在確定超聲功率為420W、超聲時(shí)間為30min的前提條件下，綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)正交試驗(yàn)確定了水蒸氣提取香茅精油的最佳工藝條件：料液比為1∶20，NaCl用量為10%，提取時(shí)間為180min，在此實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，得出香茅精油的提取率為2.8%，故此理論條件具有可行性。

利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)香茅精油化學(xué)成分進(jìn)行分析鑒定，并通過(guò)面積歸一化法確定香茅精油中各組分的百分含量，結(jié)果顯示：香茅精油共含45種化學(xué)成分，分析并確定了其中的43種，其中相對(duì)含量最高的是香茅醛（峰面積百分比為36.94%），其次是香葉醇（峰面積百分比為16.78%）、香茅醇（峰面積百分比為16.32%）。

［1］馮蘭香，杜永臣，劉廣樹.蓬勃發(fā)展中的臺(tái)灣芳香植物產(chǎn)業(yè)［J］.中國(guó)蔬菜，2004（2）：40-42.

［2］李曉嬌，劉憶明.分段提取香茅草精油及其對(duì)食用油脂的抗氧化活性研究［J］.食品工業(yè)科技，2015，36（4）：237-241.

［3］《全國(guó)中草藥匯編》編寫組.全國(guó)中草藥匯編（第二版）［M］.北京：人民衛(wèi)生出版社，1996：635.

［4］尹學(xué)瓊，陳俊華，劉芳，等.檸檬香茅精油的提取及抗氧化活性［J］.精細(xì)化工，2012，29（6）：568-571.

［5］張雪梅，胡志宇.我國(guó)香茅屬植物研究進(jìn)展［J］.中國(guó)民族民間醫(yī)藥，2009，18（5）：14-15.

［6］歐陽(yáng)婷，楊瓊梁，顏紅，等.香茅揮發(fā)油研究進(jìn)展［J］.中國(guó)中醫(yī)藥信息雜志，2016，23（2）：130-133.

［7］謝麗莎，歐陽(yáng)煒，黃振園，等.香茅草研究概述［J］.上海中醫(yī)藥雜志，2012，46（7）：66-68.

［8］劉布鳴，林霄，董曉敏，等.香茅油的氣相色譜指紋圖譜研究［J］.廣西科學(xué)，2010，17（4）：343-346.

［9］程必強(qiáng)，許勇，喻學(xué)儉，等.六種香茅屬植物資源及精油成分［J］.香料香精化妝品，1994（3）：6-10.

［10］竇玉琴，張衛(wèi)東，李德山，等.香茅油次要成分對(duì)試驗(yàn)大鼠胃粘膜的保護(hù)作用［C］//中國(guó)藥學(xué)會(huì).2004年中國(guó)藥學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.昆明，2004：416-417.

［11］陳集雙，彭崇勝，杜琪珍，等.香茅葉揮發(fā)油化學(xué)成分的研究［J］.中國(guó)藥學(xué)雜志，2000，35（7）：462-464.

［12］劉明生.黎藥學(xué)概論［M］.北京：人民衛(wèi)生出版社，2008：113-114.

［13］廉曉紅，李德山，竇玉琴，等.香茅草提取物的免疫調(diào)節(jié)作用與腫瘤抑制作用［J］.沈陽(yáng)藥科大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，22（4）：295-297.

［14］Hu M，Skibsted L H.Antioxidative capacity of rhizome extract and rhizome knot extract of edible lotus（Nelumbonuficera）［J］.Food Chemistry，2002，76（3）：327-333.

［15］楊森艷，姚雷.檸檬草精油抗菌性研究［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23（4）：374-382.

［16］Blanco M M，Costa C A R A，F(xiàn)reirel A O，et al.Neurobehavioral effect of essential oil ofCymbopogoncitratusin mice［J］.Phytomedicine，2009，16：265-270.

［17］Sakulku U，Nuchuchua O，Uawongyart N，et al.Characterization and mosquito repellent activity of citronella oil nanoemulsion［J］.International Journal of Pharmaceutics，2009，372（1/2）：105-111.

［18］Lindsay L R，Surgeoner G A，Heal J D，et al.Evaluation of the efficacy of 3%citronella candles and 5%citronella incense for protection against field populations of Aedes mosquitoes［J］.Jam Mosq Control Assoc，1996，12：293-294.

［19］楊君，張獻(xiàn)忠，高宏建，等.天然植物精油提取方法研究進(jìn)展［J］.中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng)，2012，18（9）：31-35.

［20］牛曉娜，劉寧，莫世彬，等.植物精油的新型提取工藝及其研究進(jìn)展［J］.中國(guó)洗滌用品工業(yè)，2013（4）：80-82.

Ultrasonic Assisted Extraction and Composition Analysis of Citronella Essential Oil

DING Hua，WANG Jian-qing＊
（College of Packaging ＆Printing Engineering，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China）

Combining with ultrasonic assisted technology，citronella oil is extracted by steam distillation.The effects of material liquid ratio，NaCl concentration and extraction time on the yield of essential oil are investigated.On the basis of single factor experiment，the extraction process is optimized by orthogonal experiment.Finally，the chemical constituents of citronella essential oil are analyzed and identified by using gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS）.The results show that when the solid-liquid radio is 1∶20，the amount of NaCl is 10%，the extraction time is 180min，the yield of citronella essential oil is 2.8%，under the premise of ultrasonic power is 420W，the ultrasonic time is 30min.Citronella oil contains 45kinds of chemical composition by GC-MS detection technology，in which the highest relative content is citronellal，followed by geraniol，citronellol.

citronella oil；steam distillation；extraction；GC-MS

TS207.3

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.03.034

1000-9973（2017）03-0141-05

2016－09－13 ＊通訊作者

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD16B00）；天津食品安全低碳環(huán)保制造協(xié)同創(chuàng)新中心資助項(xiàng)目

丁華（1991－），女，天津人，碩士，研究方向：包裝材料與技術(shù)；王建清（1953－），男，教授，研究方向：包裝材料與技術(shù)。