基于HS-SPME-GC-MS的薰衣草不同部位揮發性成分分析

陳國通 蘆 云 馬萍萍 范 蕊 楊 中 曹 續

(1. 新疆師范大學化學化工學院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆維吾爾自治區新疆分析測試研究院，新疆 烏魯木齊 830011；3. 新疆師范高等?？茖W校，新疆 烏魯木齊 830043；4. 新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830052)

薰衣草(Lavender)是唇形科多年生亞灌木，有著悠久的種植和應用歷史[1]，因具有濃郁溫和的香味，無毒副作用，作為重要的香料原料被廣泛用于調制化妝品、皂用香精等[2-3]。作為藥用植物，薰衣草具有鎮靜助眠、抑制腫瘤、抗菌、抗炎、抗氧化等作用[4-7]。同時薰衣草花茶飲料具有良好的抗氧化活性，可以清除體內自由基，預防疾病，抵抗衰老[8-9]。隨著薰衣草應用范圍的擴大，人們對薰衣草的栽培技術、精油提取、化學成分分析及應用等方面進行了廣泛研究[10-11]。

由于揮發性成分含量不同，不同種類的薰衣草有不同的用途[2]。目前有關薰衣草揮發性成分的研究主要集中在薰衣草精油上，其主要提取方法有水蒸氣蒸餾法[12]和超臨界CO2萃取法[13]，但兩者均存在樣本消耗大、耗時長、成本高等缺點。隨著分析技術的發展，薰衣草中揮發性成分的直接測定越來越受到重視[14-15]，如頂空固相微萃取(HS-SPME)[16]、吹掃捕集(P&T)[17]等分析方法。這些方法靈敏度高、操作簡單、無溶劑污染、可實現在線測定。

研究擬通過單因素試驗和正交試驗優化頂空固相微萃取法(HS-SPME)提取薰衣草揮發性成分的相關條件，并在最佳條件下分析自然狀態下代表性薰衣草品種法國藍不同部位的揮發性成分，為后續薰衣草的綜合利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

薰衣草：法國藍，新疆伊犁盛花期薰衣草；

試驗用水均為一級水。

1.1.2 主要儀器設備

手動固相微萃取裝置：57330-U型，美國Supelco公司；

萃取頭：50/30 μm CAR/DVB/PDMS型，美國Supelco公司；

植物樣品粉碎機：FW80型，北京市永光明儀器公司；

電子天平：BSA124S型，德國Sartorius公司；

氣相色譜質譜聯用儀：GCMS-QP2010Plus型，日本島津公司；

色譜柱：HP-5MS型(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，美國Agilent公司。

1.2 方法

1.2.1 供試植物預處理 將薰衣草各部位陰干后，用植物樣品粉碎機粉碎，分別取一定量樣品置于頂空樣品瓶中，密封。

1.2.2 固相微萃取 根據文獻[18]并修改。將處理后的1.0 g薰衣草各部位樣品分別置于4個25 mL頂空瓶中壓蓋密封，室溫下平衡20 min，將老化的萃取頭插入頂空瓶中樣品上方，將纖維頭推出。萃取60 min后插入氣相色譜進樣口，250 ℃下熱解吸5 min。首次使用前，需將萃取頭于270 ℃老化0.5 h，后續使用前，萃取頭仍需在該溫度下老化處理5～10 min，確保萃取頭能夠在高溫下解吸殘余揮發性成分，避免對后續待測樣品造成干擾。

1.2.3 GC-MS檢測條件及定性定量分析

(1) GC條件：進樣口溫度250 ℃；柱溫箱升溫程序為初始溫度40 ℃，保持3 min，以5 ℃/min升溫至100 ℃，平衡1 min，以15 ℃/min升溫至260 ℃，保持5 min；載氣為99.999%氦氣；載氣流速1 mL/min；分流比15∶1。

(2) MS條件：電子轟擊(EI)離子源；電子能量70 eV；離子源溫度230 ℃；接口溫度270 ℃；電子倍增器電壓350 V；全掃描方式；掃描范圍(m/z)45～450。

(3) 采用GCMS-solution 2.7.1化學工作站對采集的數據進行處理，并使用NIST14版譜庫對各組分峰進行圖庫檢索；保留匹配度>85%的化合物。通過手動色譜分析確定化合物名稱。采用面積歸一化法進行定量分析，計算各組分相對含量。

1.2.4 單因素試驗 以薰衣草花為試驗對象，選取50/30 μm CAR/DVB/PDMS規格的萃取頭，對平衡時間、萃取時間、解吸時間三因素進行試驗，分析各因素對色譜圖峰數目與總面積的影響。

1.2.5 正交試驗 在單因素試驗基礎上，選擇解吸時間、萃取時間和平衡時間為影響因素，采用L9(33)正交表進行三因素三水平正交試驗，以總峰面積為萃取效果考察指標優化試驗參數。

1.2.6 樣品分析 根據正交試驗分析得到的最佳萃取條件對薰衣草不同部位樣品進行試驗，并對結果進行分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 萃取頭的選擇 根據萃取頭的組成材料特性并結合文獻[19]，50/30 μm復合涂層CAR/DVB/PDMS萃取頭更適合于進行大范圍的揮發性成分分析，故采用CAR/DVB/PDMS復合涂層萃取頭。

2.1.2 萃取溫度的選擇 根據文獻[20]，采用固相微萃取測定植物揮發性成分，隨著萃取溫度的升高，檢測到的組分數呈先增加后減小的趨勢，一般溫度為60～70 ℃時得到的組分數與峰面積均達到最大值，可能是由于隨著溫度的升高，部分沸點相對較高的組分會從樣本中釋放，當溫度過高時，低沸點組分在競爭吸附中處于劣勢，導致部分流失[21]。雖然提高萃取溫度會得到更多的揮發性組分與更大的響應峰面積，但試驗是為了探究薰衣草不同部位在自然狀態下的揮發性成分，故選擇在室溫下對薰衣草進行萃取。

2.1.3 萃取時間的選擇 由圖1可知，隨著萃取時間的延長，揮發性成分的峰數和總峰面積先增加后趨于平衡，并在60 min時達到最大值。這可能是因為萃取時間較短時揮發性物質在萃取頭上吸附不飽和，當萃取時間繼續延長至超過60 min后，萃取頭上吸附的物質與氣體中游離的揮發性成分形成動態平衡[22-24]。綜合來看，萃取時間設為60 min。

圖1 不同萃取時間下薰衣草花揮發性成分的變化Figure 1 Changes of volatile components in lavender flowers under different extraction times

2.1.4 解吸時間的選擇 由圖2可知，當解吸時間為3～5 min時，揮發性成分的峰面積和數量均較少且呈遞增趨勢，當萃取時間>5 min時，揮發性成分的峰數目和峰面積均呈穩定趨勢，說明萃取時間為5 min時萃取頭上吸附的揮發性物質已解吸完全。解吸時間太長也會造成萃取頭涂層受損進而影響其壽命[25-26]，因此，選擇5 min為最佳萃取時間。

圖2 不同解吸時間下薰衣草花揮發性成分的變化Figure 2 Changes of volatile components in lavender flowers under different desorption times

2.1.5 平衡時間的選擇 由圖3可知，當平衡時間為10～30 min時，揮發性成分的總峰面積和峰數均隨平衡時間的延長呈上升趨勢，但是變化平緩，說明平衡時間對萃取效果影響不大，綜合考慮，選擇平衡時間為20 min。

圖3 不同平衡時間下薰衣草花揮發性成分的變化Figure 3 Changes of volatile components in lavender flowers under different equilibrium times

2.2 正交試驗

綜合單因素試驗結果，以萃取時間、解吸時間和平衡時間為影響因素，采用L9(33)正交表進行三因素三水平正交試驗，以總峰面積為響應值優化試驗參數，因素水平見表1，試驗設計及結果見表2。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal experiment factor level

表2 正交試驗設計及結果Table 2 Results and analysis of orthogonal array experiments

由表2可知，各因素對萃取效果影響程度為萃取時間>解吸時間>平衡時間，與文獻[23]報道結果一致。根據極差結果并結合單因素試驗和節能降耗等方面考慮，得出HS-SPME法提取薰衣草花揮發性成分的最佳工藝條件為A3B2C3，即萃取時間70 min，解吸時間5 min，平衡時間25 min。

為確證該工藝的優劣和穩定性，將所篩選的最佳工藝條件進行3次平行驗證實驗，測得揮發性成分的總峰面積分別為140 715 392，140 716 418，140 715 910，提取效果較好且方法穩定可行。

2.3 薰衣草不同部位揮發性成分含量

對薰衣草根、莖、葉、花4個部位的揮發性成分進行測定，總離子流圖見圖4。利用面積歸一法計算揮發性成分相對含量，結果見表3。

圖4 薰衣草各部位揮發性成分總離子流圖Figure 4 Total ion chromatogram in different parts of lavender

由表3可知，董衣草不同部位的揮發性成分差異較大。其中揮發性成分相對含量在花中較多，葉次之，莖與根中較少，與文獻[12]報道一致。薰衣草各部位共鑒定出36種揮發性成分，其中烴類16種，醇類9種，酮類2種，酯類9種。根、莖、葉、花中共有化合物6種，分別占總揮發性成分相對含量的60.15%，38.52%，54.56%，32.77%。

表3 薰衣草不同部位揮發性成分相對含量?Table 3 Analysis results of volatile components in different parts of lavender %

王強等[12]通過HS-SPME法研究了薰衣草莖、葉、花中的揮發性成分，在花和莖中檢出含量較高的揮發性成分除芳樟醇和乙酸芳樟酯外還有檸檬烯二氧化物等，可能是該法采用的萃取溫度為70 ℃，因此一些高沸點化合物含量會相對偏高。在自然狀態下萃取，薰衣草根中也檢出較多的揮發性成分，其中檸檬烯和桉樹腦這兩種成

分含量較多。薰衣草莖和花中含量較多的成分為芳樟醇和乙酸芳樟酯。薰衣草葉中除芳樟醇和乙酸芳樟酯外，含量最高的為檸檬烯。

由表4可知，薰衣草不同部位的揮發性成分在種類和數量上差異較大。其中，花和莖中酯類化合物含量突出，根和葉中烯烴類物質較突出。王新玲等[27]采用傳統水蒸氣蒸餾(SD)法對薰衣草不同部位中揮發油化學成分進行分析，與試驗通過SPME法提取物的組分種類及含量差異較大，可能是因為HS-SPME法是在常溫下進行提取，對一些分子質量低、較易揮發物質有較強的吸附作用。而SD法前處理溫度較高，可能會造成強揮發性成分損失，一些不穩定化合物分解。因此，HS-SPME法前處理過程相對簡單，在分析過程中不會造成強揮發性成分的損失，更能真實地反映樣品揮發性成分的原始組成，而SD法更適合分析高沸點的酯類及大極性的醇類等化合物。

表4 薰衣草不同部位中各類揮發性成分相對含量及數量Table 4 Various volatile components and quantities in different parts of lavender

3 結論

優化了頂空固相微萃取—氣相色譜法提取薰衣草揮發性成分的條件：50/30 μm CAR/DVB/PDMS萃取頭、1.0 g樣品、萃取時間70 min，解吸時間5 min，平衡時間25 min，在此優化條件下對薰衣草各部位自然狀態下的揮發性成分進行分析。結果表明，薰衣草中各部位揮發性成分的種類和含量差異較大，各部位共鑒定出36種揮發性成分，其中共有化合物6種?；ê颓o中的酯類化合物含量突出，根和葉中的烯烴類物質較突出。各部位化合物共同影響，相互轉換，其轉化作用機制與規律還有待進一步研究。