用氣相色譜圖分析花椒揮發(fā)油的組成

茍 鼎

(達(dá)州中醫(yī)藥職業(yè)學(xué)院，四川 達(dá)州 635000)

通常所說的花椒是指表蕓香科中一種植物花椒和青椒的成熟果皮，花椒果實(shí)不僅可以作為調(diào)味的香料，同時還可作為防腐劑應(yīng)用于各個領(lǐng)域.除此之外，將花椒入藥可起到殺蟲、止痛，散寒燥濕的功效[1].花椒中的揮發(fā)油還具有抗菌、平喘的作用.花椒揮發(fā)油傳統(tǒng)的提取方法是水蒸氣蒸餾，隨著對其研究的不斷深入，目前有多種不同效果的提取方式[2].但目前針對花椒揮發(fā)油中組成的研究較少，仍然沒有一種有效的手段對揮發(fā)油中的各個成分進(jìn)行分離和分析.氣相色譜圖分析技術(shù)是一種通過對組成進(jìn)行分離，獲取檢測信號隨時間分布的圖像，對其各成分進(jìn)行分析的方法，目前該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、種植領(lǐng)域、生物領(lǐng)域等均有著廣泛的應(yīng)用.在實(shí)際應(yīng)用過程中，具有分析精度高、受外界干擾因素影響小、操作簡單、分析耗時短的特點(diǎn).基于此，開展基于氣相色譜圖的花椒揮發(fā)油組成分析研究.

1 基于氣相色譜圖的花椒揮發(fā)油成分分析方法設(shè)計

1.1 材料與試劑

分析過程中選擇的材料主要包括需要進(jìn)行分析的花椒種類、分析純丙酮試劑和色譜級甲醇試劑.分析方法中所采用的儀器設(shè)備如表1所示.

表1 本文分析方法中主要儀器設(shè)備

在對花椒揮發(fā)油進(jìn)行提取時，由于使用超臨界二氧化碳萃取的方法會造成分析成本增高，并且原材料消耗大的問題產(chǎn)生，因此不適用于對花椒揮發(fā)油進(jìn)行分析[3].而水蒸氣蒸餾法具有成本低、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢，因此本文在提取花椒揮發(fā)油時，采用水蒸氣蒸餾法對其進(jìn)行提取，并將花椒揮發(fā)油得率作為指標(biāo)，結(jié)合氣相色譜圖分析技術(shù)，對花椒揮發(fā)油成分進(jìn)行分析.

1.2 待分析原料預(yù)處理

利用BT 56-5820型號電子天平稱量需要進(jìn)行組成分析的花椒25 g，將其盛放在量杯中，注入150 mL蒸餾水，浸泡12 h.為防止在蒸餾過程中原材料當(dāng)中的易揮發(fā)成分損失，將蒸出液直接用盛有45 mL三氯甲烷燒瓶接收，當(dāng)蒸餾液含量超過150 mL時，停止蒸餾，并通過振蕩搖勻后存儲在回收瓶當(dāng)中[4].再將蒸餾液轉(zhuǎn)入分液漏斗中靜置15～25 min，待分離出氯仿層時，完成原材料的預(yù)處理.同時水相在進(jìn)行萃取的過程中，每次需要使用15～25 mL的氯仿溶液，直到萃取后溶液當(dāng)中沒有揮發(fā)油時，停止萃取.判斷溶液當(dāng)中是否含有揮發(fā)油可通過氣相色譜檢測設(shè)備判斷[5].根據(jù)花椒揮發(fā)油中單因素試驗結(jié)果，對正交試驗因素和水平進(jìn)行設(shè)置，得到如表2所示的正交試驗因素及水平對應(yīng)表.

表2 正交試驗因素及水平對應(yīng)表

根據(jù)表2中的對應(yīng)關(guān)系，在具體實(shí)施預(yù)處理操作時，按照不同的條件對正交試驗因素及水平進(jìn)行設(shè)定.將所有氯仿萃取液進(jìn)行合并，并充分搖勻，將完成預(yù)處理后的待分析樣品直接送入到QP2556-PLUS型號氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用設(shè)備中，完成對其氣相色譜分析.

1.3 基于氣相色譜圖的分析條件設(shè)置

結(jié)合氣相色譜圖分析技術(shù)，對設(shè)計的分析方法各項條件進(jìn)行設(shè)置.針對QP2556-PLUS型號氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用設(shè)備，設(shè)置其色譜柱為：HP-2(25 m×0.28 mmi.d.×0.125 μm)；設(shè)置待分析樣品進(jìn)口溫度為265 ℃；分析過程中檢測裝置的溫度為265 ℃；設(shè)置色譜柱升溫條件為：待分析樣品保持45 ℃溫度持續(xù)2.5 min，后以每分鐘升高6.5 ℃加熱方式，上升到225 ℃，并維持10 min；設(shè)置待分析樣品進(jìn)樣量為1.25 μL，分流比例為18∶1；設(shè)置載氣成分為高純氮?dú)?在分析過程中，采用恒流方式，控制其流速在2.25 mL/min.上述所有操作均在HP色譜工作站當(dāng)中完成.

為保證分析結(jié)果的精度，除需要完成上述氣相色譜分析以外，還需要采用氣相色譜聯(lián)合質(zhì)譜的方式進(jìn)行二次分析.針對其設(shè)備，對其分析條件進(jìn)行設(shè)置[6].設(shè)置其色譜柱為HP -6(35 m×0.19 mmi.d.×0.125 μm)；設(shè)置待分析樣品進(jìn)口溫度為320 ℃；分析過程中檢測裝置的溫度為290 ℃；設(shè)置色譜柱升溫條件為：待分析樣品保持55 ℃溫度持續(xù)3 min，后以每分鐘升高2.5 ℃加熱方式，上升到125 ℃，并維持10 min，再以每分鐘升高6.5 ℃加熱方式，上升到225 ℃，并維持5 min；設(shè)置載氣成分為高純氦氣[7].在分析過程中，同樣采用恒流方式完成，控制其流速在0.75 mL/min.再對氣質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)置，將分辨率設(shè)置為750；離子源恒定溫度為225 ℃；電離方式選用EI，保證電子能量在65～75 eV范圍以內(nèi)；控制分子分離器當(dāng)中的溫度始終在115 ℃左右；設(shè)置溶劑的延遲時間為2.5 min；設(shè)置對待分析樣品的掃描范圍為25～225 u[8].

根據(jù)分析要求，還應(yīng)當(dāng)對花椒揮發(fā)油的提取率進(jìn)行計算，按照如下公式進(jìn)行：

(1)

公式(1)中，δ表示為花椒揮發(fā)油的提取率；a0表示為花椒研制成的粉末總質(zhì)量；a1表示為經(jīng)過預(yù)處理后得到的待分析樣品質(zhì)量；a2表示為預(yù)處理前待分析樣品的質(zhì)量.根據(jù)上述公式(1)完成對花椒揮發(fā)油提取率的計算，為后續(xù)組成分析提供依據(jù).

1.4 花椒揮發(fā)油組成成分含量預(yù)測

假設(shè)通過上述操作得到最終提取到的待分析樣品為x個，并且在每個樣品當(dāng)中均包含光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)為y個，則若直接將光譜矩陣Tx×y作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，則會造成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、訓(xùn)練難度增加的問題[9].基于此，本文采用將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PCA相結(jié)合的方式，將原始?xì)庀嗌V儀得到的色譜矩陣進(jìn)行主成分分解，并根據(jù)其各個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到90%以上時，確定最終的主成分分析數(shù)據(jù)庫[10].將其通過分解處理，最終得到相對較小的矩陣，將其作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入.由于本文分析方法是針對花椒揮發(fā)油各成分組成進(jìn)行，因此設(shè)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層為一個固定的節(jié)點(diǎn).

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層當(dāng)中，采用正切函數(shù)作為分析過程中的傳遞函數(shù)[11].由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中最后的一層的神經(jīng)元決定著整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輸出特性.當(dāng)?shù)竭_(dá)最后一層神經(jīng)元時，通過采用正切函數(shù)的方式，使整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輸出層被限制在更小的范圍當(dāng)中，以此確保在分析過程中得出的分析結(jié)果精度更高[12].針對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層當(dāng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置可按照如下公式進(jìn)行估算：

(2)

公式(2)中，t表示為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)個數(shù)；n表示為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的輸出神經(jīng)元數(shù)；m表示為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的輸入神經(jīng)元數(shù)；q表示為任意常數(shù)，其取值在0～10當(dāng)中選擇.為方便對花椒揮發(fā)油的組成分析，需要對花椒揮發(fā)油組成進(jìn)行量化，按照圖1所示量化過程完成.

在進(jìn)行量化的過程中，使用共軛梯度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行計算，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別設(shè)置為1～10進(jìn)行定量[13].在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，設(shè)置其標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.02，訓(xùn)練步數(shù)為1500.表3為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)由1開始逐漸增加，得出的數(shù)據(jù)結(jié)果.

圖1 花椒揮發(fā)油組成量化分析過程示意圖

表3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)增加對應(yīng)數(shù)值變化

2 對比實(shí)驗

為驗證本文提出的基于氣相色譜圖的花椒揮發(fā)油成分分析方法實(shí)際應(yīng)用效果，選擇金陽青花椒和昭通青花椒作為實(shí)驗對象，分別利用本文提出的組成分析方法和傳統(tǒng)分析方法對這兩種類型青花椒的各個組成成分進(jìn)行分析.為確保實(shí)驗結(jié)果具有一定的可比性，在選擇實(shí)驗試劑時，兩種分析方法均采用上述論述中提到的各類試劑和設(shè)備.分別按照兩種分析方法的實(shí)際操作，完成對兩種青花椒揮發(fā)油組成成分的分析.對比兩種分析方法的實(shí)驗結(jié)果，選擇各個成分含量預(yù)測結(jié)果的精度作為評價指標(biāo).為方便比較，將實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行記錄，并繪制成如表4所示的實(shí)驗結(jié)果對比表.

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)可以看出，在對金陽青花椒揮發(fā)油和昭通青花椒揮發(fā)油分別進(jìn)行組成分析時，本文分析結(jié)果明顯比傳統(tǒng)分析方法更接近于實(shí)際含量.實(shí)際含量為大量文獻(xiàn)及研究記錄記載所得，因此具有一定的權(quán)威性.通過實(shí)驗證明，本文提出的基于氣相色譜圖的花椒揮發(fā)油成分分析方法分析精度更高，可針對不同類型的花椒揮發(fā)油的組成成分進(jìn)行高精度預(yù)測，可為后續(xù)一系列研究提供更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)支撐.

表4 兩種分析方法實(shí)驗結(jié)果對比表

3 結(jié)束語

用氣相色譜圖分析花椒揮發(fā)油的組成，針對傳統(tǒng)分析方法存在的問題進(jìn)行優(yōu)化，從而提出一種全新的分析方法，并通過實(shí)驗證明了該方法的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢.在后續(xù)的研究中，還將針對分析方法的分析效率問題進(jìn)行更加深入的研究，從而為花椒揮發(fā)油的開發(fā)和利用提供重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ).