《武汉工程大学学报》 2013年12期
40-43,58
出版日期：2013-12-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
不同方法提取樟树落叶挥发油的比较
0引言 樟树［Cinnamomum camphora(L.)Presl］系樟科樟属常绿乔木植物，在我国资源丰富，主要分布在长江以南及西南各省区；全株各部分均可供药用，具有祛风散寒，消肿止痛，强心镇痉，杀虫等作用［1］.樟树的根、茎、叶、枝和果均富含挥发油，挥发油的化学成分是重要的化工原料，被广泛应用于医药、轻工、食品和香料等行业. 溶液萃取法［2］、水蒸气蒸馏［3］、同时蒸馏萃取法［4］是目前最常用的提取精油的方法，而传统方法从植物中提取精油面临的主要问题是最终产品的品质不高和质量不稳定.较低的提取效率、热不稳定性成分的损失、不饱和成分的热分解和水解反应以及溶剂的残留都是这些传统方法难以避免的.另外，传统方法都消耗大量的能源并耗时巨大.所以，一些新技术引入植物精油提取行业. 微波具有良好的选择加热性和穿透性，已广泛应用于精油的分离和分析.微波辅助提取是指使用适合的溶剂在微波反应器中从天然药用植物［5］、矿物［6］、动物组织［7］中提取各种化学成分.与传统的方式相比，保持热效应的同时引入微波能，利用微波的穿通性加快提取速率.而微波无溶剂提取法这种新技术，则是在大气条件下利用微波干馏新鲜的原料（如果材料干燥则需要浸泡一段时间），加热植物原料本身所含的水分从而达到提取的目的.微波无溶剂提取已经应用于多种香料［8］、中草药［9］. 本研究以樟树落叶为原料，分别采用传统水蒸气蒸馏（HD）、微波辅助\|水蒸气蒸馏法(MAHD)、无溶剂微波提取法(SFME)提取挥发油，通过气相色谱\|质谱法(GC\|MS)分析测定其化学成分，考察了不同方法提取的挥发油的品质和提取率，分析了主要成分变化及其可能的原因，为微波技术进一步应用于植物挥发油的提取奠定了一定的基础.1实验部分1.1仪器与试剂 NJL07\|3型实验专用微波炉（南京杰金微波设备有限公司），Finnigan Trace GC\|MS气相色谱\|质谱联用仪(美国热电菲尼根质谱公司).挥发油提取器（天津玻璃仪器厂，符合2010年版中华人民共和国药典有关标准）.樟树落叶于2010年10月采自武汉工程大学校园内（含水质量分数约60%），产地为湖北武汉，经中南民族大学万定荣教授鉴定，樟树叶为樟科樟属常绿大乔木樟树Cinnamomum camphora (L.) Presl的落叶.无水Na2SO4（分析纯，天津博迪化工有限公司生产）.蒸馏水为武汉工程大学化工与制药学院自制.1.2挥发油的提取1.2.1水蒸汽蒸馏(Hydro\|distillation，HD)准确称取樟树落叶样品20.00 g，剪碎至1 cm2后置于500 mL圆底烧瓶中，再加入300 mL蒸馏水，按常规水蒸汽蒸馏法提取至冷凝器中挥发油含量不再增加.收集上层油相，加入Na2SO4干燥后，4 ℃储藏备用.1.2.2微波辅助水蒸汽蒸馏(Microwave assisted hydro\|distillation，MAHD)准确称取樟树落叶样品20.00 g，剪碎至1 cm2后置于500 mL圆底烧瓶中，再加入300 mL蒸馏水.在微波功率为500 W的情况下，连续进行微波辅助蒸馏，直到冷凝器中挥发油含量不再增加为止.收集上层油相，加入Na2SO4干燥后，4 ℃储藏备用.1.2.3微波无溶剂提取(Solvent\|free microwave extraction，SFME) )准确称取樟树落叶样品20.00 g，剪碎至1 cm2后置于500 mL圆底烧瓶中，再加入300 mL蒸馏水.在微波功率为300 W的情况下，连续进行微波无溶剂蒸馏，直到冷凝器中挥发油含量不再增加为止.收集上层油相，加入Na2SO4干燥后，4 ℃储藏备用.1.3气相色谱\|质谱条件1.3.1气相色谱条件Finnigan Trace GC\|MS气相色谱\|质谱联用仪，色谱柱为：DB\|1色谱柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；柱温60~280 ℃，程序升温3 ℃/min，恒温3 min；进样量为0.06 μL，分流比25∶1，进样口温度220 ℃，接口温度为220 ℃，载气为高纯氦气（99.999%），流量：0．9 mL／min，压力0.4 MPa.1.3.2质谱条件：EI离子源；电子能量70 eV；分子量扫描范围35～550 amu.用二氯甲烷分别稀释HD，MAHD，SFME三种方法所得的樟树落叶挥发油，按照上述实验参数进行GC\|MS分析.2结果与讨论2.1三种提取方法对挥发油提取率的比较 按上述实验条件对樟树叶挥发油进行提取和分析测定，樟树叶挥发油的提取率及性状见表1.由表1可知，三者的提取率接近，无明显差异，但由于微波技术的应用，时间消耗明显降低，挥发油品质也有所提高.时间从HD 6 h缩短为MAHD 40 min，而SFME更短只需20 min，仅为HD法的1/18.提取时间的明显缩短能大幅度降低能耗，同时挥发油的品质也有所改善，由淡黄色变成无色透明状.表1不同提取方法对挥发油品质及提取率的影响Table 1Effects on quality and extraction yield of volatile oil of different methods 蒸馏方法提取时间 挥发油香味及外观 挥发油提取率/% HD 6 h 淡黄浓郁有特殊香味液体 0.98 MAHD 40 min 无色有浓郁特殊香味透明液体 1.12 SFME 20 min 无色有刺激香味透明液体 1.04第12期黎莉，等：不同方法提取樟树落叶挥发油的比较武汉工程大学学报第35卷2.2挥发油成分测定 经GC\|MS分析鉴定，通过谱库NIST04检索及文献查阅，确认了29种化学成分，用峰面积归一化法确定各化学成分的相对含量(表2).2.3挥发油成分分析和比较 由表2可知，HD，MAHD,SFME三种不同的方法的樟树叶挥发油的主要成分基本相同，其中以单萜类含氧化合物为主，分别为79.94%(HD),84.23%(MAFD),71.99%(SFME).HD法所得的挥发油共鉴定出21种化合物，主要为香樟醇25.58%，桉树叶醇21.26%，樟脑16.79%，α\|松油醇11.19%.MAHD法所得挥发油共鉴定出19种化合物，主要为桉树叶醇28.72%，香樟醇26.29%，樟脑15.64%，α\|松油醇10.16%.SFME法所得挥发油共鉴定出25种化合物，主要为桉树叶醇17.74%，香樟醇17.74%，樟脑17.74%，α\|松油醇12.46%. 从实验结果可知，在单萜类含氧化合物方面HD法与MAHD法得到的成分接近，桉树叶醇和香樟醇得率MAHD法略大于HD法，而在樟脑和莰醇方面HD法优于MAHD法.另外SFME法所得挥发油与另外两种方法所得挥发油成分有较大差异，除樟脑得率相近外，其余成分得率均低于其他两种方法所得挥发油.在单萜类化合物方面，SFME法（14.24%）明显优于HD法（4.97%）与MAHD法（5.91%），不仅质量分数上SFME法有优势，而且种类上SFME法也有明显的优势，SFME法有9种单萜类化合物，而其他两种方法只有5种.在倍半萜类化合物方面，SFME法也同样优势明显，种类和质量分数均多于其他两种方法.值得注意的是质量上MAHD法（1.39%）所得比HD法（0.75%）所到接近大了一倍.在倍半萜类含氧化合物方面，HD法得率最高（14.53%），SFME法次之（11.12%），MAHD法最低（8.49%）.表2不同方法对挥发油化学成分的影响Table 2Effects on chemical constituents of volatile oil of different methods 编号保留时间/min化合物分子式相对分子质量 HD法/%MAHD法/%SFME法/%16.0223\|崖柏烯3\|ThujeneC10H16136 0.6326.216α\|蒎烯Alpha\|pineneC10H161360.540.722.5136.673莰烯campheneC10H16136 1.1847.499侧柏烯pineneC10H161362.913.463.8157.519β\|蒎烯β\|pineneC10H161360.680.7567.976月桂烯MyrceneC10H161360.480.481.4978.8312\|蒈烯3\|careneC10H16136 1.3389.356萜品烯terpineneC10H161360.360.50.65910.1923\|蒈烯3\|careneC10H16136 1.831010.26萜品油烯terpinoleneC10H16136 0.811110.494顺式\|β\|萜品醇TerpineolC10H18O1540.65 0.651211.194桉树叶醇EudesmolC10H18O15421.2628.7217.741311.592香樟醇Camphor alcoholC10H18O15425.5826.2917.741411.7583,7\|二甲基－1,5,7\|辛三烯\|3\|醇3,7\|Dimethyl\|1,5,7\|octatrien\|3\|olC10H18O154 0.32 1513.099樟脑camphor C10H16O15216.7915.6417.741613.731(+)\|莰醇d\|borneolC10H18O1541.411.08 1714.071（\|）\|4\|萜品醇（\|）\|4\|terpineolC10H18O1542.862.025.661814.557α\|松油醇Alpha\|TerpineolC10H18O15411.1910.1612.461920.702甲基丁香酚Methyl eugenolC11H14O21781.010.540.792021.1981\|石竹烯1\|catyophylleneC15H242040.410.971.212122.111α\|石竹烯α\|Caryophyllene C15H242040.340.420.782222.85大根香叶烯GermacreneC15H24204 0.352322.996b\|桉叶烯selineneC15H24204 0.312423.2异丁香酚甲醚MMethyl isoeugenolC11H14O21783.0323.162524.561榄香醇elemolC15H26O2220.5 2624.882反式\|橙花叔醇NerolidolC15H26O2224.72.733.672725.329匙桉醇spastulenolC15H26O2221.190.670.92827.186匙叶桉油烯醇SpathulenolC15H26O2220.35 0.342928.917蛇床\|6\|烯\|4\|醇selina\|6\|en\|4\|olC15H26O2223.752.552.26因此实际应用时可以根据不同要求采用不同工艺.MAHD法更适合于提取富含单萜类含氧化合物的挥发油.SFME法对单萜类物质提取具有独特的效果，与其他两种方法相比，提取率最高，萜类种类也最多，SFME法有13种，MAHD法和HD法各有7种.对于倍半萜类氧化物而言，HD法有一定优势.当MAHD法和HD法提取的挥发油成分和得率比较接近时，考虑到MAHD法大幅减少了反应时间，大大降低了能耗，MAHD法无疑明显优于HD法. 三种方法得到的主要成分相似，但是在其他成分上却差异明显.原因可能有两点：一个原因是由于HD的提取时间最长（6 h），能更好的提取高沸点的化合物；二是微波对提取过程的影响.HD法中挥发油是在热效应的影响下在原料中从内向外扩散，再扩散进水中，再由水蒸气携带出来，因此挥发油中就偏向于极性大的成分，即高沸点的化合物.而MAHD法不仅利用了热效应，同时利用微波的穿通性使挥发油从物料内向外扩散的速率大大加快，因而MAHD法提取效率明显高于HD法，大大减少了时间，同时可以得到更多极性稍小的成分.SFME则是直接加热物料内部的水分，直接使细胞产生裂纹或者孔洞，挥发油直接随水分子气化，一起进入冷凝器，因此效率更高，耗时更短，同时极性小的成分远远多于另外两种.3结语 微波技术应用于樟树挥发油提取工艺使提取时间大幅缩短，大大提高了提取效率，并降低了能源.并且提取率相对于传统技术略微上升，挥发油品质有所提高.通过GC\|MS分析，笔者发现水蒸气蒸馏法，微波辅助\|水蒸气蒸馏法，微波无溶剂提取法三者所得挥发油的主要成分相近，但是其他成分差距明显.水蒸气蒸馏法更适合于提取沸点高，极性大的物质，微波辅助\|水蒸气蒸馏法适合于单萜类氧化物，微波无溶剂提取法更适合于提取不含氧萜类物质.致谢 感谢武汉工程大学化工与制药学院提供的实验平台.