藥食同源植物揮發(fā)油的研究進(jìn)展

張鵬云,李 蓉,龍春霞,楊璐齊,盧俊文,張 峰

(1.中山出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心,廣東中山 528400;2.廣東藥科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,廣東中山 528458;3.中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院食品安全研究所,北京 100176)

人類的日常飲食物包括自然界中的植物、動(dòng)物及部分礦物質(zhì),而天然中藥材同樣來(lái)源于植物、動(dòng)物和礦物,因此中藥和食物有相同的起源[1]。根據(jù)用途將這些天然物質(zhì)分為治病的藥物和飲食用的飲食物,而其中大部分物質(zhì)既可以治病又能當(dāng)作日常飲食物,就稱為藥食兩用[1]。隨著人們對(duì)保健和養(yǎng)生的關(guān)注,傳統(tǒng)的“藥食兩用”倍受重視,衛(wèi)生部門先后頒布了“既是食品又是藥品的物品名單”對(duì)此類物質(zhì)進(jìn)行規(guī)范[2]。目前,國(guó)內(nèi)多家食品藥品企業(yè)積極投入藥食同源產(chǎn)業(yè),研發(fā)了如猴菇餅干、山藥酸奶等熱門藥食同源產(chǎn)品[3]。但是藥食同源產(chǎn)品的銷售額依舊很少,主要是由于藥食同源食品的基礎(chǔ)研究不足,后期研發(fā)過(guò)程投入較少,技術(shù)含量不高,企業(yè)發(fā)展緩慢,競(jìng)爭(zhēng)力不足,嚴(yán)重影響了藥食同源行業(yè)的發(fā)展[4]。目前,藥食同源產(chǎn)品主要存在摻假、成分不純、功效組分不明確等質(zhì)量和安全問(wèn)題,建立可重復(fù)識(shí)別和檢測(cè)藥食同源產(chǎn)品化學(xué)成分的分析方法是目前急需解決的問(wèn)題。揮發(fā)油是藥食同源植物重要的活性成分之一[5-6],開發(fā)其鑒別方法是藥食同源產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要組成部分。

揮發(fā)油也稱芳香油或精油,是植物體內(nèi)的次生代謝物,具有揮發(fā)性且不溶于水,可以通過(guò)與水一起加熱蒸餾得到[7-8]。揮發(fā)油含有多種類型化合物,主要成分有萜類、脂肪族、芳香族化合物及其含氧衍生物等[9]。其具有芳香氣味主要是因?yàn)楹写罅枯祁惖暮跹苌锖头枷阕寤衔颷10]。同種植物揮發(fā)油的成分及含量隨著產(chǎn)地、加工方式、提取方法或提取部位的不同而存在一定差異[11]。臨床及現(xiàn)代藥理實(shí)驗(yàn)表明,揮發(fā)油在抗腫瘤、解熱鎮(zhèn)痛、抗病毒、抗炎及促進(jìn)藥物吸收等多方面都具有藥理活性[12]。此外,還常用作矯味劑和促透劑[13]。

研究揮發(fā)油的提取分離技術(shù)對(duì)藥食同源植物的開發(fā)利用具有深遠(yuǎn)意義。在揮發(fā)油的提取過(guò)程中,最重要的是保障組分活性不被破壞,保證質(zhì)量的前提下提高萃取率。近年來(lái),常用的揮發(fā)油提取方法有水蒸汽蒸餾法、溶劑萃取法、壓榨法、頂空-固相微萃取法、超臨界CO2萃取法等,常見的揮發(fā)油組分鑒定方法有薄層色譜法、氣相色譜法等,現(xiàn)總結(jié)了各方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn),在具體應(yīng)用中選擇合適的方法進(jìn)行分析。

1 揮發(fā)油的傳統(tǒng)提取方法

1.1 水蒸汽蒸餾法

水蒸汽蒸餾法是《中國(guó)藥典》記錄的揮發(fā)油最經(jīng)典的提取方法,是指將含有揮發(fā)油的原料粉碎后,用水浸泡濕潤(rùn),再通入水蒸汽蒸餾或用直火加熱蒸餾,揮發(fā)油就會(huì)隨著水蒸汽一起蒸出,再經(jīng)冷凝和分離得到揮發(fā)油[4]。司輝等[10]研究了物料比和提取時(shí)間對(duì)揮發(fā)油得率的影響,用水蒸汽蒸餾法提取出澄清、透明的萬(wàn)壽菊揮發(fā)油,在最佳工藝條件下?lián)]發(fā)油得率為0.54%。周國(guó)梁等[15]采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)來(lái)確定水蒸汽蒸餾法提取滁菊揮發(fā)油的最佳條件,結(jié)果發(fā)現(xiàn)粉碎度對(duì)滁菊揮發(fā)油得率影響顯著,在最佳工藝條件下滁菊揮發(fā)油提取率可達(dá)0.96%,且實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有重現(xiàn)性。水蒸汽蒸餾法使用的裝置簡(jiǎn)單,易操作,避免了有機(jī)溶劑萃取造成的污染,但是溫度高、耗時(shí)長(zhǎng)、易出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象,揮發(fā)油得率低[16]。

1.2 溶劑萃取法

溶劑萃取法是將原料與石油醚等低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑一起在連續(xù)提取器中加熱提取,提取液在低溫下蒸除溶劑即得揮發(fā)油粗品[17]。邱松山等[18]以肉桂皮為材料,石油醚為溶劑,對(duì)加速溶劑法萃取肉桂皮精油進(jìn)行工藝優(yōu)化,對(duì)影響精油提取率的主要因素進(jìn)行研究并建立數(shù)學(xué)模型,為肉桂皮進(jìn)一步的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。該法需要消耗大量有機(jī)溶劑,且提取的揮發(fā)油雜質(zhì)多,需要進(jìn)行純化,此過(guò)程可能會(huì)造成揮發(fā)油的損失和某些組分的變化[19-20]

1.3 壓榨法

壓榨法是將新鮮原材料撕裂粉碎后進(jìn)行壓榨,使揮發(fā)油從細(xì)胞組織中被擠壓出來(lái),然后經(jīng)離心機(jī)離心后靜置分層即得揮發(fā)油粗品[21]。此方法是最傳統(tǒng)的提取方法,使揮發(fā)油充分保持了植物原有香氣,但是揮發(fā)油不能充分提取,而且只適合揮發(fā)油較多的新鮮原料,如生姜、橘皮等。文紅梅等[22]利用高效液相色譜和氣相色譜對(duì)水蒸汽蒸餾法和壓榨法提取的同一批次生姜精油進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方法提取的生姜揮發(fā)油組分差異不大且含量相當(dāng)。壓榨法成本低、效率高,適合工業(yè)上的連續(xù)生產(chǎn)。

2 揮發(fā)油的現(xiàn)代提取方法

2.1 微波輔助萃取法

微波輔助萃取法是利用微波的強(qiáng)穿透力和熱效應(yīng),使樣品內(nèi)外同時(shí)被加熱,促使細(xì)胞組織破裂,萃取組分自由流出到萃取劑中溶解[23]。房信剩等[24]采用微波輔助提取和水蒸汽蒸餾法提取花椒揮發(fā)油,并將兩種方法進(jìn)行比較。與水蒸汽蒸餾法相比,該方法所需時(shí)間短、揮發(fā)油得率高。微波輔助萃取法應(yīng)用范圍廣泛,提取時(shí)間短,能耗低,節(jié)省溶劑,保證提取揮發(fā)油組分更純正,值得應(yīng)用和推廣。

2.2 超聲波輔助萃取法

超聲波輔助萃取法利用超聲波的空化效應(yīng)、沖擊力和振動(dòng)等特性增強(qiáng)物質(zhì)分子在溶劑中的運(yùn)動(dòng)頻率,提高溶劑中活性成分的溶解能力,縮短萃取時(shí)間,增加浸提率[25],而且避免高溫條件下有效成分的揮發(fā)。張迪等[26]以超聲溫度、超聲功率和超聲時(shí)間為單因素條件,通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)探討三個(gè)因素對(duì)杭白菊揮發(fā)油提取率的影響并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。研究結(jié)果顯示,超聲時(shí)間是影響杭白菊揮發(fā)油得率的主要因素。超聲波輔助萃取法作為一種新型提取技術(shù)具有提取效率高、省時(shí)、節(jié)約溶劑、低溫操作保護(hù)有效成分等優(yōu)點(diǎn),近幾年超聲提取技術(shù)在揮發(fā)油提取方面成效顯著[27-28]。

2.3 超臨界流體萃取法

超臨界流體同時(shí)具備氣體和液體的特質(zhì),其粘度和滲透性與氣體相近,而密度和溶解能力與液體相當(dāng)[29]。在超臨界條件下,樣品中的有效成分溶于超臨界流體中,通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和壓力,使超臨界流體的密度降低,溶解度減小,溶質(zhì)析出。如果存在多種有效成分,則采取逐級(jí)降低壓力,使溶質(zhì)逐步析出,整個(gè)過(guò)程兼有蒸餾和萃取兩種作用[30]。CO2的臨界溫度低,臨界壓力為7.38 MPa,而且安全、無(wú)味、不燃燒,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,所以在實(shí)際中CO2是一種較理想的超臨界流體[30]。劉偉等[31]利用超臨界CO2技術(shù)萃取雪菊揮發(fā)油,并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)提取條件。超臨界流體萃取技術(shù)是最干凈的提取技術(shù),效率高、操作溫度低,耗能少,節(jié)約成本,全過(guò)程不用有機(jī)溶劑,防止有機(jī)溶劑對(duì)人體的傷害和對(duì)環(huán)境的污染[32]。

2.4 亞臨界水萃取法

亞臨界水是指將水加熱到100 ℃和臨界溫度374 ℃之間,通過(guò)控制壓力使水仍為液態(tài),也有稱它為超熱水和高溫水[33]。常溫常壓下水是強(qiáng)極性,但在亞臨界條件下,隨著溫度上升,水的極性逐漸降低成為非極性[34]。通過(guò)控制溫度和壓力,改變亞臨界水的極性和黏度,從而實(shí)現(xiàn)水溶性物質(zhì)到脂溶性物質(zhì)的選擇性連續(xù)萃取[35]。郭娟等[36]對(duì)亞臨界水萃取肉桂精油進(jìn)行了研究,在適當(dāng)條件下,肉桂精油萃取率可達(dá)1.83%。與傳統(tǒng)水蒸汽蒸餾法相比,亞臨界水萃取法的肉桂精油得率提高了15.8%,萃取時(shí)間縮短了6倍。亞臨界水萃取法以純水作萃取劑,具有操作簡(jiǎn)便、高效、油質(zhì)干凈、對(duì)環(huán)境危害小等特點(diǎn),但在高溫高壓條件下熱敏性物質(zhì)易分解、變性,所以需要進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)明確其溫度范圍[37]。

2.5 固相微萃取法

固相微萃取法(Solid-phase microextraction,SPME)是利用由石英光導(dǎo)纖維和其表面高分子固定相涂層構(gòu)成的萃取頭,對(duì)樣品中待測(cè)物用直接或頂空方式進(jìn)行提取和收集,然后使用色譜分析儀器對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行脫附和解析[38]。固相微萃取法是集取樣、萃取、濃縮、進(jìn)樣于一體,具有快速、高效、安全等特點(diǎn),成為目前應(yīng)用最普遍的樣品預(yù)處理方法之一[39]。孫豐義等[40]采用固相微萃取(SPME)和溶劑輔助風(fēng)味蒸發(fā)(SAFE)兩種萃取方法對(duì)炸花椒油的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明,兩種方法的萃取成分存在差異。SPME法測(cè)定結(jié)果有濃郁的辛香味,該法萃取成分中的醚類化合物為其提供了甘草和辛香風(fēng)味。

表1 揮發(fā)油提取方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of extraction methods of volatile oil

2.6 酶解提取法

酶解提取法是在植物中加入適宜的酶,降解植物的細(xì)胞壁,除去細(xì)胞間質(zhì)中的纖維素、果膠等物質(zhì),破壞細(xì)胞構(gòu)造,增加細(xì)胞組織中油的流動(dòng)性,有利于油脂釋放[41]。酶解法不需要特殊設(shè)備和溶劑,操作安全、提取效率高、成本低,但是它的實(shí)驗(yàn)條件要求很嚴(yán)格,需要確定酶的種類和用量、最適溫度、pH、最佳處理時(shí)間等條件[42]。裴小娜等[43]采用酶法輔助提取生姜揮發(fā)油,研究了酶種類、酶用量、pH、溫度對(duì)生姜揮發(fā)油提取率的影響。在最佳提取條件下生姜揮發(fā)油提取率高達(dá)3.86%。

3 揮發(fā)油成分的鑒定方法

研究與分析揮發(fā)油成分是為了明確其功效控制其質(zhì)量,同時(shí)可鑒別藥食同源植物的真?zhèn)?。常用的揮發(fā)油分析方法有薄層色譜法(Thin layer chromatography,TLC)、氣相色譜法(Gas chromatography,GC)、氣相色譜-質(zhì)譜法(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)、紅外光譜法(Infrared spectrum,IR)等。藥食同源植物揮發(fā)油不同分析方法的特點(diǎn)和不足見表2。

表2 藥食同源植物揮發(fā)油分析方法的特點(diǎn)和不足Table 2 Characteristics and shortcomings of the analysis methods of volatile oil from medicine and food dual purposes plants

3.1 薄層色譜法

薄層色譜法(Thin layer chromatography,TLC)是利用同一吸附劑對(duì)不同成分吸附能力不同,使移動(dòng)相溶劑流過(guò)固定相吸附劑時(shí),實(shí)現(xiàn)吸附、解吸、再吸附、再解吸的過(guò)程,從而使各成分相互分離[44]。薄層色譜法能夠同時(shí)分離多個(gè)樣品、操作簡(jiǎn)單、成本低、分析速度快,在藥物、生化、食品和環(huán)境檢測(cè)等方面應(yīng)用廣泛,在定性定量分析中發(fā)揮著重要作用[45]。龍?zhí)m艷等[46]采用薄層色譜法建立了益智仁揮發(fā)油的指紋圖譜,該方法簡(jiǎn)單、直觀、專屬性強(qiáng)和重復(fù)性高,為益智仁的鑒別和質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供了科學(xué)支持。

3.2 氣相色譜法

氣相色譜法(Gas chromatography,GC)是色譜分析方法中的一種,它的流動(dòng)相是氣體。當(dāng)樣品汽化后隨著流動(dòng)相進(jìn)入色譜柱,由于色譜柱的固相涂層對(duì)不同組分的溶解或吸附能力不同,其在色譜柱中的運(yùn)行速度也不同,使各組分依次離開色譜柱,然后經(jīng)檢測(cè)器檢測(cè),以色譜峰的形式在記錄儀上顯示[47]。氣相色譜法的樣品用量少,而且具有快速、高效、選擇性高等優(yōu)點(diǎn),在中藥的質(zhì)量鑒定和控制方面應(yīng)用廣泛[48]。宋青坡等[49]用氣相色譜法對(duì)不同產(chǎn)地野菊花揮發(fā)油進(jìn)行了檢測(cè)分析,建立了野菊花揮發(fā)油成分氣相色譜指紋圖譜,并指出異龍腦、樟腦、側(cè)柏酮等成分的峰位,為鑒定野菊花藥材真?zhèn)翁峁┝丝茖W(xué)基礎(chǔ)。古麗江·馬合蘇提汗等[50]建立了氣相色譜法測(cè)定雪菊中檸檬烯含量的方法,通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方法可靠、精確、重現(xiàn)性良好,為制定雪菊質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供了技術(shù)支持。

3.3 氣相色譜-質(zhì)譜法

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)結(jié)合了氣相色譜法的高分離能力和質(zhì)譜法的高鑒別能力,大大提高了樣品分離鑒定的速度。樣品經(jīng)前處理后進(jìn)入氣相色譜,得到分離度較高的總離子流圖,然后結(jié)合質(zhì)譜圖以及保留值對(duì)化合物的組分進(jìn)行定性鑒定和分子結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確判定,通過(guò)內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法和面積歸一化法等對(duì)某組分進(jìn)行定量分析。

目前,氣-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)是對(duì)300 ℃以下能汽化樣品進(jìn)行定性定量分析最常用且有效的手段[11]。蒲鳳琳等[51]運(yùn)用GC-MS對(duì)四川漢源青、紅花椒揮發(fā)油成分進(jìn)行分析鑒定,對(duì)這兩種花椒香氣存在差異的原因進(jìn)行了深入的分析,為花椒的生產(chǎn)應(yīng)用和質(zhì)量控制提供了更好的理論基礎(chǔ)。盧金清等[52]用氣相色譜-質(zhì)譜法結(jié)合NIST譜庫(kù)對(duì)沙棘揮發(fā)油化學(xué)成分進(jìn)行定性和定量分析,為沙棘的研究開發(fā)提供了科學(xué)支持。

3.4 全二維氣相色譜法

全二維氣相色譜(GC×GC)是在兩根性質(zhì)不同的色譜柱之間串聯(lián)一個(gè)調(diào)節(jié)器,樣品先通過(guò)第一根色譜柱進(jìn)行組分分離,然后所有組分進(jìn)入調(diào)節(jié)器進(jìn)行濃縮或聚焦,再進(jìn)入第二根色譜柱繼續(xù)分離,最后進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)[53]。全二維氣相色譜的靈敏度和分辨率相對(duì)于一維氣相色譜都顯著提高,而且它的分析時(shí)間短,能夠?qū)崿F(xiàn)族分離,大大提高了復(fù)雜體系的分析質(zhì)量[54]。吳晶晶等[55]將全二維氣相色譜和飛行時(shí)間質(zhì)譜結(jié)合來(lái)分析廣西八角茴香的揮發(fā)油成分。結(jié)果發(fā)現(xiàn),全二維氣相色譜能夠分離出在一維氣相色譜中無(wú)法分離的組分。研究為深入了解八角茴香揮發(fā)油成分和功能食品的開發(fā)提供依據(jù)。韓婷等[56]利用飛行時(shí)間質(zhì)譜譜圖和全二維色譜特有的結(jié)構(gòu)信息,對(duì)滁菊揮發(fā)油進(jìn)行定性分析,建立了全二維氣相色譜飛行時(shí)間質(zhì)譜檢測(cè)滁菊揮發(fā)性成分的方法,為滁菊保健食品的開發(fā)提供理論支持。

3.5 氣相色譜-紅外光譜法

紅外光譜法(Infrared spectrum,IR)是分子吸收光譜的一種,當(dāng)用紅外光照射有機(jī)物時(shí),分子吸收紅外光會(huì)發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷,不同的化學(xué)鍵和官能團(tuán)吸收頻率不同,得到的紅外吸收光譜也不同,因此可以知道未知物的化學(xué)鍵和官能團(tuán)信息,是分析有機(jī)物結(jié)構(gòu)的良好方法,但是紅外光譜不能用于混合物的定性分析[57]?？梢岳脷庀嗌V先分離混合物,再用紅外光譜進(jìn)行定性分析,將兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[58]。向麗等[59]采用傅里葉變換紅外光譜法及二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜法考察肉桂不同部位(樹皮、嫩枝、葉)揮發(fā)油的紅外指紋圖譜差異。通過(guò)紅外宏觀指紋分析,探討紅外整體宏觀表征,建立了肉桂不同部位揮發(fā)油快速、有效的鑒別方法。劉燕等[60]利用傅立葉變換紅外光譜數(shù)據(jù)對(duì)金銀花和山銀花揮發(fā)油樣品進(jìn)行聚類分析,建立了鑒定金銀花揮發(fā)性成分的方法。該法為鑒別金銀花、山銀花揮發(fā)油提供依據(jù),同時(shí)對(duì)其他原料揮發(fā)油的分析研究具有參考價(jià)值。

4 展望

本文綜述了藥食同源植物功效成分揮發(fā)油的提取分離技術(shù),為藥食同源植物的開發(fā)利用提供理論支持。常見的揮發(fā)油提取方法有水蒸汽蒸餾法、溶劑萃取法、頂空-固相微萃取法、超臨界CO2萃取法等,將這些前處理方法與薄層色譜、氣相色譜等現(xiàn)代分析技術(shù)聯(lián)用可以明確揮發(fā)油的成分及其含量。但是,這些提取方法仍停留在實(shí)驗(yàn)室的研究階段,與工廠生產(chǎn)設(shè)備嚴(yán)重脫節(jié),當(dāng)把實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的方法應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,受到裝備的影響,揮發(fā)油提取率低、質(zhì)量差。所以,揮發(fā)油的提取不應(yīng)局限于實(shí)驗(yàn)室研究,更應(yīng)該結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況開展研究,并對(duì)生產(chǎn)中現(xiàn)有的提取設(shè)備進(jìn)行完善和優(yōu)化。研究者應(yīng)將研究成果結(jié)合現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)化,并開發(fā)應(yīng)用配套裝備,實(shí)現(xiàn)工藝與生產(chǎn)設(shè)備的融合。

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高,“藥食同源”的養(yǎng)生理念被廣泛認(rèn)同,而且也得到了我國(guó)政府在政策上的支持,大大的促進(jìn)了“藥食同源”產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。藥食同源植物成分復(fù)雜,而揮發(fā)油是其重要的功能組分之一,對(duì)揮發(fā)油的深入研究,為藥食同源植物的藥理研究和臨床應(yīng)用等奠定基礎(chǔ),推動(dòng)藥食同源植物在醫(yī)藥、保健品、美容等方面的開發(fā)和應(yīng)用。目前相關(guān)研究還處于基礎(chǔ)階段,應(yīng)結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)一步完善提取分離技術(shù),探索新方法,在此基礎(chǔ)上研究揮發(fā)油的作用機(jī)理、作用部位,更加有針對(duì)性的加以利用,為藥食同源產(chǎn)品的發(fā)展提供支持。