基于金屬基低共熔溶劑的微波輔助水蒸氣蒸餾法提取小茴香精油及其氣相色譜-質(zhì)譜分析

祖光*

(1.浙江大學(xué)附屬中學(xué)，杭州 310007;2.浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，杭州 310014)

1 前言

小茴香為傘形科植物茴香(Foeniculum vulgare Mill .)的干燥成熟果實(shí), 它不僅是一種調(diào)味品, 也是一種傳統(tǒng)中藥。小茴香精油具有驅(qū)風(fēng)和抗菌作用, 其藥理作用主要是由于其所含的茴香腦、草蒿腦和小茴香酮等成分[1-3]。植物精油的提取方法一般采用壓榨法[4]，水蒸氣蒸餾法[4]，有機(jī)溶劑浸制[3-5]、超聲輔助萃取[6,7]，超聲輔助酶解[8]，超聲霧化萃取[2,9]，超臨界流體萃取[3,10,11]，微波輔助萃取(MAE)[12-15]等。微波輔助萃取是一種通過(guò)微波加熱樣品和溶劑混合物的方法，它主要利用微波的離子傳導(dǎo)和偶極旋轉(zhuǎn)的特性。根據(jù)不同化合物對(duì)微波的不同吸收能力，采用高頻電磁波選擇性加熱樣品，從而促進(jìn)目標(biāo)物質(zhì)的提取。微波輔助萃取法提取植物精油具有能耗低，時(shí)間短，效率高，產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。2004年，Abbott[16]等人提出了低共熔溶劑(DES)，DES是一種綠色的新型溶劑，大多數(shù)DES在室溫下是液體，具有良好的熱穩(wěn)定性、低揮發(fā)性等，特別是其具有良好的生物降解性、制備簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)的研究表明，一些DES能溶解纖維素[17-19]，這是促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)化合物釋放的新途徑。2009年，R.B?ck 課題組[20]提出了氯化膽堿、尿素和氯化鐵組成的金屬基低共熔溶劑，2015年，曹金課題組[21]提出了用氯化膽堿和氯化鐵組成的金屬基低共熔溶劑用于合成芳烴。本文嘗試將氯化膽堿、乙二醇和氯化鐵組成的新型金屬基低共熔溶劑用于提取植物精油研究，建立一種基于金屬基低共熔溶劑的微波輔助水蒸氣蒸餾法(MDES-MHD)，并將該新方法用于提取小茴香精油。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

GC2000/MS6100 GC-MS聯(lián)用儀，聚光科技股份有限公司；XH-100A型微波催化合成/萃取儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司；AL204電子分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。小茴香，購(gòu)自浙江杭州九州大藥房；氯化膽堿，乙二醇，六水合氯化鐵，正己烷(分析純)，購(gòu)自美國(guó)阿拉丁試劑有限公司；C8-C26的正構(gòu)烷烴標(biāo)樣(色譜純)，購(gòu)自美國(guó)西格瑪化學(xué)有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

色譜條件：毛細(xì)管色譜柱：DB-5石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；色譜柱程序升溫：起始溫度40 ℃，保持9.6 min；以3 ℃/min升溫至250℃，保持2.5 min；載氣為高純氦氣(99.999%)，流量為1 mL/min；不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣口溫度：250 ℃。

質(zhì)譜條件：電子轟擊(EI)離子源；電子能量70 eV；離子阱溫度180 ℃；歧管溫度50 ℃；傳輸線溫度250 ℃；掃描模式：全掃描；掃描速度 3 scans/s，溶劑延遲5 min。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 DES的制備

將1mol氯化膽堿、2mol乙二醇和1mol六水合氯化鐵混合，保持溫度在80 ℃下在磁力攪拌器上加熱攪拌2 h，直到形成均一透明的液體。

2.3.2 小茴香精油的提取

小茴香精油的提取過(guò)程分為三個(gè)階段：預(yù)處理階段，快速加熱階段和水蒸氣蒸餾階段。三個(gè)階段均在微波反應(yīng)器(北京祥鵠科技發(fā)展有限公司)內(nèi)進(jìn)行。(1)預(yù)處理階段：在一個(gè)特制的500 mL的三口燒瓶中，稱(chēng)取20.0g研磨后的小茴香粉末與100.0g MDES混合后置于微波反應(yīng)器內(nèi)，按照?qǐng)D1所示連接好實(shí)驗(yàn)裝置，然后設(shè)置好微波功率600W、溫度80℃和預(yù)處理時(shí)間為5min；(2)快速加熱階段：預(yù)處理階段結(jié)束后，向燒瓶中加入200 mL的蒸餾水，然后設(shè)置微波功率為600 W，溫度110 ℃，時(shí)間為6 min，使體系的溫度快速接近水的沸點(diǎn)；(3)水蒸氣蒸餾階段：保持體系的溫度保持不變，微波功率為300W，時(shí)間設(shè)定30min。此外，同時(shí)使用微波輔助水蒸氣蒸餾(MHD)(即預(yù)處理階段100.0g MDES換為100.0g蒸餾水，其他過(guò)程同上)提取小茴香精油。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

蒸餾結(jié)束后，分水器中的精油經(jīng)分離干燥后，經(jīng)正己烷稀釋一定倍數(shù)后，取1 μL精油稀釋液進(jìn)行GC-MS分析。

2.3.3 精油的定性和相對(duì)含量分析

以EI為電離源，進(jìn)行色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析，采集得到的總離子流圖中各質(zhì)譜圖，利用NIST質(zhì)譜庫(kù)檢索，同時(shí)采用保留指數(shù)和參考文獻(xiàn)來(lái)進(jìn)一步輔助質(zhì)譜檢索，即通過(guò)保留指數(shù)結(jié)合質(zhì)譜檢索的二維定性方法來(lái)進(jìn)一步提高化合物定性的可靠性；定量分析結(jié)果依據(jù)總離子流色譜峰的峰面積歸一化法來(lái)計(jì)算各組分的相對(duì)含量。本實(shí)驗(yàn)用于測(cè)定保留指數(shù)的正構(gòu)烷烴系列標(biāo)準(zhǔn)樣品為C8-C26。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：I為待測(cè)物保留指數(shù)計(jì)算值；tn、tn+1分別為含兩個(gè)相近正構(gòu)烷烴在相同方法下的保留時(shí)間；tx為待測(cè)物的保留時(shí)間。

3 結(jié)果討論

分別采用MHD和MDES-MHD得到小茴香精油的GC-MS總離子色譜圖(TIC)，見(jiàn)圖2，MHD及MDES-MHD提取所得小茴香精油中的揮發(fā)性成分及其相對(duì)含量如表1所示。各組分的相對(duì)含量通過(guò)峰面積歸一化方法確定，采用MHD和MDES-MHD提取所得小茴香精油中分別鑒定出26和44種揮發(fā)性成分。這兩種方法提取所得小茴香精油中的主要成分也是茴香腦和草蒿腦等化合物，這與文獻(xiàn)[1-3]的報(bào)道一致。

圖2 小茴香精油的GC-MS總離子色譜圖(TIC)上圖為MHD提取所得小茴香精油的GC-MS總離子色譜圖；下圖為MDES-MHD提取所得小茴香精油的GC-MS總離子色譜圖

序號(hào)保留時(shí)間 (min)名稱(chēng)CAS號(hào)分子式相對(duì)分子質(zhì)量相對(duì)含量(%)方法1方法219.51 trans-Ocimene(反式-羅勒烯)3779-61-1C10H161360.02ND210.05 Camphene(莰烯)79-92-5 C10H16136ND0.01310.96 α-Pinene(α-蒎烯)127-91-3 C10H161360.010.04411.91 β-Phellandrene(α-水芹烯)99-83-2C10H161360.01ND512.17 Isocineole(異山梨糖醇)470-67-7 C10H18O154ND2.99612.26 β-Terpinene(α-松油烯)99-86-5 C10H161360.01ND712.52 α-Cymene(α-傘花烴)535-77-3 C10H141340.020.24812.70 d-Sylvestrene(樅油烯)1461-27-4 C10H161360.50.8912.80 Eucalyptol(桉樹(shù)腦)470-82-6 C10H18O154ND0.11012.95 α-cis-Ocimene(羅勒烯)3338-55-4C10H161360.03ND1113.78 Terpinen(萜品烯) 99-85-4 C10H161360.040.131214.54 Formic acid, phenylmethyl ester(甲酸芐酯)104-57-4C8H8O2136ND0.21314.85 Terpinolene(異松油烯)586-62-9 C10H161360.010.291414.99 Fenchone(葑酮)1195-79-5C10H16O1522.074.371515.41 Butanoic acid, 2-methyl-, 3-methylbutyl ester(2-甲基丁酸-3-甲基丁酯)27625-35-0 C10H20O2172ND0.011616.19 Fenchol, exo-(小茴香醇)22627-95-8 C10H18O154ND0.011716.47 trans-2-Pinanol(反-2-蒎烷醇)4948-29-2 C10H18O1540.01ND1816.87 1-Terpinenol(1-萜品烯醇)586-82-3 C10H18O154ND0.01

續(xù)表1

續(xù)表1

ND: 未檢測(cè)到方法1: MHD; 方法2: MDES-MHD

從表1可知，MDES-MHD與MHD兩種方法提取所得小茴香精油中的主要成分基本一致，但經(jīng)過(guò)MDES處理后所得小茴香精油中含有更多揮發(fā)性成分，如異山梨糖醇(2.99%)、對(duì)甲氧基苯乙酮(1.51%)、鄰茴香酰氯(1.45%)、芐醚(1.26)、對(duì)甲氧基苯甲醚(0.71%)、大茴香醛(0.55%)、乙酸芐酯(0.37%)、甲酸芐酯(0.2%)、芹菜腦(0.17%)和對(duì)甲氧基丙酮(0.14%)等。研究結(jié)果表明，采用MDES作為預(yù)處理溶劑可以使精油中組分的相對(duì)含量發(fā)生一定的變化；此外，采用MDES-MHD得到精油中含有一些含氧化合物，例如醇，醛和酯，而這些在MHD方法得到的精油中含量很少。這可能是因?yàn)镸DES對(duì)小茴香植物細(xì)胞壁纖維素結(jié)構(gòu)的溶劑化，DES破壞了了小茴香植物細(xì)胞表面上的纖維素結(jié)構(gòu)，從而由小茴香植物細(xì)胞內(nèi)釋放出更多的化合物，即小茴香植物細(xì)胞劈的纖維素結(jié)構(gòu)受到破壞，小茴香植物細(xì)胞內(nèi)更多揮發(fā)性化合物可以釋放到水相體系中，然后通過(guò)水蒸氣蒸餾進(jìn)入到氣相中并冷卻后和水分離后得到精油。

4 結(jié)論

采用MDES對(duì)小茴香進(jìn)行預(yù)處理，然后采用微波輔助水蒸汽蒸餾方法提取小茴香中精油。MDES能夠吸收微波，破壞小茴香植物細(xì)胞的細(xì)胞壁并從細(xì)胞內(nèi)釋放出更多的揮發(fā)性化合物。經(jīng) GC-MS分析后，從MDES-MHD法得到的精油中鑒定出44種揮發(fā)性成分，而從MHD方法得到的精油中鑒定出26種揮發(fā)性成分。與MHD相比，采用MDES-MHD提取所得的精油中含有更多的揮發(fā)性化合物。這種新型的基于金屬基低共熔溶劑的微波輔助水蒸氣蒸餾法(MDES-MHD)不僅可用于提取小茴香精油，而且該新型的提取精油方法也可擴(kuò)展應(yīng)用于提取其他植物精油。