微波無(wú)溶劑法提取樟葉精油

李嘉欣，朱 凱

（南京林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

樟樹(shù)Cinnamomum camphora是樟科Lauraceae樟屬植物中經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的樹(shù)種之一,主要分布于中國(guó)南方各省的亞熱帶[1]。從樟樹(shù)葉中提取的揮發(fā)性精油富含芳樟醇、1,8-桉葉油素、樟腦、異-橙花叔醇、龍腦等重要天然成分[2]，且具有芳香、醫(yī)療和驅(qū)蟲(chóng)等作用而成為醫(yī)藥衛(wèi)生、化工、食品、香料的重要原料。此外，樟樹(shù)葉為可再生資源，其應(yīng)用前景廣闊[3]。

目前主要的樟樹(shù)精油提取方法有水蒸氣蒸餾法[4]、有機(jī)溶劑萃取法[5]、同時(shí)蒸餾萃取[6]、靜態(tài)頂空[7]、固相微萃取[8]和超臨界二氧化碳萃取[9]等方法。但使用這些提取方法提取效率低、耗時(shí)久、溶劑消耗多，此外提取過(guò)程中會(huì)造成一些揮發(fā)性化合物的損失；熱和水解作用會(huì)使不飽和化合物及酯類化合物發(fā)生降解，提取物中會(huì)存在有毒溶劑殘留[10]。隨著“綠色化學(xué)”概念的發(fā)展，“綠色提取技術(shù)”變得越來(lái)越有吸引力，人們對(duì)輔助提取法在精油提取中的應(yīng)用給予了極大的關(guān)注[11-14]。無(wú)溶劑微波萃?。⊿FME），是一種將微波加熱與常壓干餾相結(jié)合的新技術(shù)[15]，多用于從芳香植物中提取精油和抗氧化劑等[16-18]。與傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾（HD）相比，SFME 的主要優(yōu)點(diǎn)在于不需要添加任何水和溶劑、提取速度快、從芳香植物中獲得的化合物質(zhì)量高以及更加清潔和環(huán)保。

本研究將SFME 這一新型、綠色的提取技術(shù)應(yīng)用于樟樹(shù)葉精油的提取中，對(duì)SFME 法提取條件進(jìn)行優(yōu)化，并從提取時(shí)間、得油率及芳香成分、葉片結(jié)構(gòu)變化等方面與HD 法進(jìn)行比較。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮樟樹(shù)葉片（含水率63.4%），于2018年3月采自南京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，剪碎，備用；乙醚：分析純，南京化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TRACE 1300- ISQ 型氣相-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國(guó)Thermo Fisher Scientific 公司；NEOS 無(wú)溶劑微波萃取裝置，意大利Milestone 公司；Quanta 200 環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM），美國(guó) FEI 公司。

1.3 方 法

1.3.1 葉片含水率測(cè)定

稱取5 g 新鮮葉片，110 ℃烘干45 min 直至恒重，測(cè)定葉片含水率。葉片含水率采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

1.3.2 水蒸氣蒸餾法

稱取100 g 新鮮樟樹(shù)葉片，剪碎，裝入100 mL 四口燒瓶中，加入8 倍（mL/g）蒸餾水。采用水蒸氣蒸餾裝置提取精油，待冷卻后用乙醚萃取分離得到精油，置于4 ℃下保存待用。采用以下公式計(jì)算精油得油率：

1.3.3 無(wú)溶劑微波萃取法

稱取250 g 新鮮樟樹(shù)葉片，剪碎。采用無(wú)溶劑微波萃取裝置提取精油，待冷卻后用乙醚萃取分離得到精油，置于4℃下保存待用。采用公式（2）計(jì)算精油得油率。在實(shí)驗(yàn)期間，時(shí)間、溫度、壓力和功率由軟件控制。

1.3.4 氣相-質(zhì)譜分析條件

色譜條件：色譜柱DB-5MS；初溫60 ℃（保留3 min），以15 ℃/min 升溫至150 ℃，再以5 ℃/min 升溫至200 ℃，再以10 ℃/min 升溫至220 ℃，進(jìn)樣口溫度為250 ℃。FID 檢測(cè)器溫度為280 ℃；0.1 μL 進(jìn)樣量，載氣為氦氣。采用面積歸一法確定各化學(xué)組分的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

質(zhì)譜條件：EI 離子源250 ℃，四級(jí)桿150 ℃；電子能量70 eV；電子倍增管電壓1 347 V，掃描質(zhì)量范圍45～450 m/z。

1.3.5 掃描電子顯微鏡

在使用不同提取方法提取前后，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行樣品的微觀結(jié)構(gòu)表征。分別將提取前后的葉片處理后切成1 mm×5 mm 長(zhǎng)條，將橫切面朝上并固定在鋁支撐體上，在標(biāo)準(zhǔn)真空條件和二次電子檢測(cè)器下用SEM 分析檢測(cè)其結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波功率的優(yōu)化

適當(dāng)?shù)奈⒉ㄝ椛涔β实脑O(shè)定在精油提取過(guò)程中是非常重要的，因?yàn)檫^(guò)高的微波輻射功率會(huì)降解揮發(fā)性化合物以及植物材料本身[18]。因此，為明確SFME 法提取過(guò)程中時(shí)間與輻射功率之間的關(guān)系，分別研究了輻射功率為200、300、400、500、600 和750 W 時(shí)的時(shí)間變化，如圖1所示。

圖1 微波輻射功率與所需提取時(shí)間關(guān)系Fig.1 Relationship between microwave irradiation power and required extraction time

為了評(píng)估功率設(shè)置對(duì)精油成分的影響，收集所有提取物并使用氣相色譜分析，使用火焰離子化檢測(cè)器GC-FID 和氣相色譜與質(zhì)譜GC-MS 結(jié)合。由圖1可知，輻射功率為200～400 W 時(shí)，所需提取時(shí)間較長(zhǎng)。600 和750 W 的功率設(shè)置下所需提取時(shí)間較短，但已出現(xiàn)較多精油化合物的降解，含氧化合物總量減少，且出現(xiàn)焦糊味。在750 W的功率設(shè)定下提取精油時(shí)，發(fā)生基質(zhì)燃燒。因此，對(duì)于250 g 新鮮樟樹(shù)葉，微波輻射最佳功率為500 W，即2 W/g 是最佳微波功率密度。在此條件下完成精油提取并在微波輻射35 min 后精油中揮發(fā)性化合物未有損失。

2.2 精油得油率優(yōu)化

圖2和圖3分別為采用SFME 法和HD 法提取樟葉精油過(guò)程中產(chǎn)率與時(shí)間的變化關(guān)系圖。

圖2 SFME 法提取樟葉精油的產(chǎn)率與時(shí)間變化關(guān)系Fig.2 Yield profiles as a function of time for the SFME extractions of essential oil from Cinnamomum camphora leaves

圖3 HD 法提取樟葉精油的產(chǎn)率與時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 Yield profiles as a function of time for the HD extractions of essential oil from Cinnamomum camphora leaves

整個(gè)提取過(guò)程主要分為四個(gè)階段。第一階段為加熱階段，范圍從室溫到100℃，該階段未有精油餾出；第二階段精油提取開(kāi)始，這一階段主要作用于植物顆粒表面，精油得油率迅速升高；第三階段，植物細(xì)胞中的水受熱使得精油從葉片顆粒中部向外部介質(zhì)擴(kuò)散，精油得率增加緩慢；最后一階段精油提取過(guò)程結(jié)束，精油得率不再發(fā)生變化，曲線接近水平。

由圖2和圖3可以看出，使用SFME 法和HD法在最佳條件下提取樟樹(shù)葉精油，得到的最高得油率分別為0.98%和0.96%，兩者較為接近，且SFME 法提取樟葉精油的得油率略高于HD 法。此外，采用HD 法提取5 h 時(shí)可達(dá)到最高得油率，而SFME 提取只需要35 min，提取時(shí)間縮短了88%。

2.3 溫度變化比較

圖4顯示了采用SFME 和HD 法提取精油期間的溫度曲線。從圖中可以清楚地觀察到兩個(gè)階段。第一階段溫度迅速升高，直到溫度達(dá)到100 ℃，從而實(shí)現(xiàn)第一滴精油液滴的蒸發(fā)。在第二階段，萃取溫度等于大氣壓下的水沸騰溫度（100 ℃），直至萃取結(jié)束。另外，SFME 法加熱速度明顯比HD 法快，僅在時(shí)間為6 min 時(shí)即可加熱至100 ℃。

圖4 SFME(500W)和HD 法提取樟葉精油的溫度與時(shí)間變化關(guān)系Fig.4 Temperature profiles as a function of time during SFME (500 W) and HD as extractions of essential oil from Cinnamomum camphora leaves

2.4 精油的成分分析

分別采用HD 法及SFME 法提取樟樹(shù)葉精油，并采用GC-MS 分析其成分。GC-MS 分析總離子流色譜圖見(jiàn)圖5，精油化學(xué)組分見(jiàn)表1。

分別使用SFME 和HD 法提取樟樹(shù)葉精油，采用GC-MS 分析其成分，共鑒定出47 種主要化合物。由表1可以看出，主要的揮發(fā)性化合物是桉葉油素、檜烯和α-松油醇，其次是α-蒎烯、萜品油烯、松油烯、芳樟醇、(-)-4-萜品醇，但不同提取方法所得到的化合物比例不同。含氧化合物比單萜烴化合物的香味更濃，因此在香精香料、化妝品、食品等領(lǐng)域更具有價(jià)值。與HD 法提取得到的樟樹(shù)葉精油相比，使用SFME 法得到的精油中含氧化合物的量更高（HD：62.12%，SFME：75.54%），且單烯烴化合物含量更低（HD：36.03%，SFME:23.24%）。使用SFME 獲得的含氧化合物的比例較高可能是由于提取過(guò)程中不需要使用大量水，因此產(chǎn)生的熱強(qiáng)度和水解效應(yīng)更低。此外，含氧化合物具有較高的高偶極矩，與微波相互作用更強(qiáng)烈，而單萜烯化合物偶極矩較低，因此含氧化合物更易用SFME 法提取得到。

圖5 HD 法（a）和SFME 法（b）提取精油總離子流圖像Fig.5 Total ion chromatogram of essential oils extracted by HD (a) and SFME (b)

2.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

不同提取方法會(huì)使樟樹(shù)葉片發(fā)生不同程度的物理變化。圖6是不同方法處理前后樟樹(shù)葉片橫切面的SEM 顯微照片。從圖6a 可以看出，未經(jīng)處理的新鮮樟樹(shù)葉片的細(xì)胞及細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)完整。而在圖6b 中，葉片經(jīng)水蒸氣蒸餾后，部分葉片細(xì)胞的細(xì)胞壁變薄，大部分細(xì)胞及細(xì)胞壁產(chǎn)生一定程度破裂。從圖6c 中可以明顯地看到，葉片微波萃取后，葉片細(xì)胞和細(xì)胞壁受到嚴(yán)重破壞，細(xì)胞形態(tài)完全發(fā)生改變，并且細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)被分散。

3 結(jié)論與討論

采用SFME 法提取精油時(shí)最佳微波輻射功率為500 W，該功率下提取所得到的精油中揮發(fā)性物質(zhì)損失少，芳香氣味純正。

從提取時(shí)間、得油率、精油芳香成分以及葉片結(jié)構(gòu)方面對(duì)比SFME 法與HD 法。結(jié)果表明，采取兩種方法提取樟葉精油得油率較為相近，分別為0.98%和0.96%。但使用SFME 法所需提取時(shí)間更短，只需要35 min，而HD 法則需要5 h。主要是由于SFME 提取過(guò)程中對(duì)葉片細(xì)胞及細(xì)胞壁的破壞程度更大。此外，根據(jù)GC-MS 分析結(jié)果可以看出：SFME 和HD 法提取所得的精油主要化學(xué)成分相似，但SFME 法所得提取物中含氧化合物總量比HD 法的高，分別為75.54%和62.12%，因此得到的精油香氣更加濃郁。

表1 樟葉精油的化學(xué)組分Table1 Chemical compositions of Cinnamomum camphora leaves essential oil

圖6 (a)未處理、(b)HD 提取后、(c)SFME 提取后的樟樹(shù)葉SEM 譜圖Fig.6 SEM micrographs showing the morphology of untreated Cinnamomum camphora leaves (a),after HD extraction (b),after SFME extraction (c)

SFME 是一種快捷、綠色、清潔型提取技術(shù)，可作為傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾的替代方法來(lái)提取芳香植物精油，與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法相比，SFME 耗時(shí)短、提取效率高、香氣濃郁，并且提取過(guò)程中不需要添加水或有機(jī)溶劑，從而減少了溶劑的消耗和對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)避免了提取物中有機(jī)溶劑的殘留以及水溶性物質(zhì)的水解。

目前，該提取方法仍存在一定局限性。首先，該設(shè)備目前相關(guān)研究較少，還未能夠應(yīng)用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。其次，如若原料內(nèi)含水率較低，提取過(guò)程中會(huì)存在蒸汽量不足，精油提取不完全，或造成植物原料的焦糊而降低精油品質(zhì)。此外，該儀器亦可以采用重力作用使精油在下部冷凝收集，即為微波無(wú)溶劑提取與水滲透提取的結(jié)合，該方法能夠減少蒸汽量的消耗，使得精油提取更加充分，后續(xù)將會(huì)對(duì)此方法進(jìn)行試驗(yàn)探究。