楓楊葉揮發(fā)油的提取及化學(xué)成分研究

薄新黨，余科義

（河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，鄭州 450042）

楓楊（Pterocarya stenopteraC.DC）屬于胡桃科（Juglandaceae）楓楊屬（Pterocarya）植物木本落葉大喬木。楓楊屬植物主要分布在南亞熱帶和暖溫帶地區(qū)，共有9種［1］。據(jù)記載，楓楊葉和樹皮具有解熱殺蟲、祛風(fēng)除濕等功效；主要在皮膚過敏、牙痛以及細(xì)菌性膿瘡等方面有顯著的治療效果［2］。現(xiàn)代研究表明，楓楊屬植物含有揮發(fā)油、萜類、甾體類、黃酮類等化學(xué)成分［1，3-6］，楓楊的生物活性和藥用價(jià)值有抗菌［7，8］及抗氧化［9］、抗腫瘤等活性［10-12］、農(nóng)用防治殺蟲［13］、防治元胡霜霉?。?4］、引誘棉鈴蟲處女雌蛾［15］、滅螺［16］、防治魚類的細(xì)菌性爛鰓病、赤皮病等［17］。楓楊變種很多，不同的產(chǎn)地其成分和生物活性存在一定的差異。楓楊對生長環(huán)境要求不高，生命力強(qiáng)，分布廣。因其枝干粗壯，枝葉旺盛，常做行道樹栽培。楓楊揮發(fā)油的研究和應(yīng)用很少有報(bào)道。試驗(yàn)對河南當(dāng)?shù)禺a(chǎn)楓楊葉揮發(fā)油的提取和化學(xué)成分進(jìn)行研究，為當(dāng)?shù)貤鳁钪参锏拈_發(fā)、應(yīng)用以及進(jìn)一步研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

楓楊葉2018年10月采摘于河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院鄭州校區(qū)校園內(nèi)。

HH-1型電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；CS-700型超帥高速多功能粉碎機(jī)，武義海納電器有限公司；FA2004N型電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；KQ-800KDE型高功率數(shù)控超聲清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；QP-2010PLUS型島津氣質(zhì)聯(lián)用儀，日本島津儀器設(shè)備有限公司；去離子水，鄭州春晴樂飲品有限公司。

1.2 方法

1.2.1 單因素試驗(yàn)探究楓楊葉揮發(fā)油的提取 將采摘的新鮮樹葉用去離子水洗凈，放置通風(fēng)處自然晾干表面水分，然后放入多功能粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎；稱取一定質(zhì)量粉碎過的楓楊樹葉放入燒瓶中，加入去離子水，在100 W、40 kHz條件下超聲處理一定時間。將超聲處理過的樣品置于安裝好的揮發(fā)油提取裝置，在一定的溫度下用水蒸氣蒸餾一段時間，自然冷卻至室溫后，收集揮發(fā)油，加入少量無水硫酸鈉干燥除水，去除干燥劑，得到楓楊葉揮發(fā)油，顏色為淡黃色，稱重并計(jì)算產(chǎn)率。揮發(fā)油提取率=揮發(fā)油質(zhì)量/提取物質(zhì)量×100%［18］。

1）超聲時間對楓楊葉揮發(fā)油提取率的影響。精確稱取粉碎的新鮮楓楊葉80 g，加入到500 mL單口燒瓶中，同時加入300 mL去離子水，放入超聲波清洗器中，以100 W功率超聲，設(shè)置超聲時間分別為10、20、30、40、50 min。超聲結(jié)束后，進(jìn)行水蒸氣蒸餾提取。單口燒瓶上部連接揮發(fā)油提取器與回流冷凝管，向揮發(fā)油提取器提取管加水至揮發(fā)油提取器刻度部分，以剛剛溢流入燒瓶為好。將燒瓶置于恒溫油浴鍋中，設(shè)定蒸餾溫度為120℃，保持微沸狀態(tài)提取6 h；待提取結(jié)束后，放置片刻，冷卻至室溫，取下?lián)]發(fā)油提取器，收集揮發(fā)油，加入無水硫酸鈉除去水分，精密測量揮發(fā)油的質(zhì)量計(jì)算揮發(fā)油的提取率。

2）蒸餾溫度對楓楊葉揮發(fā)油提取率的影響。其他條件和操作同上，以100 W功率超聲30 min，蒸餾溫度分別為 110、115、120、125、130 ℃，保持微沸狀態(tài)提取6 h；收集并稱量揮發(fā)油，計(jì)算不同的蒸餾溫度下楓楊葉揮發(fā)油提取率。

3）蒸餾時間對楓楊葉揮發(fā)油提取率的影響。其他條件和操作同上，以100 W功率超聲30 min，蒸餾溫度為 128 ℃，蒸餾時間分別為 4、5、6、7、8 h，收集并稱量揮發(fā)油，計(jì)算不同的蒸餾時間下楓楊葉揮發(fā)油提取率。

1.2.2 正交試驗(yàn) 基于上述單因素試驗(yàn)，以總揮發(fā)油提取率為指標(biāo)，探究超聲時間（A）、蒸餾溫度（B）和蒸餾時間（C）對其影響，設(shè)計(jì)L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平

1.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn) 根據(jù)正交試驗(yàn)獲得的楓楊葉揮發(fā)油最佳提取工藝條件，進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)取平均值，獲得楓楊葉揮發(fā)油提取率。

1.2.4 楓楊葉揮發(fā)油GC-MS成分鑒定與分析

1）GC條件。色譜柱 RXI-SiL-MS（30 m×250 mm×0.25 μm）；升溫程序?yàn)橹鶞?45 ℃，保持 1 min，以3℃/min升至 120℃，保持 5 min，以 5℃/min升至220℃，保持10 min；進(jìn)樣口溫度250℃，載氣為高純氦氣（99.999%），流量為 2 mL/min，分流比 2∶1，進(jìn)樣量 1 μL。

2）MS條件。電子轟擊EI為電離源，離子源溫度200℃，接口溫度250℃，電離能量70 eV，質(zhì)量掃描范圍為 35～350 amu，間隔 0.2 s。

圖1 超聲時間對揮發(fā)油提取率的影響

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 超聲時間的選擇 圖1是不同超聲時間對提取率的影響。由圖1可知，隨著超聲時間的增加，楓楊葉揮發(fā)油的提取率明顯增高，在超聲30 min時達(dá)到最大提取率。當(dāng)超聲時間繼續(xù)增加，整體提取率略呈下降趨勢，原因可能是長時間超聲處理會破壞某些化學(xué)組分的結(jié)構(gòu)，降低揮發(fā)油的提取率［19］。因此本試驗(yàn)選擇20、30、40 min作為正交試驗(yàn)超聲時間的水平。

2.1.2 蒸餾溫度的選擇 圖2是不同提取溫度對楓楊葉揮發(fā)油提取率的影響。結(jié)果表明，隨著提取溫度的升高，楓楊揮發(fā)油的提取率呈上升趨勢。但當(dāng)溫度達(dá)到125℃后，楓楊揮發(fā)油提取率達(dá)到最高，之后隨著溫度的升高，楓楊揮發(fā)油提取率呈減少的趨勢。分析原因可能由于溫度過高其中一些化學(xué)成分遭到破壞，溶解于水中［20］，且溫度過高蒸氣量大大增加，超過冷凝負(fù)荷，綜合兩方面原因使得提取率有所下降。同時溫度過高也會帶來能源浪費(fèi)和試驗(yàn)的危險(xiǎn)性等問題。綜合考慮，選取115、120、125℃作為正交試驗(yàn)蒸餾溫度的水平。

圖2 提取溫度對揮發(fā)油提取率的影響

2.1.3 蒸餾時間的選擇 圖3是不同提取時間對提取率的影響。由圖3可知，隨著提取時間的增加，楓楊葉揮發(fā)油的提取率呈上升趨勢。提取率在6 h時達(dá)到最大，之后提取率略有下降。原因可能為揮發(fā)油長時間在高溫下與氧氣接觸被氧化分解揮發(fā)出去［21］。所以，本試驗(yàn)選擇 5、6、7 h 作為正交試驗(yàn)蒸餾時間的水平。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

從表2得出，各因素對楓楊葉揮發(fā)油提取率的影響的主次順序?yàn)锽＞C＞A，最佳提取工藝條件為A2B3C3。即超聲時間30 min、蒸餾溫度125℃、蒸餾時間7 h為楓楊葉揮發(fā)油的最佳提取工藝。

表2 L9（34）正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

因優(yōu)化方案A2B3C3在正交試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)，需要進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。按A2B3C3方案，進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，取平均值。結(jié)果，楓楊葉揮發(fā)油的提取率為0.040 62%，高于正交試驗(yàn)的最高值0.039 52%，說明各因素的協(xié)同效應(yīng)提高了揮發(fā)油的提取率。故楓楊葉揮發(fā)油的最佳提取工藝條件為在100 W功率下超聲時間30 min，蒸餾溫度125℃，蒸餾時間7 h。

2.4 楓楊葉揮發(fā)油化學(xué)成分

利用GC-MS對楓楊葉揮發(fā)油成分進(jìn)行分析，通過對譜庫NIST11檢索、質(zhì)譜分析確定揮發(fā)油的化學(xué)成分，其總離子流結(jié)果如圖4，離子流結(jié)果具體分析結(jié)果見表3。由圖4和表3可知，從河南楓楊葉揮發(fā)油中共分析鑒定出56種化合物，主要包含烯、醇、烷、醛、酮、酯等，共占揮發(fā)油總量的79.85%。其中，含量最高的成分是氧化石竹烯（40.56%），其次是（1S-cis）1，2，3，5，6，8a-六氫-4，7-二甲基-1-異丙烯基萘（18.29%）和石竹烯（10.22%），含量大于1%的成分還有β-丁子香烯（5.72%）、α-二去氫菖蒲烯（1.30%）、古巴烯（1.27%）、T-木羅醇（1.11%）和α-愈創(chuàng)烯（1.02%）等。與已報(bào)道的華南產(chǎn)楓楊揮發(fā)油成分相比，華南產(chǎn)楓楊揮發(fā)油主要成分也含有丁香烯［10］，但不含氧化丁香烯，可能的原因是原料產(chǎn)地不同和葉子采摘的時間不同。與采摘于7月的華南產(chǎn)楓楊葉相比，河南產(chǎn)楓楊葉采摘于10月，葉子更成熟，揮發(fā)油中氧化石竹烯含量偏高。所以，氧化石竹烯是楓楊揮發(fā)油的主要成分。

表3 揮發(fā)油的主要成分

續(xù)表3

圖4 河南楓楊葉揮發(fā)油成分的總離子流

3 結(jié)論

采用超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取河南楓楊葉揮發(fā)油，通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)探究了超聲時間、蒸餾溫度，蒸餾時間對楓楊葉揮發(fā)油提取的影響。楓楊葉揮發(fā)油最佳提取工藝條件是超聲功率100 W，超聲波頻率40 kHz條件下，超聲時間30 min，蒸餾溫度125℃，蒸餾時間7 h，該條件下楓楊葉揮發(fā)油的提取率為0.040 62%。通過GC-MS技術(shù)分析鑒定出56種揮發(fā)油化學(xué)成分，主要包含烯、醇、烷、醛、酮、酯等，占揮發(fā)油總量的79.85%。其中，含量最高的成分是氧化石竹烯（40.56%），其次是（1S-cis）1，2，3，5，6，8a-六氫-4，7-二甲基-1-異丙烯基萘（18.29%）和石竹烯（10.22%）。楓楊揮發(fā)油具有抗菌、抗氧化等多種生物活性，在農(nóng)業(yè)、漁業(yè)等方面有較為廣泛的應(yīng)用。楓楊資源豐富，分布廣泛，但楓楊資源利用率很低。本研究成果為楓楊資源的研究和開發(fā)利用提供參考。