無(wú)溶劑微波蒸餾法提取杜香精油的工藝研究

王勛,黃伊嘉,楊磊*,莫開(kāi)林*

1.東北林業(yè)大學(xué)化學(xué)化工與資源利用學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；

2.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川成都 610081

杜香(Ledum palustreL.)，又名喇叭花、絆腳絲，單葉互生，高50～80 cm[1]，是杜鵑花科(Ericaceae)杜香屬多年生常綠小灌木，多生于樟子松林、云杉林、落葉松林或針闊混交林下[2]。杜香屬植物分布在北半球溫帶或寒溫帶地區(qū)，我國(guó)野生杜香資源豐富，主要分布于我國(guó)大小興安嶺、內(nèi)蒙古和長(zhǎng)白山地區(qū)[3]。杜香的枝、葉、花和果實(shí)均可提取出芳香揮發(fā)油，其中花、果出油率較高。在古籍中記載，杜香具有抗氧化、消炎和抑制腫瘤的作用[4]。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，我國(guó)對(duì)杜香精油進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)[5]?，F(xiàn)代研究結(jié)果表明杜香精油對(duì)多種真菌和細(xì)菌具有抗菌作用和抑制菌類(lèi)生長(zhǎng)功能[6,7]。此外，在加拿大拉布拉多半島，人們還利用杜香來(lái)代替茶，認(rèn)為杜香具有抗癌作用[8]。

目前，獲得植物精油的方法主要有水蒸氣蒸餾法、超臨界CO2萃取法等。無(wú)溶劑微波提取法是近年發(fā)展起來(lái)的一種用于提取植物精油的新技術(shù)，具有快速、簡(jiǎn)便、無(wú)需溶劑、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到重視。本研究通過(guò)無(wú)溶劑微波蒸餾法提取杜香精油，以期為杜香資源的開(kāi)發(fā)和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與儀器

杜香新鮮枝葉2018年9月采自大興安嶺新林林業(yè)局，經(jīng)東北林業(yè)大學(xué)谷會(huì)巖教授鑒定。葉片冷鏈運(yùn)輸至試驗(yàn)場(chǎng)地，在?20±3℃密閉避光冷凍儲(chǔ)存。實(shí)驗(yàn)所用的樣品均為同一批次。格蘭仕微波爐，型號(hào)為P70D20N1P-G5，輻照頻率2.45 GHz，連續(xù)可調(diào)功率最大輸出功率為700 W，頂端鉆孔，安裝精油提取器，微波爐改造由東北林業(yè)大學(xué)工科教學(xué)實(shí)習(xí)中心完成。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 含水率的影響

通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，定量調(diào)整水分至需要的含水率。將冷凍保存的杜香葉片取出，置于不銹鋼托盤(pán)中自然放置失水，或置于塑料袋中，噴霧瓶補(bǔ)加水分，使物料含水率分別達(dá)到30%、45%、60%、75%和90%，盡可能混勻后密封塑料袋使水分平衡24 h后使用。在微波輻照功率為700 W，微波輻照時(shí)間為30 min的條件下，使用微波輔助蒸餾裝置提取杜香精油，計(jì)算精油得率。

2.1.2 微波輻照時(shí)間的影響

杜香葉片置于塑料袋中，噴霧瓶補(bǔ)加水使物料含水率分別達(dá)到75%，盡可能混勻后密封塑料袋使水分平衡24小時(shí)后使用。微波輻照時(shí)間依次設(shè)置為10、15、20、25、30、35和40 min，功率為540 W的條件下，使用微波輔助蒸餾裝置提取杜香精油，計(jì)算精油得率。

2.1.3 微波輻照功率的影響

杜香葉片置于塑料袋中，噴霧瓶補(bǔ)加水使物料含水率分別達(dá)到75%，盡可能混勻后密封塑料袋使水分平衡24小時(shí)后使用。在微波輻照功率設(shè)置為120、230、385、540和700 W，微波輻照時(shí)間為30 min的條件下，使用微波輔助蒸餾裝置提取杜香精油，計(jì)算精油得率。

2.2 氣相色譜-質(zhì)譜分析精油組分

采用6890N/5973安捷倫氣質(zhì)聯(lián)用儀對(duì)提取得到的杜香精油組成加以分析。操作條件：HP-5MS毛細(xì)管石英色譜柱（0.25 mm×0.25μm，長(zhǎng)30 m），氣化室和進(jìn)樣溫度分別設(shè)定為230℃和280℃；升溫程序：先以60℃維持5 min，接著以10℃/min的速度從60℃升高到120℃保持5 min，然后以相同的升溫速度從120℃升高到200℃并維持5 min，再以同樣的速度從200℃升高到280℃并維持15 min；載氣為高純度氦氣，流速1.0 mL·min?1；樣品稀釋到正己烷中，比為1∶100（v/v），進(jìn)樣量1μL；分流比為1∶2。質(zhì)譜條件為：電子轟擊（EI）離子源；電子能量為70 eV；原子量范圍為15～500 amu；杜香精油的各個(gè)組成成分根據(jù)NIST02質(zhì)譜庫(kù)信息比對(duì)確認(rèn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 原料含水率對(duì)精油得率的影響

計(jì)算含水率分別為30%、45%、60%、75%、90%下的提取率，結(jié)果如圖1，隨著含水率的變化，提取率的變化趨勢(shì)為先增大后減小，這一趨勢(shì)是與文獻(xiàn)[9]提取牛至中精油趨勢(shì)相近。其原因可能是部分精油溶解到水中，揮發(fā)出的精油減少。當(dāng)含水率為75%時(shí)，提取率最高，達(dá)到11.51 mL·kg?1DW。

圖1 含水率的影響Fig.1 Effects of moisture content on essential oil yield

3.2 微波輻照功率對(duì)精油得率的影響

微波輻照功率分別為700 W、540 W、385 W、230 W、120 W的精油得率，結(jié)果如圖2所示，隨著微波輻照功率的增加，精油得率的變化趨勢(shì)為先增大后減小，推測(cè)其原因是700 W功率時(shí)由于物料劇烈的升溫，局部發(fā)生炭化，影響了精油組分的遷出。當(dāng)微波輻照功率為540 W時(shí)，提取率最高，達(dá)到12.40 mL·kg?1DW。

圖2 微波輻照功率的影響Fig.2 Effectsof microwaveirradiation power on essential oil yield

3.3 微波輻照時(shí)間對(duì)精油得率的影響

微波輻照時(shí)間分別為10、15、20、25、30、35和40 min的精油得率，結(jié)果見(jiàn)圖3，隨著微波輻照時(shí)間增加，精油得率隨之逐漸增加，當(dāng)30 min之后提取率趨于穩(wěn)定，增幅變緩不明顯，最高可達(dá)到11.96 mL·kg?1DW，從耗時(shí)和節(jié)約能源方面考慮，選用30 min為微波輻照時(shí)間。

圖3 微波輻照時(shí)間的影響Fig.3 Effects of microwaveirradiation time on essential oil yield

3.4 精油中的成分

氣質(zhì)聯(lián)用色譜技術(shù)分析無(wú)溶劑微波蒸餾法提取的精油，組分顯示在表1中，以及它們的保留指數(shù)，分子式，CAS數(shù)和相對(duì)百分比，總共檢測(cè)到27種化合物，獲得的精油占總含量的85.66%。各個(gè)組分的相對(duì)含量以及峰面積相對(duì)于總峰面積的百分?jǐn)?shù)(RA%)表示。檢測(cè)出精油中包括萜烯類(lèi)組分、含氧萜烯和芳香族組分，它們占總峰面積的76%以上。主要成分依次為桃金娘烯醛（24.47%）、脫氫檜烯酮（12.51%）和4-松油醇（10.84%）。

表1 杜香精油組分分析Tab.1 Chemical composition analysisof essential oil from Ledum palustre L.

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)采用無(wú)溶劑微波蒸餾法提取杜香精油，研究了物料含水率、微波輻照功率、微波輻照時(shí)間對(duì)精油得率的影響，對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)得到最佳工藝參數(shù)為：含水率75%、微波輻照功率540 W、微波輻照時(shí)間30 min。在此工藝條件下，杜香精油的得率為12.55 mL·kg?1DW。GCMS結(jié)果顯示杜香精油中成分主要為桃金娘烯醛（24.47%）、脫氫檜烯酮（12.51%）和4-松油醇（10.84%）。本法具有環(huán)保、穩(wěn)定、高效的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。