高溫蒸煮法提取北美圓柏精油研究

薩如拉，陳德瑞，趙銀杰，斯琴圖雅，趙雪梅，路春燕

（1.赤峰學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.寧波易博家居用品有限公司，浙江 寧波 315000；3.赤峰市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；4.福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002）

北美圓柏（Juniperus virginiana L.）又名鉛筆柏、弗吉尼亞雪松，是柏科圓柏屬的常綠喬木，原產(chǎn)于美國東部和加拿大東部地區(qū)，英國、法國、俄羅斯等地均有引種，我國于20世紀(jì)初開始引種，現(xiàn)北京、河北、河南、山東、安徽及長三角等地區(qū)均廣泛種植。北美圓柏由于自身具有天然香味和獨(dú)特結(jié)構(gòu)，有驅(qū)蟲、吸潮等功效，被廣泛應(yīng)用于建筑、家具、鞋撐原材料[1-3]。

柏木精油具有多種生物學(xué)活性，在生產(chǎn)生活中具有多種應(yīng)用價(jià)值。柏木精油的主要成分為倍半萜類的柏木醇、羽毛柏醇、柏木烯、花側(cè)柏烯、羅漢柏烯等[3]。柏木醇在香料行業(yè)中被廣泛應(yīng)用于天然定香劑和協(xié)調(diào)劑的生產(chǎn)，是合成甲基柏木醚、柏木烷醚等高級(jí)香料的主要原料，也常用作殺蟲劑、消毒劑、室內(nèi)噴霧劑的原料以及制藥工業(yè)的重要中間體[4,5]。最近，柏木醇在生理學(xué)上的應(yīng)用也被廣泛關(guān)注，醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)柏木醇具有活化、鎮(zhèn)靜、解痙攣活性、調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng)、抗腫瘤抗癌、活性抗癌等功能[6-8]。柏木烯是合成甲基柏木烯酮、乙?；啬鞠?、柏木烷酮、環(huán)氧柏木烷和柏木烯醛等重要香料[9,10]的主要成分，被廣泛應(yīng)用于香料制造業(yè)。目前，國內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)柏木精油的需求量日趨擴(kuò)大，柏木精油的價(jià)格逐年上漲，柏木精油的提取是今后柏科資源開發(fā)利用的大趨勢(shì)。因此，探索北美圓柏精油的提取方法及分析其化學(xué)成分具有一定的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的開發(fā)前景。

為了快速高效提取北美圓柏木屑精油，本研究采用高溫蒸煮法，在不同高溫條件下對(duì)北美圓柏進(jìn)行蒸煮提取精油，并通過氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)精油成分進(jìn)行分析鑒定，比較各條件下獲取精油的提取率、成分差異及含量。為進(jìn)一步推動(dòng)柏木精油提取工業(yè)的發(fā)展及精油有效利用技術(shù)的開發(fā)提供參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：北美圓柏粉末（寧波易博家具用品有限公司提供），乙酸乙酯、三氯甲烷、苯、乙醇、乙苯、硫酸鈉均為國產(chǎn)分析純。

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：高溫高壓反應(yīng)釜（KCF-1L威海鼎達(dá)化工機(jī)械有限公司）、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（RE-52A上海亞榮生化儀器廠）、粉碎機(jī)（FZ102北京中興偉業(yè)儀器有限公司）、電子天平（FA-1004上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）、離心機(jī)（BR4I Thermo）、氣相色譜-質(zhì)譜儀（5975B安捷倫）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 預(yù)處理

取干燥的北美圓柏木屑，粉碎，過40目篩，備用。

1.2.2 北美圓柏的有機(jī)溶劑提取

為了獲取北美圓柏粉中的全部精油量，取5g（干質(zhì)量4.88g）北美圓柏粉放到圓筒濾紙中，再把圓筒濾紙放入索氏提取儀的提取管里，將300mL苯/乙醇混合液（體積比例為2:1）倒入平底燒瓶中，在常壓下油浴鍋中（115±3℃）回流提取24h后進(jìn)行濃縮。濃縮物中加入三氯甲烷溶解，再進(jìn)一步濃縮可溶部分得到精油，稱取精油重量，并當(dāng)作北美圓柏粉的全部精油量，以乙苯(C=0.1mg/mL)為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行GC-MS分析[12-15]。利用式（1）計(jì)算精油提取率，利用式（2）計(jì)算各成分含量。

其中，Mo:精油總質(zhì)量（g）

Wo:原料干質(zhì)量（g）

其中，X1:各成分質(zhì)量(g)

Mo:精油總質(zhì)量(g)。

設(shè)備檢測(cè)條件：毛細(xì)管柱，HP-INNOWAX 25m×0.20mm×0.40μm；載氣He；控制方式：分流；毛細(xì)管柱入口壓強(qiáng)100kPa；電離方式EI；電壓1.5kV；測(cè)定方式：掃描。成分分析條件為:進(jìn)樣溫度220℃；氣化室溫度260℃；升溫程序，初始溫度150℃保持5min，以3℃/min的速率升至260℃，保持5min；分析時(shí)間5～26min。

1.2.3 北美圓柏的100℃蒸煮

為了與高溫蒸煮對(duì)比，以100℃為模擬普通蒸煮進(jìn)行提取精油實(shí)驗(yàn)。取20g（干質(zhì)量19.52g）北美圓柏粉末，加入300mL蒸餾水，室溫下浸泡96h后倒入高溫高壓釜反應(yīng)槽里蓋上蓋子加熱，溫度上升至100℃后，開始計(jì)時(shí)，恒溫蒸煮1h，自然降溫至約50℃，取出蒸煮液，抽濾，取濾液，用乙酸乙酯分液3次，硫酸鈉脫水有機(jī)層，濃縮干燥得到精油，稱重，并進(jìn)行GC-MS分析，分析測(cè)定條件同1.2.2。

1.2.4 北美圓柏的高溫蒸煮

取20g（干質(zhì)量19.52g）北美圓柏粉末，加入300mL蒸餾水，浸泡96h后倒入高溫高壓釜反應(yīng)槽里，分別以160℃、170℃、180℃作為蒸煮溫度進(jìn)行蒸煮。當(dāng)溫度上升至設(shè)定溫度后，開始計(jì)時(shí)，恒溫蒸煮20min，停止加熱后自然降溫至約50℃，取出蒸煮液后進(jìn)行抽濾，取濾液，用乙酸乙酯分液3次，使用硫酸鈉脫水有機(jī)層，濃縮干燥得到精油[12-15]，進(jìn)行GC-MS分析，分析測(cè)定條件同1.2.2。

1.2.5 柏木醇、羽毛柏醇的高溫蒸煮

為了明確高溫加熱時(shí)柏木醇、羽毛柏醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，進(jìn)行了高溫蒸煮實(shí)驗(yàn)。取有機(jī)溶劑提取精油0.05g，加入少量的甲醇，加水溶解，倒入高溫高壓釜反應(yīng)槽里，180℃恒溫蒸煮1h，自然降溫至約50℃，到出反應(yīng)物，用乙酸乙酯分液3次，硫酸鈉脫水有機(jī)層，濃縮干燥，GC-MS分析，分析測(cè)定條件同1.2.2。

2 結(jié)果與分析

2.1 北美圓柏的有機(jī)溶劑提取

北美圓柏有機(jī)溶劑提取精油量為0.1498g，精油提取率為3.07%。GC－MS色譜圖及主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物見圖1，檢測(cè)出柏木烯、羽毛柏醇、柏木醇、2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮等五種主要成分。由各成分峰面積和內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)峰面積比計(jì)算了精油各成分的含量(以下相同)。柏木烯為0.0135g，在精油中的含量為9.01%；羽毛柏醇為0.0330g，含量為22.02%；柏木醇為0.0339g，含 量 為22.63%；2,2,7,7-四 甲 基 三 環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮為0.0069，含量為4.61%；香柏酮為0.0083，含量為5.54%。將該結(jié)果當(dāng)作北美圓柏中包含的全部柏木醇、羽毛柏醇、柏木烯、2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮，作為計(jì)算轉(zhuǎn)移率的指標(biāo)。

圖1 北美圓柏有機(jī)溶劑提取成分的色譜圖及主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物

2.2 北美圓柏的100℃蒸煮

在100℃蒸煮中提取了0.0263g精油，精油提取率為0.13%。GC－MS色譜圖和主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物見圖2，檢測(cè)出的4種主要成分有羽毛柏醇、柏木醇、2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮。羽毛柏醇為0.0054g，精油中的含量為20.53%；柏木醇為0.0040g，精油中的含量為15.21%；2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮為0.0029，精油中的含量為11.03%；香柏酮為0.0036，精油中的含量為13.69%。以有機(jī)溶劑提取值為理論值計(jì)算轉(zhuǎn)移率，羽毛柏醇、柏木醇、2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮的轉(zhuǎn)移率分別為4.09%、2.95%、10.51%、10.84%。100℃蒸煮精油提取率較低，各成分的轉(zhuǎn)移率也低，并且沒有提取到柏木烯，因此100℃不是提取柏木烯的有效溫度，可能是因?yàn)榘啬鞠┦禽^難揮發(fā)的倍半萜烯類化合物，在100℃蒸煮條件下較難揮發(fā)所致。

圖2 北美圓柏100℃蒸煮提取成分的色譜圖及主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物

2.3 北美圓柏的高溫蒸煮

在160℃蒸煮中提取了0.1651g精油，精油提取率為0.85%。GC－MS色譜圖和主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物見圖3，檢測(cè)到的6種主要成分有柏木烯、羅漢柏烯、羽毛柏醇、柏木醇、2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮。精油各成分重量、精油中的含量、轉(zhuǎn)移率見表1。由表1可知，160℃蒸煮有效提取了有機(jī)溶劑提取中未能提取到的羅漢柏烯，并且羅漢柏烯的含量為11%。柏木烯、2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮的轉(zhuǎn)移率達(dá)到了67-77%，羽毛柏醇、柏木醇的轉(zhuǎn)移率仍然較低分別為7.34%和11.23%。

圖3 北美圓柏160℃蒸煮提取成分的色譜圖及主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物

在170℃蒸煮中提取到0.2193g精油，精油收率為1.12%。GC－MS色譜圖和主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物見圖4，檢測(cè)到的4種主要成分有柏木烯、羅漢柏烯、2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮。精油各成分重量、精油中的含量、轉(zhuǎn)移率見表1。由表1可知，170℃蒸煮時(shí)柏木烯的轉(zhuǎn)移率已經(jīng)超過100%達(dá)到了121.96%，羅漢柏烯的含量上升至16.70%，而未能提取到羽毛柏醇和柏木醇，2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮的轉(zhuǎn)移率分別增加到70.58%和89.44%。

圖4 北美圓柏170℃蒸煮提取成分的色譜圖及主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物

在180℃蒸煮中提取了0.2566g精油，精油提取率為1.31%。GC－MS色譜圖和主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物見圖5，檢測(cè)到的5種主要成分了5-羥甲基-2-糠醛、香草醛、柏木烯、羅漢柏烯、香柏酮。精油各成分重量、精油中的含量、轉(zhuǎn)移率見表1，由表1可知，柏木烯的轉(zhuǎn)移率為168.79%，羅漢柏烯的含量為19.06%，羽毛柏醇、柏木醇、2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮未被提取，香柏酮的轉(zhuǎn)移率為95.22%。除此以外180℃蒸煮時(shí)提取到5-羥甲基-2-糠醛、香草醛2種成分，這兩種成分在其他提取方法中未能提取到說明溫度對(duì)北美圓柏精油成分的提取有影響。

圖5 北美圓柏180℃蒸煮提取成分的色譜圖及主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物

從表1可以看出，隨著蒸煮溫度的上升，精油的提取率也增加，精油的主要成分的轉(zhuǎn)移率也在增加，180℃時(shí)香柏酮的轉(zhuǎn)移率已經(jīng)達(dá)到了95.22%，幾乎全量被提取。在160℃蒸煮中雖然提取到了羽毛柏醇、柏木醇，但精油中的含量和轉(zhuǎn)移率較低，加熱至170℃、180℃時(shí)羽毛柏醇、柏木醇未被提取。同時(shí)，170℃、180℃蒸煮中柏木烯的轉(zhuǎn)移率已經(jīng)超出100%，最高時(shí)達(dá)到了168.79%。并且有機(jī)溶劑提取中未能提取的羅漢柏烯含量已經(jīng)達(dá)到了11.02-19.06%的高值。因此，在170℃以上高溫加熱過程中，羽毛柏醇、柏木醇等倍半萜醇有可能發(fā)生化學(xué)變化轉(zhuǎn)化成柏木烯、羅漢柏烯等倍半萜烯類。為了驗(yàn)證柏木醇是否轉(zhuǎn)成柏木烯，進(jìn)行了柏木醇、羽毛柏醇的高溫蒸煮實(shí)驗(yàn)。

表1 北美圓柏高溫蒸煮精油各成分重量、精油中的含量、轉(zhuǎn)移率

2.4 柏木醇、羽毛柏醇的高溫蒸煮

柏木醇和羽毛柏醇的高溫蒸煮前后的總離子流色譜圖及主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物如圖6所示，高溫蒸煮處理后精油中的柏木醇、羽毛柏醇的含量減少，柏木烯和羅漢柏烯的含量增加了。這是因?yàn)楦邷馗邏籂顟B(tài)下，水分解的氫離子濃度上升，提高了酸性溶劑效應(yīng)，使柏木醇、羽毛柏醇脫水，生成了柏木烯和羅漢柏烯，同時(shí)也可能產(chǎn)生副產(chǎn)物。圖7為柏木醇轉(zhuǎn)化成柏木烯的化學(xué)反應(yīng)推測(cè)示意圖。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，高溫蒸煮處理使柏木醇、羽毛柏醇轉(zhuǎn)化為柏木烯和羅漢柏烯。

圖6 柏木醇和羽毛柏醇的高溫蒸煮前后的色譜圖及主要峰值對(duì)應(yīng)的化合物

圖7 柏木醇轉(zhuǎn)化成柏木烯的化學(xué)反應(yīng)途徑

3 討論與結(jié)論

為了有效利用北美圓柏殘?jiān)瑢?duì)北美圓柏木屑進(jìn)行了有機(jī)溶劑提取、100℃、160℃、170℃、180℃等不同蒸煮條件下提取了精油，對(duì)精油進(jìn)行了提取率及成分分析研究。有機(jī)溶劑精油的主要成分為柏木烯、柏木醇、羅漢柏烯、羽毛柏醇、香柏酮等，與張凱[3]北美圓柏精油成分的結(jié)果基本一致。但主要成分相對(duì)含量及其他成分構(gòu)成上有一定的差別，這表明了北美圓柏精油受取材部位、樹齡、提取工藝、季節(jié)、地理環(huán)境等因素的影響，對(duì)其產(chǎn)生精油構(gòu)成和含量上的差異[16-19]。

100℃蒸煮精油提取率為0.13%，160℃、170℃、180℃蒸煮精油提取率分別為0.85%、1.12%、1.31%，比100℃蒸煮的6.5、8.6、10.1倍，表明精油提取率隨著蒸煮溫度的上升而上升，并且使用100℃蒸煮的1/5的時(shí)間回收了6.5倍以上的精油，達(dá)到了短時(shí)間內(nèi)高效提取精油的目的。100℃、160℃蒸煮精油的羽毛柏醇、柏木醇的轉(zhuǎn)移率較低，170℃、180℃精油中無羽毛柏醇、柏木醇，因此羽毛柏醇、柏木醇的最佳提取條件可能在100-160℃之間。100℃未能提取目標(biāo)成分柏木烯和羅漢柏烯，但高溫蒸煮提取精油中柏木烯的轉(zhuǎn)移率已經(jīng)超過了100%，羅漢柏烯含量高達(dá)19.06%，說明提取更多的柏木烯和羅漢柏烯需要170℃以上高溫蒸煮。通過羽毛柏醇、柏木醇的高溫蒸煮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了170℃、180℃蒸煮條件下羽毛柏醇、柏木醇等倍半萜醇轉(zhuǎn)化成柏木烯、羅漢柏烯等倍半萜烯類化合物的過程，同時(shí)也解釋了高溫蒸煮精油中羅漢柏烯的存在和柏木烯的轉(zhuǎn)移率超過100%的現(xiàn)象。隨著蒸煮溫度的上升香柏酮的轉(zhuǎn)移率也增加，180℃時(shí)的轉(zhuǎn)移率為95.22%，提取率很高。170℃時(shí)轉(zhuǎn)移率為70.48%的2,2,7,7-四甲基三環(huán)[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮，在180℃時(shí)未能提取，它是否轉(zhuǎn)化成柏木烯、羅漢柏烯或其他精油成分需要進(jìn)一步研究。綜上所述，不同蒸煮條件下所提取精油的成分及含量不同，根據(jù)需求可以選擇不同蒸煮溫度獲取不同目標(biāo)成分的精油。

通過北美圓柏木屑精油提取實(shí)驗(yàn)，為林地殘材的進(jìn)一步研究和開發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并可以提高林地殘材的附加價(jià)值。