微波輔助水蒸氣蒸餾法提取番石榴葉精油

趙艷芬 ,徐明 ,楊磊* ,宋進云 ,莫開林*

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；3.華鎣市林業(yè)發(fā)展中心，四川 廣安 638600

番石榴（Psidium guajava），屬于桃金娘科番石榴屬植物。原產(chǎn)于南美洲，現(xiàn)在中國南方各地栽培，主產(chǎn)區(qū)為福建、廣東、廣西和四川攀枝花等地[1]。番石榴是一種受人們喜愛的熱帶水果，其葉子在民間醫(yī)學(xué)中已使用多年，特別是在治療糖尿病的作用上[2]。例如，在中國福建南部，葉子被用作治療糖尿病的常規(guī)草藥，并且已經(jīng)驗證了乙醇和水溶性提取物具有抗高血糖的功能[3]。此外，藥理學(xué)研究表明，番石榴葉還具有抗炎[4]、抗菌[5]、抗增殖[6]和抗氧化作用[7]。

近年來，作為天然物質(zhì)來源的精油因其特殊而重要的生物活性，包括分離與純化、組分鑒定、生物活性分析等，越來越受到人們的關(guān)注[8-11]。微波輔助水蒸氣蒸餾具有滲透性強、選擇性高、微波加熱效率高、能耗低、速度快等優(yōu)點[11]。微波輔助水蒸氣蒸餾是微波與傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法相結(jié)合形成的一種新方法，它利用微波能量破壞植物細胞壁，使細胞內(nèi)水分子瞬時氣化，造成局部較高溫度及壓力使目標成分從植物基質(zhì)中分離出來[10]。本工作旨在研究影響微波輔助水蒸氣蒸餾工藝從番石榴葉中提取精油的潛在參數(shù)，包括液料比、微波輻照功率和微波輻照時間，運用GC-MS 分析獲得的精油組成。通過微波輔助水蒸氣蒸餾法提取攀枝花番石榴葉精油，以期為番石榴葉的開發(fā)和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與儀器

番石榴新鮮葉2020 年9 月采自四川攀枝花市，經(jīng)東北林業(yè)大學(xué)谷會巖教授鑒定。葉片冷鏈運至實驗場所，樣品在陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，粉碎機粉碎，分樣篩篩取均勻尺寸(50～70 目篩)的葉片粉末，在室溫下儲存在密閉干燥器中避光儲存。實驗所用的樣品均為同一批次。樣品干燥失重經(jīng)測定為12.33% ±0.52%。

微波水蒸氣蒸餾裝置采用家用微波爐改造，頂端鉆孔，安裝精油提取器。微波爐型號為P70D2 0N1P-G5，格蘭仕公司產(chǎn)品，旋鈕式分檔，低火、中低火、中火、中高火和高火對應(yīng)的微波輻照功率分別為230 W、385 W、540 W 和700 W。微波爐改造由東北林業(yè)大學(xué)工科教學(xué)實習(xí)中心完成，經(jīng)測試無微波泄露。

2 實驗方法

2.1 微波輔助水蒸氣蒸餾法制備番石榴葉精油

將精確稱重的50.0 g 番石榴葉粉末的加入到圓底玻璃燒瓶中，加入一定體積的純水。開啟微波爐至設(shè)定的功率，當?shù)谝坏嗡畯睦淠鞯南露说蜗聲r開始計時，在不同的微波輻照功率下蒸餾一定時間。通過精油提取器的刻度管讀取精油的體積。待精油不再增加后，用具蓋玻璃瓶收集精油，然后將其儲存在 4 ℃ 冰箱中，直至GC-MS 分析。

2.2 氣相色譜-質(zhì)譜分析番石榴葉精油組分

微波輔助水蒸氣蒸餾后，獲得的番石榴葉精油用正己烷 (1:100,v/v) 稀釋，然后在Agilent 7890A-7000B 氣質(zhì)聯(lián)用儀（Agilent Technologies,Palo Alto,CA,美國）對組分進行分析，具體操作步驟和參數(shù)見文獻[10]中所述?；诰蜆悠放c已知的類似化合物數(shù)據(jù)庫（Wiley，質(zhì)譜庫，NIST05）的比較和質(zhì)譜文獻數(shù)據(jù)中的質(zhì)譜碎片模式，確定精油的化學(xué)成分。此外，采用歸一化法計算精油的百分比組成。

3 結(jié)果與討論

3.1 液料比對精油得率的影響

以純水為溶劑，液料比分別為4、6、8、10 和12 mL·g-1，微波輻照功率為385 W，微波輻照時間為30 min,實驗結(jié)果如圖1 所示。液料比4 mL·g-1時，液料比過小，植物基質(zhì)中的可溶成分以高濃度溶解在溶劑中，不利于揮發(fā)性成分的傳質(zhì)。當液料比增加，達到6 mL·g-1時，精油的得率趨于最大；繼續(xù)增加液料比，精油得率幾乎沒有增加。隨著液料比變大，增加了水蒸氣蒸餾過程的能耗和廢水處理量，造成浪費。因此，在接下來的實驗中，選擇6 mL·g-1作為液料比。

圖1 液料比對精油得率的影響Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on the yield of essential oil

3.2 微波輻照功率對精油得率的影響

研究發(fā)現(xiàn)，微波輻照功率對番石榴葉精油的得率有顯著影響，見圖2。本實驗選擇液料比為6 mL·g-1，微波輻照時間為30 min。當微波輻照功率從 230 W增加到 700 W 時，精油的得率顯著增加。這種得率的增加歸因于微波輻照能量可以提高水滲透到植物基質(zhì)中的程度。通過這種方式，水可以通過分子與電磁場的相互作用有效地傳遞給目標物，從而將能量快速傳遞給溶劑和基質(zhì)，并迅速提取目標成分。在本實驗儀器使用功率范圍內(nèi)，功率越大則精油的得率越高。當微波功率超過540 W 時，精油得率增加趨勢變緩。微波功率越大，能耗也越高，物料在快速受熱下容易造成局部受熱不均而使目標物產(chǎn)生異構(gòu)化或者降解。因此，我們確定微波輻照功率540 W 為適宜的條件。

圖2 微波輻照功率的影響Fig.2 Effect of microwave irradiation power on the yield of essential oil

3.3 微波輻照時間對精油得率的影響

液料比6 mL·g-1、微波輻照功率700 W 的條件下，在10～60 min 的范圍內(nèi)研究了微波輻照時間對精油得率的影響。根據(jù)圖3 所示的結(jié)果，隨著微波輻照時間從 10 min 增加到 40 min，精油的得率增加較明顯。當微波輻照時間從 40 min 增加到 60 min 時精油的得率增加趨勢變緩。過長的微波輻照時間增加了能耗，使整個操作的效率變低，因此，微波輻照時間以適度為好。因此，40 min 的微波輻照時間為佳。

圖3 微波輻照時間的影響Fig.3 Effect of microwave irradiation time on the yield of essential oil

3.4 單因素提取工藝的驗證

精確稱取50.0 g 番石榴葉粉末，采用液料比6 mL·g-1、微波輻照功率540 W、微波輻照時間40 min 為提取工藝，精油得率為31.76 ± 1.45 mL·kg-1。

3.5 精油中的成分

精油成分采用GC-MS 分析，微波輔助水蒸氣蒸餾法制備的番石榴葉精油結(jié)果如表1 所示。共鑒定出17 種化合物，占總揮發(fā)性化合物的99.46%。從17 種揮發(fā)性成分的 相對百分含量值來看，石竹烯（Caryophyllene）、菖蒲烯A（Calamenene A）、乙酸橙花酯（Nerolidyl acetate）和胡麻烯環(huán)氧化物（Humulene epoxide）占比較大，其中石竹烯含量達28% 以上，與文獻報道一致[12]。

表1 番石榴葉精油組分分析Tab.1 Chemical composition analysis of the essential oil extracted from Psidium guajava the leaves of by GC-MS analysis.

4 結(jié)論

本文成功建立了一種綠色高效的微波輔助蒸餾提取法從番石榴葉中提取精油的方法。以純水為溶劑，最佳工藝條件為：液料比6 mL·g-1，微波輻照功率540 W，微波輻照時間40 min。在優(yōu)化條件下，精油得率為31.76 ± 1.45 mL·kg-1。所得精油的GC-MS 分析表明，該精油的主要成分為石竹烯（Caryophyllene）、菖蒲烯A（Calamenene A）、乙酸橙花酯（Nerolidyl acetate）和胡麻烯環(huán)氧化物（Humulene epoxide）等。石竹烯用于調(diào)配丁香、胡椒、肉豆蔻、柑橘、藥草等食用香精，也可用于合成其他香料，如用來合成乙?；裣┑雀袃r值的香料。乙酸橙花酯主要用以配制生梨、蘋果、檸檬、桃子、樹莓、柑橘類等水果型香精。與傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾方法相比，微波輔助蒸餾提取法具有收率高、耗時短、能耗低等優(yōu)點，被認為是從植物基質(zhì)中分離精油的潛在有效和可持續(xù)的替代技術(shù)。