精油分析技術(shù)的簡(jiǎn)述

廖惠平，謝勇輝，鄧中華，吳東，李夢(mèng)楚，黃文平,3

1.吉安市中心人民醫(yī)院，江西 吉安 343000；2.江西中醫(yī)藥大學(xué)中藥固體制劑制造技術(shù)國家工程研究中心，江西 南昌 330006；3.創(chuàng)新藥物與高效節(jié)能降耗制藥設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330006

精油目前已被廣泛用于衛(wèi)生、民間醫(yī)藥、制藥、化妝品、香精和香料工業(yè)領(lǐng)域。已知的揮發(fā)油有3 000 多種，其中300 多種具有商業(yè)價(jià)值，精油藥用的主要優(yōu)點(diǎn)是它們通常不會(huì)造成長期的遺傳毒性［1-2］。此外，精油還凸顯出顯著的抗誘變功效，具有良好的抗腫瘤作用［3-4］。由于物理化學(xué)性質(zhì)限制了精油的揮發(fā)性，精油中大多數(shù)揮發(fā)成分為萜類、苯丙烷類、苯類和非萜類脂肪族化合物類［5-10］。氣候、遺傳性狀、栽培技術(shù)和土壤等因素對(duì)各種植物的精油成分有很大影響［11］。精油通常通過蒸餾、壓縮、溶劑浸提等方式獲得［12-15］，因此精油的特性也受到所用提取方式的影響。精油的特征研究在于使用可以闡明其化學(xué)成分的分析技術(shù)，例如氣相色譜法（GC）和質(zhì)譜法（GC-MS）等［16］。同時(shí)，可以通過各種最新技術(shù)進(jìn)行分析，例如多維GC、液相色譜法（LC）和GC-LC［17-19］。用于精油分析的另一項(xiàng)重要表征技術(shù)是核磁共振光譜，它也被用來支持從GC-MS 獲得的結(jié)果。此外，新的分析技術(shù)也將為精油的分析提供了新思路。鑒于此，本文對(duì)當(dāng)前精油的表征分析技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，這將有利于新方法的開發(fā)。

1 分析技術(shù)

1.1 GC

GC 是精油分析中最常用的分析技術(shù)。而由于精油成分的極性和揮發(fā)性又使毛細(xì)管氣相色譜成為首選技術(shù)［20-21］。對(duì)于成分表征特點(diǎn)，待分析物通常在具有各種固定相的毛細(xì)管柱上分離，包括極性聚乙二醇（Carbowax?、HP-20 等）和非極性甲基苯基聚硅氧烷（DB-5、CPSil-5 和HP-5）和甲基聚硅氧烷（DB-1、HP-1、OV-101 等）。通過從檢測(cè)器獲得的信息（保留時(shí)間、kovats 指數(shù)和保留指數(shù)）或質(zhì)譜結(jié)果的光譜，兩者組合可鑒定化合物。質(zhì)譜聯(lián)合氣相色譜是分析揮發(fā)性精油成分的常用手段，可用于定性定量。從氣相色譜柱洗脫出來的成分通過CI（化學(xué)電離）或EI（電子撞擊）轉(zhuǎn)化為各自的離子形式，然后這些帶電分子或分子碎片根據(jù)質(zhì)量比、分離電荷比（m/z）進(jìn)入四極桿質(zhì)量過濾器和四極桿離子阱，從而提供特征離子的碎裂模式。對(duì)于揮發(fā)性化合物的分析，傅里葉變換紅外光譜（FTIR）可作為質(zhì)譜的替代，可與GC（GC-FTIR）作為檢測(cè)器一起使用。使用這種光譜技術(shù)可以區(qū)分具有相似EI 質(zhì)譜的異構(gòu)體［22］。傅里葉變換紅外光譜能夠區(qū)分化合物的非常相似的異構(gòu)體，還可以提供有關(guān)整個(gè)（未片段化）分子的信息［23］。使用這種光譜技術(shù)的主要缺點(diǎn)是商業(yè)IR 光譜庫不可用，這會(huì)導(dǎo)致與所獲得數(shù)據(jù)的量化和解釋相關(guān)的問題。使用GC-AES（氣相色譜-原子發(fā)射光譜）和GC-UV（氣相色譜紫外光譜）作為表征技術(shù)也面臨著類似的問題。借助燃燒界面的同位素比氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-IRMS）［24］已成為另一種重要的精油表征分析工具，可通過市售的GC-C-IRMS 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定碳同位素13C/12C 比率的量化。

1.2 對(duì)映選擇性氣相色譜法

基于環(huán)糊精穩(wěn)定的手性開發(fā)已對(duì)精油成分的對(duì)映異構(gòu)體進(jìn)行了相應(yīng)的詳細(xì)研究。這種類型的分析已被用于檢測(cè)污染物、精油成分的質(zhì)量控制，以及研究萜類生物合成所涉及的基本機(jī)制。許多精油已經(jīng)通過對(duì)映選擇性氣相色譜法使用離散手性固定相進(jìn)行了測(cè)試，但事實(shí)證明，在單個(gè)手性柱上無法實(shí)現(xiàn)有效分離。因此，有必要研究開發(fā)處理特定問題的手性分離色譜柱。到目前為止，已經(jīng)有100 多種具有手性選擇功能的固定相，但還沒有通用的手性固定相分離對(duì)映異構(gòu)體的潛力，包括精油在內(nèi)的復(fù)雜基質(zhì)化合物的手性分離通常需要二維方法。對(duì)映選擇性氣相色譜的創(chuàng)新不僅與各種手性固定相的不斷開發(fā)和使用有關(guān)，而且與對(duì)映選擇性分析方法的發(fā)展有關(guān)。最近用于分析精油樣品的一些技術(shù)是：ES-GC-MS（對(duì)映選擇性氣相色譜-質(zhì)譜法）和快速ES-GC-MS［25］。與ES-GC 聯(lián)用的同位素比質(zhì)譜（IRMS）是檢測(cè)含有光學(xué)活性成分的精油的最有效工具。

1.3 氣相色譜-嗅覺測(cè)定法（GC-O）

GC-O 是一種眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)方法，用于評(píng)估復(fù)雜混合物中的氣味成分［26］。該技術(shù)基于兩個(gè)檢測(cè)器同時(shí)感知的洗脫組分的色譜峰之間的相關(guān)性，其中一個(gè)是人類嗅覺系統(tǒng)。多年來，氣相色譜-嗅覺測(cè)定法已廣泛用于精油分析，特別是在柑橘屬植物中。通過使用不同的評(píng)估準(zhǔn)則，GC-O 結(jié)果提供有關(guān)精油中是否存在氣味的信息，確定感知?dú)馕兜暮亢头N類，測(cè)量氣味活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，并量化可能在利用此類化合物中起關(guān)鍵作用的特定氣味的強(qiáng)度。GC-O 還被用于追蹤色譜圖中的氣味活性區(qū)域。

1.4 高效液相色譜法（HPLC）

HPLC 由于其多功能性、選擇性和靈敏度，可以成為分析精油的補(bǔ)充或者是替代技術(shù)。HPLC 通常是分析精油中揮發(fā)性較低成分的首選方法［27-28］。HPLC-MS 的應(yīng)用為復(fù)雜基質(zhì)成分的含量和性質(zhì)提供了極好的信息。有研究報(bào)道使用大氣壓化學(xué)電離（APCI）的 HPLC-MS 系統(tǒng)對(duì)柑橘精油中發(fā)現(xiàn)的氧雜環(huán)化合物［29-31］，包括補(bǔ)骨脂素、多甲氧基黃酮和香豆素進(jìn)行了定量分析；同時(shí)配備反相C-30 柱的LC-APCI-MS（液相色譜-大氣電離質(zhì)譜）被應(yīng)用在柑橘精油種類胡蘿卜素酯的定量分析，檢測(cè)到適量的隱黃質(zhì)酯表明柑橘精油是維生素A 前體的潛在來源。目前，已經(jīng)研究了兩種替代技術(shù)，包括毛細(xì)管液相色譜（CLC）和膠束電動(dòng)色譜（MEKC），用于測(cè)定橙精油（冷壓）中特定的揮發(fā)性成分。毛細(xì)管液相色譜法允許對(duì)萜烯進(jìn)行定量，包括蒎烯、α-蒎烯、檸檬烯和萜烯衍生物，如香芹酮、芳樟醇和檸檬醛，而在膠束電動(dòng)色譜中，苧烯、檸檬烯、檸檬醛、香芹酮和芳樟醇被檢測(cè)到。

1.5 多維色譜技術(shù)

復(fù)雜的樣品，如精油，需要具有極高分辨能力的分析方法，以確保樣品化合物的完整分析。多維色譜是一種提供更高分辨率的技術(shù)。

1.5.1 多維氣相色譜法 由于精油樣品成分的復(fù)雜性，單個(gè)毛細(xì)管柱無法在可接受的時(shí)間內(nèi)完全分離潛在的有效組分。許多萜烯化合物的廣泛峰重疊和結(jié)構(gòu)相似通常是質(zhì)譜分析的障礙。當(dāng)高濃度的基質(zhì)成分掩蓋了它們?cè)跇悠分械拇嬖跁r(shí)，對(duì)微量化合物的明確鑒定是極其困難的。因此，在上述情況下，二維氣相色譜（GC-GC）即成為克服精油成分分析不全面的首選手段。這種技術(shù)是耦合不同極性的色譜柱，并將測(cè)試樣品進(jìn)行兩個(gè)獨(dú)立的步驟進(jìn)行分析。通常，第一根色譜柱是極性較小的固定相色譜柱，第二根色譜柱是極性固定相色譜柱（色譜柱排列取決于樣品）［32-33］。不同的化合物有不同的分離機(jī)制，只要它們提供正交分離，對(duì)于柱相類型組合沒有特定的規(guī)則。在第一個(gè)多維氣相色譜（MDGC）系統(tǒng)中，流出物餾分從第一維到第二維的轉(zhuǎn)移是通過機(jī)械閥實(shí)現(xiàn)的，然而這種方法已被取而代之［34］。一項(xiàng)研究［35］展示了一種使用固相微萃取裝置將單個(gè)GC 峰轉(zhuǎn)移到第二根色譜柱的方法。相關(guān)研究人員開發(fā)了六個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械閥作為接口的二維綜合氣相色譜（GC-GC）并用于確定柑橘精油的對(duì)映體成分的分析。這種連用技術(shù)在分析薄荷精油中的應(yīng)用表明，與一維氣相色譜法相比，分離能力提高了兩到三倍。該技術(shù)在茶樹和薰衣草精油的分離中得到應(yīng)用，使得GC-GC 可用于芳香化合物的分析。GC-GC 與飛行時(shí)間質(zhì)譜（TOFMS）的連接則表示一種三維連用技術(shù)。這種連用技術(shù)首先應(yīng)用于薰衣草精油的分離和表征，并經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化以完全利用三個(gè)分析維度。在研究中，使用該技術(shù)（GC-GC-TOFMS）從蓍草精油中表征了近400 種化合物。

1.5.2 多維液相色譜法 二維液相色譜是一種新技術(shù)，它結(jié)合了兩個(gè)具有正交選擇性的獨(dú)立液相色譜（LC）分離系統(tǒng)。二維反相和正相模式的應(yīng)用使復(fù)雜的天然成分得以分離，這些成分往往具有大小相當(dāng)、疏水性和極性不同等特征。二維液相色譜在精油分析中的應(yīng)用已有不少的報(bào)道。有學(xué)者使用綜合二維液相色譜（2D-LC）分析冷壓檸檬精油中的雜環(huán)氧化合物，其原理是基于在正相模式下一維操作的微孔硅膠柱以及C18 色譜柱（整體式）反相模式的二維運(yùn)行［36］。另有研究人員［37］開發(fā)了一種分析和識(shí)別極其復(fù)雜基質(zhì)（如橙精油）的天然類胡蘿卜素特征的二維技術(shù)，使用未經(jīng)任何預(yù)處理的橙精油樣品在LC-LC-DAD/APCI/MS 中鑒定出40 種不同的類胡蘿卜素，包括游離類胡蘿卜素、類胡蘿卜素單酯和類胡蘿卜素二酯等。通過兩個(gè)不同性質(zhì)的色譜柱進(jìn)行分離使用，將質(zhì)譜儀（MS）檢測(cè)器與使用大氣壓化學(xué)電離接口（APCI）操作的光電二極管陣列檢測(cè)器（DAD）并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

1.6 13C-NMR 光譜法

精油成分的13C-NMR 分析是基于精油成分中的13C-NMR 光譜與在理想條件下記錄的純化合物光譜的比較。Karl-Heinz Kubeczka 是運(yùn)用13C-NMR 技術(shù)在精油分析領(lǐng)域中的先驅(qū)［37］，他概述了用于精油成分表征的分析方法，包括13C-NMR，并建立了相應(yīng)的譜庫。已有60 余種應(yīng)用于化妝品、制藥、食品、民間醫(yī)藥和香水行業(yè)的商業(yè)精油的采用了13C-NMR光譜分析。這些光譜有助于商業(yè)精油的鑒定和被測(cè)精油中的個(gè)別特征成分的鑒定。13C-NMR 光譜通常與GC-MS 數(shù)據(jù)結(jié)合使用［38］。與GC-MS 相比，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于分析不耐熱的化合物、立體異構(gòu)體和其他顯示分辨率較差的光譜模式的化合物［39］。有研究［40］報(bào)道使用13C-NMR 光譜法確定了驅(qū)蛔素（熱敏化合物）的實(shí)際含量。如今，通過開發(fā)各種計(jì)算技術(shù)來分析13C-NMR 數(shù)據(jù)以便識(shí)別精油的化學(xué)成分，其中一些依賴于信號(hào)強(qiáng)度和化學(xué)位移，而另一些則考慮13C-NMR DEPT 光譜的多重性。

1.7 化學(xué)計(jì)量學(xué)

隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)和統(tǒng)計(jì)軟件的應(yīng)用發(fā)展，傳統(tǒng)的精油分析技術(shù)得到了不斷的發(fā)展。其中“多變量分析”是最常用的方法，尤其是PCA（主成分方法）用于描述以變量數(shù)量為特征的樣本內(nèi)的差異，變量解釋以線性方式組合表示。借助該方法，可以在區(qū)分樣本時(shí)對(duì)具有最大統(tǒng)計(jì)意義變量（MS 片段或單個(gè)成分）的樣本組進(jìn)行區(qū)分［41-43］。這有助于區(qū)分精油起源、化學(xué)成分分類以及原植物在遺傳水平上物種之間信息的差異。

2 結(jié)語

精油是復(fù)雜的化學(xué)混合物，其質(zhì)量取決于地理區(qū)域、收獲時(shí)間、氣候條件、提取方法、分析技術(shù)、儲(chǔ)存等。在這篇綜述中，我們概述了精油的分析技術(shù)。從分析的角度來看，GC 是分析精油應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，不僅用于定性和定量目的，而且還可以揭示摻假。諸如FID、MS、NMR 等檢測(cè)器對(duì)精油成分的定性定量有著積極作用，但無法解決色譜峰分離問題。繼而多維氣相色譜受到關(guān)注，MDGC 方法正變得越來越普遍，以解決重疊峰并在單次運(yùn)行中確定具有不同極性的精油成分。此外，精油的分析離不開提供目標(biāo)信息的化學(xué)計(jì)量學(xué)工具。鑒于精油在食品、制藥、化妝品等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)品質(zhì)量正受到越來越多的關(guān)注。