微波提取對揮發油化學成分的影響

摘 要 采用無溶劑微波輔助提取與微波水蒸氣蒸餾法提取薄荷葉和花椒揮發油，氣相色譜-質譜（GC-MS）分析揮發油化學成分，與傳統的水蒸氣蒸餾對比，考察了微波對揮發油化學成分的影響。結果表明，微波促使薄荷葉揮發油中的薄荷醇氧化， 轉變為長葉薄荷酮和少量的薄荷呋喃酮。花椒揮發油中的桉油素等化合物受質子的催化，在長時間溫度較高的提取條件下重排轉變為α-里哪醇。微波提取時間大于50～70 min，對該重排有促進作用；微波提取時間小于50 min，該重排反應幾乎不發生。無溶劑微波輔助提取由于提取速率快、提取時間短（40 min），在一定程度上避免了該重排反應，得到較多的桉油素，而水蒸氣蒸餾得到較多的重排產物α-里哪醇，微波水蒸氣蒸餾介于二者之間。

關鍵詞 微波輔助提取；微波水蒸氣蒸餾；薄荷；花椒；揮發油

1 引 言

微波提取速度快、能量利用率高，廣泛應用于揮發油的提取[1，2]。微波的引入，加快了提取速率、節約了能源，但微波對有機反應有促進作用，增大了有效成分被破壞的風險。關于微波對揮發油有效成分的影響已有報道[3～6]。與傳統水蒸氣蒸餾法（Hydro-distillation， HD）相比，微波加快了提取速率。也有人認為，微波提取的單萜類氧化物的含量較高，而單萜類化合物含量較低，其原因是微波提取時間短，降低了單萜類氧化物發生水解、熱解、氧化、酯化等化學反應的可能性，因此微波不會對揮發油有效成分產生破壞作用[7～10]。目前，對于微波對揮發油有效成分提取過程的影響尚缺乏系統的研究。本研究以新鮮薄荷和花椒為提取對象，采用微波輔助-水蒸氣蒸餾法（MAHD）、無溶劑微波提取法（SFME）和HD法提取揮發油，氣相色譜-質譜（GC-MS）分析成分，評估了微波對揮發油主要成分發生相關化學變化的作用，對揮發油的質量控制及微波輔助提取技術的發展與應用具有指導意義。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

WF-4000微波反應系統（上海屹堯分析儀器有限公司）；LWMC-204多模可調功率微波化學反應器（南京陵江科技開發有限公司）；98-I-B型控溫電加熱套（天津泰斯特儀器有限公司）；TRACE GC ULTRA-DSQⅡ氣質聯用儀（美國Thermo公司）；揮發油收集器（自制）。新鮮薄荷葉（產于重慶，不經任何處理，含水約70%）；新鮮青花椒（產于重慶，不經任何處理，含水約60%）；甲醇（優級純）；無水Na2SO4（分析純）。

2.2 氣相色譜-質譜條件

2.2.1 薄荷葉揮發油氣相色譜-質譜檢測條件 色譜條件：AB-5MS毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm×025

SymbolmA@ m）；程序升溫：柱溫起始70 ℃，保持2 min；以3 ℃/min升至100 ℃；以8 ℃/min升至130 ℃，保持1 min；以2 ℃/min升到150 ℃，保持1 min；再以10 ℃/min升到230 ℃，保持2 min。載氣：He氣，流速10 mL/min；進樣口溫度230 ℃；不分流進樣，進樣量為0.02

SymbolmA@ L。接口溫度為250 ℃。質譜條件：EI源電子能量70 eV，離子源溫度250 ℃；質量掃描范圍：45～550 amu；溶劑延遲3 min。

2.2.2 花椒揮發油氣相色譜質譜檢測條件 色譜條件：AB-5MS毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25

SymbolmA@ m）；程序升溫：柱溫起始60 ℃，保持1 min，以3 ℃/min升至120 ℃，再以8 ℃/min升至220 ℃，保持1 min。載氣為He氣，流速10 mL/min；進樣口溫度230 ℃；不分流進樣，進樣量為0.02

SymbolmA@ L；接口溫度為230 ℃。質譜條件：EI源電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃；質量掃描范圍：45～350 amu；溶劑延遲3 min。

2.3 實驗方法

2.3.1 無溶劑微波輔助提取法（SFME） 稱取100 g樣品，置于250～500 mL圓底燒瓶中，連接揮發油收集器，設定微波功率進行微波提取。提取完全后，收集上層油相，用無水Na2SO4干燥，4 ℃儲藏，待測。

2.3.2 微波-水蒸氣蒸餾法（MAHD） 稱取100 g提取材料，置于500 mL圓底燒瓶中，加入250 mL蒸餾水，安裝揮發油測定儀，于微波儀中施加一定功率進行微波提取。其余操作同2.3.1。

2.3.3 水蒸氣蒸餾法（HD） 稱取100 g提取材料，置于500 mL圓底燒瓶中，加入250 mL蒸餾水，安裝揮發油收集器，用電熱套加熱進行水蒸氣蒸餾提取。其余操作同2.3.1。

分 析 化 學第39卷

第1期鄒小兵等： 微波提取對揮發油化學成分的影響

3 結果與討論

3.1 微波對薄荷揮發油成分的影響

采用3種提取方法HD、MAHD和SFME所得薄荷揮發油的主要成分及其相對含量見表1。HD法以薄荷醇為主成分（51.59%），兩種微波輔助提取法以長葉薄荷酮為主成分（SFME: 82.87%， MAHD: 65.14%）。從HD到MAHD、SFME，薄荷醇、薄荷酮和異薄荷酮的含量逐漸下降，長葉薄荷酮和薄荷呋喃酮的含量逐漸上升，其中又以薄荷醇的下降和長葉薄荷酮的上升最為顯著。在微波提取過程中， 發生了從薄荷醇經由異

表1 SFME， MAHD和HD所提薄荷揮發油主要化學成分的保留時間、分子式和相對含量

Table 1 Retention time， formula and relative content of the main chemical compositions in essential oil obtained from Menthahapioealyx Briq extraction by solvent free microwave extraction （SFME）， microwave assisted hydro-distillation （MAHD） and hydro-distillation （HD）

編號 No.保留時間

HDMW: 水蒸氣蒸餾所得揮發油樣品在400 W的微波功率下微波輻射10 min（Essential oil obtained by HD was radiated under 400 W of microwave power for 10 min）。

圖解1 Menthol氧化轉變為Pulegone和Mint furanone的解析

Scheme 1 Illustrations for menthol oxidized into Pulegone and Mint furanone薄荷酮、薄荷酮到長葉薄荷酮的氧化反應，另外可能還有少量氧化為薄荷呋喃酮（圖解1）。SFME由于微波直接作用于被提取物，轉變得最徹底，只殘留了2.58%薄荷醇；MAHD由于水對微波的吸收，在一定程度上削弱了微波對提取物的作用，殘留了19.24%薄荷醇未被氧化；而HD未經微波作用，絕大部分（57.57%）薄荷醇都未發生氧化反應。

將HD所提取的薄荷揮發油樣品在400 W微波輻射10 min，利用GC/MS進行分析，結果見表1。薄荷酮、異薄荷酮和薄荷醇的相對含量分別由3.76%， 4.04%和5157%降低為1.14%， 0.38%和2.67%；長葉薄荷酮的相對含量由31.66%增加到82.65%，薄荷呋喃酮的相對含量由0.47%上升到2.11%；微波輻射之后，薄荷醇和長葉薄荷酮的相對含量也與SFME接近。根據表1統計，各種方法所得以上5種物質的總量接近。微波對薄荷葉揮發油的提取過程中的氧化反應有顯著的促進作用。

3.2 微波對花椒揮發油成分的影響

花椒揮發油主要以單萜類含氧化合物為主，主要成分為C10H18O 的7種異構體（見表2）；HD， MAHD和SFME所得的主成份桉油素的含量逐漸升高；而α-里哪醇的含量卻逐漸下降。

表2 SFME， MAHD和HD所提花椒揮發油主要化學成分的保留時間、分子式和相對含量

Table 2 Retention time（tR）， formula and relative content of chemical compositions in essential oil obtained from Zanthoxylum bungeanum Maxim by SFME， MAHD and HD

編號No.保留時間tR（min）化合物Components分子式

Formula相對含量 Relative content（%）SFME

（160 W，

40 min）MAHD

（160 W，

70 min）HD

（4 h）MWHD

（400 Ｗ，

10 min）

a8.64桉油素 EucalyptolC10H18O65.32

56.05

55.8937.87

b11.33

SymbolaA@ -里哪醇

SymbolaA@ -LinaloolC10H18O2.187.6215.37

32.92

c12.19反式-4-異丙基-1-甲基-2-環己烯-1-醇 trans-4-Isopropyl-1-methyl-2-cyclohexen-1-olC10H圖解2 花椒揮發油中某些化合物轉變為α-里哪醇的重排反應

Scheme 2 Some compounds in Zanthoxylum bungeanum Maxim changed to α-Linalool by rearrangement reaction

a～g同表2（a－g are the same as in Table 2）\\.

將HD所提取的花椒揮發油樣品在400 W的微波功率下微波輻射10 min，利用GC-MS進行分析比較，結果見表 2。桉油素的含量由55.89%下降為3787%，α-里哪醇的含量由15.37%上升至32.92%，顯示微波促進了由桉油素到α-里哪醇的化學變化（圖解2）。

采用SFME法提取花椒揮發油，并取不同提取時間的樣品進行GC/MS分析，計算揮發油各主要成分的相對含量，結果見表3。從表3可見，隨著提取時間的增加，除α-里哪醇外的5個化合物的相對含量明顯變低，以桉油素變化最大；而α-里哪醇的含量隨著提取時間的延長而增加，且在50～70 min之間變化尤為明顯。此結果表明，以上5種化合物在微波提取50～70 min之間，有重排轉化成α-里哪醇的傾向（圖解2），其中以桉油素到α-里哪醇的轉化最為明顯。而在30～50 min 內，SFME過程中上述重排的傾向不明顯。

表3 不同微波功率下SFME所提花椒揮發油中化合物的相對含量隨提取時間的變化

Table 3 Relative content of compounds in essential oil obtained from Zanthoxylum bungeanum Maxim by SFME changed with time at different microwave power levels

編號

No.相對含量 Relative content（%）120 W30 min50 min70 min140 W30 min50 min70 min160 W30 min50 min70 min180 W30 min50 min70 min

0.32 a～g同表2（a－g are the same as in Table 2）\\.

在SFME過程中，微波提取70 min，化合物桉油素等5種化合物基本上都重排轉化為α-里哪醇；而在HD過程中提取4 h，僅含有1537%重排產物α-里哪醇，仍然有55.89%桉油素未轉化為α-里哪醇。

花椒揮發油直接微波裸射10 min即可顯著發生重排反應，SFME提取30～50 min內仍不明顯，說明花椒表層纖維物質、水分等對微波的吸收，阻礙了微波對揮發油主要成分的作用。當提取時間達到50～70 min，該重排反應基本進行完全，這說明提取時間較長，揮發油由內層擴散至外層，暴露于微波輻射之下，導致重排反應迅速發生。由于微波對提取的加速，SFME可以在40 min內完成提取（表2），不足以發生上述重排，所提揮發油的主要成分是桉油素。由于HD提取時間長（4 h），在長時間高溫條件下，揮發油中的上述5種化合物在質子催化下，部分發生重排變成了順式的4-異丙基-1-甲基-2-環己烯-1-醇（反式的重排不明顯），HD提取到的揮發油主要成分是重排產物α-里哪醇，及少量桉油素。由于MAHD提取時間比HD短，但比SFME長，在較弱的微波作用下，有部分桉油素轉變為α-里哪醇。

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Study on Contribution of Microwave to Changes of Chemical

Composition in Extraction of Essential Oils

ZOU Xiao-Bing1，2， TAO Jin-Zhuan1， XIA Zhi-Ning*1，2， YU Yan-Lin2， HUANG Rui2， KONG Na1

1（College of Chemistry and Chemical Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044）

2（College of bioengineering， Chongqing University， Chongqing 400044）

Abstract Essential oil from mentha hapioealyx briq and zanthoxylum bungeanum maxim was extracted by solvent free microwave extraction（SFME） and microwave assisted hydro-distillation（MAHD）， and GC/MS was used for the qualitation and quantification analysis for the chemical composition in the essential oils. Hydro-distillation（HD） was compared to study the contribution of microwave to the composition changes in the extraction process. The experimental results showed that microwave can promote the menthol from the essential oil of mentha hapioealyx briq oxidized into pulegone and slight mint furanone. The eucalyptol from the essential oil of zanthoxylum bungeanum maxim would be transformed to α-linalool through arrangement reaction catalysis by proton in high temperature environment for a long time. When the microwave action time was exceeded 50－70 min， above arrangement reaction would be promoted. When action time of microwave was less than 50 min， above arrangement reaction almost did not be observed. Microwave can speed up the extraction， especially for SFME. By microwave method， the extraction time is so short（40 min） that above rearrangement was avoided and more eucalyptol was obtained. In comparison with microwave method， more rearrangement product of α-linalool was obtained by HD method， and MAHD is the medium of above two methods.

Keywords Solvent free microwave extraction; Microwave assisted hydro-distillation; Mentha hapioealyx briq; Zanthoxylum bungeanum maxim; Essential oils

（Received 3 April 2010; accepted 26 August 2010）