基于金屬基低共熔溶劑的微波輔助水蒸氣蒸餾法提取小茴香精油及其氣相色譜-質譜分析

祖光*

(1.浙江大學附屬中學，杭州 310007;2.浙江工業大學化學工程學院，杭州 310014)

1 前言

小茴香為傘形科植物茴香(Foeniculum vulgare Mill .)的干燥成熟果實, 它不僅是一種調味品, 也是一種傳統中藥。小茴香精油具有驅風和抗菌作用, 其藥理作用主要是由于其所含的茴香腦、草蒿腦和小茴香酮等成分[1-3]。植物精油的提取方法一般采用壓榨法[4]，水蒸氣蒸餾法[4]，有機溶劑浸制[3-5]、超聲輔助萃取[6,7]，超聲輔助酶解[8]，超聲霧化萃取[2,9]，超臨界流體萃取[3,10,11]，微波輔助萃取(MAE)[12-15]等。微波輔助萃取是一種通過微波加熱樣品和溶劑混合物的方法，它主要利用微波的離子傳導和偶極旋轉的特性。根據不同化合物對微波的不同吸收能力，采用高頻電磁波選擇性加熱樣品，從而促進目標物質的提取。微波輔助萃取法提取植物精油具有能耗低，時間短，效率高，產品質量高等優點。2004年，Abbott[16]等人提出了低共熔溶劑(DES)，DES是一種綠色的新型溶劑，大多數DES在室溫下是液體，具有良好的熱穩定性、低揮發性等，特別是其具有良好的生物降解性、制備簡單、成本低等優點。近年來的研究表明，一些DES能溶解纖維素[17-19]，這是促進細胞內化合物釋放的新途徑。2009年，R.B?ck 課題組[20]提出了氯化膽堿、尿素和氯化鐵組成的金屬基低共熔溶劑，2015年，曹金課題組[21]提出了用氯化膽堿和氯化鐵組成的金屬基低共熔溶劑用于合成芳烴。本文嘗試將氯化膽堿、乙二醇和氯化鐵組成的新型金屬基低共熔溶劑用于提取植物精油研究，建立一種基于金屬基低共熔溶劑的微波輔助水蒸氣蒸餾法(MDES-MHD)，并將該新方法用于提取小茴香精油。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

GC2000/MS6100 GC-MS聯用儀，聚光科技股份有限公司；XH-100A型微波催化合成/萃取儀，北京祥鵠科技發展有限公司；AL204電子分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。小茴香，購自浙江杭州九州大藥房；氯化膽堿，乙二醇，六水合氯化鐵，正己烷(分析純)，購自美國阿拉丁試劑有限公司；C8-C26的正構烷烴標樣(色譜純)，購自美國西格瑪化學有限公司。

2.2 實驗條件

色譜條件：毛細管色譜柱：DB-5石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；色譜柱程序升溫：起始溫度40 ℃，保持9.6 min；以3 ℃/min升溫至250℃，保持2.5 min；載氣為高純氦氣(99.999%)，流量為1 mL/min；不分流進樣；進樣口溫度：250 ℃。

質譜條件：電子轟擊(EI)離子源；電子能量70 eV；離子阱溫度180 ℃；歧管溫度50 ℃；傳輸線溫度250 ℃；掃描模式：全掃描；掃描速度 3 scans/s，溶劑延遲5 min。

2.3 實驗方法

2.3.1 DES的制備

將1mol氯化膽堿、2mol乙二醇和1mol六水合氯化鐵混合，保持溫度在80 ℃下在磁力攪拌器上加熱攪拌2 h，直到形成均一透明的液體。

2.3.2 小茴香精油的提取

小茴香精油的提取過程分為三個階段：預處理階段，快速加熱階段和水蒸氣蒸餾階段。三個階段均在微波反應器(北京祥鵠科技發展有限公司)內進行。(1)預處理階段：在一個特制的500 mL的三口燒瓶中，稱取20.0g研磨后的小茴香粉末與100.0g MDES混合后置于微波反應器內，按照圖1所示連接好實驗裝置，然后設置好微波功率600W、溫度80℃和預處理時間為5min；(2)快速加熱階段：預處理階段結束后，向燒瓶中加入200 mL的蒸餾水，然后設置微波功率為600 W，溫度110 ℃，時間為6 min，使體系的溫度快速接近水的沸點；(3)水蒸氣蒸餾階段：保持體系的溫度保持不變，微波功率為300W，時間設定30min。此外，同時使用微波輔助水蒸氣蒸餾(MHD)(即預處理階段100.0g MDES換為100.0g蒸餾水，其他過程同上)提取小茴香精油。

圖1 實驗裝置圖

蒸餾結束后，分水器中的精油經分離干燥后，經正己烷稀釋一定倍數后，取1 μL精油稀釋液進行GC-MS分析。

2.3.3 精油的定性和相對含量分析

以EI為電離源，進行色譜-質譜聯用分析，采集得到的總離子流圖中各質譜圖，利用NIST質譜庫檢索，同時采用保留指數和參考文獻來進一步輔助質譜檢索，即通過保留指數結合質譜檢索的二維定性方法來進一步提高化合物定性的可靠性；定量分析結果依據總離子流色譜峰的峰面積歸一化法來計算各組分的相對含量。本實驗用于測定保留指數的正構烷烴系列標準樣品為C8-C26。計算公式如下：

(1)

式中：I為待測物保留指數計算值；tn、tn+1分別為含兩個相近正構烷烴在相同方法下的保留時間；tx為待測物的保留時間。

3 結果討論

分別采用MHD和MDES-MHD得到小茴香精油的GC-MS總離子色譜圖(TIC)，見圖2，MHD及MDES-MHD提取所得小茴香精油中的揮發性成分及其相對含量如表1所示。各組分的相對含量通過峰面積歸一化方法確定，采用MHD和MDES-MHD提取所得小茴香精油中分別鑒定出26和44種揮發性成分。這兩種方法提取所得小茴香精油中的主要成分也是茴香腦和草蒿腦等化合物，這與文獻[1-3]的報道一致。

圖2 小茴香精油的GC-MS總離子色譜圖(TIC)上圖為MHD提取所得小茴香精油的GC-MS總離子色譜圖；下圖為MDES-MHD提取所得小茴香精油的GC-MS總離子色譜圖

序號保留時間 (min)名稱CAS號分子式相對分子質量相對含量(%)方法1方法219.51 trans-Ocimene(反式-羅勒烯)3779-61-1C10H161360.02ND210.05 Camphene(莰烯)79-92-5 C10H16136ND0.01310.96 α-Pinene(α-蒎烯)127-91-3 C10H161360.010.04411.91 β-Phellandrene(α-水芹烯)99-83-2C10H161360.01ND512.17 Isocineole(異山梨糖醇)470-67-7 C10H18O154ND2.99612.26 β-Terpinene(α-松油烯)99-86-5 C10H161360.01ND712.52 α-Cymene(α-傘花烴)535-77-3 C10H141340.020.24812.70 d-Sylvestrene(樅油烯)1461-27-4 C10H161360.50.8912.80 Eucalyptol(桉樹腦)470-82-6 C10H18O154ND0.11012.95 α-cis-Ocimene(羅勒烯)3338-55-4C10H161360.03ND1113.78 Terpinen(萜品烯) 99-85-4 C10H161360.040.131214.54 Formic acid, phenylmethyl ester(甲酸芐酯)104-57-4C8H8O2136ND0.21314.85 Terpinolene(異松油烯)586-62-9 C10H161360.010.291414.99 Fenchone(葑酮)1195-79-5C10H16O1522.074.371515.41 Butanoic acid, 2-methyl-, 3-methylbutyl ester(2-甲基丁酸-3-甲基丁酯)27625-35-0 C10H20O2172ND0.011616.19 Fenchol, exo-(小茴香醇)22627-95-8 C10H18O154ND0.011716.47 trans-2-Pinanol(反-2-蒎烷醇)4948-29-2 C10H18O1540.01ND1816.87 1-Terpinenol(1-萜品烯醇)586-82-3 C10H18O154ND0.01

續表1

續表1

ND: 未檢測到方法1: MHD; 方法2: MDES-MHD

從表1可知，MDES-MHD與MHD兩種方法提取所得小茴香精油中的主要成分基本一致，但經過MDES處理后所得小茴香精油中含有更多揮發性成分，如異山梨糖醇(2.99%)、對甲氧基苯乙酮(1.51%)、鄰茴香酰氯(1.45%)、芐醚(1.26)、對甲氧基苯甲醚(0.71%)、大茴香醛(0.55%)、乙酸芐酯(0.37%)、甲酸芐酯(0.2%)、芹菜腦(0.17%)和對甲氧基丙酮(0.14%)等。研究結果表明，采用MDES作為預處理溶劑可以使精油中組分的相對含量發生一定的變化；此外，采用MDES-MHD得到精油中含有一些含氧化合物，例如醇，醛和酯，而這些在MHD方法得到的精油中含量很少。這可能是因為MDES對小茴香植物細胞壁纖維素結構的溶劑化，DES破壞了了小茴香植物細胞表面上的纖維素結構，從而由小茴香植物細胞內釋放出更多的化合物，即小茴香植物細胞劈的纖維素結構受到破壞，小茴香植物細胞內更多揮發性化合物可以釋放到水相體系中，然后通過水蒸氣蒸餾進入到氣相中并冷卻后和水分離后得到精油。

4 結論

采用MDES對小茴香進行預處理，然后采用微波輔助水蒸汽蒸餾方法提取小茴香中精油。MDES能夠吸收微波，破壞小茴香植物細胞的細胞壁并從細胞內釋放出更多的揮發性化合物。經 GC-MS分析后，從MDES-MHD法得到的精油中鑒定出44種揮發性成分，而從MHD方法得到的精油中鑒定出26種揮發性成分。與MHD相比，采用MDES-MHD提取所得的精油中含有更多的揮發性化合物。這種新型的基于金屬基低共熔溶劑的微波輔助水蒸氣蒸餾法(MDES-MHD)不僅可用于提取小茴香精油，而且該新型的提取精油方法也可擴展應用于提取其他植物精油。