基于金属基低共熔溶剂的微波辅助水蒸气蒸馏法提取小茴香精油及其气相色谱-质谱分析

祖光*

(1.浙江大学附属中学，杭州 310007;2.浙江工业大学化学工程学院，杭州 310014)

1 前言

小茴香为伞形科植物茴香(Foeniculum vulgare Mill .)的干燥成熟果实, 它不仅是一种调味品, 也是一种传统中药。小茴香精油具有驱风和抗菌作用, 其药理作用主要是由于其所含的茴香脑、草蒿脑和小茴香酮等成分[1-3]。植物精油的提取方法一般采用压榨法[4]，水蒸气蒸馏法[4]，有机溶剂浸制[3-5]、超声辅助萃取[6,7]，超声辅助酶解[8]，超声雾化萃取[2,9]，超临界流体萃取[3,10,11]，微波辅助萃取(MAE)[12-15]等。微波辅助萃取是一种通过微波加热样品和溶剂混合物的方法，它主要利用微波的离子传导和偶极旋转的特性。根据不同化合物对微波的不同吸收能力，采用高频电磁波选择性加热样品，从而促进目标物质的提取。微波辅助萃取法提取植物精油具有能耗低，时间短，效率高，产品质量高等优点。2004年，Abbott[16]等人提出了低共熔溶剂(DES)，DES是一种绿色的新型溶剂，大多数DES在室温下是液体，具有良好的热稳定性、低挥发性等，特别是其具有良好的生物降解性、制备简单、成本低等优点。近年来的研究表明，一些DES能溶解纤维素[17-19]，这是促进细胞内化合物释放的新途径。2009年，R.Böck 课题组[20]提出了氯化胆碱、尿素和氯化铁组成的金属基低共熔溶剂，2015年，曹金课题组[21]提出了用氯化胆碱和氯化铁组成的金属基低共熔溶剂用于合成芳烃。本文尝试将氯化胆碱、乙二醇和氯化铁组成的新型金属基低共熔溶剂用于提取植物精油研究，建立一种基于金属基低共熔溶剂的微波辅助水蒸气蒸馏法(MDES-MHD)，并将该新方法用于提取小茴香精油。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

GC2000/MS6100 GC-MS联用仪，聚光科技股份有限公司；XH-100A型微波催化合成/萃取仪，北京祥鹄科技发展有限公司；AL204电子分析天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司。小茴香，购自浙江杭州九州大药房；氯化胆碱，乙二醇，六水合氯化铁，正己烷(分析纯)，购自美国阿拉丁试剂有限公司；C8-C26的正构烷烃标样(色谱纯)，购自美国西格玛化学有限公司。

2.2 实验条件

色谱条件：毛细管色谱柱：DB-5石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；色谱柱程序升温：起始温度40 ℃，保持9.6 min；以3 ℃/min升温至250℃，保持2.5 min；载气为高纯氦气(99.999%)，流量为1 mL/min；不分流进样；进样口温度：250 ℃。

质谱条件：电子轰击(EI)离子源；电子能量70 eV；离子阱温度180 ℃；歧管温度50 ℃；传输线温度250 ℃；扫描模式：全扫描；扫描速度 3 scans/s，溶剂延迟5 min。

2.3 实验方法

2.3.1 DES的制备

将1mol氯化胆碱、2mol乙二醇和1mol六水合氯化铁混合，保持温度在80 ℃下在磁力搅拌器上加热搅拌2 h，直到形成均一透明的液体。

2.3.2 小茴香精油的提取

小茴香精油的提取过程分为三个阶段：预处理阶段，快速加热阶段和水蒸气蒸馏阶段。三个阶段均在微波反应器(北京祥鹄科技发展有限公司)内进行。(1)预处理阶段：在一个特制的500 mL的三口烧瓶中，称取20.0g研磨后的小茴香粉末与100.0g MDES混合后置于微波反应器内，按照图1所示连接好实验装置，然后设置好微波功率600W、温度80℃和预处理时间为5min；(2)快速加热阶段：预处理阶段结束后，向烧瓶中加入200 mL的蒸馏水，然后设置微波功率为600 W，温度110 ℃，时间为6 min，使体系的温度快速接近水的沸点；(3)水蒸气蒸馏阶段：保持体系的温度保持不变，微波功率为300W，时间设定30min。此外，同时使用微波辅助水蒸气蒸馏(MHD)(即预处理阶段100.0g MDES换为100.0g蒸馏水，其他过程同上)提取小茴香精油。

图1 实验装置图

蒸馏结束后，分水器中的精油经分离干燥后，经正己烷稀释一定倍数后，取1 μL精油稀释液进行GC-MS分析。

2.3.3 精油的定性和相对含量分析

以EI为电离源，进行色谱-质谱联用分析，采集得到的总离子流图中各质谱图，利用NIST质谱库检索，同时采用保留指数和参考文献来进一步辅助质谱检索，即通过保留指数结合质谱检索的二维定性方法来进一步提高化合物定性的可靠性；定量分析结果依据总离子流色谱峰的峰面积归一化法来计算各组分的相对含量。本实验用于测定保留指数的正构烷烃系列标准样品为C8-C26。计算公式如下：

(1)

式中：I为待测物保留指数计算值；tn、tn+1分别为含两个相近正构烷烃在相同方法下的保留时间；tx为待测物的保留时间。

3 结果讨论

分别采用MHD和MDES-MHD得到小茴香精油的GC-MS总离子色谱图(TIC)，见图2，MHD及MDES-MHD提取所得小茴香精油中的挥发性成分及其相对含量如表1所示。各组分的相对含量通过峰面积归一化方法确定，采用MHD和MDES-MHD提取所得小茴香精油中分别鉴定出26和44种挥发性成分。这两种方法提取所得小茴香精油中的主要成分也是茴香脑和草蒿脑等化合物，这与文献[1-3]的报道一致。

图2 小茴香精油的GC-MS总离子色谱图(TIC)上图为MHD提取所得小茴香精油的GC-MS总离子色谱图；下图为MDES-MHD提取所得小茴香精油的GC-MS总离子色谱图

序号保留时间 (min)名称CAS号分子式相对分子质量相对含量(%)方法1方法219.51 trans-Ocimene(反式-罗勒烯)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(异山梨糖醇)470-67-7 C10H18O154ND2.99612.26 β-Terpinene(α-松油烯)99-86-5 C10H161360.01ND712.52 α-Cymene(α-伞花烃)535-77-3 C10H141340.020.24812.70 d-Sylvestrene(枞油烯)1461-27-4 C10H161360.50.8912.80 Eucalyptol(桉树脑)470-82-6 C10H18O154ND0.11012.95 α-cis-Ocimene(罗勒烯)3338-55-4C10H161360.03ND1113.78 Terpinen(萜品烯) 99-85-4 C10H161360.040.131214.54 Formic acid, phenylmethyl ester(甲酸苄酯)104-57-4C8H8O2136ND0.21314.85 Terpinolene(异松油烯)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

续表1

续表1

ND: 未检测到方法1: MHD; 方法2: MDES-MHD

从表1可知，MDES-MHD与MHD两种方法提取所得小茴香精油中的主要成分基本一致，但经过MDES处理后所得小茴香精油中含有更多挥发性成分，如异山梨糖醇(2.99%)、对甲氧基苯乙酮(1.51%)、邻茴香酰氯(1.45%)、苄醚(1.26)、对甲氧基苯甲醚(0.71%)、大茴香醛(0.55%)、乙酸苄酯(0.37%)、甲酸苄酯(0.2%)、芹菜脑(0.17%)和对甲氧基丙酮(0.14%)等。研究结果表明，采用MDES作为预处理溶剂可以使精油中组分的相对含量发生一定的变化；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，而这些在MHD方法得到的精油中含量很少。这可能是因为MDES对小茴香植物细胞壁纤维素结构的溶剂化，DES破坏了了小茴香植物细胞表面上的纤维素结构，从而由小茴香植物细胞内释放出更多的化合物，即小茴香植物细胞劈的纤维素结构受到破坏，小茴香植物细胞内更多挥发性化合物可以释放到水相体系中，然后通过水蒸气蒸馏进入到气相中并冷却后和水分离后得到精油。

4 结论

采用MDES对小茴香进行预处理，然后采用微波辅助水蒸汽蒸馏方法提取小茴香中精油。MDES能够吸收微波，破坏小茴香植物细胞的细胞壁并从细胞内释放出更多的挥发性化合物。经 GC-MS分析后，从MDES-MHD法得到的精油中鉴定出44种挥发性成分，而从MHD方法得到的精油中鉴定出26种挥发性成分。与MHD相比，采用MDES-MHD提取所得的精油中含有更多的挥发性化合物。这种新型的基于金属基低共熔溶剂的微波辅助水蒸气蒸馏法(MDES-MHD)不仅可用于提取小茴香精油，而且该新型的提取精油方法也可扩展应用于提取其他植物精油。