微波无溶剂萃取法提取野菊花精油工艺及成分分析

滕 云，杨 丽

（信阳农林学院园艺学院，河南信阳 464000）

野菊（Chrysanthemum indicumLinn.）为菊科菊属多年生草本植物，叶、花及全草入药。广布东北、华北、华中、华南及西南各地[1]。主要化学成分包括萜类和挥发油、黄酮类化合物、酚酸类化合物等[2]。野菊花精油是从野菊的头状花序里提取的挥发油成分。研究表明，野菊花精油具有较强的抗炎镇痛效果[3−4]，对金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、鲍曼不动杆菌、大肠埃希菌、绿脓假单胞菌、福氏志贺菌及肺炎链球菌、流感杆菌等有抑制作用[5−6]，对油菜菌核病菌、苹果炭疽病菌、烟草赤星病菌、核桃果炭疽病菌、小麦纹枯病菌、番茄叶霉病菌、玉米大斑病菌、烟草疫霉等植物病原菌均有抑制作用[7−9]，还具有降血压[10]、抗肿瘤[11−13]、抗氧化[14−15]、防辐射等作用[16]。野菊花精油可用于卷烟加香[17]，漱口水、防蚊水的制作[18−19]，还可用于牙膏、雪花膏、花露水、洗洁精、沐浴露、洗发精等日用品[20]，也可作为食品添加剂，应用于饮料、糖果、冷饮等行业[21]。

目前，野菊花精油的提取方法主要有索式提取、水蒸气蒸馏（Hydrodistillation，HD）、溶剂萃取、CO2超临界萃取、超声辅助萃取及微波辅助蒸馏等（Microwave-assisted hydrodistillation，MAHD）[22−24]，但用微波无溶剂萃取法（Solvent-free microwave extraction，SFME）提取野菊花鲜花精油目前尚未见文献报道。SFME将微波加热和干馏相结合，利用植物体含有的水分吸收微波并加热提取植物体内挥发性成分，提取鲜花精油不需添加任何溶剂，提取干花精油仅需较少水分[25]。SFME提取白千层精油比MAHD法能耗低[26]，提取罗勒精油、樟叶精油、柠檬草精油比HD法时间短、收益率高等[27−29]。此外，SFME提取精油比溶剂萃取更安全，比CO2超临界萃取更经济，作为一种绿色提取方法，目前广泛应用于香料、医药等行业和芳香疗法。本文对SFME法提取野菊花鲜花精油和干花精油进行了研究，以期为野菊花的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

野菊花初开花序 2020年11月初采自河南信阳商城县金刚台镇，信阳农林学院植物学教研组鉴定为菊科植物野菊的新鲜头状花序。

Agilent 7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪美国安捷伦公司；微波无溶剂精油提取装置 定制（见图1）；RS-FS1612中药粉碎机 合肥荣事达小家电有限公司；JA5003电子分析天平 上海圣科仪器设备有限公司；FA2104S电子分析天平 上海恒平科学仪器有限公司；HH-6恒温水浴锅 上海力辰仪器科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 SFME提取野菊花鲜花精油

1.2.1.1 单因素实验 每次称取300 g野菊花鲜花（含水率80.40%），用图1的装置，采用SFME法提取精油，精密称重，并采用下列公式计算精油得率，后续试验中计算精油得率均采用此公式。

图 1 微波无溶剂萃取装置Fig.1 Solvent-free microwave extraction device

固定提取时间60 min，考察不同微波功率（360、450、540、630、720 W）对鲜花精油得率的影响；固定微波功率540 W，考察不同提取时间（30、40、50、60、70 min）对鲜花精油得率的影响。

1.2.1.2 正交试验 在单因素实验基础上，进一步进行试验，考察不同微波功率和提取时间组合对野菊花鲜花精油得率的影响。因素水平设计见表1。

表 1 鲜花精油提取因素水平设计Table 1 Factors and levels of essential oil extraction from fresh flowers

1.2.2 SFME提取野菊花干花精油

1.2.2.1 单因素实验 用1.2.1项下同批采集的野菊花，按照当地常用加工方法，先大火杀青（180~200 ℃铁锅翻炒6 min），然后晒干，密封。置于常温下保存2个月用于试验。试验时将干花（含水率8.94%）粉碎过40目筛，每次称取100 g野菊花干花粉末，蒸馏水浸泡，1.2.1.1项同样方法提取收集精油，称重并计算精油得率。

固定浸泡时间2 h、微波功率540 W、提取时间60 min，考察不同的料液比（g/mL）（1:3、1:4、1:5、1:6、1:7 g/mL）对干花精油得率的影响；固定料液比1:5 g/mL、微波功率540 W、提取时间60 min，考察不同的浸泡时间（0.5、1、2、3、4、5、6 h）对干花精油得率的影响；固定料液比1:5 g/mL、浸泡时间2 h、提取时间60 min，考察不同的微波功率（360、450、540、630、720 W）对干花精油得率的影响；固定料液比1:5 g/mL、浸泡时间2 h、微波功率540 W，考察不同的提取时间（30、40、50、60、70 min）对干花精油得率的影响。

1.2.2.2 正交试验 在单因素实验基础上，采用L9（34）正交表考察各因素对野菊花干花精油得率的影响。因素水平见表2。

表 2 干花精油提取正交试验因素水平设计Table 2 Factors and levels of orthogonal test for extraction of essential oil from dried flowers

1.2.3 野菊花精油的GC-MS分析

1.2.3.1 GC条件 色谱柱：HP-5MS（60 m×250 μm×0.25 μm）；程序升温条件：初始50 ℃，保持0 min；以5 ℃/min升温到100 ℃保持5 min；以4 ℃/min升温到140 ℃保持10 min；以4 ℃/min升温到180 ℃保持10 min；5 ℃/min升温到250 ℃保持5 min；5 ℃/min升温到300 ℃保持20 min；进样口温度250 ℃；气质接口温度250 ℃；载气为99.999%的高纯氦气，流速1.5 mL/min；进样量0.5 μL；分流比50:1。

1.2.3.2 MS条件 质谱条件：电子轰击离子源；电子能量70 eV；离子源温度230 ℃，四级杆温度150 ℃，扫描方式为全扫描，扫描范围35~550 amu。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2019计算标准差并作图，SPSS 18.0软件对试验结果进行显著性差异分析。

采用NIST17标准谱图库和自建谱库，结合保留指数，并参考相关文献，确定精油化学成分。用峰面积归一法确定各化学成分相对含量。

2 结果与分析

2.1 野菊花鲜花精油提取条件的优化

2.1.1 提取时间对野菊花鲜花精油得率的影响 由图2可以看出，在提取时间30~50 min之间，野菊花鲜花精油得率随提取时间的延长而增加；提取时间在50 min时，精油得率最高，说明540 W条件下提取50 min，鲜花中的精油随着水分蒸发已经基本提取完全；继续延长提取时间，不能提高精油得率；当提取时间70 min时，物料糊化，精油中出现少量黑褐色焦油，精油质量降低。从精油得率和质量两方面考虑，选取提取时间40、50、60 min进一步试验。

图 2 提取时间对鲜花精油得率的影响Fig.2 Effect of extraction time on the yield of essential oil from fresh flowers

2.1.2 微波功率对野菊花鲜花精油得率的影响 由图3可以看出，在微波功率360~540 W之间，野菊花鲜花的精油得率随着微波功率的增加而增加；微波功率540 W时，精油得率最高；微波功率630 W时，物料有轻微糊味，精油得率降低；微波功率720 W时，物料糊化严重，精油中出现黑褐色黏稠的焦油，精油颜色浑浊，味道变差。根据试验结果选取微波功率450、540、630 W进一步试验。

图 3 微波功率对鲜花精油得率的影响Fig.3 Effect of microwave power on yield of essential oil from fresh flowers

2.1.3 正交试验 在单因素实验基础上进一步试验，每组试验重复3次，得率取平均值，结果见表3，方差分析见表4。

表 3 鲜花精油提取试验结果Table 3 Test results of essential oil extraction from fresh flowers

表 4 方差分析表Table 4 Variance analysis table

从表3、表4的F值可知，B>A，即微波功率对鲜花精油得率的影响大于提取时间。根据结果分析，野菊花鲜花精油的最佳提取工艺为A2B2，即提取时间50 min，微波功率540 W。在此条件下进行3次验证试验，精油得率为鲜重的0.1129%±0.0045%。

2.2 野菊花干花精油提取条件的优化

2.2.1 料液比对野菊花干花精油得率的影响 从图4可以看出，在料液比1:3~1:5 g/mL，精油随浸泡水分的增加而增加；料液比1:5 g/mL时，精油得率最高；当继续增加料液比，由于过多的水分导致物料不能被完全蒸发提取[25]，精油得率反而下降。根据结果选取1:4、1:5、1:6 g/mL进行正交试验。

图 4 料液比对干花精油得率的影响Fig.4 Effect of material-liquid ratio on yield of essential oil from dried flowers

2.2.2 浸泡时间对野菊花干花精油得率的影响 由图5可以看出，在浸泡时间0~2 h之间，精油得率随浸泡时间延长而增加；浸泡时间2~4 h，精油得率较高；浸泡时间超过4 h，精油得率缓慢下降。这是因为野菊花粉末经过浸泡后，细胞组织间隙变大，内外液流动加速，有利于精油的提取[30]，得率提高，当浸泡时间达2 h以上，流动交换趋于稳定，得率不再提高。而浸泡时间过长，可能导致部分精油成分挥发，得率反而下降。根据结果选取2、3、4 h进行正交试验。

图 5 浸泡时间对干花精油得率的影响Fig.5 Effect of soaking time on yield of essential oil from dried flowers

2.2.3 提取时间对野菊花干花精油得率的影响 由图6可以看出，在提取时间30~50 min，精油得率随提取时间的延长而增加；当提取50~60 min，精油得率较高；提取时间70 min时，物料轻微糊化，精油得率略下降，精油质量降低。从精油得率和质量两方面考虑，选取提取时间40、50、60 min进一步试验。

2.2.4 微波功率对野菊花干花精油得率的影响 由图7可以看出，在微波功率360~540 W，精油得率随微波功率的增加而增加；超过540 W后，精油得率没有明显增加；当达到720 W，物料糊化，精油味道变差。根据结果，选取450、540、630 W进行正交试验。

图 6 提取时间对干花精油得率的影响Fig.6 Effect of extraction time on yield of essential oil from dried flowers

图 7 微波功率对干花精油得率的影响Fig.7 Effect of microwave power on the yield of essential oil from dried flowers

2.2.5 正交试验结果 在单因素实验的基础上，对无溶剂微波提取法提取野菊花干花精油的进行正交试验，每组试验重复3次。试验结果与分析见表5。

由表5可知，在4个因素中，C>A>D>B，即提取时间影响最大，其次是料液比和微波功率，浸泡时间影响最小。根据结果，SFME提取野菊花干花精油的最佳工艺条件是A2B2C3D2，即料液比1:5 g/mL，浸泡时间3 h，提取时间60 min，微波功率540 W。采用此条件进行验证试验，重复3次，精油得率为干重的0.1926%±0.0063%，高于正交表中各组试验结果。

因浸泡时间对野菊花干花精油得率影响最小，将B浸泡时间作为误差项[28]，对其他3个因素进行显著性分析，结果见表6。

由表6可知，提取时间、料液比和微波功率对精油得率的影响具有显著性（P<0.05）。

表 5 干花精油正交试验结果Table 5 Results of orthogonal test for essential oil of dried flower

表 6 方差分析结果Table 6 Variance analysis table

对比SFME法提取野菊花鲜花和干花精油：鲜花含水率80.4%，精油平均得率为鲜花重的0.1129%，相当于野菊花干物质的0.5760%，干花含水率8.94%，精油平均得率为干花重的0.1926%，相当于野菊花干物质的0.2115%。说明野菊花鲜花精油的得率远高于干花。

对比相关研究，胡小莉[31]采用水蒸气蒸馏法提取河南信阳市郊低温干燥的野菊花精油，得率为0.1863%~0.2051%，本试验野菊花鲜花精油的得率（0.5760%）远高于上述得率，干花精油得率（0.2115%）略高，且提取时间大大缩短，说明采用SFME法提取野菊花精油是一种相对高效、节能的提取方法。

2.3 野菊花精油的成分分析

用最佳提取条件提取的野菊花鲜花和干花精油采用GC-MS分析成分。野菊花精油各分离组分通过NIST17标准谱库和自建数据库联合自动检索，结合保留指数，确定各化合物名称。分析结果显示，SFME法提取野菊花精油的化学成分较为复杂，鲜花精油中共鉴定出126种化学成分，干花精油中共鉴定出137种化学成分，这些成分大多含量较少。含量较高的化学成分与已有的文献中野菊花精油成分及含量也有所不同，这种差异性与材料的不同产地，不同采摘时间有关，也与精油提取方法不同有关[22,24,31~33]。

两种精油中主要化合物成分（相对百分含量在0.5%以上），见表7。

由表7可知，SFME萃取的野菊花鲜花和干花精油相对含量在0.5%以上的化合物共52种，其中共有成分31种，但含量各不相同。鲜花精油的主要化学成分是单萜和单萜类含氧化合物，干花精油的主要化学成分是单萜类含氧化合物和倍半萜。鲜花精油中相对含量较多的化合物是乙酸桧酯（13.20%）、甲位侧柏酮（11.10%）、桧醇（9.70%）、菊醇（5.06%），其次为甲位水芹烯（3.87%）、荜澄茄油烯（3.78%）、桉叶油素（3.61%）、崖柏醇（3.37%）、2-侧柏烯（3.36%）。干花精油中相对含量较多的化合物是菊醇、反式石竹烯、大根香叶烯、Α-合金欢烯、甲位侧柏酮、乙酸桧酯、乙酸菊醇酯、右旋樟脑。

表 7 野菊花精油的主要化学组分Table 7 The main chemical constituents of essential oil from chrysanthemum indicum

续表 7

野菊花鲜花精油中的单萜类化合物高于干花精油，而倍半萜类化合物低于干花精油，这主要是因为随着分子量和双键的增加，挥发性降低，在加工和和贮藏过程中，单萜类比倍半萜类更易挥发。鲜花精油的含氧化合物含量高于干花精油，而含氧化合物多是生物活性较强或具有芳香气味的主要组成成分，因此在医药卫生、香精香料、日用化学品、食品等领域更具有应用价值。

3 结论

本试验利用定制的精油提取装置提取野菊花精油，鲜花精油的颜色为澄清的蓝绿色油状液体，干花精油为澄清的淡蓝色油状液体，均具有有强烈的野菊花香味。鲜花的最佳提取条件是微波功率540 W，提取时间50 min，300 g野菊花鲜花在该条件下提取的精油气味纯正，精油得率为鲜重的0.1129%±0.0045%。干花的最佳提取条件是料液比1:5 g/mL，浸泡时间3 h，微波功率540 W，萃取时间60 min，100 g干花在该条件下提取的精油得率为干重的0.1926%±0.0063%。前期预试验表明，试验材料量的多少及含水率对提取条件的优化有一定的影响，提示SFME法提取野菊花精油应用于实际规模化生产，当物料量较大或含水率不同时，最佳工艺条件可能会有一定的变化。

野菊花鲜花的精油的含量比干花更高，且主要成分中单萜含氧化合物相对含量远高于干花精油，更具有应用价值，但新鲜材料不易贮藏，因此在野菊花鲜花在加工干制及贮藏过程中，如何尽量保留原有的精油成分，还需进一步研究。