高温蒸煮法提取北美圆柏精油研究

萨如拉，陈德瑞，赵银杰，斯琴图雅，赵雪梅，路春燕

（1.赤峰学院 化学与生命科学学院，内蒙古 赤峰 024000；2.宁波易博家居用品有限公司，浙江 宁波 315000；3.赤峰市动物疫病预防控制中心，内蒙古 赤峰 024000；4.福建农林大学，福建 福州 350002）

北美圆柏（Juniperus virginiana L.）又名铅笔柏、弗吉尼亚雪松，是柏科圆柏属的常绿乔木，原产于美国东部和加拿大东部地区，英国、法国、俄罗斯等地均有引种，我国于20世纪初开始引种，现北京、河北、河南、山东、安徽及长三角等地区均广泛种植。北美圆柏由于自身具有天然香味和独特结构，有驱虫、吸潮等功效，被广泛应用于建筑、家具、鞋撑原材料[1-3]。

柏木精油具有多种生物学活性，在生产生活中具有多种应用价值。柏木精油的主要成分为倍半萜类的柏木醇、羽毛柏醇、柏木烯、花侧柏烯、罗汉柏烯等[3]。柏木醇在香料行业中被广泛应用于天然定香剂和协调剂的生产，是合成甲基柏木醚、柏木烷醚等高级香料的主要原料，也常用作杀虫剂、消毒剂、室内喷雾剂的原料以及制药工业的重要中间体[4,5]。最近，柏木醇在生理学上的应用也被广泛关注，医学研究发现柏木醇具有活化、镇静、解痉挛活性、调节心血管系统、抗肿瘤抗癌、活性抗癌等功能[6-8]。柏木烯是合成甲基柏木烯酮、乙酰基柏木烯、柏木烷酮、环氧柏木烷和柏木烯醛等重要香料[9,10]的主要成分，被广泛应用于香料制造业。目前，国内外市场对柏木精油的需求量日趋扩大，柏木精油的价格逐年上涨，柏木精油的提取是今后柏科资源开发利用的大趋势。因此，探索北美圆柏精油的提取方法及分析其化学成分具有一定的应用价值和广阔的开发前景。

为了快速高效提取北美圆柏木屑精油，本研究采用高温蒸煮法，在不同高温条件下对北美圆柏进行蒸煮提取精油，并通过气质联用技术对精油成分进行分析鉴定，比较各条件下获取精油的提取率、成分差异及含量。为进一步推动柏木精油提取工业的发展及精油有效利用技术的开发提供参考。

1 材料和方法

1.1 实验材料及仪器设备

实验材料：北美圆柏粉末（宁波易博家具用品有限公司提供），乙酸乙酯、三氯甲烷、苯、乙醇、乙苯、硫酸钠均为国产分析纯。

实验仪器设备：高温高压反应釜（KCF-1L威海鼎达化工机械有限公司）、旋转蒸发仪（RE-52A上海亚荣生化仪器厂）、粉碎机（FZ102北京中兴伟业仪器有限公司）、电子天平（FA-1004上海舜宇恒平科学仪器有限公司）、离心机（BR4I Thermo）、气相色谱-质谱仪（5975B安捷伦）等。

1.2 实验方法

1.2.1 预处理

取干燥的北美圆柏木屑，粉碎，过40目筛，备用。

1.2.2 北美圆柏的有机溶剂提取

为了获取北美圆柏粉中的全部精油量，取5g（干质量4.88g）北美圆柏粉放到圆筒滤纸中，再把圆筒滤纸放入索氏提取仪的提取管里，将300mL苯/乙醇混合液（体积比例为2:1）倒入平底烧瓶中，在常压下油浴锅中（115±3℃）回流提取24h后进行浓缩。浓缩物中加入三氯甲烷溶解，再进一步浓缩可溶部分得到精油，称取精油重量，并当作北美圆柏粉的全部精油量，以乙苯(C=0.1mg/mL)为内部标准进行GC-MS分析[12-15]。利用式（1）计算精油提取率，利用式（2）计算各成分含量。

其中，Mo:精油总质量（g）

Wo:原料干质量（g）

其中，X1:各成分质量(g)

Mo:精油总质量(g)。

设备检测条件：毛细管柱，HP-INNOWAX 25m×0.20mm×0.40μm；载气He；控制方式：分流；毛细管柱入口压强100kPa；电离方式EI；电压1.5kV；测定方式：扫描。成分分析条件为:进样温度220℃；气化室温度260℃；升温程序，初始温度150℃保持5min，以3℃/min的速率升至260℃，保持5min；分析时间5～26min。

1.2.3 北美圆柏的100℃蒸煮

为了与高温蒸煮对比，以100℃为模拟普通蒸煮进行提取精油实验。取20g（干质量19.52g）北美圆柏粉末，加入300mL蒸馏水，室温下浸泡96h后倒入高温高压釜反应槽里盖上盖子加热，温度上升至100℃后，开始计时，恒温蒸煮1h，自然降温至约50℃，取出蒸煮液，抽滤，取滤液，用乙酸乙酯分液3次，硫酸钠脱水有机层，浓缩干燥得到精油，称重，并进行GC-MS分析，分析测定条件同1.2.2。

1.2.4 北美圆柏的高温蒸煮

取20g（干质量19.52g）北美圆柏粉末，加入300mL蒸馏水，浸泡96h后倒入高温高压釜反应槽里，分别以160℃、170℃、180℃作为蒸煮温度进行蒸煮。当温度上升至设定温度后，开始计时，恒温蒸煮20min，停止加热后自然降温至约50℃，取出蒸煮液后进行抽滤，取滤液，用乙酸乙酯分液3次，使用硫酸钠脱水有机层，浓缩干燥得到精油[12-15]，进行GC-MS分析，分析测定条件同1.2.2。

1.2.5 柏木醇、羽毛柏醇的高温蒸煮

为了明确高温加热时柏木醇、羽毛柏醇的化学结构是否发生变化，进行了高温蒸煮实验。取有机溶剂提取精油0.05g，加入少量的甲醇，加水溶解，倒入高温高压釜反应槽里，180℃恒温蒸煮1h，自然降温至约50℃，到出反应物，用乙酸乙酯分液3次，硫酸钠脱水有机层，浓缩干燥，GC-MS分析，分析测定条件同1.2.2。

2 结果与分析

2.1 北美圆柏的有机溶剂提取

北美圆柏有机溶剂提取精油量为0.1498g，精油提取率为3.07%。GC－MS色谱图及主要峰值对应的化合物见图1，检测出柏木烯、羽毛柏醇、柏木醇、2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮等五种主要成分。由各成分峰面积和内部标准峰面积比计算了精油各成分的含量(以下相同)。柏木烯为0.0135g，在精油中的含量为9.01%；羽毛柏醇为0.0330g，含量为22.02%；柏木醇为0.0339g，含 量 为22.63%；2,2,7,7-四 甲 基 三 环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮为0.0069，含量为4.61%；香柏酮为0.0083，含量为5.54%。将该结果当作北美圆柏中包含的全部柏木醇、羽毛柏醇、柏木烯、2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮，作为计算转移率的指标。

图1 北美圆柏有机溶剂提取成分的色谱图及主要峰值对应的化合物

2.2 北美圆柏的100℃蒸煮

在100℃蒸煮中提取了0.0263g精油，精油提取率为0.13%。GC－MS色谱图和主要峰值对应的化合物见图2，检测出的4种主要成分有羽毛柏醇、柏木醇、2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮。羽毛柏醇为0.0054g，精油中的含量为20.53%；柏木醇为0.0040g，精油中的含量为15.21%；2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮为0.0029，精油中的含量为11.03%；香柏酮为0.0036，精油中的含量为13.69%。以有机溶剂提取值为理论值计算转移率，羽毛柏醇、柏木醇、2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮的转移率分别为4.09%、2.95%、10.51%、10.84%。100℃蒸煮精油提取率较低，各成分的转移率也低，并且没有提取到柏木烯，因此100℃不是提取柏木烯的有效温度，可能是因为柏木烯是较难挥发的倍半萜烯类化合物，在100℃蒸煮条件下较难挥发所致。

图2 北美圆柏100℃蒸煮提取成分的色谱图及主要峰值对应的化合物

2.3 北美圆柏的高温蒸煮

在160℃蒸煮中提取了0.1651g精油，精油提取率为0.85%。GC－MS色谱图和主要峰值对应的化合物见图3，检测到的6种主要成分有柏木烯、罗汉柏烯、羽毛柏醇、柏木醇、2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮。精油各成分重量、精油中的含量、转移率见表1。由表1可知，160℃蒸煮有效提取了有机溶剂提取中未能提取到的罗汉柏烯，并且罗汉柏烯的含量为11%。柏木烯、2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮的转移率达到了67-77%，羽毛柏醇、柏木醇的转移率仍然较低分别为7.34%和11.23%。

图3 北美圆柏160℃蒸煮提取成分的色谱图及主要峰值对应的化合物

在170℃蒸煮中提取到0.2193g精油，精油收率为1.12%。GC－MS色谱图和主要峰值对应的化合物见图4，检测到的4种主要成分有柏木烯、罗汉柏烯、2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮。精油各成分重量、精油中的含量、转移率见表1。由表1可知，170℃蒸煮时柏木烯的转移率已经超过100%达到了121.96%，罗汉柏烯的含量上升至16.70%，而未能提取到羽毛柏醇和柏木醇，2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮、香柏酮的转移率分别增加到70.58%和89.44%。

图4 北美圆柏170℃蒸煮提取成分的色谱图及主要峰值对应的化合物

在180℃蒸煮中提取了0.2566g精油，精油提取率为1.31%。GC－MS色谱图和主要峰值对应的化合物见图5，检测到的5种主要成分了5-羟甲基-2-糠醛、香草醛、柏木烯、罗汉柏烯、香柏酮。精油各成分重量、精油中的含量、转移率见表1，由表1可知，柏木烯的转移率为168.79%，罗汉柏烯的含量为19.06%，羽毛柏醇、柏木醇、2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮未被提取，香柏酮的转移率为95.22%。除此以外180℃蒸煮时提取到5-羟甲基-2-糠醛、香草醛2种成分，这两种成分在其他提取方法中未能提取到说明温度对北美圆柏精油成分的提取有影响。

图5 北美圆柏180℃蒸煮提取成分的色谱图及主要峰值对应的化合物

从表1可以看出，随着蒸煮温度的上升，精油的提取率也增加，精油的主要成分的转移率也在增加，180℃时香柏酮的转移率已经达到了95.22%，几乎全量被提取。在160℃蒸煮中虽然提取到了羽毛柏醇、柏木醇，但精油中的含量和转移率较低，加热至170℃、180℃时羽毛柏醇、柏木醇未被提取。同时，170℃、180℃蒸煮中柏木烯的转移率已经超出100%，最高时达到了168.79%。并且有机溶剂提取中未能提取的罗汉柏烯含量已经达到了11.02-19.06%的高值。因此，在170℃以上高温加热过程中，羽毛柏醇、柏木醇等倍半萜醇有可能发生化学变化转化成柏木烯、罗汉柏烯等倍半萜烯类。为了验证柏木醇是否转成柏木烯，进行了柏木醇、羽毛柏醇的高温蒸煮实验。

表1 北美圆柏高温蒸煮精油各成分重量、精油中的含量、转移率

2.4 柏木醇、羽毛柏醇的高温蒸煮

柏木醇和羽毛柏醇的高温蒸煮前后的总离子流色谱图及主要峰值对应的化合物如图6所示，高温蒸煮处理后精油中的柏木醇、羽毛柏醇的含量减少，柏木烯和罗汉柏烯的含量增加了。这是因为高温高压状态下，水分解的氢离子浓度上升，提高了酸性溶剂效应，使柏木醇、羽毛柏醇脱水，生成了柏木烯和罗汉柏烯，同时也可能产生副产物。图7为柏木醇转化成柏木烯的化学反应推测示意图。以上实验结果证明，高温蒸煮处理使柏木醇、羽毛柏醇转化为柏木烯和罗汉柏烯。

图6 柏木醇和羽毛柏醇的高温蒸煮前后的色谱图及主要峰值对应的化合物

图7 柏木醇转化成柏木烯的化学反应途径

3 讨论与结论

为了有效利用北美圆柏残渣，对北美圆柏木屑进行了有机溶剂提取、100℃、160℃、170℃、180℃等不同蒸煮条件下提取了精油，对精油进行了提取率及成分分析研究。有机溶剂精油的主要成分为柏木烯、柏木醇、罗汉柏烯、羽毛柏醇、香柏酮等，与张凯[3]北美圆柏精油成分的结果基本一致。但主要成分相对含量及其他成分构成上有一定的差别，这表明了北美圆柏精油受取材部位、树龄、提取工艺、季节、地理环境等因素的影响，对其产生精油构成和含量上的差异[16-19]。

100℃蒸煮精油提取率为0.13%，160℃、170℃、180℃蒸煮精油提取率分别为0.85%、1.12%、1.31%，比100℃蒸煮的6.5、8.6、10.1倍，表明精油提取率随着蒸煮温度的上升而上升，并且使用100℃蒸煮的1/5的时间回收了6.5倍以上的精油，达到了短时间内高效提取精油的目的。100℃、160℃蒸煮精油的羽毛柏醇、柏木醇的转移率较低，170℃、180℃精油中无羽毛柏醇、柏木醇，因此羽毛柏醇、柏木醇的最佳提取条件可能在100-160℃之间。100℃未能提取目标成分柏木烯和罗汉柏烯，但高温蒸煮提取精油中柏木烯的转移率已经超过了100%，罗汉柏烯含量高达19.06%，说明提取更多的柏木烯和罗汉柏烯需要170℃以上高温蒸煮。通过羽毛柏醇、柏木醇的高温蒸煮实验验证了170℃、180℃蒸煮条件下羽毛柏醇、柏木醇等倍半萜醇转化成柏木烯、罗汉柏烯等倍半萜烯类化合物的过程，同时也解释了高温蒸煮精油中罗汉柏烯的存在和柏木烯的转移率超过100%的现象。随着蒸煮温度的上升香柏酮的转移率也增加，180℃时的转移率为95.22%，提取率很高。170℃时转移率为70.48%的2,2,7,7-四甲基三环[6.2.1.0(1,6)]十一碳-4-烯-3-酮，在180℃时未能提取，它是否转化成柏木烯、罗汉柏烯或其他精油成分需要进一步研究。综上所述，不同蒸煮条件下所提取精油的成分及含量不同，根据需求可以选择不同蒸煮温度获取不同目标成分的精油。

通过北美圆柏木屑精油提取实验，为林地残材的进一步研究和开发提供了实验依据，并可以提高林地残材的附加价值。