三个产地丁香花蕾油的水蒸气蒸馏法提取及成分分析

尹团章 ，邵佩 ，吴昭 ，邵兴伟 ，张磊 ，蹇顺华 *

1. 湖北中烟工业有限责任公司（武汉 430040）；2. 武汉黄鹤楼新材料科技开发有限公司（武汉 430040）；3. 武汉黄鹤楼香精香料有限公司（武汉 430040）

丁香（Eugenia caryophyllataThunb.）为桃金娘科（Myrtaceae）植物，广泛种植于马来群岛、非洲，主产于马来西亚、印度尼西亚、坦桑尼亚、马达加斯加等地。此外，中国也是丁香属的自然分布中心，我国广东、广西、海南等地栽培较多[1]。

丁香花蕾为干燥花蕾，味辛、温，药用价值高，具有温中降逆、暖肾助阳、行气止痛、醒神开窍、辟邪杀虫等功效[2]。同时也具有食用性，可作辛香料的主配料[3]。其主要提取物丁香花蕾油，作为一种名贵香料，在食品[4-5]、日化[6-7]和医药[8-9]等行业中使用广泛，具有良好的市场应用前景。

目前丁香花蕾油的研究多集中于抑菌抗氧化功效[10-11]和香气成分分析[12-16]，关于不同产地丁香花蕾油及其制备方法等的文献报道较少。在丁香花蕾油的提取方法的报道上，主要有水蒸气蒸馏法[13]和超临界CO2萃取法[14,16]。超临界CO2萃取设备作为一种精油提取设备，价格较昂贵，控温稳定性有待提高，并且超声过程噪音大，生产普遍性和适用性不强[17]。而水蒸气蒸馏法工艺中，丁香花蕾油易与水形成乳化液，在油水分离器中不易分离，收集的油水混合物较少，导致得油率较低，但其操作简单、成本低、适合工业化生产，因此需进行工艺的改良以提高得率。在关于丁香花蕾油的香气成分分析的文献中，除了主要成分丁香酚、β-石竹烯和乙酸丁香酚酯外，其他挥发性成分的分析和鉴定还有待进一步深入研究[12-16,18]。周叶燕等[13]根据丁香的年出产量开展了印度尼西亚、马达加斯加、越南等原料产地的丁香花蕾油提取得率的研究，但我国和国外主产区丁香花蕾油相比较的相关研究较少，因此研究根据我国和国外丁香的主产区开展中国广东、马来西亚和坦桑尼亚三个产地丁香花蕾油的研究，采用水蒸气蒸馏法的改良工艺提取丁香花蕾油，并结合气相色谱-质谱联用技术对三个产地的丁香花蕾油的香气成分进行分析和鉴定，以期为丁香花蕾油精细加工提供理论依据，也旨在为我国食品、香精香料行业的辛香类产品开发提供一些值得借鉴的信息。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

丁香花蕾：干燥花蕾，含水率＜8%，产地分别为马来西亚、坦桑尼亚和中国广东，来自供应商供应的商品；无水硫酸钠、无水乙醇，分析纯。

1.2 仪器和设备

8890-5977B型气相色谱-质谱联用仪（美国安捷伦公司）；98-1-B型电子调温电热套（天津市泰斯特仪器有限公司）；milli-Q lntegral 3型超纯水仪[美国密理博（Milipore）公司]；5 000 mL圆底烧瓶、冷凝管、三通弯角、1 000 mL磨口三角锥形瓶、分液漏斗等实验室常规玻璃仪器（四川蜀牛玻璃仪器有限公司）。

1.3 试验与方法

1.3.1 丁香花蕾油的制备方法

水蒸气蒸馏法改良工艺提取装置见图1。

图1 丁香花蕾油的制备装置图

具体步骤：（1）提取：称取0.5 kg丁香花蕾加入5 000 mL圆底烧瓶2中，以1∶8（g/mL）料液比加入超纯水，置于电热套1中，开始加热，温度设置为100℃，大约40 min后，开始有油水混合蒸气通过三通弯角3进入水平冷凝管5，冷凝液滴落进三角锥形瓶；（2）收集：当冷凝液装满三角锥形瓶7后，将油水混合液（乳化液，乳白色）转移至烧杯中，整个过程重复3～4次；（3）破乳：提取5 h后，结束提取试验，采用低温冷冻或添加超纯水方法进行破乳，实现油水分离和分层，静置0.5～1 h；（4）分离：将分层的油水置于分液漏斗中，分离，得到丁香花蕾油粗油；（5）脱水干燥：将丁香花蕾油粗油再按2∶1质量比加入无水硫酸钠室温下干燥后4～6 h，得到澄清透明的丁香花蕾油。

1.3.2 破乳时间的测定

将一定质量的丁香花蕾油和水的乳化液，分别按照冷冻（4 ℃冷藏）和添加3倍质量超纯水两种方法进行破乳，直至油和水完全分离，计算和统计破乳时间，以小时（h）为单位，重复3次。

1.3.3 丁香花蕾油的得率和收集率

丁香花蕾油的得率按式（1）计算[19]。

式中：R1为丁香花蕾油的得率，%；m1为丁香花蕾油质量，g；m2为丁香花蕾的质量，g。

丁香花蕾油的收集率按式（2）计算

式中：R2为丁香花蕾油的收集率，%；R1为丁香花蕾油的得率，%；21%为丁香花蕾油的理论最高含油量，丁香花蕾油的理论含油量为10%～21%[16]。

1.3.4 丁香花蕾油GC-MS 分析条件

1.3.4.1 气相色谱条件

色谱柱：DB-5MS毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；程序升温：50 ℃保持2 min，以8 ℃/min的速率升至280 ℃，保持25 min；进样口温度：250℃；恒流进样，载气（He）流量为1 mL/min；分流比1∶10，传输线温度280 ℃。

1.3.4.2 质谱条件

EI离子源；电子能量70 eV；扫描范围33～400 amu；四级杆温度：150 ℃；离子源温度280 ℃。

1.3.5 丁香花蕾油的定性定量方法

以美国国家标准技术研究所谱库NIST17.L检索为主，同时结合人工解析质谱图[20]对各个组分进行定性；采用峰面积归一化法对各个组分进行定量，计算各个不同挥发性化学组分的相对含量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2010对试验数据进行统计分析，采用Origin 8.0软件进行绘图，图表中数据以平均值±标准差的形式表示。

2 结果与讨论

2.1 三个产地丁香花蕾油的得率

通过水蒸气蒸馏法的改良工艺，成功制备得到丁香花蕾油，试验得油率从改进前工艺（传统水蒸气蒸馏的油水分离器）的不足1%（数据未提供）显著提高到12%以上（见图2），其关键在于改良工艺中油水混合物的有效收集和破乳二个步骤。从图2可知，这三个产地的丁香花蕾油的得率存在显著性差异（P＜0.05），得率大小排序为中国广东＞坦桑尼亚＞马来西亚，得率符合以赤道为中心向两极递增的规律，这也与周叶燕等[13]的研究结果基本一致。

图2 三个产地丁香花蕾油的得率

2.2 丁香花蕾油的有效收集

根据文章方法中的1.3.3小节计算可知，常规水蒸气蒸馏法工艺的丁香花蕾油的收集率仅在4.2%左右，而改良工艺的丁香花蕾油的收集率在60%以上（见图3），远远高于常规水蒸气蒸馏法工艺的收集率。这是因为在常规水蒸气蒸馏法丁香花蕾油提取中实际的难点在于精油和水容易形成乳化液难以分离，在玻璃材质的油水分离器中不能即时分层得到精油，因此油水分离器并不适用于丁香花蕾油的提取。

图3 两种工艺中丁香花蕾油的收集率

在常规水蒸气蒸馏法工艺的油水分离器中，丁香花蕾油不能在此实现油水的即时分离（一步），而且油水分离器中的集油管容量（5 mL）有限，油水混合物反复回流、蒸发、冷凝，不能将油水混合物全部收集，最终得油率较低。在改良工艺中，针对常规水蒸气蒸馏法工艺油水不能即时分离这一现状进行有效的提取装置改进（见图1），不使用油水分离器进行精油的分离和收集，先通过水平冷凝管将油水混合物冷凝为液滴后收集到三角瓶中（第一步），这样的益处是能将丁香花蕾油最大化地收集起来，再结合后续的破乳步骤实现油水分离和分层（第二步），能提升丁香花蕾油的得油率。通过常规水蒸气蒸馏法工艺（一步法，油水收集和分离同时进行）改为改良工艺（二步法，先收集再分离），能最大限度地收集丁香花蕾精油，最终提升精油得率。

2.3 破乳工艺步骤的确立

在改良工艺中，在前期的油水混合液（乳化液）的有效收集的基础上，开展油水乳化液的破乳，实现油水分离分层。在丁香花蕾油和水乳化液的分离中，周叶燕等[13]采用2% NaCl盐析方法分离油水混合物，也是一种破乳方法。破乳这一工艺步骤打破了丁香花蕾油油水乳化液中的分子间平衡，使精油从水分子间分离出来，最后达到油和水的分层。

试验在探索丁香花蕾油水乳化液的多种破乳方法中，根据无添加外源物以及经济、简单易行的原则确立了冷冻破乳和添加超纯水破乳两个方法。通过试验结果可知，冷冻方法破乳时间为12 h，而添加超纯水方法破乳时间仅为0.5 h（见图4）。添加超纯水破乳的方法的时间更短，效率更高。另外，超纯水选材容易，无环境压力，因此选择添加超纯水破乳的方法进行丁香花蕾油油水混合液的分离。

图4 不同破乳方法的破乳时间

2.4 丁香花蕾油挥发性成分的GC-MS分析结果

用装有DB-5MS型色谱柱的GC-MS联用仪分别对三个产地的丁香花蕾油的挥发性成分进行分析和鉴定，所得对应的总离子流图见图5，鉴定出的挥发性成分见表1。

图5 三个产地丁香花蕾油的TIC总离子流图

表1 三个产地丁香花蕾油中挥发性成分的鉴定结果

接表1

由图5和表1可以看出：采用水蒸气蒸馏法结合气质联用仪分别萃取和分析三个产地丁香花蕾中的香气成分，共检测出34种挥发性成分；共有挥发性成分18种（烯烃类7种、酯类3种、酚类3种、醇类3种、烷类1种、其他类1种）。

三个产地丁香花蕾油中检测出的挥发性成分的种类多少，也和它们精油得率的规律基本一致，符合以赤道为中心向两极递增的规律，中国广东产地的丁香花蕾油的挥发性成分种类最多，共检测出33种；坦桑尼亚产地的丁香花蕾油的挥发性成分，共检测出28种；马来西亚产地的丁香花蕾油的挥发性成分，共检测出23种，三个产地丁香花蕾油中的挥发性成分种类数存在差异。

研究表明：丁香酚、β-石竹烯和乙酸丁香酚酯是丁香花蕾油中的主要香气成分，研究中这3种物质在三个产地的丁香花蕾油中的占比较高，均达到总挥发性成分的95%以上，其中中国广东产地的比例为95.35%，马来西亚产地的比例为96.63%，坦桑尼亚产地的比例为95.99%。

丁香花蕾油中除了丁香酚、β-石竹烯和乙酸丁香酚酯这3个主要香气成分外，还含有一种重要的香气成分葎草烯，又称为α-石竹烯，是β-石竹烯的同分异构体，它具有似丁香油的辛香和木香香气，其相对含量在1%左右，占第四位。同时，在丁香花蕾油中存在（-）-异丁香烯（Bicyclo[7.2.0]undec-4-ene，4, 11, 11-trimethyl-8-methylene-，[ 1R-（1R*，4Z，9S*）]-）、异丁香烯同分异构体4, 11, 11-三甲基-8-亚甲基双环[7.2.0]十一碳-3-烯（4, 11, 11-trimethyl-8-methylene-bicyclo[7.2.0]undec-3-ene）、苏合香烯等成分，属首次报道。异丁香酚[Phenol，2-methoxy-4-（1-propenyl）]（丁香酚的同分异构体），具有清甜的辛香，有香石竹、丁香花、香罗兰样花香，又有似龙涎香、麝香、豆香与膏香气息，可用于转化为香兰素[21]，还具有体内外抗炎的作用[22]。另外，石竹烯醇，一种倍半萜醇，有木香香气[23]；葎草烯醇-II，石竹烯氧化物，属于β-石竹烯的衍生物，具有辛香和木香香气。这些丁香酚、β-石竹烯的同分异构体、衍生物的作用，使得丁香花蕾油具有典型的辛香为主和兼具木香的香韵。

古巴烯、γ-依兰油烯、α-法尼烯、γ-榄香烯、α-芹子烯，这些萜烯类物质的存在，丰富和饱满了丁香花蕾油的香韵，符合丁香花蕾油的文献的研究报道[18]，不仅提供了丁香花蕾油抗氧化、抗菌的特性，还可为作为其他食用香精的配料提供参考。

3 结论

用水蒸气蒸馏法的改良工艺制备的三个产地丁香花蕾油，能有效收集油水混合物和通过破乳方法实现精油与水完全分离，最终提高得油率。三个产地丁香花蕾的得油率，随地理纬度的增加而升高，分别为中国广东14.12%、坦桑尼亚13.43%、马来西亚12.56%。同时，三个产地丁香花蕾油的挥发性成分数量也呈现出随地理纬度的增加而增多的趋势。

通过GC-MS成分分析，三个产地的丁香花蕾油在主要成分含量和香气成分上也有一定差别，可以得出：（1）三个产地的丁香花蕾油中，总共检测鉴定出34种挥发性成分，其中共有挥发性成分18种；（2）丁香酚、β-石竹烯和乙酸丁香酚酯这三种主要香气成分均占三个产地丁香花蕾油中的总挥发性成分的95%以上，对丁香花蕾油的特征香气起主导作用；（3）在三个产地的丁香花蕾油中均包含葎草烯，这也是一种重要香气成分；（4）异丁香酚、（-）-异丁香烯、异丁香烯同分异构体（4, 11, 11-三甲基-8-亚甲基双环[7.2.0]十一碳-3-烯）等成分存在于丁香花蕾油中，丰富了丁香花蕾油的组分；（5）丁香酚、β-石竹烯的同分异构体也存在于丁香花蕾油中，符合同分子组成结构具有多态性的规律。

通过三个产地丁香花蕾油的得率和GC-MS成分分析，对指导不同产地丁香花蕾原料和精油的采购价格、丁香花蕾油的精细加工、丁香花蕾油辛香香韵强度的合理使用具有一定的参考意义。