杉木鲜枝叶精油提取及组分分析

蔡子轩，周 欢，李吉跃，苏 艳，伍观娣，郑会全*

(1. 华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2. 广东省林业科学研究院 / 广东省森林培育与保护利用重点实验室，广东 广州 510520)

杉木Cunninghamialanceolata为柏科Cupressaceae杉木属Cunninghamia植物，广泛分布于我国秦岭向南、云川以东的亚热带季风气候地区，属常绿针叶树种，具有速生、材质优、用途广且不易受病虫害等特点，是我国南方最重要的生态造林和商品用材树种之一，在我国有3000 多年栽培和应用历史[1—2]。近40 年随着科学技术的发展，研究者试图从杉木组织中提取精油以拓展杉木原料的用途[3]。一般认为，植物精油主要由萜烯类化合物及其含氧衍生物组成，是多种低分子量挥发性化合物的总和，具有复杂的成分和香气，可通过物理方法或机械手段从植物中挤压、馏出或萃取得到[4—5]。而杉木精油可从木材组织、树皮、树根中提取，这给杉木原料尤其是采伐剩余物的利用和价值提升提供了重要途径[6—7]。研究表明，杉木精油具有抑菌活性和抗虫抗螨活性，且有效成分丰富、价值高，已广泛应用于食品、饲料、康养、驱虫杀虫等各个领域[8—10]。

当前，我国生态建设进入了新的发展阶段，国内木材砍伐量有递减趋势，如何从资源消耗型向绿色发展型转化，尤其挖掘非木质原料的用途成为了当前研究的热点[11]。从非木质原料挖掘精油生产潜力显然是实现价值提升的重要途径。迄今，对于杉木精油的研究，大多集中于杉木根、杉木屑等木质原料，且在提取精油前总会将样品烘干，而杉木枝叶作为提取精油原材料，具有易获取、原料丰富、绿色可再生等优点，但以杉木鲜枝叶为原料直接提取精油的研究鲜有报道。另外，目前在杉木精油提取方法研究方面，对水蒸馏法和干馏法研究较多，它们共同点在于方法简易有效且提取成本不高，但干馏法得到的精油成分复杂，产物有焦糊味[12]。也有研究采用超临界流体CO2萃取法提取杉木精油，该方法提取杉木精油纯净高效，是提取精油的理想方法，但成本高昂[13]。鉴于此，本研究以杉木鲜枝叶为试材，基于水蒸馏法针对样品粉碎程度、液料比、蒸馏时间以及蒸馏液的NaCl 浓度等因素重点优化鲜枝叶精油提取条件，并采用气相色谱质谱联用(Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS)技术分析其组分，为杉木鲜枝叶精油的提取与应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

杉木鲜枝叶样品为春季(4 月)试样，采自广东省韶关市曲江区国有小坑林场cx729 杉木无性系。试样采集后随即真空包装，并置于–40 ℃冰箱保存备用。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

采用单因素试验设计，考察碎料方式(中药铡刀法、切草机法、破壁机法)、液料比(5:1、6:1、7:1、8:1、9:1)、蒸馏时间(1、2、3、4、5、6、7、8 h)以及蒸馏液NaCl 浓度(0%、4%、8%、12%)等4 因素对杉木鲜枝叶出油率的影响。针对某一因素进行考察时，将其他三个因素设置为较为合理的固定值，分别为切草机法碎料、液料比8:1、蒸馏时间6 h、蒸馏液NaCl 浓度为0%。精油提取采用水蒸馏法，使用3000 mL 圆底烧瓶及Clevenger 装置进行，蒸馏温度恒为380 ℃，每瓶鲜枝叶试样均为300 g，每处理重复3 次。

1.2.2 精油组分测定

采用岛津GC-MS QP-2010 Ultra 气质联用仪分析精油组分及其相对含量。色谱条件：采用HP-5MS石英毛细管柱(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)，载气为高纯氦气(99.99%)。进样口温度250 ℃，柱箱起始温度60 ℃，保留2 min；以5 ℃·min–1升温至150 ℃，保留5 min；再以5 ℃·min–1升温至220 ℃，保留5 min。采取分流进样，分流比10:1，进样量0.5 μL。质谱条件：离子源温度250 ℃，接口温度280 ℃，扫描范围45～450 amu，溶剂延迟3 min。

1.2.3 数据处理

杉木精油得率(P)计算公式：P=M/300×100%，M为得油量(g)。

根据GC-MS 分析的总离子流图，使用NIST14谱库和香精香料FFNSC1.3 谱库对匹配度达90%及以上的挥发性成分进行定性分析。采用峰面积归一化法对挥发性成分的相对含量进行定量分析。

2 结果与分析

2.1 不同因素对杉木鲜枝叶出油率的影响

采用单因素试验设计，发现不同物料处理方式对杉木鲜枝叶出油率有一定影响(图1)。其中，中药铡刀法出油率仅为0.054%；而利用切草机法碎料可使出油率达到0.073%，是中药铡刀法的1.35 倍。另外，破壁机法碎料蒸馏出油率为0.070%，同样高于中药铡刀法，但略低于切草机法。由此可知，切草机法简单易行、效率高，可作为杉木鲜枝叶精油提取的前期物料处理方式。

图1 不同物料处理方式的杉木鲜枝叶碎料形态及其出油率Fig. 1 Morphology and oil yield of fresh branch-leaf sections of Cunninghamia lanceolata under different material treatments

为明晰液料比对杉木鲜枝叶出油率的影响，采用切草机法处理物料，随后固定条件为蒸馏6 h，蒸馏液NaCl 浓度为0%提取精油。结果表明，液料比对得油率具有显著影响(P＜0.05)，随着液料比的提高，出油率呈递增趋势，但液料比达到8:1 时得油率趋于稳定(图2A)。在蒸馏时间方面，采用切草机法、液料比8:1、蒸馏液NaCl 浓度为0%等条件提取精油，随着蒸馏时间延长，出油率呈递增趋势，蒸馏至6 h 时，出油率达峰值且趋于稳定(0.086%)，表明蒸馏时间设置为6 h 更为适宜(图2B)。研究还发现，NaCl 浓度(0%、4%、8%、12%)并未对出油率产生较大的影响(0.080%～0.088%)(图2C)。综上可知，适于杉木鲜枝叶水蒸馏法的简化方法为切草机法破碎鲜枝叶形成物料，按照8:1 的液料比(V/W)蒸馏6 h (380 ℃)，水蒸汽冷却及精油分离收集。

图2 杉木鲜枝叶在不同液料比(A)、蒸馏时间(B)和蒸馏液NaCl 浓度(C)下的出油率变化Fig. 2 Effects of liquid-material ratio (A), distillation time (B) and NaCl content (C) on oil yield of fresh branch-leaf sections of Cunninghamia lanceolata

2.2 杉木鲜枝叶精油组分GC-MS 分析

基于上述优化条件提取参试品系鲜枝叶精油，并应用GC-MS 分析对其组分进行解析。图3 为GC-MS波谱数据导入Origin 后绘制总离子流图，展示了鲜枝叶精油特征组分波峰及其绝对强度。在此基础上，经谱库(NIST14 谱库、香精香料谱库FFNSC1.3)比对、化学网站(www.molbase.cn、www.chemicalbook.com等)查询、文献检索等方式明确各波峰对应的化合物名称、CAS 编号、化学结构式及相对分子质量等信息，通过峰面积归一化法计算各成分的相对含量(表1)。经解析，从提取的鲜枝叶精油中鉴别出48 种化合物。其中，29 种倍半萜类化合物，此类化合物质量占总质量的88.22%；另有10 种单萜类化合物，其质量占总质量的7.53%；而其他化合物如(±)-α-乙酸松油酯、2-甲基-4-(2,2,6-三甲基- 1-环己烯基)-2-丁烯醛、(1,7,7-三甲基降冰片烷-2-YL)乙酸等占总质量的4.22%。值得关注的是，相对含量大于1%的精油成分有19 种，其质量占精油总质量的87.98%，而大根香叶烯D、β-石竹烯、β-榄香烯、.tau.-Muurolol、Bicyclo[4.3.0]nonane,7-methylene-2,4,4-trimethyl-2-vinyl-等组分含量分别高达16.01%、12.33%、10.67%、7.08%、5.02%，这5 种化合物质量占精油总质量的51.11%。

表1 杉木 cx729 无性系鲜枝叶精油组分及其相对含量Table 1 Composition and relative content of essential oil in fresh branch-leaf sections of Cunninghamia lanceolata

图3 杉木cx729 无性系鲜枝叶精油组分的总离子流图Fig. 3 Total ion flow diagram of essential oil components in fresh branch-leaf sections of cx729 clone of Cunninghamia lanceolata

3 结论与讨论

近年来，香精香料行业的地位逐步提高，植物精油研究受到广泛关注。不同植物种类间由于其代谢过程存在差异[14]，导致特定的精油提取条件并不适合所有植物，甚至同一植物不同部位的精油提取条件也不尽相同[15]。而水蒸馏法作为提取植物精油最常用的方法，探明该方法提取杉木鲜枝叶精油的条件对杉木非木质产品研究具有重要参考价值。本研究中，出油率与样品的细碎程度不呈正比关系，三种样品粉碎方法按繁琐程度排序为破壁机法>中药铡刀法>切草机法；虽然破壁机法能将样品粉碎至更为细碎的状态，但耗费时间最多；中药铡刀法则将杉木鲜枝叶裁成2～3 cm 小段，又不足以使精油快速蒸出；而切草机法粉碎的杉木鲜枝叶粉碎效率最高，且出油率最高。液料比与蒸馏时间均对出油率产生显著影响(P＜0.05)，在液料比达8:1，蒸馏时间6 h 时，杉木鲜枝叶出油率最高(0.086%)。在同样使用水蒸馏法并采用鲜样的条件下，对杉木根部精油进行提取，根部的皮与心材的精油得率分别为0.04%与0.67%，说明杉木不同部位精油含量存在较大差异[16]。也有研究显示，阔叶百里香Thymus pulegioides鲜样的出油率以及抑菌效果优于干样，这可能是植物干燥后损失了部分有机物质导致，说明植物材料干鲜状态会影响得油率[17]。

有研究指出，通过在蒸馏体系中加入无机盐来降低精油在水中的溶解度可提升出油量[18—19]。本研究同样尝试在蒸馏液中加入NaCl，但不同NaCl 浓度梯度下的物料出油率仅有微小的波动(0.080%～0.088%)，未出现显著变化，表明添加NaCl 对提高物料出油率作用不显著。其原因可能在于使用水蒸馏法进行杉木新鲜枝叶精油提取时，精油在水相中未达到饱和点。

迄今为止，前人采用不同方法从杉木各组织中提取出多种重要成分；以杉木木质组织为原料提取精油，主要成分为柏木烯、柏木醇、石竹烯等[20—21]；以杉木叶等非木质组织为原料提取的精油主要成分为大根香叶烯D、α-蒎烯、榄香烯、芹子烯、石竹烯及其衍生物等[22—23]，杉木非木质资源提取精油所得成分不同于木质资源且成分多样，说明其具有开发潜力。这些成分在化妆品、饲料、食品、医疗等领域均具有广阔的开发利用前景。本研究提取的杉木鲜枝叶精油主要成分为大根香叶烯D、β-榄香烯和β-石竹烯，三者共占精油总相对含量的39.01%。其中，大根香叶烯D 具有抗细菌真菌活性[24]，β-榄香烯可诱导细胞凋亡，具有抗肿瘤活性[25]，二者在医药上有着良好的应用前景。β-石竹烯是重要的工业原料，除了广泛应用于食品香精领域以外，也被认为是潜在的研究治疗阿尔兹海默症新药的重要分子[26]。综上所述，杉木鲜枝叶精油具有原料易获取、提取方便且有效成分丰富等优点，应用前景广阔。