药食同源植物挥发油的研究进展

张鹏云,李 蓉,龙春霞,杨璐齐,卢俊文,张 峰

(1.中山出入境检验检疫局检验检疫技术中心,广东中山 528400;2.广东药科大学公共卫生学院,广东中山 528458;3.中国检验检疫科学研究院食品安全研究所,北京 100176)

人类的日常饮食物包括自然界中的植物、动物及部分矿物质,而天然中药材同样来源于植物、动物和矿物,因此中药和食物有相同的起源[1]。根据用途将这些天然物质分为治病的药物和饮食用的饮食物,而其中大部分物质既可以治病又能当作日常饮食物,就称为药食两用[1]。随着人们对保健和养生的关注,传统的“药食两用”倍受重视,卫生部门先后颁布了“既是食品又是药品的物品名单”对此类物质进行规范[2]。目前,国内多家食品药品企业积极投入药食同源产业,研发了如猴菇饼干、山药酸奶等热门药食同源产品[3]。但是药食同源产品的销售额依旧很少,主要是由于药食同源食品的基础研究不足,后期研发过程投入较少,技术含量不高,企业发展缓慢,竞争力不足,严重影响了药食同源行业的发展[4]。目前,药食同源产品主要存在掺假、成分不纯、功效组分不明确等质量和安全问题,建立可重复识别和检测药食同源产品化学成分的分析方法是目前急需解决的问题。挥发油是药食同源植物重要的活性成分之一[5-6],开发其鉴别方法是药食同源产品质量控制的重要组成部分。

挥发油也称芳香油或精油,是植物体内的次生代谢物,具有挥发性且不溶于水,可以通过与水一起加热蒸馏得到[7-8]。挥发油含有多种类型化合物,主要成分有萜类、脂肪族、芳香族化合物及其含氧衍生物等[9]。其具有芳香气味主要是因为含有大量萜类的含氧衍生物和芳香族化合物[10]。同种植物挥发油的成分及含量随着产地、加工方式、提取方法或提取部位的不同而存在一定差异[11]。临床及现代药理实验表明,挥发油在抗肿瘤、解热镇痛、抗病毒、抗炎及促进药物吸收等多方面都具有药理活性[12]。此外,还常用作矫味剂和促透剂[13]。

研究挥发油的提取分离技术对药食同源植物的开发利用具有深远意义。在挥发油的提取过程中,最重要的是保障组分活性不被破坏,保证质量的前提下提高萃取率。近年来,常用的挥发油提取方法有水蒸汽蒸馏法、溶剂萃取法、压榨法、顶空-固相微萃取法、超临界CO2萃取法等,常见的挥发油组分鉴定方法有薄层色谱法、气相色谱法等,现总结了各方法的原理及优缺点,在具体应用中选择合适的方法进行分析。

1 挥发油的传统提取方法

1.1 水蒸汽蒸馏法

水蒸汽蒸馏法是《中国药典》记录的挥发油最经典的提取方法,是指将含有挥发油的原料粉碎后,用水浸泡湿润,再通入水蒸汽蒸馏或用直火加热蒸馏,挥发油就会随着水蒸汽一起蒸出,再经冷凝和分离得到挥发油[4]。司辉等[10]研究了物料比和提取时间对挥发油得率的影响,用水蒸汽蒸馏法提取出澄清、透明的万寿菊挥发油,在最佳工艺条件下挥发油得率为0.54%。周国梁等[15]采用单因素实验和正交实验来确定水蒸汽蒸馏法提取滁菊挥发油的最佳条件,结果发现粉碎度对滁菊挥发油得率影响显著,在最佳工艺条件下滁菊挥发油提取率可达0.96%,且实验结果具有重现性。水蒸汽蒸馏法使用的装置简单,易操作,避免了有机溶剂萃取造成的污染,但是温度高、耗时长、易出现焦糊现象,挥发油得率低[16]。

1.2 溶剂萃取法

溶剂萃取法是将原料与石油醚等低沸点有机溶剂一起在连续提取器中加热提取,提取液在低温下蒸除溶剂即得挥发油粗品[17]。邱松山等[18]以肉桂皮为材料,石油醚为溶剂,对加速溶剂法萃取肉桂皮精油进行工艺优化,对影响精油提取率的主要因素进行研究并建立数学模型,为肉桂皮进一步的开发利用提供科学依据。该法需要消耗大量有机溶剂,且提取的挥发油杂质多,需要进行纯化,此过程可能会造成挥发油的损失和某些组分的变化[19-20]

1.3 压榨法

压榨法是将新鲜原材料撕裂粉碎后进行压榨,使挥发油从细胞组织中被挤压出来,然后经离心机离心后静置分层即得挥发油粗品[21]。此方法是最传统的提取方法,使挥发油充分保持了植物原有香气,但是挥发油不能充分提取,而且只适合挥发油较多的新鲜原料,如生姜、橘皮等。文红梅等[22]利用高效液相色谱和气相色谱对水蒸汽蒸馏法和压榨法提取的同一批次生姜精油进行了对比分析,结果发现两种方法提取的生姜挥发油组分差异不大且含量相当。压榨法成本低、效率高,适合工业上的连续生产。

2 挥发油的现代提取方法

2.1 微波辅助萃取法

微波辅助萃取法是利用微波的强穿透力和热效应,使样品内外同时被加热,促使细胞组织破裂,萃取组分自由流出到萃取剂中溶解[23]。房信剩等[24]采用微波辅助提取和水蒸汽蒸馏法提取花椒挥发油,并将两种方法进行比较。与水蒸汽蒸馏法相比,该方法所需时间短、挥发油得率高。微波辅助萃取法应用范围广泛,提取时间短,能耗低,节省溶剂,保证提取挥发油组分更纯正,值得应用和推广。

2.2 超声波辅助萃取法

超声波辅助萃取法利用超声波的空化效应、冲击力和振动等特性增强物质分子在溶剂中的运动频率,提高溶剂中活性成分的溶解能力,缩短萃取时间,增加浸提率[25],而且避免高温条件下有效成分的挥发。张迪等[26]以超声温度、超声功率和超声时间为单因素条件,通过单因素实验和正交实验探讨三个因素对杭白菊挥发油提取率的影响并对工艺参数进行优化。研究结果显示,超声时间是影响杭白菊挥发油得率的主要因素。超声波辅助萃取法作为一种新型提取技术具有提取效率高、省时、节约溶剂、低温操作保护有效成分等优点,近几年超声提取技术在挥发油提取方面成效显著[27-28]。

2.3 超临界流体萃取法

超临界流体同时具备气体和液体的特质,其粘度和渗透性与气体相近,而密度和溶解能力与液体相当[29]。在超临界条件下,样品中的有效成分溶于超临界流体中,通过调节温度和压力,使超临界流体的密度降低,溶解度减小,溶质析出。如果存在多种有效成分,则采取逐级降低压力,使溶质逐步析出,整个过程兼有蒸馏和萃取两种作用[30]。CO2的临界温度低,临界压力为7.38 MPa,而且安全、无味、不燃烧,化学性质稳定,所以在实际中CO2是一种较理想的超临界流体[30]。刘伟等[31]利用超临界CO2技术萃取雪菊挥发油,并通过正交实验确定最优提取条件。超临界流体萃取技术是最干净的提取技术,效率高、操作温度低,耗能少,节约成本,全过程不用有机溶剂,防止有机溶剂对人体的伤害和对环境的污染[32]。

2.4 亚临界水萃取法

亚临界水是指将水加热到100 ℃和临界温度374 ℃之间,通过控制压力使水仍为液态,也有称它为超热水和高温水[33]。常温常压下水是强极性,但在亚临界条件下,随着温度上升,水的极性逐渐降低成为非极性[34]。通过控制温度和压力,改变亚临界水的极性和黏度,从而实现水溶性物质到脂溶性物质的选择性连续萃取[35]。郭娟等[36]对亚临界水萃取肉桂精油进行了研究,在适当条件下,肉桂精油萃取率可达1.83%。与传统水蒸汽蒸馏法相比,亚临界水萃取法的肉桂精油得率提高了15.8%,萃取时间缩短了6倍。亚临界水萃取法以纯水作萃取剂,具有操作简便、高效、油质干净、对环境危害小等特点,但在高温高压条件下热敏性物质易分解、变性,所以需要进行预实验明确其温度范围[37]。

2.5 固相微萃取法

固相微萃取法(Solid-phase microextraction,SPME)是利用由石英光导纤维和其表面高分子固定相涂层构成的萃取头,对样品中待测物用直接或顶空方式进行提取和收集,然后使用色谱分析仪器对目标物进行脱附和解析[38]。固相微萃取法是集取样、萃取、浓缩、进样于一体,具有快速、高效、安全等特点,成为目前应用最普遍的样品预处理方法之一[39]。孙丰义等[40]采用固相微萃取(SPME)和溶剂辅助风味蒸发(SAFE)两种萃取方法对炸花椒油的挥发性成分进行分析。结果表明,两种方法的萃取成分存在差异。SPME法测定结果有浓郁的辛香味,该法萃取成分中的醚类化合物为其提供了甘草和辛香风味。

表1 挥发油提取方法优缺点对比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of extraction methods of volatile oil

2.6 酶解提取法

酶解提取法是在植物中加入适宜的酶,降解植物的细胞壁,除去细胞间质中的纤维素、果胶等物质,破坏细胞构造,增加细胞组织中油的流动性,有利于油脂释放[41]。酶解法不需要特殊设备和溶剂,操作安全、提取效率高、成本低,但是它的实验条件要求很严格,需要确定酶的种类和用量、最适温度、pH、最佳处理时间等条件[42]。裴小娜等[43]采用酶法辅助提取生姜挥发油,研究了酶种类、酶用量、pH、温度对生姜挥发油提取率的影响。在最佳提取条件下生姜挥发油提取率高达3.86%。

3 挥发油成分的鉴定方法

研究与分析挥发油成分是为了明确其功效控制其质量,同时可鉴别药食同源植物的真伪。常用的挥发油分析方法有薄层色谱法(Thin layer chromatography,TLC)、气相色谱法(Gas chromatography,GC)、气相色谱-质谱法(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)、红外光谱法(Infrared spectrum,IR)等。药食同源植物挥发油不同分析方法的特点和不足见表2。

表2 药食同源植物挥发油分析方法的特点和不足Table 2 Characteristics and shortcomings of the analysis methods of volatile oil from medicine and food dual purposes plants

3.1 薄层色谱法

薄层色谱法(Thin layer chromatography,TLC)是利用同一吸附剂对不同成分吸附能力不同,使移动相溶剂流过固定相吸附剂时,实现吸附、解吸、再吸附、再解吸的过程,从而使各成分相互分离[44]。薄层色谱法能够同时分离多个样品、操作简单、成本低、分析速度快,在药物、生化、食品和环境检测等方面应用广泛,在定性定量分析中发挥着重要作用[45]。龙兰艳等[46]采用薄层色谱法建立了益智仁挥发油的指纹图谱,该方法简单、直观、专属性强和重复性高,为益智仁的鉴别和质量的评价提供了科学支持。

3.2 气相色谱法

气相色谱法(Gas chromatography,GC)是色谱分析方法中的一种,它的流动相是气体。当样品汽化后随着流动相进入色谱柱,由于色谱柱的固相涂层对不同组分的溶解或吸附能力不同,其在色谱柱中的运行速度也不同,使各组分依次离开色谱柱,然后经检测器检测,以色谱峰的形式在记录仪上显示[47]。气相色谱法的样品用量少,而且具有快速、高效、选择性高等优点,在中药的质量鉴定和控制方面应用广泛[48]。宋青坡等[49]用气相色谱法对不同产地野菊花挥发油进行了检测分析,建立了野菊花挥发油成分气相色谱指纹图谱,并指出异龙脑、樟脑、侧柏酮等成分的峰位,为鉴定野菊花药材真伪提供了科学基础。古丽江·马合苏提汗等[50]建立了气相色谱法测定雪菊中柠檬烯含量的方法,通过多次实验验证,该方法可靠、精确、重现性良好,为制定雪菊质量标准提供了技术支持。

3.3 气相色谱-质谱法

气相色谱-质谱联用技术(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)结合了气相色谱法的高分离能力和质谱法的高鉴别能力,大大提高了样品分离鉴定的速度。样品经前处理后进入气相色谱,得到分离度较高的总离子流图,然后结合质谱图以及保留值对化合物的组分进行定性鉴定和分子结构的准确判定,通过内标法、外标法和面积归一化法等对某组分进行定量分析。

目前,气-质联用技术是对300 ℃以下能汽化样品进行定性定量分析最常用且有效的手段[11]。蒲凤琳等[51]运用GC-MS对四川汉源青、红花椒挥发油成分进行分析鉴定,对这两种花椒香气存在差异的原因进行了深入的分析,为花椒的生产应用和质量控制提供了更好的理论基础。卢金清等[52]用气相色谱-质谱法结合NIST谱库对沙棘挥发油化学成分进行定性和定量分析,为沙棘的研究开发提供了科学支持。

3.4 全二维气相色谱法

全二维气相色谱(GC×GC)是在两根性质不同的色谱柱之间串联一个调节器,样品先通过第一根色谱柱进行组分分离,然后所有组分进入调节器进行浓缩或聚焦,再进入第二根色谱柱继续分离,最后进入检测器进行检测[53]。全二维气相色谱的灵敏度和分辨率相对于一维气相色谱都显著提高,而且它的分析时间短,能够实现族分离,大大提高了复杂体系的分析质量[54]。吴晶晶等[55]将全二维气相色谱和飞行时间质谱结合来分析广西八角茴香的挥发油成分。结果发现,全二维气相色谱能够分离出在一维气相色谱中无法分离的组分。研究为深入了解八角茴香挥发油成分和功能食品的开发提供依据。韩婷等[56]利用飞行时间质谱谱图和全二维色谱特有的结构信息,对滁菊挥发油进行定性分析,建立了全二维气相色谱飞行时间质谱检测滁菊挥发性成分的方法,为滁菊保健食品的开发提供理论支持。

3.5 气相色谱-红外光谱法

红外光谱法(Infrared spectrum,IR)是分子吸收光谱的一种,当用红外光照射有机物时,分子吸收红外光会发生振动能级跃迁,不同的化学键和官能团吸收频率不同,得到的红外吸收光谱也不同,因此可以知道未知物的化学键和官能团信息,是分析有机物结构的良好方法,但是红外光谱不能用于混合物的定性分析[57]。可以利用气相色谱先分离混合物,再用红外光谱进行定性分析,将两者结合实现优势互补[58]。向丽等[59]采用傅里叶变换红外光谱法及二阶导数红外光谱法考察肉桂不同部位(树皮、嫩枝、叶)挥发油的红外指纹图谱差异。通过红外宏观指纹分析,探讨红外整体宏观表征,建立了肉桂不同部位挥发油快速、有效的鉴别方法。刘燕等[60]利用傅立叶变换红外光谱数据对金银花和山银花挥发油样品进行聚类分析,建立了鉴定金银花挥发性成分的方法。该法为鉴别金银花、山银花挥发油提供依据,同时对其他原料挥发油的分析研究具有参考价值。

4 展望

本文综述了药食同源植物功效成分挥发油的提取分离技术,为药食同源植物的开发利用提供理论支持。常见的挥发油提取方法有水蒸汽蒸馏法、溶剂萃取法、顶空-固相微萃取法、超临界CO2萃取法等,将这些前处理方法与薄层色谱、气相色谱等现代分析技术联用可以明确挥发油的成分及其含量。但是,这些提取方法仍停留在实验室的研究阶段,与工厂生产设备严重脱节,当把实验室开发的方法应用到实际工业生产中,受到装备的影响,挥发油提取率低、质量差。所以,挥发油的提取不应局限于实验室研究,更应该结合生产实际情况开展研究,并对生产中现有的提取设备进行完善和优化。研究者应将研究成果结合现实生产设备进行转化,并开发应用配套装备,实现工艺与生产设备的融合。

随着人们生活质量的不断提高,“药食同源”的养生理念被广泛认同,而且也得到了我国政府在政策上的支持,大大的促进了“药食同源”产业的发展。药食同源植物成分复杂,而挥发油是其重要的功能组分之一,对挥发油的深入研究,为药食同源植物的药理研究和临床应用等奠定基础,推动药食同源植物在医药、保健品、美容等方面的开发和应用。目前相关研究还处于基础阶段,应结合工业生产进一步完善提取分离技术,探索新方法,在此基础上研究挥发油的作用机理、作用部位,更加有针对性的加以利用,为药食同源产品的发展提供支持。