植物精油提取方法、组成成分及功能特性研究进展

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(1.贵州省农业科学院亚热带作物研究所,贵州兴义 562400; 2.赤水市中丹农业科技有限公司,贵州赤水 564703)

植物精油在植物学领域被称为精油,在化学和医药学领域被称为挥发油,在商业领域被称为芳香油[1],是一类存在于芳香植物的叶、根、皮、花和果中,可随水蒸气蒸馏,且具有一定气味(一般为香味或辛辣味)的挥发性油状液体,颜色多为无色,属植物体自身的次级代谢产物,享有“液体黄金”的美誉。

目前关于植物精油提取的方法相当多,例如水蒸气蒸馏法、有机溶剂萃取法、分子蒸馏法、超临界CO2流体萃取法、亚临界水萃取法、微胶囊-双水相萃取法、超声微波辅助提取法等,其中水蒸气蒸馏法因设备简单、操作简便、提取成本低等优点而广泛应用,同时也是当下植物精油提取最为常用的方法[2-6]。

国内外众多的研究均表明,植物精油是由多种成分组合的天然混合物,成分较为复杂,而且植物的摘取部位、采摘季节、获取时间等均会影响其精油成分,通过气质联用技术(GC-MS)、高效液相色谱法(HPLC)等相关技术分析,得出主要包括萜类化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物和含氮含硫化合物四大类。此外,植物精油因这些化合物的存在而具有多种功能特性,例如抗氧化、抑菌、抗癌抑瘤、保鲜、驱蚊防虫等,一直以来被广泛应用于化妆品、洗涤用品、食品(主要是果蔬、肉类及水产品)、烟酒、农业以及其他工业用香精中[7-12]。

本文就植物精油的传统提取方法(水蒸气蒸馏法和有机溶剂萃取法)及新型提取方法(超临界CO2流体萃取法、亚临界水萃取法、分子蒸馏法等)、检测分析方法及主要组成成分、功能特性三方面进行了综述,以期为植物精油的生产应用和新产品开发提供依据及参考。

1 植物精油的提取方法研究

1.1 传统提取方法

植物精油传统的提取方法主要有水蒸气蒸馏法和有机溶剂萃取法两种,由于这两种方法具有设备简单、容易操作等优点,目前市场上销售的精油,大多是采用这两种方法制作而成的。

1.1.1 水蒸气蒸馏法 水蒸气蒸馏法(Hydrodistillation,HD),是利用水蒸气将植物精油从原料中提取出来的一种方法。植物精油在提取的过程中,水通过水散作用,将待提取成分从植物组织中渗透出来,带到表面呈现出油斑状,再与水混合而被带离组织,经冷凝后通过油水分离的方法得到较纯的精油。此法适用于具有挥发性、能随水蒸气蒸馏而不被破坏、与水不发生反应、难溶于或不溶于水的成分提取。早在中世纪,阿拉伯人就采用HD法从植物组织中提取出精油[13]。现今,国内外学者仍青睐HD法,且此法一直是植物精油提取最为常用的方法。HD法提取的迷迭香精油质量好,且鉴定出24种组成成分[14]。此外,HD法提取的精油产率高,臭柏(SabinavulgarisAnt.)精油和油松(PinustabulaeformisCarr.)精油经HD法提取之后,最终得率分别高达2.3%、1.0%[15]。

HD法具有设备简单、操作容易、绿色环保等优点,但是,HD法也存在着些许缺点。此法中会因为植物原料组织长时间地置于高温中,导致其中所含有的热敏性成分热分解,易水解成分发生水解及原料焦化等,从而造成对精油产品质量不利的影响,还存在能耗高、耗时长等缺点。

1.1.2 有机溶剂萃取法 有机溶剂萃取法(Solvent extraction,SE),是利用有机溶剂(如甲醇、乙醇、丙酮、石油醚、正己烷等)对植物精油进行连续回流提取或热浸、冷浸提取等,随后提取液经蒸馏或减压蒸馏去除有机溶剂,即得精油粗制品。SE法作为植物精油提取的一种传统方法,深受众多研究者的喜爱。目前,很多植物精油,例如花叶艳山姜叶精油[16]、崖柏精油[6]等均采用此法制备而成,且提取率分别为0.34%、7.84%。

SE法的设备简单、投资小,精油提取率高,大多数国内外研究者仍使用此法来提取植物精油。但是此法也存在着些许缺点,如:SE法提取的植物精油纯度较低,主要是因为植物体中的树脂、蜡等杂质会同时被提出,而且这些杂质还会掩盖精油中的主要致香物质;植物精油提取过程中需用大量有机溶剂,严重污染环境,并且最终精油产品中残留的提取溶剂也比较难以除去。

1.1.3 其他传统提取方法 植物精油提取的传统方法除上述介绍的HD法和SE法外,还存在着一些传统的提取方法,例如吸收法、压榨法、吸附法等[17],其中吸收法和吸附法适用于热敏性的贵重精油提取,工序复杂,耗时长;压榨法是最为传统的精油抽提方法,该法所得精油产品不纯,且得率低,成品保存时间短。

1.2 新型提取方法

随着科技的发展,为提高植物精油的质量和产率,到目前为止,涌现出了一大批新型的植物精油提取方法,如超临界CO2流体萃取法、亚临界水萃取法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法、超声强化亚临界水提取法等。

1.2.1 超临界CO2流体萃取法 超临界CO2流体萃取(Supercritical carbon dioxide fluid extraction,SFE-CO2)是近三十多年发展起来的新型精油提取方法。此法的原理在于,将超临界流体控制在超过临界压力和临界温度状态下,从植物材料中萃取精油,当超临界流体恢复到常温和常压条件时,溶解在超临界流体中的精油即刻与其分开。历年来,国内外学者都会采用SFE-CO2法提取植物精油,且提取出来的精油有芒果皮精油[5]、罗勒精油[18]等,得率均可达到6. 0%以上。

与HD法相比,SFE-CO2法能够避免植物精油中的某些组分分解或流失,主要原因在于,此法在提取过程中的操作温度偏低,精油中热敏组分不会因为温度过高而发生分解,而且还能防止可能存在的水解及水溶作用致使的精油组分流失。此外,超临界二氧化碳还具有溶解能力可调和选择性高的优点。SFE-CO2因具有上述优点,而使得提取制备所得的植物精油香气极接近于天然芳香植物本身所特有的香气,而且在提取过程中萃取出的某些高沸点物质还可以增加精油的留香时间,因此,此法尤其适合高档精油的提取制备。但是,由于SFE-CO2法所需成本较高,目前仍处于实验研究的阶段,还未普遍投入工业化生产中。

1.2.2 同时蒸馏-萃取法 同时蒸馏-萃取法(Simultaneous-distextraction,SDE)是近二十多年发展起来的新型精油提取方法。原理是利用样品蒸汽和萃取剂蒸汽在密闭装置中充分混合,样品中各组分在低于各自沸点时就能被蒸出,而且混合物的沸点在蒸馏的时候会一直保持不变,当样品中某一组分完全被蒸出后,温度才会上升至蒸馏瓶中剩余组分的沸点。样品中的挥发性组分会优先被蒸出,随后在冷凝管上和萃取剂完成萃取,根据萃取剂与水比重存在的差异而将两者分离,最终回收萃取液即得目标成分。当下SDE法由于其有着自身特有的优势而被大量的用来提取植物精油。SDE法与传统提取方法HD法相比,提取的新疆产罗马洋甘菊油得率较高,且对于小分子易挥发化合物如单萜等和水溶性较好的化合物如醇类等还有着较高的提取率[4]。薛山[2]也发现在HD法、SDE法和UAE法三种方法中,SDE法提取紫苏叶精油的提取率最高,达到了8.21 mg/g鲜重。

SDE法具有以下优点:样品的水蒸气蒸馏和馏分的溶剂萃取合二为一,与传统的HD法相比,实验步骤减少,溶剂用量降低,且样品在转移过程中的损失降低;提取所得的植物精油可直接用于GC-MS分析;SDE法对植物精油中微量成分的提取率较高。SDE法同时也是存在缺点的,如操作温度高,所得精油的香气存在着失真现象。

1.2.3 亚临界水提取法 亚临界水提取法(Subcritical water extraction,SWE)提取精油始于1998年,自国外学者Basile等[19]第一次用亚临界水提取出了迷迭香叶片中的精油以后,此法广泛应用于天然产物提取等领域中,而且在国内也已取得了一定的成功。亚临界水(Subcritical water)也称超加热水、高压水,其本质是处在临界温度下的液态水,是指在特定的压力下,使水的温度达到100 ℃以上,临界温度374 ℃以下,水体仍保持为液体状态。SWE法因得油率高、产品质量好等优势,备受广大国内外研究者的关注。阿米糙果芹(Trachyspermumammi)籽精油经SWE法提取之后的得油率显著高于HD法,得油率高达12.9634 mg/g干重[20]。Mottahedin等[21]也发现,采用SWE法提取姜黄(CurcumalongaL.)根精油可明显提高其中姜黄素的质量和提取率,最大提取率达到了90.1947%±0.26%。

SWE法具有提取时间短、提取率高、精油品质好、能耗低、绿色环保等优势[22],是一项开发潜力巨大、应用前景广阔的新型提取技术。与SFE-CO2法相比,尽管两种提取方法的提取能力、得率、选择性、精油品质旗鼓相当,然而SFE-CO2法中的CO2必须处于25 MPa以上的超高压状态下才能实现萃取,而SWE法中的亚临界水的压力远远低于超高压状态,由此使得SWE法在设备上更容易实现,也更适用于植物精油的工业化生产[23]。但是,此法也存在一定的局限性,若要用于植物精油的规模化工业生产中,许多地方仍需不断完善。

1.2.4 分子蒸馏法 分子蒸馏(Molecular distillation,MD),又称短程蒸馏,是在高真空度下,依靠分子运动的平均自由程不同,实现液体混合物组分分离的一项高新技术。目前,众多研究者采用MD法提取植物精油,提取出来的植物精油质量好、纯度高。有报道称,MD法提取的大蒜精油外观质量明显提高,平均总提取率达到0.476%,纯度高达99.85%[3];另外,毛葱精油经MD法提取之后,纯度也可达94.20%[24]。

MD法的操作温度远低于提取物料常压下的沸点温度,同时植物组织被加热的时间极短,热分解作用被抑制,不会对组织本身造成损坏。此外,MD法还能有效地阻止其他有毒成分进入,精油产品的安全性提高,因此MD常作为植物精油的一种精制、纯化、除蜡手段[25-26]。

1.2.5 超声波辅助提取法 超声波辅助提取(Ultrasonic-assisted extraction,UAE)是运用超声波强化来提取植物组织中的有效成分。原理是利用超声波空化作用,加速植物组织中的有效成分释放溶出;另外,超声波次级效应(如机械震动、击碎、化学效应等)同样也能加速植物组织中有效成分的扩散、释放,使其与提取剂充分混合而利于有效目标成分的提取。目前UAE法提取植物精油备受广大研究者的关注,此法提取的植物精油得率较高,被大量应用于植物精油的辅助提取中[2,22]。UAE法提取的金柑果皮精油得率达到2.24%,发现对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌、黑曲霉、酵母菌均有一定抑制作用,最小抑菌浓度(MIC)分别为1.0%、0.5%、0.5%、0.5%、0.1%,此外可延缓食用油脂的货架期,具有良好的抗氧化活性,清除羟自由基能力为42.71 U/mL,对DPPH自由基清除率达到82.5%,总抗氧化能力达到9.00 U/mL[27]。

UAE法具有提取时间短、提取温度低、提取率高、节能等优点,对传统提取工艺方法有较大的改进,其经济性较好、适应性广泛。但是此法却只是一种辅助手段,需与其他提取方法联用才能获得理想的提取效果。

1.2.6 微波辅助提取法 微波辅助提取法(Microwave-assisted extraction,MAE)是利用微波加热的特性来对植物物料中目标成分有选择性地提取的一种方法。MAE法通过调节微波的参数,能有效地加热植物物料中的目标成分,以利于目标成分的分离和提取。MAE法的原理是在微波场中,植物样品组织吸收大量的能量,其细胞内部由于水及其它物质的存在,会对微波能吸收较多,周围的非极性提取剂反而吸收得少,因此在细胞内部会产生热应力,然后提取物料的细胞因其内部产生的热应力而破裂,使得细胞内部目标物质直接接触相对较冷的提取剂,由此可加速目标物质从细胞内部向提取剂中转移,从而强化整个提取过程。目前,在植物精油的提取中,MAE法主要是作为一种辅助手段来提高精油的质量、产率等。微波辅助有机溶剂法提取的柑桔花精油得率达到1.04%,还发现总抗氧化能力和DPPH自由基清除率均要强于SFE-CO2法[28]。此外,微波辅助水蒸汽蒸馏法提取薰衣草精油可减少各种副产物的生成,还能获得更好的精油脂提取率[29]。

MAE的优点在于提取快速、高效,可减少浪费,节省能源等。此法同UAE法一样,确实改进了传统的精油提取工艺,但是却只是作为一种辅助提取手段,使用时需与其他技术联用才能发挥其理想的提取效果。

1.2.7 生物酶制剂辅助提取法 生物酶制剂辅助提取法是利用酶解反应破坏植物组织细胞壁结构,使得组织细胞内的有效成分溶出于溶剂中,从而达到提取目的的一种新型植物精油提取方法。Passos等[30]对用酶预先处理过的葡萄籽进行精油提取,精油提取率达到13.7%,与没有酶处理的样品相比,发现精油提取率提高了106%。研究还发现,葡萄籽经酶处理的时间越长,其精油得率越高。

生物酶制剂辅助提取法中所采用的生物酶(例如纤维素酶、果胶酶等)能在温和条件下分解植物组织,可节省提取时间、提高得率、减少破坏有效成分,然而由于生物酶的价格成本较高且现有酶解技术不能完全破坏原料的细胞壁,以致难以大规模地用于工业生产中[30]。

1.2.8 其他新型提取方法 除上述植物精油新型提取方法外,还出现了一些不断探索研究的其他新型提取方法,如超声强化亚临界水提取法[31]、微胶囊双水相萃取法[17]等,这些新型提取方法具有提取时间短、提取精油质量好的优点,但成本较高,所以未大规模地应用于实际生产中,目前较多地应用于实验室研究中。将来为获得高质量的植物精油,多种提取方法联用会是精油提取领域里发展的方向。

2 植物精油的检测分析方法及主要组成成分研究

2.1 植物精油的检测分析方法

植物精油的组成成分结构复杂多样,很难采取简单的检测分析方法来对其定性及定量,往往需要灵敏度高的检测分析方法。目前植物精油的检测分析方法有高效液相色谱法(HPLC)、气相色谱-质谱联用法(GC-MS)、薄层色谱法(TLC)、超临界流体色谱法(SFC)等[8,32-34],其中GC-MS分离能力强、分析速度快、灵敏度高、选择性良好,且能确定精油的组成成分及分子结构,因此常常被用于植物精油中主要组成成分的定性和定量分析。胡椒(PiperaduncumL.)精油经GC-MS分析,被鉴定出90种不同的组成成分,确定其中的主要成分为樟脑(17.1%)、绿花白千层醇(14.5%)和薄荷酮(23.7%)[9]。

2.2 植物精油的主要组成成分

植物精油的组成成分十分复杂,与其种类、生长环境、采收时节、提取部位、提取方法等密切相关,且其组成成分差异也较大[35]。尽管植物精油中的组成成分较为复杂,但是大体可分为萜类化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物和含氮含硫化合物四大类。

2.2.1 萜类化合物 萜类化合物是植物精油中最为常见、含量最高的组成成分,含量所占比例在70%以上,有的甚至超过了85%,主要包括单萜(如橙花醇、香茅醇、薄荷醇等)、倍单萜(如橙花叔醇、杜松醇、榄香醇等)和双萜(如植醇、维生素A醇等)[36]。Oliveira等[37]采用GC-MS对胡椒叶(PiperaduncumL.)精油进行分析,鉴定出22种不同的组成成分,发现其中大部分的组成成分为萜类物质。

2.2.2 芳香族化合物 芳香族化合物是植物精油中仅次于萜类化合物的第二大类组成成分,主要是醛类、醇类及酚类(如苄醇、乙酸酯、丁香酚、桂皮醛等)、萜源衍生物(如百丽香草酚、α-姜黄烯等)和苯丙烷类衍生物(如榄香素、欧细辛醚等)[38]。文献资料显示,这些芳香族化合物常存在于百里香、肉桂、丁香等植物精油中[6,16]。

2.2.3 脂肪族化合物 脂肪族化合物几乎存在于所有的植物精油中,但是却是含量极低的一类组成成分,多存在于植物果实中,如橘子精油、柠檬精油中的异戊醛、沙棘精油中的乙酸乙酯、黄柏果实精油中的甲基壬基酮等[38]。有文献资料显示,异戊醛和异戊酸这两种脂肪族化合物在植物精油的组成成分中最为常见[39]。

2.2.4 含氮含硫化合物 含氮含硫化合物主要存在于植物香辛料精油中,一般具有强烈辛辣气味。此类成分在植物精油中以含硫化合物居多,如大蒜头精油中的大蒜素、洋葱精油中的三硫化合物、辣椒及芥末精油中的异硫氰酸酯等[22,36]。另外,也存在少量的含氮化合物,如柠檬精油中的吡咯[40]。

3 植物精油的功能特性

植物精油具有多种功能特性,包括抗氧化、抑菌、抗癌抑瘤、保鲜、驱蚊灭虫等作用,广泛应用于食品、化妆品、医药、农业等领域。

3.1 抗氧化作用

植物精油是一种天然抗氧化剂,其抗氧化作用机理可分为两种,一种是直接抗氧化作用,另一种是间接抗氧化作用[36]。植物精油具有抗氧化的作用,主要原因是其中含有丰富的酚类物质,其抗氧化的方式有清除自由基、螯合金属离子、调节抗氧化酶和抑制细胞脂质过氧化这四种。

目前,国内外众多学者的研究都表明植物精油具有抗氧化作用。Bouchekrit等[10]发现,从E.asclepium(L.)中提取的精油具有较强的抗氧化能力,其抗氧化能力接近BHA的4倍。此外还有研究发现,从紫苏不同部位提取的精油均具有一定的抗氧化能力,紫苏叶精油清除DPPH自由基的能力(清除率为69.10%)较强,紫苏籽精油清除羟自由基的能力(清除率为79.11%)较强[41]。

3.2 抑菌作用

植物精油是一类植物的次生代谢物质,具有广谱抑菌作用。抑菌机理在于精油及其组成成分作用于微生物的细胞膜,使膜结构遭到破坏而损伤,从而膜透性增加,导致细胞内的离子和内含物外泄,或是微生物的酶系统受到破坏,致使细胞死亡[32,42]。有研究发现,植物精油中的萜类物质和酚类化合物在抑菌作用中贡献巨大,其中萜类物质可使微生物细胞壁脂质结构受损,进而破坏微生物细胞膜结构,致使细胞质外泄,细胞裂解导致其死亡[43];酚类物质通过破坏微生物的细胞膜而使细胞膜功能受损、细胞内物质外泄,最终导致微生物死亡[32]。

植物精油是一种天然抑菌剂,其主要成分作为防腐剂可起到较好的防腐抑菌效果,对多种真菌和细菌均有抑制效果。近年来,国内外研究者在植物精油抑菌这一方面进行了大量的研究。Memariani等[11]研究发现,大西洋黄连木精油中的成分α-蒎烯对幽门螺杆菌具有抑制作用;Bouchekrit等[10]发现从E.asclepium(L.)中提取的精油中,各组成成分相互作用可抑制酵母菌、革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌、藤黄微球菌、醋样芽孢杆菌)的生长。

3.3 抗癌抑瘤作用

植物精油对多种癌细胞和瘤细胞可起到抗癌抑瘤的作用,这一过程相当复杂,其作用机理还尚未研究透彻。普遍认为,植物精油能实现抗癌抑瘤是通过诱导癌细胞和瘤细胞凋亡。有研究发现,大蒜精油中的大蒜素可能通过调节Bax和Bcl-2两个基因的表达比例,诱导人结肠癌HT-29细胞的凋亡,进而抑制癌细胞的增殖达到抑制结肠癌的目的[44]。另外,还有研究发现,诱导癌细胞及肿瘤细胞凋亡的作用途径有很多条,而且同一种精油成分诱导的不同癌细胞凋亡的作用途径存在差异[45]。

目前研究已表明,不同植物精油对肺癌、肝癌、结肠癌、脑癌甚至是白血病等都具有抑制能力[46]。此外,植物精油还能有效地消除某些致癌物质,如亚硝酸盐等,在一定程度上可预防癌症[47]。近年来的研究发现,柠檬香茅、鼠尾草、泽兰蒿、薰衣草、野芹菜、橘皮、杨梅叶等19种植物精油均具有抗癌抑瘤作用,其中具有抗癌抑瘤作用的功效成分主要有柠檬烯、β-榄香烯、薄荷醇、广藿香醇、百里酚、丁香酚、柠檬醛、β-石竹烯及其氧化物[48]。

3.4 保鲜作用

果蔬、肉制品、水产品等食品经植物精油浸蘸、熏蒸、喷洒或与保鲜纸及涂膜剂等载体相结合的方式处理之后,贮藏过程中保鲜效果明显,原因是植物精油可抑制采后果蔬、肉品等在贮藏保鲜过程中的病原微生物的生长,还能增强它们的抗氧化能力及抗病性。近年来,大多数的国内外研究者使用植物精油处理果蔬(如枇杷、青椒等)[39,49]、肉品(如猪肉)[12]等,最终发现保鲜效果良好。此外,植物精油还能起到延长其他食品货架期的作用。例如,Koutsouman等[50]的研究表明,鱼籽酱、鲑鱼片等高脂肪含量的食物经牛至精油处理之后能很好地保存下来,保存时间为半个月左右。Nielsen等[51]在裸麦面包和热狗面包的气调包装中添加适量的植物精油,发现其货架期明显延长。

3.5 驱蚊灭虫作用

多种植物精油对蚊虫具有毒杀、趋避、引诱、拒食及抑制生长发育的作用,具有高效低毒的特点,其使用可减少化学农药对人体及环境造成的危害和污染[7]。目前,国内外学者在植物精油的驱蚊灭虫作用方面投入了大量精力,研究发现植物精油可杀灭麸皮中的玉米象(Sitophiluszeamais)[52]、玉米中的谷蠹(Rhizoperthadominica)[53]等害虫。此外,还对黑翅土白蚁[54]、白纹伊蚊和致倦库蚊[55]等蚊螨具有毒杀、触杀、趋避等作用。

3.6 其他功能特性

植物精油除了上述的功能特性以外,还具有防治心血管疾病、抗病毒、消炎、镇痛、镇静、治疗痛经、解痉等[45-56]作用。随着众多研究者的深入研究,植物精油的很多未曾被发现的功能特性必将被探寻出来,从而为食品、医药、农业等领域发展提供更为便利的条件。

4 结论与展望

目前,尽管植物精油的提取方法较多,但是大多是采用单一的方法来进行提取,未来多种提取方法联合使用将会备受关注,且探寻一种高效、简便、环保的提取方法并适用于所有植物精油的提取将会是未来一个重要的研究方向。此外,当下众多检测技术及研究者也已获得植物精油中的主要组成成分且也已知悉其生物功能特性,但是却并未明确具体是何种组成成分具有何种生物功能特性,这可作为植物精油研究者未来研究的重点。总之,植物精油作为一种天然产物,具有来源广、高生物活性、低毒等优点,今后必将在食品、化妆品、医药、环保等行业中的开发应用迎来更加广阔的空间。