微波无溶剂法提取樟叶精油

李嘉欣，朱 凯

（南京林业大学 化学工程学院，江苏 南京 210037）

樟树Cinnamomum camphora是樟科Lauraceae樟属植物中经济价值较高的树种之一,主要分布于中国南方各省的亚热带[1]。从樟树叶中提取的挥发性精油富含芳樟醇、1,8-桉叶油素、樟脑、异-橙花叔醇、龙脑等重要天然成分[2]，且具有芳香、医疗和驱虫等作用而成为医药卫生、化工、食品、香料的重要原料。此外，樟树叶为可再生资源，其应用前景广阔[3]。

目前主要的樟树精油提取方法有水蒸气蒸馏法[4]、有机溶剂萃取法[5]、同时蒸馏萃取[6]、静态顶空[7]、固相微萃取[8]和超临界二氧化碳萃取[9]等方法。但使用这些提取方法提取效率低、耗时久、溶剂消耗多，此外提取过程中会造成一些挥发性化合物的损失；热和水解作用会使不饱和化合物及酯类化合物发生降解，提取物中会存在有毒溶剂残留[10]。随着“绿色化学”概念的发展，“绿色提取技术”变得越来越有吸引力，人们对辅助提取法在精油提取中的应用给予了极大的关注[11-14]。无溶剂微波萃取（SFME），是一种将微波加热与常压干馏相结合的新技术[15]，多用于从芳香植物中提取精油和抗氧化剂等[16-18]。与传统的水蒸气蒸馏（HD）相比，SFME 的主要优点在于不需要添加任何水和溶剂、提取速度快、从芳香植物中获得的化合物质量高以及更加清洁和环保。

本研究将SFME 这一新型、绿色的提取技术应用于樟树叶精油的提取中，对SFME 法提取条件进行优化，并从提取时间、得油率及芳香成分、叶片结构变化等方面与HD 法进行比较。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜樟树叶片（含水率63.4%），于2018年3月采自南京林业大学校园内，剪碎，备用；乙醚：分析纯，南京化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

TRACE 1300- ISQ 型气相-质谱联用仪，美国Thermo Fisher Scientific 公司；NEOS 无溶剂微波萃取装置，意大利Milestone 公司；Quanta 200 环境扫描电子显微镜（SEM），美国 FEI 公司。

1.3 方 法

1.3.1 叶片含水率测定

称取5 g 新鲜叶片，110 ℃烘干45 min 直至恒重，测定叶片含水率。叶片含水率采用以下公式进行计算：

1.3.2 水蒸气蒸馏法

称取100 g 新鲜樟树叶片，剪碎，装入100 mL 四口烧瓶中，加入8 倍（mL/g）蒸馏水。采用水蒸气蒸馏装置提取精油，待冷却后用乙醚萃取分离得到精油，置于4 ℃下保存待用。采用以下公式计算精油得油率：

1.3.3 无溶剂微波萃取法

称取250 g 新鲜樟树叶片，剪碎。采用无溶剂微波萃取装置提取精油，待冷却后用乙醚萃取分离得到精油，置于4℃下保存待用。采用公式（2）计算精油得油率。在实验期间，时间、温度、压力和功率由软件控制。

1.3.4 气相-质谱分析条件

色谱条件：色谱柱DB-5MS；初温60 ℃（保留3 min），以15 ℃/min 升温至150 ℃，再以5 ℃/min 升温至200 ℃，再以10 ℃/min 升温至220 ℃，进样口温度为250 ℃。FID 检测器温度为280 ℃；0.1 μL 进样量，载气为氦气。采用面积归一法确定各化学组分的相对质量分数。

质谱条件：EI 离子源250 ℃，四级杆150 ℃；电子能量70 eV；电子倍增管电压1 347 V，扫描质量范围45～450 m/z。

1.3.5 扫描电子显微镜

在使用不同提取方法提取前后，通过扫描电子显微镜（SEM）进行样品的微观结构表征。分别将提取前后的叶片处理后切成1 mm×5 mm 长条，将横切面朝上并固定在铝支撑体上，在标准真空条件和二次电子检测器下用SEM 分析检测其结构。

2 结果与分析

2.1 微波功率的优化

适当的微波辐射功率的设定在精油提取过程中是非常重要的，因为过高的微波辐射功率会降解挥发性化合物以及植物材料本身[18]。因此，为明确SFME 法提取过程中时间与辐射功率之间的关系，分别研究了辐射功率为200、300、400、500、600 和750 W 时的时间变化，如图1所示。

图1 微波辐射功率与所需提取时间关系Fig.1 Relationship between microwave irradiation power and required extraction time

为了评估功率设置对精油成分的影响，收集所有提取物并使用气相色谱分析，使用火焰离子化检测器GC-FID 和气相色谱与质谱GC-MS 结合。由图1可知，辐射功率为200～400 W 时，所需提取时间较长。600 和750 W 的功率设置下所需提取时间较短，但已出现较多精油化合物的降解，含氧化合物总量减少，且出现焦糊味。在750 W的功率设定下提取精油时，发生基质燃烧。因此，对于250 g 新鲜樟树叶，微波辐射最佳功率为500 W，即2 W/g 是最佳微波功率密度。在此条件下完成精油提取并在微波辐射35 min 后精油中挥发性化合物未有损失。

2.2 精油得油率优化

图2和图3分别为采用SFME 法和HD 法提取樟叶精油过程中产率与时间的变化关系图。

图2 SFME 法提取樟叶精油的产率与时间变化关系Fig.2 Yield profiles as a function of time for the SFME extractions of essential oil from Cinnamomum camphora leaves

图3 HD 法提取樟叶精油的产率与时间变化关系Fig.3 Yield profiles as a function of time for the HD extractions of essential oil from Cinnamomum camphora leaves

整个提取过程主要分为四个阶段。第一阶段为加热阶段，范围从室温到100℃，该阶段未有精油馏出；第二阶段精油提取开始，这一阶段主要作用于植物颗粒表面，精油得油率迅速升高；第三阶段，植物细胞中的水受热使得精油从叶片颗粒中部向外部介质扩散，精油得率增加缓慢；最后一阶段精油提取过程结束，精油得率不再发生变化，曲线接近水平。

由图2和图3可以看出，使用SFME 法和HD法在最佳条件下提取樟树叶精油，得到的最高得油率分别为0.98%和0.96%，两者较为接近，且SFME 法提取樟叶精油的得油率略高于HD 法。此外，采用HD 法提取5 h 时可达到最高得油率，而SFME 提取只需要35 min，提取时间缩短了88%。

2.3 温度变化比较

图4显示了采用SFME 和HD 法提取精油期间的温度曲线。从图中可以清楚地观察到两个阶段。第一阶段温度迅速升高，直到温度达到100 ℃，从而实现第一滴精油液滴的蒸发。在第二阶段，萃取温度等于大气压下的水沸腾温度（100 ℃），直至萃取结束。另外，SFME 法加热速度明显比HD 法快，仅在时间为6 min 时即可加热至100 ℃。

图4 SFME(500W)和HD 法提取樟叶精油的温度与时间变化关系Fig.4 Temperature profiles as a function of time during SFME (500 W) and HD as extractions of essential oil from Cinnamomum camphora leaves

2.4 精油的成分分析

分别采用HD 法及SFME 法提取樟树叶精油，并采用GC-MS 分析其成分。GC-MS 分析总离子流色谱图见图5，精油化学组分见表1。

分别使用SFME 和HD 法提取樟树叶精油，采用GC-MS 分析其成分，共鉴定出47 种主要化合物。由表1可以看出，主要的挥发性化合物是桉叶油素、桧烯和α-松油醇，其次是α-蒎烯、萜品油烯、松油烯、芳樟醇、(-)-4-萜品醇，但不同提取方法所得到的化合物比例不同。含氧化合物比单萜烃化合物的香味更浓，因此在香精香料、化妆品、食品等领域更具有价值。与HD 法提取得到的樟树叶精油相比，使用SFME 法得到的精油中含氧化合物的量更高（HD：62.12%，SFME：75.54%），且单烯烃化合物含量更低（HD：36.03%，SFME:23.24%）。使用SFME 获得的含氧化合物的比例较高可能是由于提取过程中不需要使用大量水，因此产生的热强度和水解效应更低。此外，含氧化合物具有较高的高偶极矩，与微波相互作用更强烈，而单萜烯化合物偶极矩较低，因此含氧化合物更易用SFME 法提取得到。

图5 HD 法（a）和SFME 法（b）提取精油总离子流图像Fig.5 Total ion chromatogram of essential oils extracted by HD (a) and SFME (b)

2.5 微观结构分析

不同提取方法会使樟树叶片发生不同程度的物理变化。图6是不同方法处理前后樟树叶片横切面的SEM 显微照片。从图6a 可以看出，未经处理的新鲜樟树叶片的细胞及细胞壁结构完整。而在图6b 中，叶片经水蒸气蒸馏后，部分叶片细胞的细胞壁变薄，大部分细胞及细胞壁产生一定程度破裂。从图6c 中可以明显地看到，叶片微波萃取后，叶片细胞和细胞壁受到严重破坏，细胞形态完全发生改变，并且细胞内物质被分散。

3 结论与讨论

采用SFME 法提取精油时最佳微波辐射功率为500 W，该功率下提取所得到的精油中挥发性物质损失少，芳香气味纯正。

从提取时间、得油率、精油芳香成分以及叶片结构方面对比SFME 法与HD 法。结果表明，采取两种方法提取樟叶精油得油率较为相近，分别为0.98%和0.96%。但使用SFME 法所需提取时间更短，只需要35 min，而HD 法则需要5 h。主要是由于SFME 提取过程中对叶片细胞及细胞壁的破坏程度更大。此外，根据GC-MS 分析结果可以看出：SFME 和HD 法提取所得的精油主要化学成分相似，但SFME 法所得提取物中含氧化合物总量比HD 法的高，分别为75.54%和62.12%，因此得到的精油香气更加浓郁。

表1 樟叶精油的化学组分Table1 Chemical compositions of Cinnamomum camphora leaves essential oil

图6 (a)未处理、(b)HD 提取后、(c)SFME 提取后的樟树叶SEM 谱图Fig.6 SEM micrographs showing the morphology of untreated Cinnamomum camphora leaves (a),after HD extraction (b),after SFME extraction (c)

SFME 是一种快捷、绿色、清洁型提取技术，可作为传统水蒸气蒸馏的替代方法来提取芳香植物精油，与传统水蒸气蒸馏法相比，SFME 耗时短、提取效率高、香气浓郁，并且提取过程中不需要添加水或有机溶剂，从而减少了溶剂的消耗和对环境的污染，同时避免了提取物中有机溶剂的残留以及水溶性物质的水解。

目前，该提取方法仍存在一定局限性。首先，该设备目前相关研究较少，还未能够应用于工业化规模生产。其次，如若原料内含水率较低，提取过程中会存在蒸汽量不足，精油提取不完全，或造成植物原料的焦糊而降低精油品质。此外，该仪器亦可以采用重力作用使精油在下部冷凝收集，即为微波无溶剂提取与水渗透提取的结合，该方法能够减少蒸汽量的消耗，使得精油提取更加充分，后续将会对此方法进行试验探究。