枫杨叶挥发油的提取及化学成分研究

薄新党，余科义

（河南应用技术职业学院，郑州 450042）

枫杨（Pterocarya stenopteraC.DC）属于胡桃科（Juglandaceae）枫杨属（Pterocarya）植物木本落叶大乔木。枫杨属植物主要分布在南亚热带和暖温带地区，共有9种［1］。据记载，枫杨叶和树皮具有解热杀虫、祛风除湿等功效；主要在皮肤过敏、牙痛以及细菌性脓疮等方面有显著的治疗效果［2］。现代研究表明，枫杨属植物含有挥发油、萜类、甾体类、黄酮类等化学成分［1，3-6］，枫杨的生物活性和药用价值有抗菌［7，8］及抗氧化［9］、抗肿瘤等活性［10-12］、农用防治杀虫［13］、防治元胡霜霉病［14］、引诱棉铃虫处女雌蛾［15］、灭螺［16］、防治鱼类的细菌性烂鳃病、赤皮病等［17］。枫杨变种很多，不同的产地其成分和生物活性存在一定的差异。枫杨对生长环境要求不高，生命力强，分布广。因其枝干粗壮，枝叶旺盛，常做行道树栽培。枫杨挥发油的研究和应用很少有报道。试验对河南当地产枫杨叶挥发油的提取和化学成分进行研究，为当地枫杨植物的开发、应用以及进一步研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

枫杨叶2018年10月采摘于河南应用技术职业学院郑州校区校园内。

HH-1型电热恒温水浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司；CS-700型超帅高速多功能粉碎机，武义海纳电器有限公司；FA2004N型电子天平，上海精密科学仪器有限公司；KQ-800KDE型高功率数控超声清洗器，昆山市超声仪器有限公司；QP-2010PLUS型岛津气质联用仪，日本岛津仪器设备有限公司；去离子水，郑州春晴乐饮品有限公司。

1.2 方法

1.2.1 单因素试验探究枫杨叶挥发油的提取 将采摘的新鲜树叶用去离子水洗净，放置通风处自然晾干表面水分，然后放入多功能粉碎机进行粉碎；称取一定质量粉碎过的枫杨树叶放入烧瓶中，加入去离子水，在100 W、40 kHz条件下超声处理一定时间。将超声处理过的样品置于安装好的挥发油提取装置，在一定的温度下用水蒸气蒸馏一段时间，自然冷却至室温后，收集挥发油，加入少量无水硫酸钠干燥除水，去除干燥剂，得到枫杨叶挥发油，颜色为淡黄色，称重并计算产率。挥发油提取率=挥发油质量/提取物质量×100%［18］。

1）超声时间对枫杨叶挥发油提取率的影响。精确称取粉碎的新鲜枫杨叶80 g，加入到500 mL单口烧瓶中，同时加入300 mL去离子水，放入超声波清洗器中，以100 W功率超声，设置超声时间分别为10、20、30、40、50 min。超声结束后，进行水蒸气蒸馏提取。单口烧瓶上部连接挥发油提取器与回流冷凝管，向挥发油提取器提取管加水至挥发油提取器刻度部分，以刚刚溢流入烧瓶为好。将烧瓶置于恒温油浴锅中，设定蒸馏温度为120℃，保持微沸状态提取6 h；待提取结束后，放置片刻，冷却至室温，取下挥发油提取器，收集挥发油，加入无水硫酸钠除去水分，精密测量挥发油的质量计算挥发油的提取率。

2）蒸馏温度对枫杨叶挥发油提取率的影响。其他条件和操作同上，以100 W功率超声30 min，蒸馏温度分别为 110、115、120、125、130 ℃，保持微沸状态提取6 h；收集并称量挥发油，计算不同的蒸馏温度下枫杨叶挥发油提取率。

3）蒸馏时间对枫杨叶挥发油提取率的影响。其他条件和操作同上，以100 W功率超声30 min，蒸馏温度为 128 ℃，蒸馏时间分别为 4、5、6、7、8 h，收集并称量挥发油，计算不同的蒸馏时间下枫杨叶挥发油提取率。

1.2.2 正交试验 基于上述单因素试验，以总挥发油提取率为指标，探究超声时间（A）、蒸馏温度（B）和蒸馏时间（C）对其影响，设计L9（34）进行正交试验如表1所示。

表1 正交试验因素与水平

1.2.3 验证试验 根据正交试验获得的枫杨叶挥发油最佳提取工艺条件，进行3次平行验证试验取平均值，获得枫杨叶挥发油提取率。

1.2.4 枫杨叶挥发油GC-MS成分鉴定与分析

1）GC条件。色谱柱 RXI-SiL-MS（30 m×250 mm×0.25 μm）；升温程序为柱温 45 ℃，保持 1 min，以3℃/min升至 120℃，保持 5 min，以 5℃/min升至220℃，保持10 min；进样口温度250℃，载气为高纯氦气（99.999%），流量为 2 mL/min，分流比 2∶1，进样量 1 μL。

2）MS条件。电子轰击EI为电离源，离子源温度200℃，接口温度250℃，电离能量70 eV，质量扫描范围为 35～350 amu，间隔 0.2 s。

图1 超声时间对挥发油提取率的影响

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 超声时间的选择 图1是不同超声时间对提取率的影响。由图1可知，随着超声时间的增加，枫杨叶挥发油的提取率明显增高，在超声30 min时达到最大提取率。当超声时间继续增加，整体提取率略呈下降趋势，原因可能是长时间超声处理会破坏某些化学组分的结构，降低挥发油的提取率［19］。因此本试验选择20、30、40 min作为正交试验超声时间的水平。

2.1.2 蒸馏温度的选择 图2是不同提取温度对枫杨叶挥发油提取率的影响。结果表明，随着提取温度的升高，枫杨挥发油的提取率呈上升趋势。但当温度达到125℃后，枫杨挥发油提取率达到最高，之后随着温度的升高，枫杨挥发油提取率呈减少的趋势。分析原因可能由于温度过高其中一些化学成分遭到破坏，溶解于水中［20］，且温度过高蒸气量大大增加，超过冷凝负荷，综合两方面原因使得提取率有所下降。同时温度过高也会带来能源浪费和试验的危险性等问题。综合考虑，选取115、120、125℃作为正交试验蒸馏温度的水平。

图2 提取温度对挥发油提取率的影响

2.1.3 蒸馏时间的选择 图3是不同提取时间对提取率的影响。由图3可知，随着提取时间的增加，枫杨叶挥发油的提取率呈上升趋势。提取率在6 h时达到最大，之后提取率略有下降。原因可能为挥发油长时间在高温下与氧气接触被氧化分解挥发出去［21］。所以，本试验选择 5、6、7 h 作为正交试验蒸馏时间的水平。

2.2 正交试验结果

从表2得出，各因素对枫杨叶挥发油提取率的影响的主次顺序为B＞C＞A，最佳提取工艺条件为A2B3C3。即超声时间30 min、蒸馏温度125℃、蒸馏时间7 h为枫杨叶挥发油的最佳提取工艺。

表2 L9（34）正交试验方案及结果

2.3 验证试验

因优化方案A2B3C3在正交试验中没有出现，需要进行验证试验。按A2B3C3方案，进行3次平行验证试验，取平均值。结果，枫杨叶挥发油的提取率为0.040 62%，高于正交试验的最高值0.039 52%，说明各因素的协同效应提高了挥发油的提取率。故枫杨叶挥发油的最佳提取工艺条件为在100 W功率下超声时间30 min，蒸馏温度125℃，蒸馏时间7 h。

2.4 枫杨叶挥发油化学成分

利用GC-MS对枫杨叶挥发油成分进行分析，通过对谱库NIST11检索、质谱分析确定挥发油的化学成分，其总离子流结果如图4，离子流结果具体分析结果见表3。由图4和表3可知，从河南枫杨叶挥发油中共分析鉴定出56种化合物，主要包含烯、醇、烷、醛、酮、酯等，共占挥发油总量的79.85%。其中，含量最高的成分是氧化石竹烯（40.56%），其次是（1S-cis）1，2，3，5，6，8a-六氢-4，7-二甲基-1-异丙烯基萘（18.29%）和石竹烯（10.22%），含量大于1%的成分还有β-丁子香烯（5.72%）、α-二去氢菖蒲烯（1.30%）、古巴烯（1.27%）、T-木罗醇（1.11%）和α-愈创烯（1.02%）等。与已报道的华南产枫杨挥发油成分相比，华南产枫杨挥发油主要成分也含有丁香烯［10］，但不含氧化丁香烯，可能的原因是原料产地不同和叶子采摘的时间不同。与采摘于7月的华南产枫杨叶相比，河南产枫杨叶采摘于10月，叶子更成熟，挥发油中氧化石竹烯含量偏高。所以，氧化石竹烯是枫杨挥发油的主要成分。

表3 挥发油的主要成分

续表3

图4 河南枫杨叶挥发油成分的总离子流

3 结论

采用超声辅助水蒸气蒸馏法提取河南枫杨叶挥发油，通过单因素试验和正交试验探究了超声时间、蒸馏温度，蒸馏时间对枫杨叶挥发油提取的影响。枫杨叶挥发油最佳提取工艺条件是超声功率100 W，超声波频率40 kHz条件下，超声时间30 min，蒸馏温度125℃，蒸馏时间7 h，该条件下枫杨叶挥发油的提取率为0.040 62%。通过GC-MS技术分析鉴定出56种挥发油化学成分，主要包含烯、醇、烷、醛、酮、酯等，占挥发油总量的79.85%。其中，含量最高的成分是氧化石竹烯（40.56%），其次是（1S-cis）1，2，3，5，6，8a-六氢-4，7-二甲基-1-异丙烯基萘（18.29%）和石竹烯（10.22%）。枫杨挥发油具有抗菌、抗氧化等多种生物活性，在农业、渔业等方面有较为广泛的应用。枫杨资源丰富，分布广泛，但枫杨资源利用率很低。本研究成果为枫杨资源的研究和开发利用提供参考。