气相色谱–质谱法分析不同方法提取杜香挥发油的化学成分

2022-04-25利健文谢春生韦寿莲

化学分析计量 2022年4期

利健文，谢春生，韦寿莲

（1.广东食品药品职业学院中药学院，广州 510520； 2. 肇庆学院，广东肇庆 526061）

杜香为被子植物杜鹃花科杜香属常绿灌木，主要分布于大﹑小兴安岭和吉林长白山，是中国传统中药材，也是重要的香料植物。杜香以其挥发油入药，主治化痰，止咳，平喘，兼有降压﹑杀菌止痒﹑抗氧化等作用。杜香挥发油的提取方法及其成分分析鉴定一直是杜香的研究热点［1–4］，目前主要的提取方法有CO2超临界流提取(SFE)［5–6］﹑有机溶剂浸提［7，8］﹑超声波辅助乙醇提取［9］﹑水蒸气蒸馏(SD)［10–12］﹑复合溶剂水热法［13］等。传统提取方法存在或提取工艺时间长﹑效率低﹑耗能高﹑仪器复杂昂贵成本高等问题。

笔者分别采用微波辅助水蒸气蒸馏法和水蒸汽蒸馏提取杜香挥发油，采用毛细管气相色谱–质谱联用方法分析鉴定了其化学成分，并比较了两种方法所得挥发油化学成分及物性，找出了提取时间短﹑效率高﹑耗能少﹑成本低，更加绿色安全的更合理的微波辅助水蒸气蒸馏法（MAE–SD）取杜香挥发油提取工艺，为更好地开发利用杜香资源提供参考。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

气相色谱–质谱联用仪：GCMS–QP2010 型，日本岛津公司。

微波炉：Galanz wp800 型，顺德格兰仕微波炉有限公司。

电子调温电热套：98–1–B 型，重庆市吉祥教学设备有限公司。

托盘天平：JYT–5 型，常熟市佳衡天平仪器有限公司。

挥发油提取器：B–034812 型，实验室组装，上海垒固仪器有限公司。

杜香：采自内蒙古大兴安岭，由广东食品药品职业学院汪小根教授鉴定。

实验所用试剂均为分析纯。

1.2 挥发油提取方法

1.2.1 水蒸气蒸馏法

按2015 版《中国药典》提取植物精油的方法，分别称取一定量的样品于挥发油提取器中，加水蒸馏3 h，无水硫酸钠干燥，收集挥发油。

1.2.2 微波辅助水蒸气蒸馏法

样品经粉碎过0.180 mm 孔径筛，称取一定量置于挥发油提取器中，按照比例加入蒸馏水，置于顶端开口的微波炉中，设定微波功率480 W﹑时间30 min﹑杜香–水质量比为1∶9 进行微波辅助水蒸气蒸馏，收集挥发油，用无水硫酸钠干燥。

1.3 仪器工作条件

（1）气相色谱条件。色谱柱：RTX–5 石英毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm，美国Restek 公司）；升温程序：初始温度为80 ℃，以10 ℃/min 升温到280 ℃；汽化室温度：250 ℃；载气：高纯氦气；载气流量：0.94 mL/min；进样体积：1.0 μL。

（2）质谱条件。电离方式为EI；灯丝电流：0.6 mA；电子能量：70 eV；倍增器电压：1.0 kV；离子源温度：200 ℃；质量扫描范围：m/z40～350；扫描周期：0.5 s；溶剂延迟：3 min。

1.4 定性与定量分析

经查阅文献及考察最终确定定性与定量分析条件如下［14–15］。

定性分析：分别取1.0 μL 挥发油，用气相色谱–质谱–计算机联用仪进行分析鉴定。通过NIST’02 谱库自动检索获得初步鉴定结果。根据所得质谱图与EPA/NIH 以及有关文献［7，9–10，12］对照，再结合人工谱图解析，以确认挥发油中各化学成分。

定量分析：通过Shimadzu GC–MS solution 数据处理系统，按照峰面积归一法进行定量分析，求出挥发油中各化学成分的相对质量分数。

2 结果与讨论

2.1 色谱条件选择

试验发现通过微调升温程序，在初始温度80℃，以10 ℃/min 升温到280 ℃，样品中各色谱峰可达到良好分离，这可能是因为RTX–5 是弱极性柱，对香精油类有机化合物的分离具有高的选择性，加上毛细管柱的柱效高的缘故。因此色谱升温程序选择初始温度80 ℃，以10 ℃/min 升温到280 ℃。

2.2 微波辅助水蒸气蒸馏法优化

在微波萃取工艺中，影响挥发油得率的因素主要有微波功率﹑提取时间﹑杜香–水质量比。因此以微波功率﹑提取时间和杜香–水质量比为考察因素，以得油率为考察指标。根据表1 正交设计方法，采用L9(34)正交试验设计优化微波辅助萃取的条件，正交试验设计见表2，正交试验结果见表3。

表1 因素水平表

表2 L9(34)正交试验设计表

表3 L9(34)正交试验结果

由表3 可见，微波功率﹑萃取时间﹑杜香–水质量比三因素的极差分别为2﹑0.3﹑1.1，表明微波功率对挥发油提取率的影响最显著，萃取时间对微波辅助提取挥发油萃取率影响较小。根据K值试验结果可见，A：K3>K1>K2；B：K2>K1>K3；C：K3>K2>K1，因此挥发油的最佳组合萃取条件为A3﹑B2﹑C3，即微波功率为480 W﹑时间为30 min﹑杜香–水质量比为1∶9。根据优化条件进行提取，得油率为2.1%。

2.3 不同提取方法的比较

2.3.1 得油率和物性的比较

水蒸气蒸馏提取按实验1.2.1 方法进行，微波辅助水蒸气蒸馏提取按1.2.2 进行，不同提取方法挥发油的产率和物性见表4。结果表明，微波辅助提取30 min 的得油率显著高于水蒸气蒸馏法3 h 的得油率，微波辅助提取所得挥发油的颜色也较SD 法的浅。由此可见，采用微波辅助提取不仅可以快速提取杜香挥发油，而且可以提高挥发油的得油率并保证其物性不受影响。

表4 不同提取方法提取挥发油的提取率和理化性质

2.3.2 挥发油的GC–MS 分析

采用GC–MS 分析不同提取方法所得挥发油。挥发油的总离子流图如图1﹑图2 所示。经检索NIST’02 质谱库﹑参考相关文献及根据各组分的特征性碎片离子进行质谱解析，相似度在90%以上的化合物及其相对质量分数见表5。

表5 不同提取方法提取杜香挥发油的化学成分及相对含量

图1 水蒸气蒸馏法所得杜香挥发油的总离子流色谱图

图2 微波辅助水蒸气蒸馏法所得杜香挥发油的总离子流色谱图

（1）由表5 可知，两种不同的提取方法所得样品总共有50 种成分，其主要成分为单萜﹑倍半萜及其氧化物。水蒸气蒸馏所得的杜香挥发油中鉴定出34 种化合物；微波辅助水蒸气提取所得挥发油种鉴定出33 种化合物。用面积归一法测定了两种样品各成分的相对百分含量，各占总峰面积的96.57%﹑95.43%。

（2）表6﹑表7 为两种不同提取方法所得杜香挥发油的主要成分。两种不同提取方法所得杜香挥发油的成分存在差异，其中β-水芹烯(beta-Phellandrene)﹑γ-松油烯(gamma.–Terpinen)﹑1-甲基-异丙基苯(1-methyl-2–(1-methylethyl)–Benzene)﹑异松油烯（terpinolene）﹑1- 萜品-4 醇（1–Terpinen-4-ol）﹑α- 侧柏醛alpha-thujena﹑松油醇（p-Menth-1-en-8-ol）﹑乙酸龙脑酯（bornyl acetate）﹑水芹醛（phellandral）﹑桃金娘烯醇（myrtenol）等17 种化合物为两种挥发油样品所共有。

表6 SD 提取杜香挥发油的主要成分

表7 MAE–SD 提取杜香挥发油的主要成分

（3）由表6 和表7 可见，两种不同提取方法所得杜香挥发油的主要成分不尽相同，但其中1-甲基-异丙基苯(1-methyl-2-(1-methylethyl)–Benzene)﹑1- 萜品-4 醇(1-Terpinen-4-ol)﹑α- 侧柏醛(alphathujena)在两种挥发油中都有较高的比例，是杜香挥发油香气的主要成分。

（4）作为我国的传统中药材杜香拥有诸多生理作用。比如，含量较多的α-侧柏醛具有镇咳﹑祛痰﹑平喘﹑镇静，同时还具有抑菌等作用；4-萜品醇具有显著的平喘作用；α-松油醇既有杀菌效果，又是良好的天然香料；α-蒎烯具有明显的祛痰﹑镇咳作用，同时还有抗真菌﹑驱虫作用。由此可见，杜香挥发油含有的主要成分不但可作为重要的香料成分，也是其杀虫﹑抗菌﹑平喘等作用的重要物质基础。