超临界CO2萃取竹叶花椒挥发油的成分和分子光谱分析

李潮俊 ，周孟焦，张玉，陈凯，康明，梁晓峰 *

1. 四川中医药高等专科学校川西北中药材资源研究与开发利用实验室，绵阳市中药资源开发利用重点实验室（绵阳 621010）；2. 西南科技大学材料与化学学院（绵阳 621010）

竹叶花椒（Zanthoxylum armatumDC.）为芸香科花椒属植物，主要分布在我国秦岭以南的广大西南地区[1]，其根、茎、叶、果实、种子均可入药，同时也是一种广受欢迎的调味料，在食品、农业、医药、保健等领域具有巨大发展潜力[2]。近年来，对竹叶花椒挥发油的研究取得积极进展。竹叶花椒挥发油是其香气的主要来源，是鉴定竹叶花椒品质的重要依据，同时在抗炎镇痛、杀虫抑菌等方面有着重要应用[3-7]。对竹叶花椒挥发油的组成成分及其指纹图谱研究，是深入认识竹叶花椒的基础，也是拓展其综合应用领域的关键。

超临界CO2萃取集萃取、分离技术为一体，有着绿色、无毒害、产率高等优点，较低的萃取温度、无溶剂污染及无氧环境能最大程度地保护天然活性成分，因此常被用在天然活性成分的提取上[8-9]，因其绿色环保、工艺简单、自动化程度高，被广泛应用于工业生产。

为建立竹叶花椒挥发油的成分和指纹图谱，进一步发挥竹叶花椒价值，提高竹叶花椒挥发油利用率，以竹叶花椒果皮为原材料，采用超临界CO2萃取法从竹叶花椒果皮中提取挥发油样品，利用GC-MS、红外光谱、拉曼光谱等技术对其进行分析和探讨。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要材料与试剂

干燥的竹叶花椒果皮（幺麻子食品股份有限公司，产地为四川省眉山市洪雅县）；CO2气体（纯度99.99%，食品级，昌俊气体有限公司）；无水乙醇（分析纯，成都市科隆化学品有限公司）。

1.1.2 主要仪器与设备

HA120-50-05型超临界萃取装置（南通市华安超临界萃取有限公司）；FT-IR5700红外光谱仪（美国热电仪器有限公司）；QP2020气相色谱-质谱联用仪（日本Shimadu公司）；In Via型激光拉曼光谱仪（英国雷尼绍公司）。

1.2 方法

1.2.1 超临界CO2萃取法提取竹叶花椒挥发油

HA120-50-05型超临界萃取装置自带两级分离系统及分离釜Ⅰ、分离釜Ⅱ，在不调节分离系统温度、压力的情况下会从分离釜Ⅰ中得到挥发油，此时分离釜Ⅱ中无产物。通过调节分离釜Ⅰ的温度、压力，影响超临界流体的溶质能力，可在分离釜Ⅰ将挥发油中的杂质分离出来，挥发油随超临界流体通向分离釜Ⅱ中进行分离。通过调整工艺参数，获得2种工艺条件的挥发油。其一是使用超临界萃取装置，在萃取时间80 min、萃取温度25.5 ℃、萃取压力25.5 MPa条件下，从分离釜Ⅰ中得到的挥发油，编号C1。其二是在同样萃取条件下进行萃取，通过调节分离釜Ⅰ中的温度、压力，在萃取的同时对挥发油进行分离纯化，从分离釜Ⅱ中得到的纯化后的挥发油，编号C2。

1.2.2 GC-MS分析

用移液枪取0.1 mL挥发油样品，用乙醇定容至10 mL备用。

气相色谱条件：非极性SH-RXi-5Sil MS毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），柱温60 ℃，保持1 min，以4 ℃/min升至120 ℃，以5 ℃/min升至200 ℃，保持1 min；载气为高纯氦气，柱流量1.0 mL/min，进样口温度230 ℃，不分流进样，接口温度240℃，溶剂延迟时间3.0 min。

质谱条件为：EI电子源，电离能70 eV，离子源温度230 ℃，扫描范围（m/z）35～450 amu。

1.2.3 红外光谱分析

采用液膜法，先压制空白溴化钾片，在测试时用微型移液枪取少量待测样品涂抹在空白溴化钾片上，红外扫描波长范围400～4 000 cm-1，分辨率0.4 cm-1。

1.2.4 拉曼光谱分析

拉曼测试条件：激光波长785 nm，物镜放大倍数50 倍，采谱范围400～3 000 cm-1，分辨率1～2 cm-1。

2 结果与分析

2.1 GC-MS结果分析

通过计算机检索，利用NIST-17数据库匹配进行定性分析（选择匹配度＞80%），将各组分相对含量按照峰面积归一法计算，结果见表1。

表1 GC-MS检测结果

接表1

由表1给出的数据可知，从C2和C1中共鉴定出62种化合物，分别占挥发油总量的91.85%和88.64%。以芳樟醇为主的醇类化合物占挥发油总量的52.83%和55.18%，β-水芹烯和D-柠檬烯为主的烯烃类占32.16%和25.98%，还有一些烷烃类、醛酮类、酯类物质。两者挥发性成分相同，仅在相对含量上有所区别，C2中β-水芹烯、D-柠檬烯、β-月桂烯等烯烃类成分的相对含量有所增加。

2.2 红外光谱分析

挥发油C2和C1的红外光谱图如图1和图2所示。C2在3 404，2 970，2 925，2 858和919 cm-1附近出现5个强红外吸收峰，在1 672，1 640，1 451，1 411，1 375，1 236，1 172，1 114和995 cm-1附近出现9个中等强度的红外吸收峰，在3 086，2 731，1 728，1 546，835，736和689 cm-1附近出现7个强度弱的红外吸收峰。C1在3 391，3 086，3 012，2 970，2 923，2 855，2 732，1 738，1 670，1 632，1 551，1 450，1 376，1 239，1 177，1 116，994，920，838，737和690 cm-1附近出现红外吸收峰。两者的红外吸收峰的数量和峰强基本一致，说明2种条件下获得的挥发油的成分基本相同。

图1 挥发油C1的红外光谱图

图2 挥发油C2的红外光谱图

样品红外光谱反映化合物的分子振动情况，对于每一种分子的官能团，都具特定振动频率。2 970 cm-1和2 925 cm-1两处的强峰为CH3和CH2的反对称伸缩振动，1 451 cm-1和1 375 cm-1附近的峰归属于CH3的不对称变角振动和对称变角振动。3 404 cm-1强且宽的单峰为O—H伸缩振动，1 411 cm-1处的峰可归属于C—OH面内弯曲振动，1 114 cm-1可归属为醇类C—OH伸缩振动，这应该是芳樟醇等醇类物质的特征振动。3 086 cm-1处强度较弱的吸收峰属于烯烃类化合物==CH2反对称伸缩振动，1 640 cm-1处可归属于C==C伸缩振动，同时995 cm-1和919 cm-1处的强吸收峰为烯烃类CH2的扭曲振动和面外摇摆，这应该是烯烃类化合物的特征振动。2 731 cm-1处弱而尖锐的峰为醛基上C—H的伸缩振动峰，1 728 cm-1处的红外吸收峰属于C==O振动吸收峰区域，1 236和1 172 cm-1处的吸收峰为脂肪酸酯的C—O—C伸缩振动，这应该是挥发油含有的酮醛及酯类化合物的特征振动[10]。C1和C2同为超临界CO2萃取物，从红外光谱图比较，C2的红外吸收峰更加清晰，这是由于超临界装置的工艺设置，使通过分离釜Ⅱ收集的样品C2去除一些非挥发性的物质，这与GC-MS分析的结果一致。

2.3 拉曼光谱分析

拉曼光谱技术是一种原位测试技术，反映物质的分子振动规律，其测试结果与红外光谱具有互补性。从拉曼光谱图中，可以看出C1光谱中，具有CH3、CH2、C==C、C—O—C、C==O等基团的特征光谱，在1 635，1 449，1 380，1 297，1 257，1 175和1 156 cm-1处出现散射峰，C2中具有CH3、CH2、C==C基团的特征光谱，在1 675，1 637，1 455，1 380和1 290 cm-1处出现散射峰。

其中，1 675和1 637 cm-1来自于C==C伸缩振动（环己烯的拉伸和乙烯基的拉伸），1 455 cm-1来自于CH2的弯曲振动。1 290 cm-1来自于(CH2)2的面外弯曲振动，1 380 cm-1来自于CH3的弯曲振动[11-15]。依据表1数据，C2中主要成分有芳樟醇（47.18%）、β-水芹烯（13.77%）、D-柠檬烯（8.13%）、月桂烯（1.89%）、松油烯-4-醇（1.66%）、石竹烯（1.48%）、α-松油醇（1.11%）、β-蒎烯（0.8%）等。其中，芳樟醇含量最高，而在1 675，1 637，1 380和1 290 cm-1处的峰能与其特征峰位很好地对应。C1样品的拉曼光谱图中1 257，1 175和1 156 cm-1处出现3个散射峰主要是来自于C—O—C、C==O及一些含氮基团的振动，可能是受到物质纯度或者荧光的影响，在C1样品的拉曼图中没有观察到这3个散射峰。

图3 挥发油C1的拉曼光谱图

图4 挥发油C2的拉曼光谱图

表2 挥发油拉曼谱带及其归属[16, 18-19]

3 结论

超临界CO2萃取竹叶花椒挥发油中主要含有醇类、烯烃类物质，还有少量酮醛类、酯类等物质，其中含量较多的成分有芳樟醇（47.18%和48.51%）、β-水芹烯（13.77%和10.77%）、D-柠檬烯（8.13%和6.51%）等。GC-MS从2种超临界挥发油种共鉴定出62种化合物，分别占挥发油总量的91.85%和88.64%，2种超临界条件下，挥发油成分相同，但相对含量发生变化。红外光谱和拉曼光谱分析显示挥发油的主要官能团，为挥发油成分研究提供参考。