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        楓楊葉揮發(fā)油的提取及化學成分研究

        2021-02-22 08:46:58薄新黨余科義
        湖北農(nóng)業(yè)科學 2021年1期
        關(guān)鍵詞:楓楊石竹揮發(fā)油

        薄新黨,余科義

        (河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學院,鄭州 450042)

        楓楊(Pterocarya stenopteraC.DC)屬于胡桃科(Juglandaceae)楓楊屬(Pterocarya)植物木本落葉大喬木。楓楊屬植物主要分布在南亞熱帶和暖溫帶地區(qū),共有9種[1]。據(jù)記載,楓楊葉和樹皮具有解熱殺蟲、祛風除濕等功效;主要在皮膚過敏、牙痛以及細菌性膿瘡等方面有顯著的治療效果[2]。現(xiàn)代研究表明,楓楊屬植物含有揮發(fā)油、萜類、甾體類、黃酮類等化學成分[1,3-6],楓楊的生物活性和藥用價值有抗菌[7,8]及抗氧化[9]、抗腫瘤等活性[10-12]、農(nóng)用防治殺蟲[13]、防治元胡霜霉?。?4]、引誘棉鈴蟲處女雌蛾[15]、滅螺[16]、防治魚類的細菌性爛鰓病、赤皮病等[17]。楓楊變種很多,不同的產(chǎn)地其成分和生物活性存在一定的差異。楓楊對生長環(huán)境要求不高,生命力強,分布廣。因其枝干粗壯,枝葉旺盛,常做行道樹栽培。楓楊揮發(fā)油的研究和應(yīng)用很少有報道。試驗對河南當?shù)禺a(chǎn)楓楊葉揮發(fā)油的提取和化學成分進行研究,為當?shù)貤鳁钪参锏拈_發(fā)、應(yīng)用以及進一步研究提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 材料與儀器

        楓楊葉2018年10月采摘于河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學院鄭州校區(qū)校園內(nèi)。

        HH-1型電熱恒溫水浴鍋,北京科偉永興儀器有限公司;CS-700型超帥高速多功能粉碎機,武義海納電器有限公司;FA2004N型電子天平,上海精密科學儀器有限公司;KQ-800KDE型高功率數(shù)控超聲清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;QP-2010PLUS型島津氣質(zhì)聯(lián)用儀,日本島津儀器設(shè)備有限公司;去離子水,鄭州春晴樂飲品有限公司。

        1.2 方法

        1.2.1 單因素試驗探究楓楊葉揮發(fā)油的提取 將采摘的新鮮樹葉用去離子水洗凈,放置通風處自然晾干表面水分,然后放入多功能粉碎機進行粉碎;稱取一定質(zhì)量粉碎過的楓楊樹葉放入燒瓶中,加入去離子水,在100 W、40 kHz條件下超聲處理一定時間。將超聲處理過的樣品置于安裝好的揮發(fā)油提取裝置,在一定的溫度下用水蒸氣蒸餾一段時間,自然冷卻至室溫后,收集揮發(fā)油,加入少量無水硫酸鈉干燥除水,去除干燥劑,得到楓楊葉揮發(fā)油,顏色為淡黃色,稱重并計算產(chǎn)率。揮發(fā)油提取率=揮發(fā)油質(zhì)量/提取物質(zhì)量×100%[18]。

        1)超聲時間對楓楊葉揮發(fā)油提取率的影響。精確稱取粉碎的新鮮楓楊葉80 g,加入到500 mL單口燒瓶中,同時加入300 mL去離子水,放入超聲波清洗器中,以100 W功率超聲,設(shè)置超聲時間分別為10、20、30、40、50 min。超聲結(jié)束后,進行水蒸氣蒸餾提取。單口燒瓶上部連接揮發(fā)油提取器與回流冷凝管,向揮發(fā)油提取器提取管加水至揮發(fā)油提取器刻度部分,以剛剛溢流入燒瓶為好。將燒瓶置于恒溫油浴鍋中,設(shè)定蒸餾溫度為120℃,保持微沸狀態(tài)提取6 h;待提取結(jié)束后,放置片刻,冷卻至室溫,取下?lián)]發(fā)油提取器,收集揮發(fā)油,加入無水硫酸鈉除去水分,精密測量揮發(fā)油的質(zhì)量計算揮發(fā)油的提取率。

        2)蒸餾溫度對楓楊葉揮發(fā)油提取率的影響。其他條件和操作同上,以100 W功率超聲30 min,蒸餾溫度分別為 110、115、120、125、130 ℃,保持微沸狀態(tài)提取6 h;收集并稱量揮發(fā)油,計算不同的蒸餾溫度下楓楊葉揮發(fā)油提取率。

        3)蒸餾時間對楓楊葉揮發(fā)油提取率的影響。其他條件和操作同上,以100 W功率超聲30 min,蒸餾溫度為 128 ℃,蒸餾時間分別為 4、5、6、7、8 h,收集并稱量揮發(fā)油,計算不同的蒸餾時間下楓楊葉揮發(fā)油提取率。

        1.2.2 正交試驗 基于上述單因素試驗,以總揮發(fā)油提取率為指標,探究超聲時間(A)、蒸餾溫度(B)和蒸餾時間(C)對其影響,設(shè)計L9(34)進行正交試驗如表1所示。

        表1 正交試驗因素與水平

        1.2.3 驗證試驗 根據(jù)正交試驗獲得的楓楊葉揮發(fā)油最佳提取工藝條件,進行3次平行驗證試驗取平均值,獲得楓楊葉揮發(fā)油提取率。

        1.2.4 楓楊葉揮發(fā)油GC-MS成分鑒定與分析

        1)GC條件。色譜柱 RXI-SiL-MS(30 m×250 mm×0.25 μm);升溫程序為柱溫 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;進樣口溫度250℃,載氣為高純氦氣(99.999%),流量為 2 mL/min,分流比 2∶1,進樣量 1 μL。

        2)MS條件。電子轟擊EI為電離源,離子源溫度200℃,接口溫度250℃,電離能量70 eV,質(zhì)量掃描范圍為 35~350 amu,間隔 0.2 s。

        圖1 超聲時間對揮發(fā)油提取率的影響

        2 結(jié)果與分析

        2.1 單因素試驗

        2.1.1 超聲時間的選擇 圖1是不同超聲時間對提取率的影響。由圖1可知,隨著超聲時間的增加,楓楊葉揮發(fā)油的提取率明顯增高,在超聲30 min時達到最大提取率。當超聲時間繼續(xù)增加,整體提取率略呈下降趨勢,原因可能是長時間超聲處理會破壞某些化學組分的結(jié)構(gòu),降低揮發(fā)油的提取率[19]。因此本試驗選擇20、30、40 min作為正交試驗超聲時間的水平。

        2.1.2 蒸餾溫度的選擇 圖2是不同提取溫度對楓楊葉揮發(fā)油提取率的影響。結(jié)果表明,隨著提取溫度的升高,楓楊揮發(fā)油的提取率呈上升趨勢。但當溫度達到125℃后,楓楊揮發(fā)油提取率達到最高,之后隨著溫度的升高,楓楊揮發(fā)油提取率呈減少的趨勢。分析原因可能由于溫度過高其中一些化學成分遭到破壞,溶解于水中[20],且溫度過高蒸氣量大大增加,超過冷凝負荷,綜合兩方面原因使得提取率有所下降。同時溫度過高也會帶來能源浪費和試驗的危險性等問題。綜合考慮,選取115、120、125℃作為正交試驗蒸餾溫度的水平。

        圖2 提取溫度對揮發(fā)油提取率的影響

        2.1.3 蒸餾時間的選擇 圖3是不同提取時間對提取率的影響。由圖3可知,隨著提取時間的增加,楓楊葉揮發(fā)油的提取率呈上升趨勢。提取率在6 h時達到最大,之后提取率略有下降。原因可能為揮發(fā)油長時間在高溫下與氧氣接觸被氧化分解揮發(fā)出去[21]。所以,本試驗選擇 5、6、7 h 作為正交試驗蒸餾時間的水平。

        2.2 正交試驗結(jié)果

        從表2得出,各因素對楓楊葉揮發(fā)油提取率的影響的主次順序為B>C>A,最佳提取工藝條件為A2B3C3。即超聲時間30 min、蒸餾溫度125℃、蒸餾時間7 h為楓楊葉揮發(fā)油的最佳提取工藝。

        表2 L9(34)正交試驗方案及結(jié)果

        2.3 驗證試驗

        因優(yōu)化方案A2B3C3在正交試驗中沒有出現(xiàn),需要進行驗證試驗。按A2B3C3方案,進行3次平行驗證試驗,取平均值。結(jié)果,楓楊葉揮發(fā)油的提取率為0.040 62%,高于正交試驗的最高值0.039 52%,說明各因素的協(xié)同效應(yīng)提高了揮發(fā)油的提取率。故楓楊葉揮發(fā)油的最佳提取工藝條件為在100 W功率下超聲時間30 min,蒸餾溫度125℃,蒸餾時間7 h。

        2.4 楓楊葉揮發(fā)油化學成分

        利用GC-MS對楓楊葉揮發(fā)油成分進行分析,通過對譜庫NIST11檢索、質(zhì)譜分析確定揮發(fā)油的化學成分,其總離子流結(jié)果如圖4,離子流結(jié)果具體分析結(jié)果見表3。由圖4和表3可知,從河南楓楊葉揮發(fā)油中共分析鑒定出56種化合物,主要包含烯、醇、烷、醛、酮、酯等,共占揮發(fā)油總量的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-六氫-4,7-二甲基-1-異丙烯基萘(18.29%)和石竹烯(10.22%),含量大于1%的成分還有β-丁子香烯(5.72%)、α-二去氫菖蒲烯(1.30%)、古巴烯(1.27%)、T-木羅醇(1.11%)和α-愈創(chuàng)烯(1.02%)等。與已報道的華南產(chǎn)楓楊揮發(fā)油成分相比,華南產(chǎn)楓楊揮發(fā)油主要成分也含有丁香烯[10],但不含氧化丁香烯,可能的原因是原料產(chǎn)地不同和葉子采摘的時間不同。與采摘于7月的華南產(chǎn)楓楊葉相比,河南產(chǎn)楓楊葉采摘于10月,葉子更成熟,揮發(fā)油中氧化石竹烯含量偏高。所以,氧化石竹烯是楓楊揮發(fā)油的主要成分。

        表3 揮發(fā)油的主要成分

        續(xù)表3

        圖4 河南楓楊葉揮發(fā)油成分的總離子流

        3 結(jié)論

        采用超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取河南楓楊葉揮發(fā)油,通過單因素試驗和正交試驗探究了超聲時間、蒸餾溫度,蒸餾時間對楓楊葉揮發(fā)油提取的影響。楓楊葉揮發(fā)油最佳提取工藝條件是超聲功率100 W,超聲波頻率40 kHz條件下,超聲時間30 min,蒸餾溫度125℃,蒸餾時間7 h,該條件下楓楊葉揮發(fā)油的提取率為0.040 62%。通過GC-MS技術(shù)分析鑒定出56種揮發(fā)油化學成分,主要包含烯、醇、烷、醛、酮、酯等,占揮發(fā)油總量的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-六氫-4,7-二甲基-1-異丙烯基萘(18.29%)和石竹烯(10.22%)。楓楊揮發(fā)油具有抗菌、抗氧化等多種生物活性,在農(nóng)業(yè)、漁業(yè)等方面有較為廣泛的應(yīng)用。楓楊資源豐富,分布廣泛,但楓楊資源利用率很低。本研究成果為楓楊資源的研究和開發(fā)利用提供參考。

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