杉木鲜枝叶精油提取及组分分析.pdf

接收日期：2023-04-27 接受日期：2023-06-02 基金项目：广东省林业局自然资源事务专项资金项目(粤林财 2021-6)；广东特支计划科技创新青年拔尖人才项目(2014TQ01N140)*通信作者。E-mail: 杉木鲜枝叶精油提取及组分分析杉木鲜枝叶精油提取及组分分析 蔡子轩1,2，周 欢1,2，李吉跃1，苏 艳1，伍观娣2，郑会全2*(1.华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2.广东省林业科学研究院/广东省森林培育与保护利用重点实验室，广东 广州 510520)摘 要：为探明水蒸馏法提取杉木 Cunninghamia lanceolata 鲜枝叶精油的提取条件，采用单因素法分析样品粉碎方式、液料比、蒸馏时间和 NaCl 浓度等对出油率的影响。结果表明，采用切草机法粉碎样品，液料比为 8:1，蒸馏 6 h 且不添加 NaCl 处理的杉木鲜枝叶出油率较高，为 0.086%。采用气相色谱质谱(GC-MS)联用仪对精油组分进行解析，共鉴定出48 种化合物，其中主要包含 29 种倍半萜类化合物以及 10 种单萜类化合物，其质量分别占总质量的 88.22%、7.53%。关键词：杉木；精油；组分；GC-MS Doi:10.3969/j.issn.1009-7791.2023.03.005 中图分类号：Q946 文献标识码：A 文章编号：1009-7791(2023)03-0203-07 Extraction and Analysis of Volatile Oil from Fresh Branch-leaf Sections of Cunninghamia lanceolata CAI Zi-xuan1,2,ZHOU Huan1,2,LI Ji-yue1,SU Yan1,WU Guan-di2,ZHENG Hui-quan2*(1.College of Forestry and Landscape Architecture,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,Guangdong China;2.Guangdong Academy of Forestry/Guangdong Provincial Key Laboratory of Silviculture,Protection and Utilization,Guangzhou 510520,Guangdong China)Abstract:To investigate the extraction conditions of essential oil from fresh branches-leaf sections of Cunninghamia lanceolata by hydrodistillation,single factor method was used to analyze the effects of sample crushing method,liquid-solid ratio,distillation time and NaCl concentration on the oil yield.The results showed that the oil yield of fresh branch-leaf sections of C.lanceolata could reach a high level of 0.086%when the sample was crushed by the chaff cutter method,the liquid-solid ratio was set to 8:1,the distillation time was 6 h and without the addition of NaCl.After that,the essential oil components were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS).A total of 48 compounds were identified,including 29 sesquiterpenoids and 10 monoterpenoids,which accounted for 88.22%and 7.53%of the total mass,respectively.Key words:Cunninghamia lanceolata;volatile oil;components;GC-MS 杉木Cunninghamia lanceolata 为柏科Cupressaceae杉木属 Cunninghamia 植物，广泛分布于我国秦岭向南、云川以东的亚热带季风气候地区，属常绿针叶树种，具有速生、材质优、用途广且不易受病虫害等特点，是我国南方最重要的生态造林和商品用材树种之一，在我国有 3000 多年栽培和应用历史12。近 40 年随着科学技术的发展，研究者试图从杉木组织中提取精油以拓展杉木原料的用途3。一般认为，植物精油主要由萜烯类化合物及其含氧衍生物组成，是多种低分子量挥发性化合物的总和，具有复杂的成分和香气，可通过物理方法或机械手段从植物中挤压、馏出或萃取得到45。而杉木精油可从木 2023,52(3):203209.Subtropical Plant Science 第 52 卷 204材组织、树皮、树根中提取，这给杉木原料尤其是采伐剩余物的利用和价值提升提供了重要途径67。研究表明，杉木精油具有抑菌活性和抗虫抗螨活性，且有效成分丰富、价值高，已广泛应用于食品、饲料、康养、驱虫杀虫等各个领域810。当前，我国生态建设进入了新的发展阶段，国内木材砍伐量有递减趋势，如何从资源消耗型向绿色发展型转化，尤其挖掘非木质原料的用途成为了当前研究的热点11。从非木质原料挖掘精油生产潜力显然是实现价值提升的重要途径。迄今，对于杉木精油的研究，大多集中于杉木根、杉木屑等木质原料，且在提取精油前总会将样品烘干，而杉木枝叶作为提取精油原材料，具有易获取、原料丰富、绿色可再生等优点，但以杉木鲜枝叶为原料直接提取精油的研究鲜有报道。另外，目前在杉木精油提取方法研究方面，对水蒸馏法和干馏法研究较多，它们共同点在于方法简易有效且提取成本不高，但干馏法得到的精油成分复杂，产物有焦糊味12。也有研究采用超临界流体 CO2萃取法提取杉木精油，该方法提取杉木精油纯净高效，是提取精油的理想方法，但成本高昂13。鉴于此，本研究以杉木鲜枝叶为试材，基于水蒸馏法针对样品粉碎程度、液料比、蒸馏时间以及蒸馏液的 NaCl 浓度等因素重点优化鲜枝叶精油提取条件，并采用气相色谱质谱联用(Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS)技术分析其组分，为杉木鲜枝叶精油的提取与应用提供参考。1 材料与方法 1.1 材料 杉木鲜枝叶样品为春季(4 月)试样，采自广东省韶关市曲江区国有小坑林场 cx729 杉木无性系。试样采集后随即真空包装，并置于40 冰箱保存备用。1.2 方法 1.2.1 试验设计试验设计 采用单因素试验设计，考察碎料方式(中药铡刀法、切草机法、破壁机法)、液料比(5:1、6:1、7:1、8:1、9:1)、蒸馏时间(1、2、3、4、5、6、7、8 h)以及蒸馏液 NaCl 浓度(0%、4%、8%、12%)等 4 因素对杉木鲜枝叶出油率的影响。针对某一因素进行考察时，将其他三个因素设置为较为合理的固定值，分别为切草机法碎料、液料比 8:1、蒸馏时间 6 h、蒸馏液 NaCl 浓度为 0%。精油提取采用水蒸馏法，使用 3000 mL 圆底烧瓶及 Clevenger 装置进行，蒸馏温度恒为 380，每瓶鲜枝叶试样均为 300 g，每处理重复 3 次。1.2.2 精油组分测定精油组分测定 采用岛津 GC-MS QP-2010 Ultra 气质联用仪分析精油组分及其相对含量。色谱条件：采用 HP-5MS石英毛细管柱(30 m 0.25 mm 0.25 m)，载气为高纯氦气(99.99%)。进样口温度 250，柱箱起始温度 60，保留 2 min；以 5 min1升温至 150，保留 5 min；再以 5 min1升温至 220，保留5 min。采取分流进样，分流比 10:1，进样量 0.5 L。质谱条件：离子源温度 250，接口温度 280，扫描范围 45450 amu，溶剂延迟 3 min。1.2.3 数据处理数据处理 杉木精油得率(P)计算公式：P=M/300100%，M 为得油量(g)。根据 GC-MS 分析的总离子流图，使用 NIST14谱库和香精香料 FFNSC1.3 谱库对匹配度达 90%及以上的挥发性成分进行定性分析。采用峰面积归一化法对挥发性成分的相对含量进行定量分析。2 结果与分析 2.1 不同因素对杉木鲜枝叶出油率的影响 采用单因素试验设计，发现不同物料处理方式对杉木鲜枝叶出油率有一定影响(图 1)。其中，中药铡刀法出油率仅为 0.054%；而利用切草机法碎料可使出油率达到 0.073%，是中药铡刀法的 1.35 倍。另外，破壁机法碎料蒸馏出油率为 0.070%，同样高于中药铡刀法，但略低于切草机法。由此可知，切草机法简单易行、效率高，可作为杉木鲜枝叶精油提取的前期物料处理方式。第 3 期 蔡子轩等：杉木鲜枝叶精油提取及组分分析 205 图 1 不同物料处理方式的杉木鲜枝叶碎料形态及其出油率 Fig.1 Morphology and oil yield of fresh branch-leaf sections of Cunninghamia lanceolata under different material treatments 为明晰液料比对杉木鲜枝叶出油率的影响，采用切草机法处理物料，随后固定条件为蒸馏6 h，蒸馏液 NaCl 浓度为 0%提取精油。结果表明，液料比对得油率具有显著影响(P0.05)，随着液料比的提高，出油率呈递增趋势，但液料比达到8:1 时得油率趋于稳定(图 2A)。在蒸馏时间方面，采用切草机法、液料比 8:1、蒸馏液 NaCl 浓度为0%等条件提取精油，随着蒸馏时间延长，出油率呈递增趋势，蒸馏至 6 h 时，出油率达峰值且趋于稳定(0.086%)，表明蒸馏时间设置为 6 h 更为适宜(图 2B)。研究还发现，NaCl 浓度(0%、4%、8%、12%)并未对出油率产生较大的影响(0.080%0.088%)(图 2C)。综上可知，适于杉木鲜枝叶水蒸馏法的简化方法为切草机法破碎鲜枝叶形成物料，按照 8:1 的液料比(V/W)蒸馏 6 h(380)，水蒸汽冷却及精油分离收集。图 2 杉木鲜枝叶在不同液料比(A)、蒸馏时间(B)和蒸馏液 NaCl 浓度(C)下的出油率变化 Fig.2 Effects of liquid-material ratio(A),distillation time(B)and NaCl content(C)on oil yield of fresh branch-leaf sections of Cunninghamia lanceolata 注：不同小写字母表示在 0.05 水平上有显著差异。第 52 卷 2062.2 杉木鲜枝叶精油组分 GC-MS 分析 基于上述优化条件提取参试品系鲜枝叶精油，并应用 GC-MS 分析对其组分进行解析。图 3 为 GC-MS波谱数据导入 Origin 后绘制总离子流图，展示了鲜枝叶精油特征组分波峰及其绝对强度。在此基础上，经谱库(NIST14 谱库、香精香料谱库 FFNSC1.3)比对、化学网站(、等)查询、文献检索等方式明确各波峰对应的化合物名称、CAS 编号、化学结构式及相对分子质量等信息，通过峰面积归一化法计算各成分的相对含量(表1)。经解析，从提取的鲜枝叶精油中鉴别出 48 种化合物。其中，29 种倍半萜类化合物，此类化合物质量占总质量的 88.22%；另有 10 种单萜类化合物，其质量占总质量的 7.53%；而其他化合物如()-乙酸松油酯、2-甲基-4-(2,2,6-三甲基-1-环己烯基)-2-丁烯醛、(1,7,7-三甲基降冰片烷-2-YL)乙酸等占总质量的 4.22%。值得关注的是，相对含量大于 1%的精油成分有 19 种，其质量占精油总质量的 87.98%，而大根香叶烯 D、-石竹烯、-榄香烯、.tau.-Muurolol、Bicyclo 4.3.0nonane,7-methylene-2,4,4-trimethyl-2-vinyl-等组分含量分别高达 16.01%、12.33%、10.67%、7.08%、5.02%，这 5 种化合物质量占精油总质量的 51.11%。3 结论与讨论 近年来，香精香料行业的地位逐步提高，植物精油研究受到广泛关注。不同植物种类间由于其代谢过程存在差异14，导致特定的精油提取条件并不适合所有植物，甚至同一植物不同部位的精油提取条件也不尽相同15。而水蒸馏法作为提取植物精油最常用的方法，探明该方法提取杉木鲜枝叶精油的条件对杉木非木质产品研究具有重要参考价值。本研究中，出油率与样品的细碎程度不呈正比关系，图 3 杉木 cx729 无性系鲜枝叶精油组分的总离子流图 Fig.3 Total ion flow diagram of essential oil components in fresh branch-leaf sections of cx729 clone of Cunninghamia lanceolata 注：A、B、C 为 3 次重复 第 3 期 蔡子轩等：杉木鲜枝叶精油提取及组分分析 207表 1 杉木 cx729 无性系鲜枝叶精油组分及其相对含量 Table 1 Composition and relative content of essential oil in fresh branch-leaf sections of Cunninghamia lanceolata 序号 中文名 化合物名称 分子量 分子式 相对含量/%1 大根香叶烯 D Germacrene D 204 C15H24 16.01 2-石竹烯 Caryophyllene 204 C15H24 12.33 3-榄香烯 Elemene 204 C15H24 10.67 4 .tau.-Muurolol 222 C15H26O 7.08 5 Bicyclo4.3.0nonane,7-methylene-2,4,4-trimethyl-2-vinyl-204 C15H24 5.02 6-杜松烯 Cadinene 204 C15H24 4.66 7 丙位桉叶油醇 Eudesmol 222 C15H26O 3.82 8(+)-芹子烯 Selinene 204 C15H24 3.65 9-芹子烯 Selinene 204 C15H24 3.63 10 香木兰烯 Aromadendrene 204 C15H24 3.48 11(-)-4-萜品醇 3-Cyclohexen-1-ol,4-methyl-1-(1-methylethyl)-,(R)-154 C10H18O 2.87 12 氧化石竹烯 Caryophyllene oxide 220 C15H24O 2.59 13 Isogermacrene D 204 C15H24 2.44 14-蒎烯 Pinene 136 C10H16 2.00 15-桉叶醇 2-Naphthalenemethanol,decahydro-.alpha.,.alpha.,4a-trimethyl-8-methylene-,2R-(2.alpha.,4a.alpha.,8a.beta.)-222 C15H26O 1.92 16-榄香醇 Elemol 222 C15H26O 1.59 17-律草烯 Humulene 204 C15H24 1.47 18 荜澄茄油烯醇 Epicubenol 222 C15H26O 1.40 19 大根香叶烯 B Germacrene B 204 C15H24 1.35 20 反式-橙花叔醇 1,6,10-Dodecatrien-3-ol,3,7,11-trimethyl-,(E)-222 C15H26O 0.82 21-茂丁烯 Muurolene 204 C15H24 0.79 22 2-甲基-4-(2,2,6-三甲基-1-环己烯基)-2-丁烯醛 But-2-enal 206 C14H22O 0.75 23-松油醇 Terpineol 154 C10H18O 0.72 24 4-异丙基甲苯 Cymene 134 C10H14 0.71 25 Kauren-18-ol,acetate,(4.beta.)-330 C22H34O2 0.65 26-茂丁烯 Muurolene 204 C15H24 0.58 27-侧柏烯 Thujene 136 C10H16 0.55 28 Gurjunene 204 C15H24 0.53 29()-乙酸松油酯 Terpinyl acetate 196 C12H20O2 0.52 30 1-Naphthalenol,1,2,3,4,4a,7,8,8a-octahydro-1,6-dimethyl-4-(1-methylethyl)-,1R-(1.alpha.,4.beta.,4a.beta.,8a.beta.)-222 C15H26O 0.46 31 Manoyl oxide 290 C20H34O 0.46 32 3,7,11,15-四甲基已烯-1-醇(叶绿醇)3,7,11,15-Tetramethyl-2-hexadecen-1-ol 296 C20H40O 0.45 33 柠檬烯 Limonene 136 C10H16 0.42 34 Cycloheptane,4-methylene-1-methyl-2-(2-methyl-1-propen-1-yl)-1-vinyl-204 C15H24 0.40 第 52 卷 208续表 1 序号 中文名 化合物名称 分子量 分子式 相对含量/%35(1S,8ab)-十氢-2a-异丙基-4ab-甲基-8-亚甲基萘-1b-醇 Junenol 222 C15H26O 0.40 36 月桂烯 Myrcene 136 C10H16 0.37 37 4(15),5,10(14)-大根香叶三烯-1-醇(1R,7S,E)-7-Isopropyl-4,10-dimethylenecyclodec-5-enol 220 C15H24O 0.35 38 蘑菇醇 Vinyl amyl carbinol 128 C8H16O 0.34 39-古巴烯 Copaene 204 C15H24 0.25 40 芳樟醇 Linalool 154 C10H18O 0.25 41-榄香烯 Elemene 204 C15H24 0.23 42 Androstan-17-one,3-ethyl-3-hydroxy-,(5.alpha.)-318 C21H34O2 0.19 43(-)-异喇叭烯 Isoledene 204 C15H24 0.15 44-古巴烯.beta.-copaene 204 C15H24 0.15 45(1,7,7-三甲基降冰片烷-2-YL)乙酸 Bornyl acetate 196 C12H20O2 0.15 46 萜品油烯 Cyclohexene,1-methyl-4-(1-methylethylidene)-136 C10H16 0.14 47-松油烯 Terpinene 136 C10H16 0.12 48 桧烯 Sabinene 136 C10H16 0.09 注：“”表示暂未确定；该组分信息由三个重复整合而成，即挑选出在 3 次重复的组分信息中出现两次及以上的化合物，再通过峰面积归一化法计算各化合物的相对含量。三种样品粉碎方法按繁琐程度排序为破壁机法中药铡刀法切草机法；虽然破壁机法能将样品粉碎至更为细碎的状态，但耗费时间最多；中药铡刀法则将杉木鲜枝叶裁成 23 cm 小段，又不足以使精油快速蒸出；而切草机法粉碎的杉木鲜枝叶粉碎效率最高，且出油率最高。液料比与蒸馏时间均对出油率产生显著影响(P0.05)，在液料比达 8:1，蒸馏时间 6 h 时，杉木鲜枝叶出油率最高(0.086%)。在同样使用水蒸馏法并采用鲜样的条件下，对杉木根部精油进行提取，根部的皮与心材的精油得率分别为0.04%与 0.67%，说明杉木不同部位精油含量存在较大差异16。也有研究显示，阔叶百里香 Thymus pulegioides 鲜样的出油率以及抑菌效果优于干样，这可能是植物干燥后损失了部分有机物质导致，说明植物材料干鲜状态会影响得油率17。有研究指出，通过在蒸馏体系中加入无机盐 来降低精油在水中的溶解度可提升出油量1819。本研究同样尝试在蒸馏液中加入 NaCl，但不同NaCl 浓度梯度下的物料出油率仅有微小的波动(0.080%0.088%)，未出现显著变化，表明添加NaCl 对提高物料出油率作用不显著。其原因可能在于使用水蒸馏法进行杉木新鲜枝叶精油提取时，精油在水相中未达到饱和点。迄今为止，前人采用不同方法从杉木各组织中提取出多种重要成分；以杉木木质组织为原料提取精油，主要成分为柏木烯、柏木醇、石竹烯等2021；以杉木叶等非木质组织为原料提取的精油主要成分为大根香叶烯 D、-蒎烯、榄香烯、芹子烯、石竹烯及其衍生物等2223，杉木非木质资源提取精油所得成分不同于木质资源且成分多样，说明其具有开发潜力。这些成分在化妆品、饲料、食品、医疗等领域均具有广阔的开发利用前景。本研究提取的杉木鲜枝叶精油主要成分为大根香叶烯 D、-榄香烯和-石竹烯，三者共占精油总相对含量的 39.01%。其中，大根香叶烯 D 具有抗细菌真菌活性24，-榄香烯可诱导细胞凋亡，具有抗肿瘤活性25，二者在第 3 期 蔡子轩等：杉木鲜枝叶精油提取及组分分析 209医药上有着良好的应用前景。-石竹烯是重要的工业原料，除了广泛应用于食品香精领域以外，也被认为是潜在的研究治疗阿尔兹海默症新药的重要分子26。综上所述，杉木鲜枝叶精油具有原料易获取、提取方便且有效成分丰富等优点，应用前景广阔。参考文献 1 中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志M.北京:科学出版社,1993:18.2 郑会全,胡德活,李小川,王润辉,晏姝,韦如萍.广东杉木短轮伐期优质林培育策略J.林业科技通讯,2018,5(545):2023.3 陆熙娴,王德隆,周明.杉木浸提物对木材天然耐腐、抗蚁性的影响J.林业科学,1987,23(4):456462.4 El Asbahani A,Miladi K,Badri W,Sala M,At Addi E H,Casabianca H,El Mousadik A,Hartmann D,Jilale A,Renaud F N R,Elaissari A.Essential oils:from extraction to encapsulation J.International Journal of Pharmaceutics,2015,483(12):220243.5 刘宏,李佳,林俊芝,张定堃,杨明,郑川.植物精油及其活性成分防治结直肠癌作用机制的研究进展J.中草药,2023,54(3):956965.6 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