桔皮挥发油的提取及GC-MS分析.doc

桔皮挥发油的提取及GC-MS分析摘要：本文采用了传统的水蒸气蒸馏法，提取了桔皮中的挥发油，确立了提取的较佳时间为85min左右，浸泡较佳时间为8小时左右。此后用Gas chromatography/Mass spectrometry(GC-MS)对所提取的挥发油化学成份进行了定性定量分析。桔皮挥发油所含物质较多，有二百多种，且化学成分较为复杂。主要有：枯茗醇（5.17）、芳樟醇（3.58）、香茅醇（1.73）等。本文结论为建立橘类植物的提取纯化工艺和促进橘类植物挥发油深加工奠定基础。关健词：桔皮；水蒸气蒸馏法； 挥发油；提取；GC-MSThe extraction of essential oils from orange peelsand the analysis of GC-MSAbstract: This thesis with the traditional steam distillation method, stated the whole process of extraction , besides, it found out the best extraction time was about 85 minutes and the best soaked time was almost 8 hours. Later, quantitative and qualitative analysis on the elements of the extracted oil was analyzed by GC-MS. Thus, drawing such conclusion that there are more than 200 matters of complicated elements in essential oils , namely, cuminol (5.17percent), Linalol (3.58percent), beta-Citronellol(1.73percent) and so on. what has been done in these experimental paper paves the way for purified project of orange peels and its further processing.Key words: Orange peels; Steam distillation method ; Essential oil; Extract; GC-MS1 引言桔皮系芸香植物橘的干燥成熟果皮,其约占整个果重的25%40%，果皮主要有外果皮、中果皮、内果皮组成。其气香，味辛，微苦，性温，具有理气健脾，燥湿化痰之功效，常用于脘腹胀满，食少吐泻，咳嗽多痰等1。在生活中，常与茶叶一起饮用。桔皮含有挥发油、抗氧化剂、色素、果胶、川皮酮、维生素B1、维生素C、醛等，其中挥发油、抗氧化剂、色素、果胶等一方面是食品行业添加剂的重要原料，另一方面可以用来生产有机肥料、沼气或制备水处理吸附剂，如：处理砷酸盐或亚砷酸盐、处理燃料废水、含铬废水等深加工产品2。此外桔皮中还有一些具有抑菌杀虫的活性物质。桔皮挥发油是一种含量较高的含有萜烯、不饱和脂肪酸的高级营养油，是桔皮重要的药理活性成分。挥发油中主含右旋柠檬烯，现代药理研究证明其具有抗胃溃疡，抗病理性胃液分泌增多，促进胃液分泌，使人唾液淀粉酶增高，助消化，溶解胆固醇结石而达到利胆作用、刺激性祛痰作用3-4。桔皮在工业、农业、医学、美容、食品等行业的重要作用使国内外研究者对其发生了很大的兴趣。部分研究者研究了桔皮中各种功能成分的综合利用、提取工艺、提取方法，如：色素的提取，果胶的提取，抗氧化剂的提取，挥发油的提取等。下面简单的介绍这四种物质的功用及以往研究者对其提取概要。（1）色素的功用及提取：食用色素作为一种食品添加剂，被广泛应用于食品制作中。近十几年，开发天然食用色素代替人工合成色素成了食品色素行业的发展趋势。从桔皮中提取色素，不仅能变废为宝、提高柑桔的附加价值，而且可以把色素中的主要成分2胡萝卜素及类胡萝卜素这些具有良好保健功能的物质添加到食品中，提高食品的营养价值。中国台湾的学者5为了分析桔皮色素对豆油氧化稳定性的影响，用己烷、丙酮、甲苯、乙烯按一定比例组成的萃取剂和少量碱液浸泡桔皮粉。萃取剂的两相彻底分离开后，收集上层含有类胡萝卜素的萃取液，真空蒸馏并用己烷溶解，再进一步用己烷、丙酮、甲醇的混合物稀释，将稀释所得溶液真空浓缩并经乙醇溶解。实验表明，分离所得的各种色素都有抗氧化能力并且抗氧化性能随着浓缩度的增加而增大。（2）果胶的功用及提取：果胶物质组织起软化和粘结作用，在食品和香料行业作为添加剂、胶凝剂、增稠剂、乳化剂。干桔皮中含有高达20 %的果胶，主要采用醇沉淀法和盐沉淀法提取，醇沉淀法产品色泽较好。胶质由于紧密地与细胞壁内的其它聚体成分连接而抑制它的释放，所以通常采用预处理工艺而使胶质萃取容易进行。Kratchanova 等6采用微波预处理柑桔皮，发现胶质产量明显增加，胶质性质也显著改善。（3）抗氧化剂的功用及提取 ：食用抗氧化剂是重要的食品添加剂之一，它能减缓油脂及富油食品的酸败变质，延长食品保存期。由于合成抗氧化剂对人体健康不利，20 世纪70 年代以来开发天然抗氧化剂已成为研究热点。许多黄酮类化合物及其衍生物在油水和油食品体系中有显著的抗氧化能力。桔皮中含有黄烷酮、黄酮、黄酮醇等黄酮类物质，其中以黄烷酮最为丰富。桔类黄酮的抗氧化作用主要是清除自由基和超氧化物，淬灭单线态氧及抑制脂质过氧化等 。抗氧化剂的提取工艺流程是：干桔皮粉碎有机溶剂浸提过滤滤液减压浓缩产品。（4 ）挥发油的功用及提取：近年来，工业化国家的柑橘皮加工产品消费量显著曾加，柑橘废弃物的应用也成为研究的热点。尤其是柑橘废弃物中挥发油这一提取物的应用显得尤为广泛。无论是在工业、医学、食品、美容领域还是在环保等行业，桔皮挥发油都发挥了其不可忽视的作用。挥发油又称香精油，是一类在常温下能挥发的、可随水蒸气蒸馏的、与水不相混的油状液体的总称。挥发油是药品中重要的活性成分，具有发散解表、芳香开窍、理气止痛、祛风除湿、活血化瘀、祛寒温里、清热解毒、解暑祛秽、杀虫抗菌等作用，如当归油镇痛、柴胡油退热等。有些国家甚至把芳香疗法纳入医学的范畴，配合药物的治疗。挥发油不仅在医药上具有重要作用，在香料工业、日用食品及化工工业上也是重要的原料。日常使用时，挥发油可以净化空气、消毒、杀菌，也可让人们免于感染一些传染性疾病，在预防保健方面也极具价值。挥发油所含的化学成分较多，一种挥发油中一般含有几十种，乃至一二百种化学成分，但往往其中一种或数种成分占较大比重，是挥发油的有效成分7。例如：在废水的杀菌处理中少量的苧烯就极为有效。提取挥发油有冷榨、蒸馏、浸提法等，使用最普遍的是水蒸气蒸馏法。王艳琴8等以CO2 为溶剂，用超临界法萃取柑桔挥发油。此外还可以利用分子蒸馏技术9获得挥发油。 柑桔废弃物除了能提取上述有用成分外，还可以提取橙皮甙、维生素P、膳食纤维及制蜜饯陈皮、皮糖、青红丝、酱、桔皮酒、桔皮膏、桔皮粉、果丹皮等，用途广泛。本实验采用水蒸气蒸馏法，着重讨论了桔皮挥发油的有利提取条件。桔皮中挥发油位于外果皮的表层，油囊直径一般为0.40.6mm，无管腺，周围无色壁，是由退化的细胞堆积包围而成。如果不经过破碎，无论减压或常压，油囊都不易破裂，挥发油不易蒸出。在实验过程中，需要将桔皮粉碎，粉碎的目的是为了暴露更多的油细胞，便于快速蒸馏。挥发油必须暴露在组织表面才能被蒸馏出来，虽然进行了破碎，但还有一大部分挥发油存在于细胞内，这些细胞内的挥发油必须经过扩散作用，使油份达到细胞表面才能被蒸馏出来。由于光、潮气和空气对挥发油质量有不利影响，原则上要求粉碎后立即蒸馏，以防霉烂变质影响油的质量，或储藏于干燥、阴凉处，防止部分挥发油挥发和受到光照后发生氧化。另外还需要将桔皮放入水中浸泡一定时间，使海绵体吸收大量水分，水分渗透到油囊内部和它的周围，油囊内压增加，当油囊破裂时，油液即喷出。所以，可得出结论：实验之前应将桔皮粉碎并进行浸泡。蒸馏时控制好温度，使得馏出速度先慢后快。先蒸馏出来的组分多为沸点较低的化合物，后馏出的为高沸点部分。要尽量避免用火直接加热蒸馏，因为用火直接加热时，锅底部分原料往往会受到高温作用焦化，使挥发油香味变坏，品质降低。 桔皮挥发油的提取实验完成之后，利用GCMS（Gas chromatography/Mass spectrometry）对其成分进行了分离和鉴定。 GCMS是生物样品中药物与代谢物定性定量的有效工具。被广泛应用于复杂组分的分离与鉴定。由气相色谱出来的样品通过接口进入到质谱仪，质谱仪的基本部件有：离子源、滤质器、检测器三部分组成，它们被安放在真空总管道内。所用GCMS离子化方式是电子轰击离子化（electron impact ionization，EI）EI是最常用的一种离子源，有机分子被一束电子流轰击，失去一个外层电子，形成带正电荷的分子离子（M+ ） ， M+进一步碎裂成各种碎片离子、中性离子或游离基，在电场作用下，正离子被加速、聚焦、进入质量分析器分析。其作用是将电离室中生成的离子按质荷比（m/z）大小分开，进行质谱检测。 作为一种农业废弃物，桔皮废弃物有明显的优势：一是产量大，来源广泛；二是原料价格便宜；三是原料地集中，几乎都在食品厂内；四是具有社会、经济效益、环境效益，既可减缓对环境的污染又可提高柑桔废弃物的利用价。所以本文综合考虑上述桔皮的种种有利因素和其重要的社会、经济效益、环境效益，着重讨论了桔皮挥发油的有利提取条件和利用GC-MS对其进行成分的分析 ，采用水蒸气蒸馏法提取香精油，也为推动具桔类植物香精油的开发利用和高技术含量、高附加值的现代香精油系列产品的产业化提供基础数据。2 实验材料和方法2.1 实验材料桔皮：市场购买桔子取其皮，阴干，粉碎，备用；无水乙醚（分析纯，天津市北方天医化学试剂厂）；无水硫酸钠（分析纯，西安化学试剂厂）2.2 实验仪器 M22型蒸馏装置（天津玻璃仪器厂出品）；FZ102型粉碎机（河北省黄骅市中兴仪器有限公司）；MO-2型电热套（河北省黄骅市中兴仪器有限公司）；T-214电子分析天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司）；GC-MSQP2010气质连用仪（日本岛津）2.3 实验原理2.3.1 挥发油提取原理通过水分子向原料细胞中渗透，使桔子皮中的挥发油成分向水中扩散，受热后，挥发油的蒸汽压与水的蒸汽压总和在与大气压相等的情况下，溶液立即沸腾，形成挥发油与水的共沸物。蒸出的挥发油与水蒸汽通过冷凝，油水分离后得到挥发油。2.3.2 GC-MS分析原理气质连用，前面是气相色谱，利用色谱柱的高效分离特性将样品内组分分离成纯物质（定量），再将纯物质导入质谱，分析出有机物的分子式，鉴定出化学结构（定性）。2.4 实验方法准确称取一定质量的桔皮粉末，加入三颈瓶中。水蒸气蒸馏。实验分别讨论了粒度、浸泡与否、蒸馏时间、浸泡时间对得油率的影响。蒸馏完成后，用50ml无水乙醚分两次萃取油水混合物，将上层油液转入小烧杯，加入适量无水硫酸钠吸水，在通风处挥发乙醚，乙醚含量较少时，转入容积约10ml具塞试管，继续挥发，直至乙醚完全挥发。称取所得透明的淡黄色挥发油的质量，此后待GCMS分析。2.5 得油率的计算方法 得油率是衡量挥发油的一个重要指标。可根据以下公式计算： X=mM100其中：m挥发油的质量，M-桔皮的质量 x 得油率2.6 GC-MS分析条件色谱条件：色谱柱（CBP5，25m0.25mm0.25m），程序升温，柱初始温度80，保持1min，以6/min升至200，再保持10min。进样器温度250，载气为高纯氦气，柱流量1ml/min，分流比40:1。质谱条件：EI源温度200，接口温度250，电压0.5kv。扫描范围m/z：303503 结果与讨论3.1 粉碎粒度对得油率的影响在其它实验条件相同的情况下，本组实验讨论了粒度的大小对挥发油得油率的影响。赵文红10等分别对芦柑、沙田柚、柠檬进行了考察，得出适度的破碎有利于提高得油率。本文对30目颗粒和直径为0.5cm的桔皮进行了对比，桔皮的质量为23.00g，蒸馏时间为1小时，平行三组。实验数据如下： 表1 粒度对得油率的影响项目1号2号3号平均值/g得油率/%30目颗粒桔皮得油质量/g0.0600.0570.0640.0600.26直径0.5cm桔皮得油质量/g0.0430.0470.0440.0450.02由上表可见：30目颗粒的桔皮得油率较大，所以后续实验中均采用30目颗粒的桔皮进行试验。3.2 浸泡与否对得油率的影响在其它实验条件相同的情况下，本组实验讨论了桔皮的浸泡与否对得油率的影响。桔皮质量为23.00g，浸泡时间4小时，蒸馏时间为80min。实验结果得出：单位时间内浸泡桔皮所得的挥发油大于未浸泡的。这是因为浸泡后水分渗透到油囊内部和它的周围，油囊内压增加到一定程度后，油囊破裂，油液喷出，利于蒸馏。数据如下：表2 浸泡与否对得油率的影响项目1号2号3号平均值/g得油率/%浸泡桔皮得油质量/g0.0340.0380.0330.0350.15未浸泡桔皮得油质量/g 0.0260.0220.0270.0250.0313.3 蒸馏不同时间对得油率的影响虽然桔皮挥发油有很大的适用价值，但是由于其含量较低，为了达到工业上既耗能低又可获得较大价值的要求，必须找到一个较佳蒸馏时间。所以本实验围绕这一中心而展开。实验数据如下： 表3 蒸馏不同时间对得油率的影响项目1号2号3号4号5号桔皮质量/g20.0020.0020.0020.0020.00蒸馏时间/min5565758595浸泡时间/min275275275275275挥发油的质量/g0.340.470.590.700.75得油率/%1.702.392.993.503.75蒸馏不同时间得油率折线图如下： 由上图可得出：随着蒸馏时间的延长，得油率不断增加，但是提取时间超过85min后，得油率的增加趋于缓慢，这可能是因为蒸馏时间过长，导致部分挥发油受热后发生氧化等反应，不利于被提取出来。因此，较佳的蒸馏时间为85min左右。3.4 浸泡不同时间对得油率的影响3.2实验已证实：浸泡过的桔皮得油率较大，本组实验进一步探究浸泡时间的多少对得油率的影响程度，从而找到较佳的浸泡时间，为缩短工业操作时间提供一定的依据。实验数据如下：表4 浸泡不同时间对得油率的影响项目1号2号3号4号5号桔皮质量/g20.0020.0020.0020.0020.00蒸馏时间/min6060606060浸泡时间/h4681012挥发油的质量/g0.250.360.490. 540.59得油率/%1.251.802.452.702.95浸泡不同时间得油率折线图如下： 由上图结果可得出：随着浸泡时间的增加得油率也不断增加，但是浸泡时间超过8小时后曲线开始向下偏移，这可能是因为浸泡时间过长，导致较多的挥发油挥发引起的结果。所以桔皮的较佳浸泡时间为8小时左右。由以上实验可得出：（1）分析3.1得到：30目颗粒的桔皮比直径0.5cm的得油率高。（2）桔皮浸泡后蒸馏和未浸泡蒸馏的对比发现：浸泡的比未浸泡的得油率高。（3）蒸馏时间在100分内：实验发现最佳蒸馏时间为85分，超过85分后得油率增长幅度比较小。（4）浸泡时间在12小时内：实验发现并不是浸泡时间越长得油率越理想，较佳的浸泡时间为8小时。3.5 桔皮挥发油的部分化学成分及含量在确定的实验条件下，对提取的挥发油进行了GC-MS分析，分析结果经NIST147普图库检索，鉴定出其中的22种主要成分的保留时间、分子式、分子量、相对含量。如下表所示： 表5 桔皮挥发油的部分化学成分及含量峰号保留时间/min化合物分子式分子量相对含量15.0521,2-二异丙烯基环丁烷C10H161361.2326.325芳樟醇C10H18O1543.5838.0824甲基1（1甲基乙基）3环己烯1醇C10H18O1540.8348.5813,3-二甲基环己醇C10H20O1280.759.061香茅醇C8H16O1561.37610.1761甲基1丙基苯基苯C15H242040.63710.3926羟甲基2，3二甲基苯基甲醇C10H14O21660.58810.537枯茗醇C10H14O1505.17910.627龙蒿C10H12O1482.321010.927对丙烯基茴香醚C10H12O1481.611112.541，1二甲基2辛基环丁烷C14H281960.571214.966甲基十八烷C19H402680.581319.10510甲基十九碳烷C20H422821.361419.175反式Z红没药烯C15H24O2201.161520.232反式香柠檬烯C15H242041.53168.3672-(4-甲基-3-环己基)-2-丙醇C10H18O154124178976反式-3（10）- 蒈烯-2-醇C10H16O1520.661896773-（4-甲氧苯基）-N，N-二异丙基氨基甲酸酯C17H27NO32931.131911.847甲苯基-6，9，12-十八碳三烯酸酯C25H36O23680.722012.3269，9-二甲基癸基苯C18H302460.732117.931，7，7-三甲基-2-乙烯基二环2.2.1-2庚烯C12H181621.082218.7313，3-二甲基环己醇1280.934 讨论本文通过水蒸气蒸馏法提取了桔皮的挥发油，确定了提取的较佳蒸馏时间为85min，浸泡时间8h，但是超过较佳时间后的得油率的提高不是很理想，还有待进一步的确定。利用GC-MS技术对桔皮所含挥发油成分进行了定性、定量分析。结果发现：桔皮所提取的挥发油中有些物质是其特有的。如：龙蒿、反