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摘要挥发油是存在于植物体中的一类可随水蒸汽蒸馏、具有芳香气味的挥发性油状液体的总称。主要包括萜类化合物,脂肪族类化合物和芳香族化合物。提取方法主要为水蒸气蒸馏法,油脂吸取法,浸取法等。分析方法主要为全二维气相色谱-飞行时间质谱、顶空气相色谱、固相微萃取-气质联用等。随着这些技术的进展,挥发油的分析必将进一步得到完善。
关键词:挥发油全二维气相色谱-飞行质谱顶空气相色谱固相微萃取-气质联用
概述
挥发油〔volatileoils〕又称精油〔essentialoils〕,是存在于植物体中的一类可随水蒸汽蒸馏、具有芳香气味的挥发性油状液体的总称1。挥发油是具有广泛生物活性的一类常见的重要成分,是古代医疗实践中较早留意到的药物,《本草纲目》中记载着世界上最早提炼、精制樟油和樟脑的具体方法。含挥发油的中草药格外多,尤以唇形科〔薄荷、紫苏、藿香等〕、伞形科〔茴香、当归、芫荽、白芷、川芎等〕、菊科〔艾叶、茵陈篙、苍术2、白术、木香等〕、芸香科〔橙、桔、花椒等〕、樟科〔樟、肉桂等〕、姜科〔生姜、姜黄、郁金等〕等科更为丰富。含挥发油的中草药或提取出的挥发油大多具有发汗、理气、止痛、抑菌、矫味等作用。
理化性质
在常温下可自行挥发而不留任何痕迹,这是挥发油与脂肪油的本质区分;
大多数具有香气或其它特异气味,常温下为透亮液体,有的在冷却时其主要成分可能结晶析出。这种析出物习称为“脑”,如薄荷脑、樟脑等;
不溶于水,而易溶于各种有机溶剂中,如石油醚、乙醚、二硫化碳、油脂等,也能溶于高浓度乙醇中;
多数比水轻,也有比水重的〔如丁香油、桂皮油〕,-
之间;
几乎均有光学活性,比旋度在+99o~177o范围内,且具有强的折光性,折
~;
对空气、日光及温度较敏感,易分解变质。
挥发油的化学成分
萜类化合物
萜类化合物是挥发油的主成分,依据其根本构造又可以分为三类:单萜、倍半萜和它们的含氧衍生物。其中含氧衍生物多半是生物活性较强或具有芳香气味的主要组成成分。单鸣秋等人觉察β-香叶烯、D-柠檬烯、薄荷酮、薄荷呋喃、胡薄荷酮和β-石竹烯这6种单萜类化合物在荆芥挥发油中占有很高的比例,为其主要成分3。
芳香族化合物
在挥发油中,芳香族化合物仅次于萜类,存在也相当广泛。挥发油中的芳香族化合物,有的是萜类衍生物,如百草香酚〔thymol〕、孜然芹烯〔p-cymene〕、α-姜黄烯〔α-curcumenc〕等。有一些是苯丙烷类衍生物,其构造多具有C6-C3骨架、多有一个丙烷基的苯酚化合物或酯类。例如桂皮醛〔cinnamaldehyde〕存在于桂皮油中,茴香醚〔anethole〕为八角茴香油及茴香油中的主成分,丁香酚
〔eugenol〕为丁香油中的主成分,α-细辛醚及β-细辛醚〔α-asarone,β-asarone〕为菖蒲及石菖蒲挥发油中的主成分4。廖彭莹等人从石仙桃挥发油中觉察α-甲基苯丙醇等芳香族化合物5。
脂肪族化合物
—些小分子脂肪族化合物在挥发油中常有存在。例如甲基正壬酮
〔methylnonylketone〕在鱼腥草、黄柏果实及芸香挥发油中存在,正庚烷
〔n-kcptane〕存在于松节油。在一些挥发油中还常含有小分子醇、醛及酸类化合物。如正壬醇存在于陈皮挥发油中,异戊醛〔isovaleraldehyde〕存在于桔子、柠檬、薄荷、桉叶、香茅等挥发油中,癸酰乙醛〔decanoylacetaldehyde〕,异戊酸
〔isovaledeacid〕存在于啤酒花、缬草、桉叶迷迭香等挥发油中。赵长胜等6从五加皮挥发油中分别出软脂酸甲酯、亚油酸甲酯等脂肪族化合物。
其他类化合物
除上述三类化合物外,还有一些挥发油样物质,如芥子油〔mustardoil〕、挥发杏仁油〔volatilebitteralmondoil〕,原白头翁素〔protoanemonin〕、大蒜油〔garlicoil〕等,也能随水蒸气蒸馏,故也称之为“挥发油”。黑芥子油是芥子苷经芥子酶水解后产生的异硫氰酸烯丙酯,挥发杏仁油是苦杏仁苷水解后产生的苯甲醛,原白头翁素是毛茛苷水解后产生的物质,大蒜油则是大蒜中大蒜氨酸经酶水解后产生的物质,如大蒜辣素〔allicin〕等。
挥发油的提取工艺
水蒸气蒸馏法
水蒸汽蒸馏法是一种传统的植物挥发油或其它有效成分的提取方法,也是一种比较成熟的分别方法,所用溶剂为水,其作用机理是水携带油,而水对人无害,是环境友好的溶剂7。马戎8等承受单因素试验和正交试验相结合的方法对橘皮精油提取工艺进展了争论,得出最正确工艺。
但水蒸汽蒸馏也有其局限性,高温时热敏性成分的热分解和易水解成分的水解,不利于保存药材中的药用有效成分;获得的产品主要为萜类挥发油等成分,组分相对较少;水的存在易导致产品水解和水溶作用的发生,而降低产品的产量和质量,因此所提取的挥发油还必需除去所夹带的水分,以防止霉变,延长产品的储存和保质期“提取时间长,能耗高,工业化本钱高”。
浸取法
有机溶剂萃取
溶剂萃取是一种提取挥发油的常见方法。溶剂萃取的优点是可以避开水溶液pH值影响、水解反响的产生。使用溶剂萃取得到的溶液通常需要将使用的溶剂蒸发浓缩,在溶剂的蒸发浓缩过程不行避开会消灭局部易挥发成分的损失。溶剂萃取的缺点是一些挥发性不强的亲脂性成分如脂肪、腊质等也可同时被萃取,这些成分的存在直接影响色谱分析,导致色谱峰重叠,干扰或基线漂移。潘年松9等承受石油醚回流提取法与水蒸汽蒸馏法,对过50目筛温羲术药材粉末中的挥发油提取作一工艺优化比较,石油醚回流提取法的平均提油效率是水蒸汽蒸馏法的
。
微波关心溶剂萃取〔Mierowave-AssistedSolventExtraction,MAE〕是在溶剂萃取的根底上,承受微波关心加热的方式进展萃取,MAE的特点为投资少,
设备简洁,适用范围广,操作时间短,热效率高,不产生噪音。污染和易于自动化,可用于植物挥发油的萃取。MAE需使用到大量溶剂,与传统萃取方式一样会污染环境,不适合广泛应用。
超临界流体萃取
超临界流体萃取〔supercriticalfluidextraction,SFE〕是20世纪30年月兴起的一种绿色提取分别技术。超临界流体〔临界温度 TC=℃,临界压力PC=〕具有与液体相近的密度,黏度与气体相近,集中系数为液体的上百倍,对很多物质有较好的渗透性和较强的溶解力量,并且惰性安全、环境友好,适合不稳定、易氧化的挥发性成分和脂溶性成分的提取分别,抑制了传统溶剂萃取法、加热蒸馏法存在溶剂残留、氧化变质等缺陷10。
周鸣谦等11人用超临界CO2萃取柑橘落果中的辛弗林。确定其最正确工艺条件为粉碎度50~60目、萃取温度50℃、萃取压力30MPa、流体流量12L/h、夹带剂〔乙醇〕含量12%、萃取时间5h。%,超临界CO2
%,远高于溶剂法萃取物〔%〕。
油脂吸取法
油脂类一般具有吸取挥发油的性质,往往利用此性质提取贵重的挥发油,如玫瑰油、茉莉花油常承受吸附法进展。通常用无臭味的猪油3份与牛油2份的混合物,均匀地涂在面积50cm×l00cm的玻璃板两面,然后将此玻璃板嵌入高5~l0cm的木制框架中,在玻璃板上面铺放金属网,网上放一层颖花瓣,这样一个个的木框玻璃板重叠起来,花瓣包围在两层脂肪的中间,挥发油渐渐被油脂所吸取,待脂肪充分吸取芳香成分后,刮下脂肪,即为“香脂”,谓之冷吸取法。或者将花等原料浸泡于油脂中,于50~60℃条件下低温加热让芳香成分溶于油脂中,此则为温浸吸取法。
冷压法
此法适用于颖原料,如桔、柑、柠檬果皮含挥发油较多的原料,可经撕裂、捣碎冷压后静置分层,或用离心机分出油分,即得粗品。此法所得挥发油可保持原有的颖香味,但可能溶出原料中的不挥发性物质。
酶法提取
酶可以在温顺条件下分解植物组织,较大幅度提高得率,是一项很有前途的
技术。目前,用于中草药提取的主要是纤维素酶。王乃馨12用水酶法提取杜衡挥发油的工艺,并争论其抗菌作用。
微胶囊-双水相萃取
双水相萃取技术〔ATPE〕是利用被提取物质在不同的两相系统间安排行为的差异迸行分别,具有较高的选择性和专一性,能提取醛、酮、醇等弱极性至无极性香味成分,应用于挥发油的提取颇有前景。目前该技术应用于挥发油提取的报道还较少。如刘品华13承受微胶囊双水相法提取了薄荷油、丁香油、柠檬油、柑橘油等。
微波萃取方法
微波技术的应用,近年来得到很大进展微波具有穿透力强、选择性高、加热效率高等特点。微波技术应用于植物细胞破壁,有效地提高了得率,取得了较大进展。杨丽娟14承受微波萃取法提取云南金平草果精油,觉察该法的收油率明显高于水蒸汽蒸馏法和常规溶剂提取法,且所用时间短,溶剂用量少。且微波萃取法与常规法提取得到的化合物根本一样,对精油的化学成分没有破坏,认为该法是值得应用的精油萃取法。
超声波关心提取
利用超声振动的空化、粉碎、搅拌等特别作用,破坏植物细胞,使溶媒渗透到药材细胞中,加速有效成分进入溶剂,强化传质。承受超声法提取吴茱萸挥发油,节约了溶剂,缩短提取时间,提高了出油率。超声提取能避开高温高压对活性成分的破坏,但受容器的器壁厚度及放置位置的影响很大。目前争论都是小规模的,有关设备的放大问题尚待解决。
分子蒸馏技术
分子蒸馏技术〔MolecularDistillationTechnology〕属于一种特别的高真空蒸馏技术,是一种特别的液-液分别技术。其最显著的特点是蒸馏物料分子由蒸发面到冷凝面的行程不受分子间碰撞阻力的影响,蒸发面与冷凝面之间的距离小于蒸馏物质分子在该条件下的分子运动平均自由程。分子蒸馏装置依据形成蒸发液膜的不同设计可分为降膜式分子蒸馏〔falling-filmevaporator〕、刮膜式分子蒸馏
〔wiped-filmevaporator〕和离心式分子蒸馏〔Centrifugalevaporator〕3种,也可以统称为短程蒸馏〔Short-pathdistillation〕。
挥发油成分的分析
20世纪90年月初,Liu和Phillips提出的全二维气相色谱〔GC×GC〕方法,供给了一种真正的正交分别系统。它是将分别机理不同而又相互独立的两支色谱柱以串连的方式结合成二维气相色谱,经第1支色谱柱分别后的每一个馏
分,经调制器聚焦后以脉冲方式进入第2支色谱柱中进展进一步的分别,通过温度和极性的转变实现气相色谱分别特性的正交化。GC×GC具有峰容量大〔为两根柱各自峰容量的乘积〕、分析速度快、区分率高、族分别和瓦片效应等特点,因而该方法在简单体系的分析方面具有其它方法无法比较的优势,越来越受到宽阔色谱工作者的重视。
林凯等15承受同时蒸馏萃取法提取番木瓜叶中挥发性成分,用全二维气相色谱一飞行时间质谱对挥发油化学成分进展分别鉴定,共鉴定出匹配度较高的化学成分383种,包括37种醇、53种醛、21种酸、49种烷烃、20种烯烃、82种酮和31种酯等。李治宇16建立了鹰爪豆净油的全二维气相色谱飞行时间质谱指纹图谱,通过质谱图库检索、保存指数比对、标准化合物参照及文献验证等方法对挥发性成分进展了分别鉴定。结果说明:从鹰爪豆净油中共鉴定出150种挥发性成分,其中含量较高的成分主要有亚油酸甲酯〔%〕、亚麻酸〔%〕、棕榈酸〔%〕、邻氨基苯甲酸甲酯〔%〕、蘑菇醇〔%〕、月桂酸乙酯〔%〕、苯甲酸苄酯〔%〕、亚油酸乙酯〔%〕、癸酸乙酯〔%〕、硬脂酸甲酯〔%〕、芳樟醇〔%〕、α-金合欢烯〔%〕、苯乙醇〔%〕、油酸甲酯〔%〕、硬脂酸乙酯〔%〕和亚麻酸甲酯〔%〕;②正构烷烃、芳香环类和非环类物质在Rxi-5SilMS×DB-17ht柱系统上实现了族组分分别。
2固相微萃取-气质联用
固相微萃取(solidphasemicroextraction,SPME)是20世纪90年月初提出并进展起来的颖的样品前处理技术。微萃取具有敏感、选择性好、不用溶剂、操作简洁快速、能自动化的优良特性,可直接与气相色谱一质谱〔GC—MS〕等色谱联用。集采样、萃取、浓缩、进样于一体加快分析检测的速度,可以用于乳荆及乳制品挥发性成分的检测17。
陈佳龄等18承受固相微萃取-气质联用技术分析了红果仔〔Eugeniauniflora〕、海南蒲桃〔Syzygiumhainanense〕、红鳞蒲桃〔Syzygiumhancei〕、黄金香柳〔Millearabracteata〕、白千层和柠檬桉〔Eucalyptuscitriodora〕等6种植物叶的挥发性成分。结果说明,6种桃金娘科植物叶中的挥发成分主要为萜烯类,且富含保健性挥发成分,共有成分为〔Z〕-β-罗勒烯、β-石竹烯、月桂烯、γ-萜品烯和别香橙烯。因此,可以开发利用这些桃金娘科植物挥发成分的保健成效。
顶空气相色谱
顶空气相色谱法〔HS-GC〕又称液上气相色谱分析,它承受气体进样,可专一性收集样品中的易挥发性成分,与液-液萃取和固相萃取相比既可避开在除去溶剂时引起挥发物的损失,又可降低共提物引起的噪音,具更高灵敏度和分析速度,对分析人员和环境危害小,操作简便,是一种符合“绿色分析化学”要求的分析手段。HS-SDME虽然优点多但也存在一些缺点,例如萃取的溶剂多为有机溶剂,萃取液滴体积小,易挥发,不易高温萃取且萃取维持时间短等。主要分为静态顶空分析、动态顶空分析、顶空-固相微萃取三类。
静态顶空-气相色谱
静态顶空分析法是顶空分析法进展中消灭的最早形态,其主要缺点是有时必需进展大体积气体进样。假设样品中待分析组分的含量较高,较少的气体进样量就可满足分析的需要时,可实行静态法19。在仪器模式上可分为3类:顶空气体直接进样模式、平衡加压模式和加压定容采样进样模式。
李雪岩20等承受静态顶空-气相色谱对太苍止泻颗粒中挥发性组分进展分别,并建立指纹图谱,评价其质量。承受程序升温毛细管色谱柱 HP-5〔30×,〕对不同批次的太苍止泻颗粒分别,得到11个共有峰,作为
评价指标峰。结果太苍止泻颗粒挥发性成分以11个共有峰作为评价峰,静态顶空-气相色2谱的重复性,稳定性,周密度良好,以同一批次的太苍止泻颗粒共有峰面积的变化来判定成方制剂的质量,以藿香酮保存时间和面积作为参照,来评价样品的质量。李莹莹21承受静态顶空-气相色谱-质谱法分别和鉴定4个品种牡丹花的挥发性成分,并用归一化法测定其相对含量。共鉴定出30种化合物,主要为醇、酯、萜烯、醚和醛等物质,不同品种挥发性成分的种类和含量存在较
大差异。4种牡丹花的共有物质是叶醇、正十二烷、苯乙醇和乙酸橙花酯等。苯乙醇是藏枝红和红珠女中含量最高的成分,%%,而墨楼争辉和李园红中含量最高的是乙酸橙花酯,%%。
动态顶空-气相色谱
动态顶空分析法源于承受多孔高聚物对顶部空气中的挥发性物质进展捕集和分析。连续用惰性气体不断通过液态待测样品将挥发性组分从液态基质中“吹扫”出来,挥发性组分随气流进人捕集器,捕集器中的吸附剂或低温冷脐捕集挥发性组分,最终将抽提物进展解吸分析。该方法是一种将样品基质中全部挥发性组分都进展完全的“气体提取”的方法,适合简单基质中挥发性较高的组分和浓度较低的组分分析,较顶空和顶空一固相微萃取方法有更高的灵敏度。动态顶空分析依据捕集模式分为吸附剂捕集和冷脐捕集2种。
程焕22承受动态顶空〔DHS〕对蜂胶和杨树树胶挥发性成分进展提取,经气相色谱–质谱联用〔GC-MS〕法结合计算机检索对其挥发性成分进展分析和鉴定。对蜂胶DHS法鉴定出52种化合物,%。对杨树胶,承受DHS法的提取物中共鉴定出了46种化合物,%;通过GC-MS方法对蜂胶和杨树胶的挥发性成分进展分析比较,鉴定出蜂胶与杨树胶各自特有的成分,获得蜂胶与杨树胶的异同,从而为真假蜂胶的鉴别供给理论依据并可将其应用到蜂胶的标准制定及真假鉴别中去。
李义23建立了吹扫捕集-气相色谱-质谱法同时测定地下水中卤代烃类、苯系物、氯代苯类等20多种挥发性有机物的方法。对吹扫捕集条件、气相色谱条件和质谱条件进展优化,并对实际水样进展测定。~/,%~%,周密度〔RSD,n=7〕%~%。方法准确,灵敏牢靠,可满足地下水中痕量挥发性有机物的分析要求。
顶空-固相微萃取-气相色谱
顶空-固相微萃取装置由手柄和萃取头组成,通过萃取头的涂层对顶空中的有机挥发性物质的吸附和随后的解吸附分析来完成分析。进展顶空一固相微萃取试验时萃取头的极性和厚度选取至关重要,可依据“相像相溶原理”选择固相微萃取试验的萃取头。。顶空-固相微萃取分析中萃取头具肯定的预浓缩作用,分析的灵敏度高于静态顶空分析,周密度好于动态顶空分析,是近几年最常用的顶空
分析方法。
王英锋24承受顶空固相微萃取-气相色谱-质谱法(HS-SPME-GC-MS)分别鉴定了泽兰中的挥发性成分,考察了HS-SPME的操作参数〔纤维头、样品平衡时间、萃取温度、萃取时间和解吸时间〕,并与传统的水蒸气蒸馏法〔SD〕和超临界CO2萃取法〔SFE〕提取的挥发性成分进展了比较。HS-SPM法共鉴定58种成分,%,主要成分为烯类;SFE法共鉴定了61种成分,
%,主要成分为环己酮和烯的氧化物;SD法共鉴定了45
种成分,%,主要成分为烯的氧化物。三种方法测得的挥发性成分差异较大,但是HS-SPME法作为一种简洁的手段可以用于泽兰中挥发性物质的快速提取和分析。
郭方遒25承受顶空固相微萃取-气相色谱-质谱法〔HS-SPME-GC-MS〕分别鉴定了白术中的挥发性成分,并与承受传统的水蒸气蒸馏法〔SD〕提取的挥发性成分进展了比较。试验中筛选了固相微萃取纤维头,优化了SPME的操作条件。样品在70℃下平衡30min后,用65μm聚二甲基硅氧烷-二乙烯基苯〔PDMS-DVB〕纤维头对白术样品顶空吸附30min,于250℃下解吸4min,然后承受GC-MS对解吸物进展分别鉴定;承受HS-SPME-GC-MS鉴定出41种组分,%;承受SD-GC-MS鉴定出31个组分,%,且承受SD所提取的组分根本上都被固相微萃取所提取。结果说明,HS-SPME可取代耗时的SD用于白术中挥发性物质的提取。
毛细管液相色谱-毛细管气相色谱联用
填充毛细管高效液相色谱〔μ-HPLC〕-毛细管气相色谱〔CGC〕在线联用技术是分析简单样品的强有力手段。设计独特的多储存位接口可以一次完成6个LC组分的切割和对毛细管气相色谱不分流柱内进样。由于μ-HPLC具有气相
色谱无法比较的构造分别力量,而毛细管气相色谱又具有液相色谱无法比较的分别柱效及依据物质沸点差异进展分别的力量,因此用这项技术解决了各种油品的族组成和每个族组成中具体成分的分别分析。
王晓春等26首次将填充毛细管高效液相色谱-毛细管气相色谱在线联用技术
〔μ-HPLC-CGC)用于分别分析八角茴香果实的挥发油成分。液相色谱选用氰基分析柱,正己烷-乙腈-二氯甲烷,为流淌相,对挥发油样品做族组分分别,得到的5个族组分被依次存放在多位储存接口内,然后不分流分别转入毛细管气相色谱仪做具体分析。承受了不分流柱内进样模式以利于定量及谱图的叠加和比较。将族组成分析得到5个气相色谱图与单独用毛细管气相色谱分析的谱图比照,觉察至少分别出3种的化学成分。
小结
挥发油不但分布范围广,种类多,而且生物活性广泛,并且毒性小,因此人们对它的争论越来越感兴趣,使得其分析技术得以快速进展。气相色谱法现已广泛应用挥发油的定性和定量分析。用于定性分析主要解决挥发油的成分的鉴定。对于挥发油中很多未知成分,同时又无标准品做比照时,则选用GC-MS联用技术。现GC-MS技术得到广泛进展,如全二维气相色谱-飞行时间质谱、顶空