1、1结合 GC-MS的分子蒸馏富集柚皮精油抗氧化成分的研究王芳 1,2 岳朝敏 1 Andreea David1 林洁茹 1 何宇城 2 邓刚 1（浙江师范大学化学与生命科学学院 1，金华 321004）（浙江师范大学行知学院 2，金华 321004）摘 要 分子蒸馏技术富集柚皮精油的抗氧化成分，经两次分子蒸馏后，得到两种重馏分(1R H、2R H)、两种中间馏分(1D M、2D M)和一种轻馏分(1D L)。分子蒸馏过程中，采用气相色谱 -质谱联用技术(GC-MS)实时分析了各馏分的化学组成，确定了33种化合物。通过测定各馏分清除DPPH .和ABTS +.的能力得知，香叶醇和-石竹烯是主要的
2、抗氧化物质，被富集到重馏分(2R H)中，浓缩比分别为3.7和4.3，同时D-柠檬烯在轻馏分(1D L)中得到明显富集，浓缩比达 4.9。抗氧化实验表明重馏分(2R H)的抗氧化能力较原油得到了明显提升，清除DPPH .和ABTS +.的能力分别比原油提高了60%和75%。分子蒸馏技术不仅用于分离脂肪和脂肪酸，而且在植物精油精制及提高附加值方向也具有广阔的应用前景。关键词 分子蒸馏 抗氧化活性 精油中文分类号：TS225.1 文献标识码： AEnrichment of Antioxidant Components of Pomelo (Citrus Grandis (L.) Osbeck) E
3、ssential oil using Molecular Distillation Combined with GC-MS DeterminationWang Fang1,2 Yue Chaomin1 Andreea David1 Lin Jieru1 He Yucheng2 Deng Gang1(College of Chemistry and Life Sciences, Zhejiang Normal University1, Jinhua 321004)(Xingzhi College Zhejiang Normal University2, Jinhua 321004)Abstrac
4、t Molecular distillation was used to fractionate the essential oil of pomelo aiming to enrich antioxidant components in this paper. After two-stage molecular distillation(TMD) at the optimal operation conditions, the fractions including two heavy residue (1RH, 2RH), two middle distillate (1DM, 2DM)
5、and light distillate (1DL) can be collected. Gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS) was employed to analyze the chemical compositions for each fraction during the molecular distillation. In combination with antioxidant activity evaluation including DPPH and ABTS assays, geraniol and -caryophyll
6、ene can be identified as the two major antioxidant components within 33 compounds of the crude oil (Co). Final results show that those major antioxidant components can be enriched in the fraction 2RH with high concentration ratio approaching 3.7 and 4.3, respectively, whereas D-limonene can be apt t
7、o the light fraction 1D with concentration ratio close to 4.9. Moreover, free-radical scavenging activity was determined for all fractions and was highest in 2RH, increasing by 60% in DPPH and 75% in ABTS greatly higher than pomelo crude oil. In conclusion, not only can molecular distillation be app
8、lied for separation of fat or fatty acid, but it is a potential and promising technique for refining the plant essential oils and for improving the properties of their products.Key words molecular distillation, antioxidant activity, essential oil分子蒸馏(Molecular Distillation, MD)，又叫短程蒸馏，是一种特殊的液-基金项目：浙
9、江省公益性技术应用研究计划(2012C22084)收稿日期：2017-12-12作者简介：王芳，女，1972年出生，副教授，食品科学通信作者：邓刚，男，1975年出生，副教授，生物化工2液分离技术，它是依据不同物质分子运动平均自由程的差异来实现分离。分子蒸馏是一种工作在高真空(0.1100 Pa)，低沸腾温度(2065) 条件下的分离技术 1，非常适合热敏性、高沸点物质的分离 2, 3，因此近年来该技术被广泛应用于油脂脱酸、不饱和脂肪酸的精制、油溶性脂肪酸的提纯等领域 4-7。植物精油的主要成分是醛、酮、醇类，大部分为萜类化合物，具有高沸点、热不稳定及易氧化等特点 8，传统分离方法如精馏法、浸
10、提法等易引起分子重排、氧化等，导致精油成分破坏 9, 10，而真空低温条件下的分子蒸馏技术不仅可能保证精油的品质，而且能够高效提纯或富集精油中的一些香气成分或活性成分，是一种理想而有前景的精油精制方法。近年来有关分子蒸馏用于精制植物精油的研究日新月益，主要研究集中工艺优化 11、精油脱萜脱毒 12、精油赋香性 13等方向，尚需加强分子蒸馏在组分多杂植物精油的应用基础研究，考察分子蒸馏如何实现对植物精油分级精炼，进而达到甄别香气、浓缩活性以及脱除杂质的目标。本研究实验材料为琯溪蜜柚(Citrus grandis (L.) Osbeck)的果皮精油，由于柚子属大宗水果，种植面积大，年产鲜果上千万吨
11、。目前国内精油市场规模在200220亿元 14，精油的使用广泛 15，但精深加工方法不多，精油附加值低。本实验对水蒸气蒸馏得到的柚皮精油，尝试采用了二阶段分子蒸馏，通过调控关键蒸馏条件，最终得到差异明显的多种馏分，结合气相色谱- 质谱联用(GC-MS)的组分分析和各馏分的抗氧化活性的测定，找寻并富集柚皮精油抗氧化成分。1 材料与方法1.1 试验材料柚皮精油：采用水蒸气蒸馏法从琯溪蜜柚皮中制得，淡黄色，用无水硫酸钠干燥，过滤后将粗精油(Crude oil, Co)贮于棕色瓶中，-20 保藏。1.2 仪器与试剂KDL 5分子蒸馏仪(UIC, 德国) ；7890A-5975C 气相色谱 -质谱仪(A
12、gilent, 美国)；UV-2550紫外可见光分光光度计( Shimadzu, 日本)；BSA224S电子天平(Sartorius, 德国)。1,1-二苯基-2-三硝基苯肼 (DPPH)、2,2-联氮-3-乙苯- 二噻唑-6磺酸(ABTS)、过硫酸钾(K 2S2O8)购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；二氯甲烷、环己酮为色谱纯，购自德国Merck公司；其它试剂均为市售分析纯。1.3 试验方法1.3.1 柚皮精油分子蒸馏实验设计柚皮精油分子蒸馏实验条件的调控及选取是综合考虑了对各馏分组成分析和收率的实时测定结果，其中可变调控参数包括蒸发器温度为2060，一级冷凝器为-1015，系统真空度110
13、 Pa，其它参数包括二级冷凝器温度(-20) 、冷肼温度(液氮冷却)、刮膜转速(100 r/min)，进料流速(1 mL/min)在整个蒸馏操作过程中均保持不变。对200 3mL柚皮精油进行了第一阶段分子蒸馏后，根据GC-MS对 残留液 (1RH，重馏分) 、一级冷凝器冷凝液(1D M，中间馏分)，二级冷凝器冷凝液(1D L，轻馏分)分析结果，再对组分沸点分布宽的1R H进行了第二阶段分子蒸馏，调节蒸馏温度为25，一级冷凝器为-10，真空度190200 Pa，其他条件不变，得到两个馏分，分别记为 2RH，2D M。1.3.2 柚皮精油成分的GC-MS分析采用GC-MS法分析了分子蒸馏各馏分及原
14、油的化学组成。气相色谱条件：毛细管柱为Agilent HP-5, 30 m0.25 mm0.25 m；载气为高纯氦气(纯度99.99%) ，流速1 mL/min；进样温度250，进样量 1 L，分流比1:50。采用程序升温：初温40(保持3 min)，然后以5/min升温至 200( 保持5 min)；再以 2/min升温至250 。质谱条件：EI离子源温度 230；电子能量70 eV；四级杆温度 150；溶剂延迟2 min；接口温度280 ；扫描范围40400 amu，扫描速率3.99 scans/s16。精油组分检测：通过测定相应系列的正烷烃的保留指数(RI)来确定各组分的RI值，并结合比
15、对NIST质谱数据库(G1036A, revision D.01.00)和已报道的相关文献 17，得到柚皮精油各馏分的化学组成；以环己酮作为内标物，通过气相色谱对各馏分中的各成分进行了定量分析。1.3.3 柚皮精油抗氧化实验1.3.3.1 清除DPPH .活力测定移取0.2 mL 20 mg/mL甲醇精油溶液分别与3 mL 0.004%的DPPH .甲醇溶液混合均匀，置于暗处，室温下反应30 min，在517 nm下测定吸光值 18, 19。DPPH .的清除率计算如下：DPH,xA101%DPH0,DPHAIx式中 为甲醇对照组。DPH0,1.3.3.2 清除ABTS +.活力测定取7 mm
16、ol/L ABTS储备液和2.45 mmol/L过硫酸钾储备液等体积混合均匀，在黑暗室温下静置1216 h，得到ABTS +.母液。用甲醇稀释母液，2.5 min后，734 nm处测得吸光度值约为0.70.05 ，稀释后的溶液为ABTS +.工作液。取3.6 mL工作液加0.4 mL 20 mg/mL甲醇精油溶液，振摇10 s，以充分混合，黑暗处静置2.5 min，在734 nm处测得吸光值 20。 ABTS+.清除率计算如下：ABTS,x4101%ABTS0,ABTSIx式中 为甲醇对照组。ABTS0,1.3.3.3 相对抗氧化活性等级的计算为了更直观地了解分子蒸馏后各馏分抗氧化活性的增益或
17、减损，定义了相对抗氧化活性等级(Ralative Level of Antioxidant, RLA)，以馏分油比原油每增加或减少20% 为一个等级，记为一个 “+”或一个“ ”，以此类推，计算公式如下： 102CofractinIRLA2 结果与分析2.1 不同馏分化学组成及组分流向柚皮精油沸点范围分布在150300之间，与普通的油脂、脂肪酸物料相比，组分多，分子量小，沸点分布窄，因此采用分子蒸馏技术来精炼精油，难度大，需要精准调控操作参数，其中蒸发温度、冷凝温度及系统真空度变化均会引起较大的组分流向的响应。分子蒸馏条件对馏分得率的影响见表1，若真空度和蒸发温度设置过高(实验序号1) ，精油
18、中多数组分的平均自由程远大于蒸馏距离，所有组分均被两级冷凝器俘集，因而完全无重馏分；随着蒸发强度减弱(实验序号24) ，即降低系统真空度(绝对压力升高)或降低蒸发温度，则精油中愈来愈多组分将无法汽化而直接降液成为重馏分。当真空度为110 Pa、蒸发温度为20时(实验 序号57) ，该蒸发强度下重馏分占比约为44%46%，进而设置一级冷凝温度为-10、二级冷凝温度为 -20，则大部分平均自由程大于蒸馏距离的组分部分被一级冷凝器俘集，而少部分平均自由程远大于蒸馏距离(低沸点组分)的组分在一级冷凝面无法及时冷凝，发生 “弹射”而流向二级冷凝器并被俘集。柚皮精油一次蒸馏后各馏分的化学组成分析如图1所示
19、，结合GC-MS分析，这些 “弹射俘集” 的轻馏分得率低于20% ，但组分沸点分布窄(图1D) ，基本不含中间馏分中的组分，分离效果好，第二阶段分子蒸馏实验也是依据此现象进行设计。表1 分子蒸馏条件对馏分得率的影响实验序号一级冷凝温度/二级冷凝温度/真空度/Pa蒸发温度/%HRYMD%LDY1 -10 110 60 0 90.89 8.012 -10 100130 60 27.18 66.78 4.553 -10 3040 50 15.31 80.87 2.604 -5 -20 110 45 20.17 61.42 16.685 常温 110 20 44.48 0 53.706 -20 110
20、 20 43.37 55.40 07 -10 110 20 45.78 34.52 17.96注：Y表示各馏分的得率。5柚皮精油的化学组成及含量见表2，在柚皮精油中共鉴定出33种化学成分，主要成分是香叶醇(156.52 g/L)、D-柠檬烯(66.33 g/L)和-石竹烯(41.05 g/L)，与文献报道相符，但含量略有差异 13, 21, 22，可能与果实的生长环境、生长阶段等因素有关 23, 24。在蒸馏温度为20，真空度为110 Pa的操作条件下进行了一级分子蒸馏，馏分1R H共富集了 17个沸点较高的组分，并且这些组分的含量较原油显著提高，其中香叶醇浓度由原油的152.65 g/L升高
21、到253.90 g/L，浓缩了1.7倍，-石竹烯由原油的41.05 g/L升高至77.06 g/L，浓缩了1.9倍；馏分1D L也显著浓缩了原油中低沸点部分的组分，其中D-柠檬烯被最大程度地富集，浓缩比高达4.9。需要指出的是，实验表明分子蒸馏可将柠檬烯从原油中脱除，并与其它主要成分分离，使得精油有效成分的富集成为可能。6表2 柚皮精油的化学组成及含量沸 化合物名称 绝对含量/(g/L)点 英文 中文 RI Co 1RH 1DM 1DL 2RH 2DM高 germacrene D 大牛儿烯D 1238 8.04 9.67 13.04 0.12 27.16 11.54-cadinene -荜澄茄
22、烯 1314 2.26 5.23 0.96 - 13.85 1.57-bisabolene -红没药烯 1221 0.43 1.79 0.74 - 1.82 0.86-humulene -律草烯 1274 8.30 15.20 8.26 - 47.20 13.59-caryophyllene -石竹烯 1254 41.05 77.06 56.06 0.87 175.88 74.83-transbergamotene -反式佛手柑油烯 1214 9.53 14.16 18.73 0.79 26.24 18.41indole 吲哚 1301 1.20 3.28 0.74 - 6.65 1.14-e
23、lemene -榄香烯 1347 0.43 2.12 - - 2.28 -geraniol 香叶醇 1247 156.52 253.90 241.24 8.40 565.99 286.14neral 橙花醛 1149 1.33 0.66 4.39 0.20 - 2.29geranial 香叶醛 1166 1.43 0.95 4.04 0.04 1.64 2.91nerol 橙花醇 1226 10.00 17.52 18.60 0.75 30.25 19.36-terpineol -萜品醇 1121 7.04 2.82 22.16 1.62 3.83 11.06citronellal 香茅醛 1
24、106 0.33 - 1.39 - - 0.24terpinen-4-ol 4-萜烯醇 1113 0.33 - 1.22 0.04 - 0.29decanal 癸醛 1129 0.83 0.87 - - - -benzyl alcohol 苄醇 1021 3.35 - 14.86 0.71 - 1.91linalool 芳樟醇 1074 0.27 - 1.22 0.20 - -allo-ocimene 别罗勒烯 1137 1.53 0.42 5.08 0.75 0.73 1.96terpinolene 萜品油烯 1087 0.07 - 0.30 - - -terpinene -萜品烯 1058
25、 1.13 - 1.43 7.57 - 0.67(Z)-ocimene (Z)-罗勒烯 1038 0.30 - 0.26 2.56 - -D-limonene D-柠檬烯 1018 66.33 1.99 14.17 324.27 4.10 26.32(E)-ocimene (E)-罗勒烯 1158 0.63 0.37 2.00 0.08 0.73 -terpinene -萜品烯 1015 1.49 - 0.30 7.29 - 0.33-phellandrene -水芹烯 1001 0.27 - - 1.70 - -pseudolimonene 伪柠檬烯 1009 3.25 - 0.70 18.
26、77 - -myrcene -月桂烯 993 0.73 - - 5.01 - -pinene -蒎烯 982 0.27 - - 1.14 - -sabinene 桧烯 963 1.00 - - 3.98 - -低 -pinene -蒎烯 953 2.03 - - 5.64 - -注：-表示未检出。图1A显示了柚子原油中绝对含量大于 0.5 g/L的 26种化学组分，这些组分 沸点分布在430550范围内，经过第一次分子蒸馏，馏分1R H富集了未汽化高沸点组分，基本脱除了低沸点的组分，如图1B 所示；馏分1D L富集效应最佳，图1B显示了GC-MS的总离子流图中各组分峰分布窄，并且通过计算组分的
27、摩尔分率可知，1D L中主要含有9种低沸点组分，沸点范围约在430550之间，结合馏分1D M组分分析( 图1C)，1D M中组分分布较广，即含7有重馏分组分，也含轻馏分组分，表明了馏分1D L是那些平均自由程远大于蒸发距离、在一级冷凝器上未被冷凝而被二级冷凝器俘集的组分。根据抗氧化实验结果，馏分1R H的抗氧化活性显著增强，因此对 1RH进行了第二次分子蒸馏以期进一步富集抗氧化成分。在蒸馏温度为25，真空度为190200 Pa的条件下进行低强度的分子蒸馏，由于1R H中低沸点组分极少，因此馏出物中仅有两个馏分 2RH和2D M，其中2R H中再次富集了香叶醇和 -石竹烯，浓缩比分别为3.7和
28、4.3，同时又进一脱除了部分的D-柠檬烯。0.0.51.01.52.02.53.02040608010ContentsContents, %(w/)Components(bp:highlow) 4204046048050520540560bpbp, K1015202502406801RA RT, min02040608010molar fractionmolar fraction, %Components(bp:highlow) 4204046048050520540560bpbp, K101520250204060RA RT, minA. Crude oil B. 1RH0204060801
29、0molar fractionmolar fraction, %Components(bp:highlow) 4204046048050520540560bpbp, K101520250204060RA RT, min02040608010molar fractionmolar fraction, %4204046048050520540560bpbp, K101520250204060RA RT, minComponents(bp:highlow)C. 1DM D. 1DL注：bp 表示各组分在常压下沸点；RT，RA分别表示GC-MS总离子图中的保留时间和相对丰度。图1 柚皮精油一次蒸馏后各
30、馏分的化学组成分析2.2 不同馏分抗氧化活性分析测定分子蒸馏所得不同馏分对DPPH .和ABTS +.的清除能力，结果表明抗氧化活性强弱顺序为2R8H1RH2DMCo(原油)1D M1DL，不同馏分对DPPH和ABTS自由基的清除能力如图2所示。Choi等 25认为柑橘属精油对DPPH .的清除能力与香叶醇的含量呈正相关，而Wang等 26研究了番石榴(Psidium guajava L.)精油的抗氧化活性，其主要抗氧化成分是-石竹烯。由图可知，馏分1R H较原油(Co)富集了高沸点组分，尤其是两个抗氧化成分香叶醇和-石竹烯，同时脱除了低沸点组分，如D-柠檬烯，因而相应的DPPH .和ABTS
31、 +.的清除能力显著增强，分别较原油提高了60%和46%，而馏分1DM和1D L也因抗氧分成分被脱除而活性下降。值得指出的是 ，精油的生物活性可能是几种化合物的协同作用 27，所以柚皮精油对DPPH .和ABTS +.的清除作用，也可能是以 香叶醇和-石竹烯为主的多种高沸点组分共同作用的结果。0510152025303540DPH 清除能力,%. ABTS+ 2DM2RH1DL1DM1RHCo .ABTS 清除能力,%02468DPHdecccbbbaaaa 注：标注字母为显著性分析 (P0.05) 。图2 不同馏分对DPPH和ABTS自由基的清除能力对抗氧化活性较强的馏分1R H进行了第二次
32、分子蒸馏，对抗氧化成分进行了进一步富集，通过计算各馏分相对抗氧化活性等级，各馏分抗氧化活性富集程度评价见表3，不难发现馏分2R H的抗氧化活性较馏分1R H又上升一个等级，对ABTS +.的清除能力较原油提高了75% 。表3 各馏分抗氧化活性富集程度评价Co 1RH 1DM 1DL 2RH 2DMABTS+./% 20.08 30.33 15.53 12.05 35.07 23.63RLA 0 3 -1 -2 4 1Enrichment Level blank + + + + + + + +2.3 分子蒸馏富集柚皮精油抗氧化成分过程分析为了更直观地显示分子蒸馏用于柚皮精油抗氧化成分富集的效果，
33、分子蒸馏富集柚皮精油抗氧化成分过程分析如图3所示。图3汇总了两次分子蒸馏过程中所有馏分的主要抗氧化成分、D-柠檬烯的含量以及对ABTS +.的清除能力，两种抗氧化成分香叶醇和-石竹烯的平均自由程分别0.019 cm和0.073 cm，均小于有效蒸发距离8.6 cm，因而未汽化部分直接沉降于馏分1R H中，而汽化部分冷凝至馏分1D M，极少出现在馏分1D L中，而宏量成分D-柠檬烯的平均自由程为 9.1 cm，大于有效蒸发距离，只要将一级冷凝器温度控制在较高水平，大部分D-柠檬烯则被冷凝至馏分1D L，显然脱除宏量成分 D-9柠檬烯有利于活性成分的富集。对1R H的二次分子蒸馏的富集效果更加明显
34、， 两种抗氧化成分香叶醇和-石竹烯的含量提高了1倍以上，活性也得到了显著提升，再次表明经多次分子蒸馏可以从植物精油中富集浓缩目标活性成分，实际上为植物精油的精制提供了一种非常有效的方法。重馏分2R H (43 mL)香叶醇 ：565.99 g/L-石竹烯 ：175.88 g/LD-柠檬烯：4.10 g/L清除 ABTS+.： + + + +中间馏分2D M (46 mL)香叶醇 ：286.14 g/L-石竹烯 ：74.83 g/LD-柠檬烯：26.32 g/L清除 ABTS+.： +重馏分1R H (92 mL)香叶醇 ：253.90 g/L-石竹烯 ：77.06 g/LD-柠檬烯：1.99
35、g/L清除 ABTS+.： + + +中间馏分1D M (70 mL)香叶醇 ：241.24 g/L-石竹烯 ：56.06 g/LD-柠檬烯：14.17 g/L清除 ABTS+.： 轻馏分1D L (35 mL)香叶醇 ：8.40 g/L-石竹烯 ：0.87 g/LD-柠檬烯：324.27 g/L清除 ABTS+.： 柚皮精油Co (200 mL)香叶醇 ：156.52 g/L-石竹烯 ：41.05 g/LD-柠檬烯：66.33 g/L清除 ABTS+.：基准一次分子蒸馏二次分子蒸馏图3 分子蒸馏富集柚皮精油抗氧化成分过程分析3 结论植物精油种类繁多，用途广泛，具有极高商业开发价值，但精油原料
36、的稳定性、生产的标准化等因素严重制约了其应用，我国在精油深加工及高附加值产品研发上还需加大力度。本研究以柚皮精油为实验材料，探索了结合GC-MS及活性分析的分子蒸馏技术用于精油抗氧化成分的分离富集，结果表明在分子蒸馏过程中如果能实时地监测主要活性成分的流向及活性的变化，并且在了解目标及杂质组分物性参数的前提下，设计多次特定分子蒸馏可以将精油中的有效成分进行有目的地富集。这种精准的分子蒸馏技术，虽无法取代昂贵的制备型气相色谱技术作为纯化方法，但因其低温、真空的操作条件及良好富集效率，有望成为植物精油精制的一种方法，拓展了分子蒸馏的用途，具有一定的商业化应用前景。参考文献1SALIU F, LON
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