微波無(wú)溶劑萃取法提取野菊花精油工藝及成分分析

滕 云，楊 麗

（信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院園藝學(xué)院，河南信陽(yáng) 464000）

野菊（Chrysanthemum indicumLinn.）為菊科菊屬多年生草本植物，葉、花及全草入藥。廣布東北、華北、華中、華南及西南各地[1]。主要化學(xué)成分包括萜類(lèi)和揮發(fā)油、黃酮類(lèi)化合物、酚酸類(lèi)化合物等[2]。野菊花精油是從野菊的頭狀花序里提取的揮發(fā)油成分。研究表明，野菊花精油具有較強(qiáng)的抗炎鎮(zhèn)痛效果[3?4]，對(duì)金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、鮑曼不動(dòng)桿菌、大腸埃希菌、綠膿假單胞菌、福氏志賀菌及肺炎鏈球菌、流感桿菌等有抑制作用[5?6]，對(duì)油菜菌核病菌、蘋(píng)果炭疽病菌、煙草赤星病菌、核桃果炭疽病菌、小麥紋枯病菌、番茄葉霉病菌、玉米大斑病菌、煙草疫霉等植物病原菌均有抑制作用[7?9]，還具有降血壓[10]、抗腫瘤[11?13]、抗氧化[14?15]、防輻射等作用[16]。野菊花精油可用于卷煙加香[17]，漱口水、防蚊水的制作[18?19]，還可用于牙膏、雪花膏、花露水、洗潔精、沐浴露、洗發(fā)精等日用品[20]，也可作為食品添加劑，應(yīng)用于飲料、糖果、冷飲等行業(yè)[21]。

目前，野菊花精油的提取方法主要有索式提取、水蒸氣蒸餾（Hydrodistillation，HD）、溶劑萃取、CO2超臨界萃取、超聲輔助萃取及微波輔助蒸餾等（Microwave-assisted hydrodistillation，MAHD）[22?24]，但用微波無(wú)溶劑萃取法（Solvent-free microwave extraction，SFME）提取野菊花鮮花精油目前尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。SFME將微波加熱和干餾相結(jié)合，利用植物體含有的水分吸收微波并加熱提取植物體內(nèi)揮發(fā)性成分，提取鮮花精油不需添加任何溶劑，提取干花精油僅需較少水分[25]。SFME提取白千層精油比MAHD法能耗低[26]，提取羅勒精油、樟葉精油、檸檬草精油比HD法時(shí)間短、收益率高等[27?29]。此外，SFME提取精油比溶劑萃取更安全，比CO2超臨界萃取更經(jīng)濟(jì)，作為一種綠色提取方法，目前廣泛應(yīng)用于香料、醫(yī)藥等行業(yè)和芳香療法。本文對(duì)SFME法提取野菊花鮮花精油和干花精油進(jìn)行了研究，以期為野菊花的開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

野菊花初開(kāi)花序 2020年11月初采自河南信陽(yáng)商城縣金剛臺(tái)鎮(zhèn)，信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院植物學(xué)教研組鑒定為菊科植物野菊的新鮮頭狀花序。

Agilent 7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀美國(guó)安捷倫公司；微波無(wú)溶劑精油提取裝置 定制（見(jiàn)圖1）；RS-FS1612中藥粉碎機(jī) 合肥榮事達(dá)小家電有限公司；JA5003電子分析天平 上海圣科儀器設(shè)備有限公司；FA2104S電子分析天平 上海恒平科學(xué)儀器有限公司；HH-6恒溫水浴鍋 上海力辰儀器科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 SFME提取野菊花鮮花精油

1.2.1.1 單因素實(shí)驗(yàn) 每次稱(chēng)取300 g野菊花鮮花（含水率80.40%），用圖1的裝置，采用SFME法提取精油，精密稱(chēng)重，并采用下列公式計(jì)算精油得率，后續(xù)試驗(yàn)中計(jì)算精油得率均采用此公式。

圖 1 微波無(wú)溶劑萃取裝置Fig.1 Solvent-free microwave extraction device

固定提取時(shí)間60 min，考察不同微波功率（360、450、540、630、720 W）對(duì)鮮花精油得率的影響；固定微波功率540 W，考察不同提取時(shí)間（30、40、50、60、70 min）對(duì)鮮花精油得率的影響。

1.2.1.2 正交試驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)，考察不同微波功率和提取時(shí)間組合對(duì)野菊花鮮花精油得率的影響。因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表 1 鮮花精油提取因素水平設(shè)計(jì)Table 1 Factors and levels of essential oil extraction from fresh flowers

1.2.2 SFME提取野菊花干花精油

1.2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn) 用1.2.1項(xiàng)下同批采集的野菊花，按照當(dāng)?shù)爻Ｓ眉庸し椒?，先大火殺青?80~200 ℃鐵鍋翻炒6 min），然后曬干，密封。置于常溫下保存2個(gè)月用于試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將干花（含水率8.94%）粉碎過(guò)40目篩，每次稱(chēng)取100 g野菊花干花粉末，蒸餾水浸泡，1.2.1.1項(xiàng)同樣方法提取收集精油，稱(chēng)重并計(jì)算精油得率。

固定浸泡時(shí)間2 h、微波功率540 W、提取時(shí)間60 min，考察不同的料液比（g/mL）（1:3、1:4、1:5、1:6、1:7 g/mL）對(duì)干花精油得率的影響；固定料液比1:5 g/mL、微波功率540 W、提取時(shí)間60 min，考察不同的浸泡時(shí)間（0.5、1、2、3、4、5、6 h）對(duì)干花精油得率的影響；固定料液比1:5 g/mL、浸泡時(shí)間2 h、提取時(shí)間60 min，考察不同的微波功率（360、450、540、630、720 W）對(duì)干花精油得率的影響；固定料液比1:5 g/mL、浸泡時(shí)間2 h、微波功率540 W，考察不同的提取時(shí)間（30、40、50、60、70 min）對(duì)干花精油得率的影響。

1.2.2.2 正交試驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用L9（34）正交表考察各因素對(duì)野菊花干花精油得率的影響。因素水平見(jiàn)表2。

表 2 干花精油提取正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)Table 2 Factors and levels of orthogonal test for extraction of essential oil from dried flowers

1.2.3 野菊花精油的GC-MS分析

1.2.3.1 GC條件 色譜柱：HP-5MS（60 m×250 μm×0.25 μm）；程序升溫條件：初始50 ℃，保持0 min；以5 ℃/min升溫到100 ℃保持5 min；以4 ℃/min升溫到140 ℃保持10 min；以4 ℃/min升溫到180 ℃保持10 min；5 ℃/min升溫到250 ℃保持5 min；5 ℃/min升溫到300 ℃保持20 min；進(jìn)樣口溫度250 ℃；氣質(zhì)接口溫度250 ℃；載氣為99.999%的高純氦氣，流速1.5 mL/min；進(jìn)樣量0.5 μL；分流比50:1。

1.2.3.2 MS條件 質(zhì)譜條件：電子轟擊離子源；電子能量70 eV；離子源溫度230 ℃，四級(jí)桿溫度150 ℃，掃描方式為全掃描，掃描范圍35~550 amu。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2019計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差并作圖，SPSS 18.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯著性差異分析。

采用NIST17標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)和自建譜庫(kù)，結(jié)合保留指數(shù)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定精油化學(xué)成分。用峰面積歸一法確定各化學(xué)成分相對(duì)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 野菊花鮮花精油提取條件的優(yōu)化

2.1.1 提取時(shí)間對(duì)野菊花鮮花精油得率的影響 由圖2可以看出，在提取時(shí)間30~50 min之間，野菊花鮮花精油得率隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；提取時(shí)間在50 min時(shí)，精油得率最高，說(shuō)明540 W條件下提取50 min，鮮花中的精油隨著水分蒸發(fā)已經(jīng)基本提取完全；繼續(xù)延長(zhǎng)提取時(shí)間，不能提高精油得率；當(dāng)提取時(shí)間70 min時(shí)，物料糊化，精油中出現(xiàn)少量黑褐色焦油，精油質(zhì)量降低。從精油得率和質(zhì)量?jī)煞矫婵紤]，選取提取時(shí)間40、50、60 min進(jìn)一步試驗(yàn)。

圖 2 提取時(shí)間對(duì)鮮花精油得率的影響Fig.2 Effect of extraction time on the yield of essential oil from fresh flowers

2.1.2 微波功率對(duì)野菊花鮮花精油得率的影響 由圖3可以看出，在微波功率360~540 W之間，野菊花鮮花的精油得率隨著微波功率的增加而增加；微波功率540 W時(shí)，精油得率最高；微波功率630 W時(shí)，物料有輕微糊味，精油得率降低；微波功率720 W時(shí)，物料糊化嚴(yán)重，精油中出現(xiàn)黑褐色黏稠的焦油，精油顏色渾濁，味道變差。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取微波功率450、540、630 W進(jìn)一步試驗(yàn)。

圖 3 微波功率對(duì)鮮花精油得率的影響Fig.3 Effect of microwave power on yield of essential oil from fresh flowers

2.1.3 正交試驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，得率取平均值，結(jié)果見(jiàn)表3，方差分析見(jiàn)表4。

表 3 鮮花精油提取試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of essential oil extraction from fresh flowers

表 4 方差分析表Table 4 Variance analysis table

從表3、表4的F值可知，B>A，即微波功率對(duì)鮮花精油得率的影響大于提取時(shí)間。根據(jù)結(jié)果分析，野菊花鮮花精油的最佳提取工藝為A2B2，即提取時(shí)間50 min，微波功率540 W。在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，精油得率為鮮重的0.1129%±0.0045%。

2.2 野菊花干花精油提取條件的優(yōu)化

2.2.1 料液比對(duì)野菊花干花精油得率的影響 從圖4可以看出，在料液比1:3~1:5 g/mL，精油隨浸泡水分的增加而增加；料液比1:5 g/mL時(shí)，精油得率最高；當(dāng)繼續(xù)增加料液比，由于過(guò)多的水分導(dǎo)致物料不能被完全蒸發(fā)提取[25]，精油得率反而下降。根據(jù)結(jié)果選取1:4、1:5、1:6 g/mL進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖 4 料液比對(duì)干花精油得率的影響Fig.4 Effect of material-liquid ratio on yield of essential oil from dried flowers

2.2.2 浸泡時(shí)間對(duì)野菊花干花精油得率的影響 由圖5可以看出，在浸泡時(shí)間0~2 h之間，精油得率隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng)而增加；浸泡時(shí)間2~4 h，精油得率較高；浸泡時(shí)間超過(guò)4 h，精油得率緩慢下降。這是因?yàn)橐熬栈ǚ勰┙?jīng)過(guò)浸泡后，細(xì)胞組織間隙變大，內(nèi)外液流動(dòng)加速，有利于精油的提取[30]，得率提高，當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)2 h以上，流動(dòng)交換趨于穩(wěn)定，得率不再提高。而浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致部分精油成分揮發(fā)，得率反而下降。根據(jù)結(jié)果選取2、3、4 h進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖 5 浸泡時(shí)間對(duì)干花精油得率的影響Fig.5 Effect of soaking time on yield of essential oil from dried flowers

2.2.3 提取時(shí)間對(duì)野菊花干花精油得率的影響 由圖6可以看出，在提取時(shí)間30~50 min，精油得率隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；當(dāng)提取50~60 min，精油得率較高；提取時(shí)間70 min時(shí)，物料輕微糊化，精油得率略下降，精油質(zhì)量降低。從精油得率和質(zhì)量?jī)煞矫婵紤]，選取提取時(shí)間40、50、60 min進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.2.4 微波功率對(duì)野菊花干花精油得率的影響 由圖7可以看出，在微波功率360~540 W，精油得率隨微波功率的增加而增加；超過(guò)540 W后，精油得率沒(méi)有明顯增加；當(dāng)達(dá)到720 W，物料糊化，精油味道變差。根據(jù)結(jié)果，選取450、540、630 W進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖 6 提取時(shí)間對(duì)干花精油得率的影響Fig.6 Effect of extraction time on yield of essential oil from dried flowers

圖 7 微波功率對(duì)干花精油得率的影響Fig.7 Effect of microwave power on the yield of essential oil from dried flowers

2.2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)溶劑微波提取法提取野菊花干花精油的進(jìn)行正交試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。試驗(yàn)結(jié)果與分析見(jiàn)表5。

由表5可知，在4個(gè)因素中，C>A>D>B，即提取時(shí)間影響最大，其次是料液比和微波功率，浸泡時(shí)間影響最小。根據(jù)結(jié)果，SFME提取野菊花干花精油的最佳工藝條件是A2B2C3D2，即料液比1:5 g/mL，浸泡時(shí)間3 h，提取時(shí)間60 min，微波功率540 W。采用此條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)3次，精油得率為干重的0.1926%±0.0063%，高于正交表中各組試驗(yàn)結(jié)果。

因浸泡時(shí)間對(duì)野菊花干花精油得率影響最小，將B浸泡時(shí)間作為誤差項(xiàng)[28]，對(duì)其他3個(gè)因素進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，提取時(shí)間、料液比和微波功率對(duì)精油得率的影響具有顯著性（P<0.05）。

表 5 干花精油正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of orthogonal test for essential oil of dried flower

表 6 方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis table

對(duì)比SFME法提取野菊花鮮花和干花精油：鮮花含水率80.4%，精油平均得率為鮮花重的0.1129%，相當(dāng)于野菊花干物質(zhì)的0.5760%，干花含水率8.94%，精油平均得率為干花重的0.1926%，相當(dāng)于野菊花干物質(zhì)的0.2115%。說(shuō)明野菊花鮮花精油的得率遠(yuǎn)高于干花。

對(duì)比相關(guān)研究，胡小莉[31]采用水蒸氣蒸餾法提取河南信陽(yáng)市郊低溫干燥的野菊花精油，得率為0.1863%~0.2051%，本試驗(yàn)野菊花鮮花精油的得率（0.5760%）遠(yuǎn)高于上述得率，干花精油得率（0.2115%）略高，且提取時(shí)間大大縮短，說(shuō)明采用SFME法提取野菊花精油是一種相對(duì)高效、節(jié)能的提取方法。

2.3 野菊花精油的成分分析

用最佳提取條件提取的野菊花鮮花和干花精油采用GC-MS分析成分。野菊花精油各分離組分通過(guò)NIST17標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)和自建數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)合自動(dòng)檢索，結(jié)合保留指數(shù)，確定各化合物名稱(chēng)。分析結(jié)果顯示，SFME法提取野菊花精油的化學(xué)成分較為復(fù)雜，鮮花精油中共鑒定出126種化學(xué)成分，干花精油中共鑒定出137種化學(xué)成分，這些成分大多含量較少。含量較高的化學(xué)成分與已有的文獻(xiàn)中野菊花精油成分及含量也有所不同，這種差異性與材料的不同產(chǎn)地，不同采摘時(shí)間有關(guān)，也與精油提取方法不同有關(guān)[22,24,31~33]。

兩種精油中主要化合物成分（相對(duì)百分含量在0.5%以上），見(jiàn)表7。

由表7可知，SFME萃取的野菊花鮮花和干花精油相對(duì)含量在0.5%以上的化合物共52種，其中共有成分31種，但含量各不相同。鮮花精油的主要化學(xué)成分是單萜和單萜類(lèi)含氧化合物，干花精油的主要化學(xué)成分是單萜類(lèi)含氧化合物和倍半萜。鮮花精油中相對(duì)含量較多的化合物是乙酸檜酯（13.20%）、甲位側(cè)柏酮（11.10%）、檜醇（9.70%）、菊醇（5.06%），其次為甲位水芹烯（3.87%）、蓽澄茄油烯（3.78%）、桉葉油素（3.61%）、崖柏醇（3.37%）、2-側(cè)柏烯（3.36%）。干花精油中相對(duì)含量較多的化合物是菊醇、反式石竹烯、大根香葉烯、Α-合金歡烯、甲位側(cè)柏酮、乙酸檜酯、乙酸菊醇酯、右旋樟腦。

表 7 野菊花精油的主要化學(xué)組分Table 7 The main chemical constituents of essential oil from chrysanthemum indicum

續(xù)表 7

野菊花鮮花精油中的單萜類(lèi)化合物高于干花精油，而倍半萜類(lèi)化合物低于干花精油，這主要是因?yàn)殡S著分子量和雙鍵的增加，揮發(fā)性降低，在加工和和貯藏過(guò)程中，單萜類(lèi)比倍半萜類(lèi)更易揮發(fā)。鮮花精油的含氧化合物含量高于干花精油，而含氧化合物多是生物活性較強(qiáng)或具有芳香氣味的主要組成成分，因此在醫(yī)藥衛(wèi)生、香精香料、日用化學(xué)品、食品等領(lǐng)域更具有應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)利用定制的精油提取裝置提取野菊花精油，鮮花精油的顏色為澄清的藍(lán)綠色油狀液體，干花精油為澄清的淡藍(lán)色油狀液體，均具有有強(qiáng)烈的野菊花香味。鮮花的最佳提取條件是微波功率540 W，提取時(shí)間50 min，300 g野菊花鮮花在該條件下提取的精油氣味純正，精油得率為鮮重的0.1129%±0.0045%。干花的最佳提取條件是料液比1:5 g/mL，浸泡時(shí)間3 h，微波功率540 W，萃取時(shí)間60 min，100 g干花在該條件下提取的精油得率為干重的0.1926%±0.0063%。前期預(yù)試驗(yàn)表明，試驗(yàn)材料量的多少及含水率對(duì)提取條件的優(yōu)化有一定的影響，提示SFME法提取野菊花精油應(yīng)用于實(shí)際規(guī)?；a(chǎn)，當(dāng)物料量較大或含水率不同時(shí)，最佳工藝條件可能會(huì)有一定的變化。

野菊花鮮花的精油的含量比干花更高，且主要成分中單萜含氧化合物相對(duì)含量遠(yuǎn)高于干花精油，更具有應(yīng)用價(jià)值，但新鮮材料不易貯藏，因此在野菊花鮮花在加工干制及貯藏過(guò)程中，如何盡量保留原有的精油成分，還需進(jìn)一步研究。