頂空-氣相色譜-質譜法分析牡丹鮮花精油中的揮發性成分

于 薈，馬文平，劉延平，李建新，劉俊民

（1.菏澤市產品檢驗檢測研究院，山東 菏澤 274000；2.菏澤堯舜牡丹生物科技有限公司，山東 菏澤 274000）

頂空-氣相色譜-質譜法分析牡丹鮮花精油中的揮發性成分

于 薈1，馬文平1，劉延平1，李建新1，劉俊民2

（1.菏澤市產品檢驗檢測研究院，山東 菏澤 274000；2.菏澤堯舜牡丹生物科技有限公司，山東 菏澤 274000）

選用TG-5MS毛細管柱作為色譜分離柱，并采用頂空-氣相色譜-質譜法分析由超臨界CO2流體萃取、亞臨界流體萃取、水蒸氣蒸餾、有機溶劑萃取4 種方法制得的6 種鳳丹牡丹精油中的揮發性成分，共鑒定出32 種揮發物，包括芳香烴類、醇類、酯類、烷烴類、醚類、酮類、醛類7 類物質，不同精油揮發物組成及相對含量均有明顯差異，共有成分為1，3，5-三甲氧基苯、γ-壬內酯和十六烷，且1，3，5-三甲氧基苯在6 種牡丹精油中的相對含量均最高。超臨界CO2流體萃取的牡丹精油花香濃郁，得率最高，適宜制備牡丹精油；水蒸氣蒸餾提取的牡丹精油得率最低，但其天然香味物質最豐富，適宜制備牡丹花水。

油用牡丹；牡丹鮮花精油；頂空-氣相色譜-質譜法；揮發性成分

牡丹是我國的特色花卉，花大、色艷極具觀賞性，且牡丹根皮（俗稱丹皮）具有清熱涼血、活血化淤、退虛熱的功效，因此在我國民間，牡丹一直被用作觀賞花卉和藥用植物。近些年，專家從1 500多個牡丹品種中篩選出鳳丹與紫斑2 種單瓣牡丹原種，用作木本油料作物，并在山東菏澤、安徽等地廣泛種植［1-2］。油用牡丹籽油營養豐富，不飽和脂肪酸含量高達90%，其中α-亞麻酸占40%以上，多項指標都超過了橄欖油，2011年被國家衛生部批準為新資源食品［3-6］。油用牡丹目前絕大多數為鳳丹牡丹，其大規模種植伴隨產生大量牡丹副產物—鳳丹牡丹鮮花，如不能加以利用將造成資源大量浪費。

牡丹鮮花香味濃郁，且具有較高開發利用價值，李瑩瑩［7-8］、劉建華［9］、程明［10］、Kumar［11］等分別采用水蒸氣蒸餾-氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯用、固相微萃取-GC-MS（solid phase microextraction-GC-MS，SPME-GC-MS）、頂空-GC-MS（headspace-GC-MS，HS-GC-MS）聯用等技術鑒定分析觀賞及藥用牡丹鮮花瓣揮發性成分，發現牡丹花瓣中含有豐富的天然香味物質，包括醇類、萜烯類、芳香烴類、烷烴類等多種化合物，可用作食品、化工中的天然香料；牡丹鮮花具有可食性，加入牡丹鮮花瓣制作生產的牡丹糕、牡丹茶香甜可口、營養豐富；此外研究者還發現牡丹鮮花提取物具有抗氧化性并對羥自由基引起的DNA損傷具有保護作用［12-14］。鳳丹牡丹為白色或淺粉色單瓣牡丹［15-16］，現多為油用，相對于觀賞與藥用牡丹，其花瓣的采摘并不影響其主要產籽功用，而且種植面積大并不斷擴增［1］，經HS-SPME-GC-MS法分析發現［15-18］，鳳丹花瓣中含有羅勒烯、香茅醇、壬醛、1，3，5-三甲氧基苯、十五烷等多種揮發性成分，可用于制備天然香料，但目前尚未見相關文獻報道，本實驗采用水蒸氣蒸餾、超臨界CO2流體萃取、亞臨界流體萃取、有機溶劑提取4 種方法制得6 種鳳丹牡丹鮮花精油，并采用HSGC-MS法鑒定分析不同鳳丹牡丹精油制品揮發物成分組成，旨在為牡丹鮮花的深加工、牡丹鮮花精油國家標準的制定提供科學依據，鳳丹牡丹鮮花的深加工，有利于拉長油用牡丹產業鏈條、提高資源利用率。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

鳳丹牡丹鮮花：2014年采摘于山東省菏澤市牡丹園；甲醇、乙醇、正己烷（均為色譜純） 美國Fisher公司。

Trace ISQ GC-MS聯用儀（配有電子電離源、Xcalibur數據處理系統及Trice plus RSH頂空自動進樣器）美國熱電公司；TH32-500LX3超臨界CO2流體萃取設備溫州市成東藥機有限公司；NCF-6短程分子蒸餾設備西安紐塞特設備有限公司。

1.2方法

1.2.1HS條件

樣品振蕩溫度50 ℃；振蕩時間20 min；進樣量1 000 μL。

1.2.2GC條件

色譜柱：TG-5MS石英毛細柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；升溫程序：40 ℃保持1 min，以5 ℃/min升至260 ℃，保持10 min；載氣：高純氦氣；分流比10∶1。

1.2.3MS條件

傳輸線溫度200 ℃；電子電離源；電離電壓70 eV；離子源溫度250 ℃；質量掃描范圍35～450 u。

1.2.4牡丹精油的制備

1.2.4.1超臨界CO2流體萃取

將牡丹花瓣裝超臨界流體萃取設備萃取釜中，萃取溫度45 ℃，萃取壓力28 MPa，萃取時間3 h，CO2流量30 kg/h，分離釜一壓力9 MPa，溫度50℃，分離釜二壓力6 MPa，溫度30 ℃，從分離釜一中獲得牡丹鮮花精油浸膏。牡丹鮮花精油浸膏經除水后置于分子蒸餾設備中精制，溫度120 ℃，真空度不大于10 Pa，收集得到1號牡丹精油。

1.2.4.2亞臨界流體萃取

將牡丹花瓣放入萃取罐，選擇丁烷作為亞臨界萃取劑，萃取壓力1.0 MPa，萃取溫度45 ℃，萃取時間4 h，隨后，溶劑攜帶萃取出的精油組分進入蒸發罐，經溶劑蒸發、7～8 次循環浸提、收料等過程得到2號牡丹精油。

1.2.4.3水蒸氣蒸餾提取

將牡丹花瓣置于水面以上，料液比為1∶2.5（g/mL），裝料體積為萃取罐容積的一半，初始餾出液溫度控制在25～30 ℃，30 min后，餾出液溫度為45～50 ℃，共蒸餾2.5 h。冷凝收集得到的冷卻液，經石油醚萃取，即得到的石油醚液，減壓回收石油醚得到3號牡丹精油。

1.2.4.4有機溶劑提取

使用乙酸乙酯、正己烷、石油醚3 種有機溶劑連續回流提取牡丹花瓣油脂成分，料液比為1∶3（g/mL），提取液經減壓蒸餾除去溶劑，得精油浸膏，然后用乙醇去除浸膏中的蠟質及高沸點油脂等，回收溶劑后分別得到4、5、6號3 種牡丹精油。

1.2.5成分測定方法

取6 種牡丹鮮花精油各800 μL置于25 mL頂空進樣瓶中，密封后放入自動頂空進樣器振蕩提取。經GC分離、檢測得GC-MS總離子流圖，將圖中各色譜峰的MS圖與NIST 2011譜庫標準譜圖比對，選擇擬合度大于80%的峰，參考相關文獻確定精油揮發性組分；采用面積歸一法確定各成分相對含量，并對6 種方法制取的牡丹精油揮發性成分差異進行比較。

2　結果與分析

2.1牡丹精油得率及感官評定

1～6號牡丹精油的得率（相對于牡丹鮮花）及感官評價結果見表1。牡丹花瓣的含油量極低，超臨界CO2流體萃取牡丹精油得油率最高，工業得油率可達0.60‰，低于相類似方法條件下玫瑰精油的得率1.0‰［19］；水蒸氣蒸餾法制取牡丹精油的得率最低，工業得油率僅為0.1‰，相類似方法條件下玫瑰精油的得率可達0.27‰～0.46‰［20-21］，這可能是由于鳳丹為單瓣牡丹，雖具牡丹特殊香氣但香味較玫瑰淡。3號牡丹精油為無色且香味濃郁；其他5 種精油均有顏色，香味較淡，5 種精油之間香味、顏色均有明顯差別。

表1　6 種牡丹精油得率及感官評價Table 1 Yields and sensory evaluation of six peony essential oils

2.2牡丹精油GC-MS總離子流圖

TG-5MS毛細管柱屬于弱極性柱，揮發物按照沸點增高的順序出峰，其效果與DB-5、HP-5MS、Ultra-2類似，6 種牡丹精油經TG-5MS毛細管柱分離，MS檢測得到總離子流圖如圖1、2所示。6 種牡丹精油組分得到很好的分離，不同精油揮發物組成存在一定的差異，經有機溶劑提取的3 種牡丹精油組分少于1～3號牡丹精油，且峰面積較低；與超臨界相比，亞臨界流體萃取的牡丹精油組分較少，峰面積較低；經水蒸氣蒸餾提取的牡丹精油分離得到的組分最多。

圖1　超臨界CO2萃取（A）、亞臨界流體萃取（B）、水蒸氣蒸餾（C）提取牡丹精油的總離子流圖Fig.1 TIC of peony essential oils extracted by supercritical CO2extraction （A）， subcritical fl uid extraction （B） and steam distillation extraction （C）

圖2　有機溶劑提取牡丹精油的總離子流圖Fig.2 TIC of peony essential oil extracted with three different organic solvents

2.3牡丹精油揮發性成分組成

表2顯示了6 種牡丹精油的揮發性成分組成及相對含量。6 種精油經HS-GC-MS檢測分析，共鑒定出32 種揮發性物質，包括芳香烴類、醇類、酯類、烷烴類、醚類、酮類、醛類共7 類物質，不同精油揮發物組成及同一組分在不同精油中的相對含量均有所差異。

1號精油分離出1 8種成分，包括芳香烴類（53.15%）、烷烴類（22.66%）、醇類（19.09%）、醛類（6.62%）、酯類（1.52%）和醚類（0.88%），主體呈香物質為1，3，5-三甲氧基苯、辛烷、天然壬醛、芳樟醇及其氧化物、α-萜品醇和十六烷；2號精油15 種成分，包括芳香烴類（63.66%）、醇類（18.97%）、烷烴類（9.22%）、酯類（4.96%）和醛類（3.19%），主體成香物質為1，3，5-三甲氧基苯、芳樟醇及其氧化物、十六烷、α-萜品醇、γ-壬內酯和桉樹醇；3號精油22 種成分，揮發性物質種類最多，包括醇類（48.09%）、芳香烴類（44.86%）、醛類（4.39%）、酮類（1.41%）、醚類（0.48%）、烷烴類（0.21%）和酯類（0.14%），主體成香物質為1，3，5三甲氧基苯、芳樟醇及其氧化物、α-萜品醇、3-苯丙醇、橙花醇和肉桂醛；4號精油分離出11 種組分，包括芳香烴類（54.12%）、酯類（28.27%）、烷烴類（13.26%）、醇類（4.35%）；5號精油分離出13 種組分，包括芳香烴類（60.95%）、酯類（21.53%）、醇類（10.48%）、烷烴類（7.04%）；6號精油僅分離出7 種組分，包括芳香烴類（61.01%）、酯類（23.77%）、烷烴類（15.22%）。經有機溶劑萃取得到的3 種精油主體成香物質相似，主要為1，3，5-三甲氧基苯、肉豆蔻酸異丙酯、十六烷、鄰苯二甲酸二甲氧基乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯，經4、5號牡丹精油中均鑒定出α-萜品醇，6號牡丹精油中未檢出。

表2　6 種牡丹精油揮發性成分HS-GC-MS分析Table 2 Volatile components of peony essential oils analyzed by HS-GC-MSGC-MS

李瑩瑩［7］、Li Shanshan［17］、周海梅［18］、張靜［22］等均采用SPME-GC-MS聯用法分析了不同品種牡丹鮮花中的揮發性成分，所檢出牡丹鮮花揮發性成分較牡丹精油數量多，種類有顯著差異，如從牡丹鮮花瓣中檢出大量牡丹精油中不含的萜烯類化合物，這主要是因為工業化生產牡丹精油程序復雜，在加熱提取、溶劑濃縮過程中損失部分揮發性成分。與其他3 種方法相比，采用有機溶劑加熱萃取的精油，各組分信號值均較低，且多為高沸點的酯類化合物和烷烴類，幾乎不含低沸點的小分子揮發物，說明有機溶劑萃取對牡丹精油組分破壞最大。水蒸氣蒸餾提取和超臨界CO2流體萃取方法制得的牡丹精油成香物質種類最多，能最大程度保留牡丹花香，1號精油較3號精油低沸點揮發物少，這可能是因為超臨界CO2流體萃取得到的浸膏在分子蒸餾精致過程中損失部分低沸點呈香物質；3號精油品質最好但得率最低，進一步改變其制備工藝，采用干燥后蒸餾、過熱水蒸氣蒸餾［23］等其他蒸餾方法對其得率可能會有影響。6 種牡丹精油的共有成分為1，3，5-三甲氧基苯、γ-壬內酯和十六烷，且1，3，5-三甲氧基苯在6 種牡丹精油中的相對含量均最高，是鳳丹牡丹精油呈現酚香氣味的主要來源物質［17］。

與玫瑰精油相反［24-25］，超臨界牡丹精油含有大量以C20～C30為主的蠟質成分，且呈香物質含量較低，感官表現為牡丹精油香味較玫瑰精油淡，采用GC-MS方法得到的牡丹精油總離子流圖譜復雜，這為低沸點揮發性成分的鑒定增加難度。

3　結 論

鳳丹牡丹精油成分復雜，呈香物質相對含量低，且含有大量的蠟質成分，與GC-MS相比，HS-GC-MS方法在分析牡丹精油揮發物方面具有較強優勢，且弱極性柱TG-5MS適用于牡丹精油揮發性成分的分離。

采用水蒸氣蒸餾提取的牡丹精油得率較低為0.1‰，且水蒸氣蒸餾得到餾出液（牡丹花水）后需要使用有機溶劑進一步萃取精油，這不僅不適用于工業大規模生產牡丹精油，而且存在溶劑殘留。但該方法得到的牡丹精油揮發物種類最多，精油品質最好，其主體成香物質為1，3，5-三甲氧基苯、芳樟醇及其氧化物、α-萜品醇、3-苯丙醇、橙花醇和肉桂醛，因此，如何改進常規水蒸氣蒸餾工藝以提高牡丹精油得率成為今后的研究重點。此外，水蒸氣蒸餾法適宜制備具有特征牡丹花香的牡丹花水，以對牡丹進行深加工利用。

采用超臨界CO2流體萃取的到的牡丹精油，得率最高為0.6‰，且揮發性物質種類較多，主體呈香物質為1，3，5-三甲氧基苯、辛烷、天然壬醛、芳樟醇及其氧化物、α-萜品醇和十六烷，適用于工業化生產，但采用超臨界方法制得的牡丹鮮花精油常溫為半固態，影響使用性，需進一步摸索產品工藝。

2015年國務院辦公廳發布《關于加快木本油料產業發展的意見》，指出要大力發展油用牡丹等木本油料作物，同年山東省政府發布《山東省牡丹產業發展規劃（2015—2020年）》，提出到2020年，全省油用牡丹種植面積達到370萬 hm2。伴隨油用牡丹的大規模種植和發展，屆時將產生大量的牡丹鮮花副產物，鳳丹牡丹作為油用牡丹的主要品種，含有豐富的天然香味物質，但尚未被深加工利用，本實驗通過比較6 種牡丹精油得率及香氣成分，認為水蒸氣蒸餾法和超臨界CO2流體萃取法適宜制備鳳丹牡丹花水與牡丹精油；蒸餾法制備的鳳丹精油品質雖好，但得率極低，不適用大規模生產，其工藝尚需進一步改進。鳳丹精油成分分析方法的選擇及組分的鑒定為進一步制備相應國家標準提供參考依據。

［1］ 山東省人民政府. 山東省牡丹產業發展規劃（2015—2020年）［R］. 濟南： 山東省人民政府， 2015.

［2］ 張衷華， 唐中華， 楊逢建， 等. 兩種主要油用牡丹光合特性及其微環境影響因子分析［J］. 植物研究， 2014， 34（6）： 770-775.

［3］ 陳慧玲， 楊彥伶， 張新葉， 等. 油用牡丹研究進展［J］. 湖北林業科技，2013， 42（5）： 41-44.

［4］ 韓雪源， 張延龍， 牛立新， 等. 不同產地‘鳳丹’牡丹籽油主要脂肪酸成分分析［J/OL］. （2014-05-26） ［2015-01-07］. http：//www.spkx.net.cn/ CN/article/searchArticle.do#.

［5］ 王昌濤， 張萍， 董銀卯. 超臨界CO2提取牡丹籽油的工藝以及成分分析［J］. 中國糧油學報， 2009， 24（8）： 96-99.

［6］ LI Shanshan， YUAN Ruyu， CHEN Liguang， et al. Systematic qualitative and quantitative assessment of fatty acids in the seeds of 60 tree peony （Paeonia section Moutan DC.）［J］. Food Chemistry， 2015，173（15）： 133-140.

［7］ 李瑩瑩， 鄭成淑. 固相微萃取-氣相色譜-質譜法測定牡丹花揮發油中各成分［J］. 理化檢驗： 化學分冊， 2012， 48（11）： 1274-1279.

［8］ 李瑩瑩. 靜態頂空-氣相色譜-質譜法測定4 種牡丹花的揮發性成分［J］.理化檢驗： 化學分冊， 2013， 49（3）： 334-336.

［9］ 劉建華， 董福英， 程傳格， 等. 菏澤牡丹花揮發油化學成分分析［J］.山東化工， 1999（3）： 35-36.

［10］ 程明， 張永欣， 馮學鋒， 等. 赤芍和白芍新鮮花瓣正己烷提取成分GC-MS分析［J］. 中國野生植物資源， 2012， 31（3）： 17-19.

［11］ KUMAR N， MOTTO M G. Volatile constituents of peony fl owers［J］. Phytochemistry， 1985， 25（1）： 250-253.

［12］ LI Chonghui， DU Hui， WANG Liangsheng， et al. Flavonoid composition and antioxidant activity of tree peony （Paeonia section Moutan） yellow flowers［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2009， 57（18）： 8496-8503.

［13］ FAN Jinling， ZHU Wenxue， KANG Huaibin， et al. Flavonoid constituents and antioxidant capacity in flowers of different Zhongyuan tree penoy cultivars［J］. Journal of Functional Food， 2012，4（1）： 147-157.

［14］ XIAO Wang， SHI Xingang， ZHENG Chengchao， et al. Effects of extract from peony flowers on removal of reactive oxygen species and preventing DNA damage caused by hydroxyl radical［J］. Food and Ferment Industries， 2004， 30（7）： 55-58.

［15］ 孫強. 鳳丹花揮發性成分測定及化學計量學分析［D］. 合肥： 安徽農業大學， 2012.

［16］ 孫強， 李梅青， 吳悠， 等. 兩種鳳丹鮮花揮發性成分的HS/SPME/GC/ MS分析［J］. 光譜實驗室， 2013， 30（1）： 145-150.

［17］ LI Shanshan， CHEN Liguang， XU Yanjun， et al. Identification of fl oral fragrances in tree peony cultivars by gas chromatography-mass spectrometry［J］. Scientia Horticulturae， 2012， 142（7）： 158-165.

［18］ 周海梅， 戚軍超， 董苗菊， 等. 固相微萃取-氣相色譜-質譜分析牡丹花的揮發性成分［J］. 化學分析計量， 2008， 17（3）： 21-23.

［19］ 韓榮偉， 莊桂東， 安桂香， 等. 利用SFE-MD技術分離提純玫瑰精油及其成分分析［J］. 精細化工， 2006， 23（6）： 553-557.

［20］ 張睿， 魏安智， 楊途熙， 等. 3 種不同香型玫瑰精油特性的研究［J］. 西北植物學報， 2004， 23（10）： 1768-1771.

［21］ 周圍， 周小平， 趙國宏， 等. 中國苦水玫瑰油香氣成分的研究［J］. 色譜， 2002， 20（6）： 560-564.

［22］ 張靜， 周小婷， 胡立盼， 等. SPME-GC-MS測定不同品種牡丹花揮發性物質成分分析［J］. 西北林學院學報， 2013， 28（4）： 136-143.

［23］ OZEL M， CLIFFORD A A. Superheated water extraction of fragrance compounds from Rosa canina［J］. Flavour and Fragrance Journal，2004， 19（4）： 354-359.

［24］ 應麗亞. 玫瑰精油化學成分及其功能性研究［D］. 杭州： 浙江大學，2012： 45-56.

［25］ 余峰， 張彬， 周武， 等. GC-MS與HELP法分析玫瑰精油化學成分［J］.食品科學， 2011， 32（10）： 237-240.

Analysis of Volatile Components in Peony Essence Oil by Headspace Gas Chromatography-Mass Spectrometry

YU Hui1， MA Wenping1， LIU Yanping1， LI Jianxin1， LIU Junmin2
（1. Heze Institute of Product Inspection and Testing， Heze 274000， China；2. Heze Yao and Shun Peony Biotechnology Co. Ltd.， Heze 274000， China）

The volatile components of 6 essetial oils from peony flowers extracted by 4 different methods， namely supercritical CO2extraction， subcritical fl uid extraction， steam distillation extraction and organic solvent extraction （with three different solvents， respectively）， were analyzed by headspace gas chromatography-mass spectrometry （HS-GCMS） with a TG-5MS capillary column. A total of 32 volatile components were detected， including arenes， aleohols， esters，alkanes， ethers， ketones and aldehydes. The composition and relative contents of volatile components were signifi cantly different among six peony essential oils. 1，3，5-Trimethoxybenzene， γ-nonanolactone and cetane were common to these 6 samples. 1，3，5-Trimethoxybenzene was the most abundant volatile component for all these oils. The peony essential oil extracted by supercritical CO2extraction emitted a heavy fl owery scent and showed the highest yield among the four extraction methods suggesting supercritical CO2extraction is suitable for industrial production of peony essential oil. Although steam distillation extraction provided the lowest yield of peony essential oil， the oil extracted by this method contained the most abundant natural fl avor components and thus it is suitable for the production of peony fl ower water.

oil-producing peony； peony essential oil； headspace gas chromatography-mass spectrometry （HS-GC-MS）；volatile component

TQ654.2

A

1002-6630（2015）18-0167-05

10.7506/spkx1002-6630-201518030

2015-01-07

于薈（1988—），女，工程師，碩士，研究方向為功能性食品。E-mail：c_yuhui@163.com