馬尼拉草精油提取在設計性實驗教學中的應用

劉清芝 ， 陳志偉， 牛永盛， 師進生

(1. 青島農業大學 化學與藥學院， 山東 青島 266109； 2. 山東理工大學 生命科學學院， 山東 淄博 255049)

馬尼拉草在環境建設中主要用于草坪[1-4]。每年修剪所得的馬尼拉草多數用于動物飼料或有機肥料制備等，附加值較少，且對于其化學成分了解甚少，缺乏更高價值的使用[3，5-7]。與其他高附加值的精油(玫瑰，薰衣草等)相比，馬尼拉草成本低(幾乎無成本)，且產量大(春秋兩季每周修剪一次)，因而對其精油的提取會產生相對較高的附加值。

植物精油的提取，目前應用較廣的有水蒸氣蒸餾法，還有水中蒸餾、水上蒸餾、同時蒸餾萃取以及超臨界萃取等方法。過去提取藥材中的揮發油大多采用傳統水蒸氣蒸餾(HD)[8]的方法，傳統的水蒸氣蒸餾法雖然操作簡單[4]，但是提取出來的揮發油含量較少，實驗損失大；而且蒸餾后的藥材必須進行第二次蒸餾以便提高純植物精油成分的純度。亞臨界萃取法[5]適合貴重材料或者難提取成分的提取，能夠實現無溶劑殘留的特點，但是其設備投資大。水中蒸餾適用于成分穩定的、能揮發而且難溶或不溶于水的植物成分的提取，但是由于植物長時間的浸泡，植物中的芳香成分將會有損失，植物長時間在100 ℃的水中浸泡導致植物中的芳香成分可能產生變質[6-10]。水上蒸餾的優點是提取出的芳香成分的品質較好、蒸餾速度快，但芳香物質在回流冷凝的過程中會流回到蒸餾水中，造成提取出來的揮發油成分不足[11-12]。蒸餾萃取法(SDE法)[13]被廣泛用于郁金香、馬鞭草、松針等植物中揮發性成分的提取及揮發性香氣研究等，具有水蒸氣蒸餾法不能比較的好處。SDE法是將水蒸氣蒸餾和溶劑的分離萃取過程結合起來，蒸餾萃取法實驗步驟少，溶劑用量少，樣品在實驗過程中損失比較低，提取量大。

本文采用在水蒸氣蒸餾法的基礎上使用揮發油提取器，直接提取馬尼拉草揮發油。通過正交實驗和單因素實驗得出馬尼拉草揮發油提取的最佳工藝，并使用同時蒸餾萃取法對工藝進行優化。

1 實驗

將馬尼拉草樣品研磨成漿、密封保存，置于冰箱冷凍24 h;再置于冷凍干燥機中冷凍干燥48 h;取草樣粉末100.00 g置于1 000 mL硬質圓底燒瓶中，加入適量的高純水，并加入數粒磁子以防在加熱過程中產生爆沸現象，圓底燒瓶口用保鮮膜封好，浸泡一段時間；連接揮發油測定器和回流冷凝管，并檢測儀器的氣密性，向揮發油測定器加入高純水，達到刻度線時為止，同時在水層上方加入3.00 mL CH3COOCH2CH3；使用油浴鍋加熱處理，調節油浴鍋的控制溫度開關置200 ℃，緩緩加熱至水沸騰；加熱2 h后，停止加熱，冷卻至室溫(約為25 ℃)。打開揮發油提取器開關，將水層放出，取出油脂層；將油脂層置于10 mL容量瓶中，定容到10 mL，再稱量3.00 g Na2SO4進行干燥，靜置24 h，稱量揮發油質量，對產物進行GC-MS分析。

2 實驗結果與討論

2.1 正交實驗

設計了L9(33)正交實驗，分別就加熱時間、加水量和馬尼拉草樣浸泡時間對馬尼拉草得油率的影響進行分析。馬尼拉草樣為同一批次采集并處理。實驗結果表明:(1)影響馬尼拉草揮發油提取的最主要原因是加熱時間，其次是加水量，影響最小的是浸泡時間；(2)當浸泡時間為6 h、加水量為400 mL、加熱時間為6 h時馬尼拉草揮發油的提取效率最大為0.51%；當浸泡時間為6 h、加水量為600 mL、加熱時間為2 h時馬尼拉草揮發油的提取效率最小，為0.13%。

2.2 浸泡時間對馬尼拉草揮發油提取的影響

控制加熱時間為4 h，加水量為600 mL，浸泡時間為1、2、3、4、5、6 h時結果見圖1。由圖1可見，在1～4 h的范圍內，隨著時間的增加，得油率逐漸上升，浸泡時間為4 h時得油率達到最大，為0.26%；當浸泡時間繼續增加(4～6 h范圍內)時，得油率逐漸降低。因此，最佳浸泡時間為4 h。

圖1 得油率隨浸泡時間變化曲線

2.3 加水量對馬尼拉草揮發油提取的影響

浸泡時間為4 h、加熱時間為4 h，加水量為100、200、300、400、500、600、700、800 mL時實驗結果見圖2。由圖2可見，在加水量為100～400 mL范圍內，隨著加水量的增加，得油率逐漸增加，400 mL時達到最大值，為0.31%；當加水量繼續增加時(400～800 mL)得油率趨于平穩，約0.31%；在800 mL之后，得油率有下降趨勢。因此，最佳加水量為400 mL。

2.4 加熱時間對馬尼拉草揮發油提取的影響

在控制浸泡時間為4 h、加水量為400 mL，加熱時間為1、2、3、4、5、6、7、8、9 h時實驗結果見圖3。由圖3可見，在加熱時間在1～6 h范圍內，得油率隨加熱時間的增加而增加，在加熱時間為6 h時得油率達到最大值，為0.41%；當加熱時間繼續增加時(6～9 h)得油率趨于平穩，約0.4%。因此，可以得出馬尼拉草樣最佳加熱時間為6 h。

圖3 得油率隨加熱時間變化曲線

3 數據處理分析

揮發油通過GC-MS(見圖4)分析，經過NIST08譜庫檢索、CAS號查詢等手段分析檢測，利用色譜峰面積校正歸一化法計算，獲得20種成分，見表1。由表1可知，在馬尼拉草揮發油成分中含量最高的是穿心蓮內酯C20H30O5，含量為0.0059%；鄰苯二甲酸二丁酯C16H22O4含量次之，為0.0054%；揮發油中含量最少的為六甲基環三硅氧烷C6H18O3Si3和苯甲醛C7H6O，含量分別為0.0012%和0.0011%。

揮發油中包含烯烴、醛類、醇類、醚類、烷烴、酯類和呋喃7大類，還有油酸酰胺和哌嗪兩種物質。烯烴類的3-芐基-1-丁烯，主要用作雌家蠅和雄家蠅的性引誘劑，有時作為毒物和殺蟲劑混用，此種植物殺蟲劑對環境無危害。醇類的植物醇和異植物醇，可用作生產維生素K1、維生素E等維生素的基本原料，對人體有利。酯類有穿心蓮內酯、鄰苯二甲酸二丁酯和鄰苯二甲酸二異丁酯，穿心蓮內酯具有清熱解毒的作用，在治療上呼吸道感染及痢疾或者急性胃腸炎等方面有特殊療效。呋喃有正丁基呋喃和2-正戊基呋喃，可用作香料的加工。

圖4 揮發油成分色譜圖

出峰時間min結束時間min成分名稱成分含量%2.9553.112正丁基呋喃C8H12O0.00214.1965.2093-芐基-1-丁烯C11H140.042111.16411.412正十八醛C18H36O0.004712.61812.86鄰苯二甲酸二丁酯C16H22O40.005413.33413.624穿心蓮內酯C20H30O50.005913.99314.092鄰苯二甲酸二異丁酯C16H22O40.001814.33814.453仲丁醚C8H18O0.002314.51114.601植物醇C20H40O0.003515.23915.449苯甲醛C7H6O0.001115.63215.928異植物醇C20H40O0.003716.61716.856反式-2-己烯醛C6H10O0.004117.28517.371油酸酰胺C18H35NO0.001918.67918.805哌嗪C4H10N20.003120.11820.2412-正戊基呋喃C9H14O0.002520.24120.38順4-叔丁基環已烷羧酸C11H20O20.003221.88122.012叔丁基環已烷C10H200.003322.01222.135八甲基環四硅氧烷C8H24O4Si40.001422.23822.364二十烷C20H400.002322.42522.529二十一烷C21H420.001922.75522.855六甲基環三硅氧烷C6H18O3Si30.0012

4 結論

(1) 對馬尼拉草揮發油提取影響最大的是加熱時間，其次是加水量，影響最小的是浸泡時間，當提取條件為加熱時間6 h、加水量400 mL、浸泡時間4 h時，揮發油最大提取率為0.41%。

(2) 利用GC-MS對馬尼拉草進行分析檢索，共檢測出20種物質，包括烷烴、烯烴、醛類、醇類、醚類和酯類，其中利用價值很高的物質有3-芐基-1-丁烯、苯甲醛、植物醇、鄰苯二甲酸二丁酯和穿心蓮內酯。

(3) 本實驗為馬尼拉草的深度研究提供了依據，為修剪的草料的再利用提供了參考。該實驗操作簡單、原材料易得，應用于綜合實驗，豐富了實驗內容，將前沿的科學技術及時用于教學實驗增加了學生的學習興趣，強化了對學生專業技能培養。

References)

[1] 鄭平.優良草坪植物—馬尼拉草[J].農村新技術，2008(17)：29.

[2] 鄧澤龍，金代鈞.馬尼拉草特性及建坪技術研究[J].廣西植物，1997(4):379-382.

[3] 劉煥榮，江澤慧，任海.竹炭吸附性能及其利用研究進展[J].竹子研究匯刊，2009，28(2):1-5.

[4] 雷靜，田媛，袁相洋，等.馬尼拉草揮發油的提取及其化學成分的GC-MS分析[J]. 廣州化工，2013，41(22):57-60.

[5] 楊田田，田媛，雷靜，等. 北京不同區域馬尼拉草揮發油成分分析[J]. 廣州化工，2013，41(18):120-123.

[6] 彭夫敏. 水蒸氣蒸餾法、同時蒸餾萃取法和頂空共蒸餾法提取煙草揮發性成分的比較研究[D]. 合肥:中國科技大學，2004.

[7] 應麗亞，蘇平.亞臨界水萃取技術在植物精油提取中的應用潛力[J].食品與發酵工業，2011，37(5):142-145.

[8] 徐雙明，李青山，馬印.竹炭研究新進展[J].材料導報， 2010， 24(15):375-377.

[9] 韓榮偉，于忠娜，陳勇，等. 分子蒸餾技術純化玫瑰精油工藝研究[J].糧油食品科學， 2009，17(3):17-20.

[10] FERREIRA V，LOPEZ R，ESCUDERO A， et al. The Aroma of Grenache Red Wine Hierarchy and Nature of Its Main Odorants[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture，1998，77(2):259-267.

[11] 戴嘉璐，郭興，楊輝. 竹炭微結構的研究[J]. 材料科學與工程學報，2007，25(5):743-745.

[12] 任洪濤，周斌，夏凱國，等. 不同級別云南工夫紅茶香氣成分比較分析[J]. 南方農業學報，2012，43(4):489-492.

[13] 郭希娟，田媛. 一品紅揮發性有機物釋放日變化規律研究[J]. 環境科學與技術， 2012(10):107-111.