微波無溶劑萃取法提取野菊花精油工藝及成分分析

滕 云，楊 麗

（信陽農林學院園藝學院，河南信陽 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]。主要化學成分包括萜類和揮發油、黃酮類化合物、酚酸類化合物等[2]。野菊花精油是從野菊的頭狀花序里提取的揮發油成分。研究表明，野菊花精油具有較強的抗炎鎮痛效果[3?4]，對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、鮑曼不動桿菌、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]，對油菜菌核病菌、蘋果炭疽病菌、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、洗發精等日用品[20]，也可作為食品添加劑，應用于飲料、糖果、冷飲等行業[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]，但用微波無溶劑萃取法（Solvent-free microwave extraction，SFME）提取野菊花鮮花精油目前尚未見文獻報道。SFME將微波加熱和干餾相結合，利用植物體含有的水分吸收微波并加熱提取植物體內揮發性成分，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超臨界萃取更經濟，作為一種綠色提取方法，目前廣泛應用于香料、醫藥等行業和芳香療法。本文對SFME法提取野菊花鮮花精油和干花精油進行了研究，以期為野菊花的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

野菊花初開花序 2020年11月初采自河南信陽商城縣金剛臺鎮，信陽農林學院植物學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-質譜聯用儀美國安捷倫公司；微波無溶劑精油提取裝置 定制（見圖1）；RS-FS1612中藥粉碎機 合肥榮事達小家電有限公司；JA5003電子分析天平 上海圣科儀器設備有限公司；FA2104S電子分析天平 上海恒平科學儀器有限公司；HH-6恒溫水浴鍋 上海力辰儀器科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 SFME提取野菊花鮮花精油

1.2.1.1 單因素實驗 每次稱取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，精密稱重，并采用下列公式計算精油得率，后續試驗中計算精油得率均采用此公式。

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

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

1.2.1.2 正交試驗 在單因素實驗基礎上，進一步進行試驗，考察不同微波功率和提取時間組合對野菊花鮮花精油得率的影響。因素水平設計見表1。

表 1 鮮花精油提取因素水平設計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 單因素實驗 用1.2.1項下同批采集的野菊花，按照當地常用加工方法，先大火殺青（180~200 ℃鐵鍋翻炒6 min），然后曬干，密封。置于常溫下保存2個月用于試驗。試驗時將干花（含水率8.94%）粉碎過40目篩，每次稱取100 g野菊花干花粉末，蒸餾水浸泡，1.2.1.1項同樣方法提取收集精油，稱重并計算精油得率。

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

1.2.2.2 正交試驗 在單因素實驗基礎上，采用L9（34）正交表考察各因素對野菊花干花精油得率的影響。因素水平見表2。

表 2 干花精油提取正交試驗因素水平設計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；進樣口溫度250 ℃；氣質接口溫度250 ℃；載氣為99.999%的高純氦氣，流速1.5 mL/min；進樣量0.5 μL；分流比50:1。

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

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2019計算標準差并作圖，SPSS 18.0軟件對試驗結果進行顯著性差異分析。

采用NIST17標準譜圖庫和自建譜庫，結合保留指數，并參考相關文獻，確定精油化學成分。用峰面積歸一法確定各化學成分相對含量。

2 結果與分析

2.1 野菊花鮮花精油提取條件的優化

2.1.1 提取時間對野菊花鮮花精油得率的影響 由圖2可以看出，在提取時間30~50 min之間，野菊花鮮花精油得率隨提取時間的延長而增加；提取時間在50 min時，精油得率最高，說明540 W條件下提取50 min，鮮花中的精油隨著水分蒸發已經基本提取完全；繼續延長提取時間，不能提高精油得率；當提取時間70 min時，物料糊化，精油中出現少量黑褐色焦油，精油質量降低。從精油得率和質量兩方面考慮，選取提取時間40、50、60 min進一步試驗。

圖 2 提取時間對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，精油得率最高；微波功率630 W時，物料有輕微糊味，精油得率降低；微波功率720 W時，物料糊化嚴重，精油中出現黑褐色黏稠的焦油，精油顏色渾濁，味道變差。根據試驗結果選取微波功率450、540、630 W進一步試驗。

圖 3 微波功率對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 在單因素實驗基礎上進一步試驗，每組試驗重復3次，得率取平均值，結果見表3，方差分析見表4。

表 3 鮮花精油提取試驗結果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，即微波功率對鮮花精油得率的影響大于提取時間。根據結果分析，野菊花鮮花精油的最佳提取工藝為A2B2，即提取時間50 min，微波功率540 W。在此條件下進行3次驗證試驗，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化

2.2.1 料液比對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，精油得率最高；當繼續增加料液比，由于過多的水分導致物料不能被完全蒸發提取[25]，精油得率反而下降。根據結果選取1:4、1:5、1:6 g/mL進行正交試驗。

圖 4 料液比對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 浸泡時間對野菊花干花精油得率的影響 由圖5可以看出，在浸泡時間0~2 h之間，精油得率隨浸泡時間延長而增加；浸泡時間2~4 h，精油得率較高；浸泡時間超過4 h，精油得率緩慢下降。這是因為野菊花粉末經過浸泡后，細胞組織間隙變大，內外液流動加速，有利于精油的提取[30]，得率提高，當浸泡時間達2 h以上，流動交換趨于穩定，得率不再提高。而浸泡時間過長，可能導致部分精油成分揮發，得率反而下降。根據結果選取2、3、4 h進行正交試驗。

圖 5 浸泡時間對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 提取時間對野菊花干花精油得率的影響 由圖6可以看出，在提取時間30~50 min，精油得率隨提取時間的延長而增加；當提取50~60 min，精油得率較高；提取時間70 min時，物料輕微糊化，精油得率略下降，精油質量降低。從精油得率和質量兩方面考慮，選取提取時間40、50、60 min進一步試驗。

2.2.4 微波功率對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540 W后，精油得率沒有明顯增加；當達到720 W，物料糊化，精油味道變差。根據結果，選取450、540、630 W進行正交試驗。

圖 6 提取時間對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 正交試驗結果 在單因素實驗的基礎上，對無溶劑微波提取法提取野菊花干花精油的進行正交試驗，每組試驗重復3次。試驗結果與分析見表5。

由表5可知，在4個因素中，C>A>D>B，即提取時間影響最大，其次是料液比和微波功率，浸泡時間影響最小。根據結果，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，浸泡時間3 h，提取時間60 min，微波功率540 W。采用此條件進行驗證試驗，重復3次，精油得率為干重的0.1926%±0.0063%，高于正交表中各組試驗結果。

因浸泡時間對野菊花干花精油得率影響最小，將B浸泡時間作為誤差項[28]，對其他3個因素進行顯著性分析，結果見表6。

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

表 5 干花精油正交試驗結果Table 5 Results of orthogonal test for essential oil of dried flower

表 6 方差分析結果Table 6 Variance analysis table

對比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%，相當于野菊花干物質的0.5760%，干花含水率8.94%，精油平均得率為干花重的0.1926%，相當于野菊花干物質的0.2115%。說明野菊花鮮花精油的得率遠高于干花。

對比相關研究，胡小莉[31]采用水蒸氣蒸餾法提取河南信陽市郊低溫干燥的野菊花精油，得率為0.1863%~0.2051%，本試驗野菊花鮮花精油的得率（0.5760%）遠高于上述得率，干花精油得率（0.2115%）略高，且提取時間大大縮短，說明采用SFME法提取野菊花精油是一種相對高效、節能的提取方法。

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NIST17標準譜庫和自建數據庫聯合自動檢索，結合保留指數，確定各化合物名稱。分析結果顯示，SFME法提取野菊花精油的化學成分較為復雜，鮮花精油中共鑒定出126種化學成分，干花精油中共鑒定出137種化學成分，這些成分大多含量較少。含量較高的化學成分與已有的文獻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地，不同采摘時間有關，也與精油提取方法不同有關[22,24,31~33]。

兩種精油中主要化合物成分（相對百分含量在0.5%以上），見表7。

由表7可知，SFME萃取的野菊花鮮花和干花精油相對含量在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成分是單萜和單萜類含氧化合物，干花精油的主要化學成分是單萜類含氧化合物和倍半萜。鮮花精油中相對含量較多的化合物是乙酸檜酯（13.20%）、甲位側柏酮（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-側柏烯（3.36%）。干花精油中相對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組分Table 7 The main chemical constituents of essential oil from chrysanthemum indicum

續表 7

野菊花鮮花精油中的單萜類化合物高于干花精油，而倍半萜類化合物低于干花精油，這主要是因為隨著分子量和雙鍵的增加，揮發性降低，在加工和和貯藏過程中，單萜類比倍半萜類更易揮發。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或具有芳香氣味的主要組成成分，因此在醫藥衛生、香精香料、日用化學品、食品等領域更具有應用價值。

3 結論

本試驗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綠色油狀液體，干花精油為澄清的淡藍色油狀液體，均具有有強烈的野菊花香味。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，浸泡時間3 h，微波功率540 W，萃取時間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%。前期預試驗表明，試驗材料量的多少及含水率對提取條件的優化有一定的影響，提示SFME法提取野菊花精油應用于實際規模化生產，當物料量較大或含水率不同時，最佳工藝條件可能會有一定的變化。

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含量遠高于干花精油，更具有應用價值，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程中，如何盡量保留原有的精油成分，還需進一步研究。