植物精油提取方法、組成成分及功能特性研究進展

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(1.貴州省農業科學院亞熱帶作物研究所,貴州興義 562400; 2.赤水市中丹農業科技有限公司,貴州赤水 564703)

植物精油在植物學領域被稱為精油,在化學和醫藥學領域被稱為揮發油,在商業領域被稱為芳香油[1],是一類存在于芳香植物的葉、根、皮、花和果中,可隨水蒸氣蒸餾,且具有一定氣味(一般為香味或辛辣味)的揮發性油狀液體,顏色多為無色,屬植物體自身的次級代謝產物,享有“液體黃金”的美譽。

目前關于植物精油提取的方法相當多,例如水蒸氣蒸餾法、有機溶劑萃取法、分子蒸餾法、超臨界CO2流體萃取法、亞臨界水萃取法、微膠囊-雙水相萃取法、超聲微波輔助提取法等,其中水蒸氣蒸餾法因設備簡單、操作簡便、提取成本低等優點而廣泛應用,同時也是當下植物精油提取最為常用的方法[2-6]。

國內外眾多的研究均表明,植物精油是由多種成分組合的天然混合物,成分較為復雜,而且植物的摘取部位、采摘季節、獲取時間等均會影響其精油成分,通過氣質聯用技術(GC-MS)、高效液相色譜法(HPLC)等相關技術分析,得出主要包括萜類化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物和含氮含硫化合物四大類。此外,植物精油因這些化合物的存在而具有多種功能特性,例如抗氧化、抑菌、抗癌抑瘤、保鮮、驅蚊防蟲等,一直以來被廣泛應用于化妝品、洗滌用品、食品(主要是果蔬、肉類及水產品)、煙酒、農業以及其他工業用香精中[7-12]。

本文就植物精油的傳統提取方法(水蒸氣蒸餾法和有機溶劑萃取法)及新型提取方法(超臨界CO2流體萃取法、亞臨界水萃取法、分子蒸餾法等)、檢測分析方法及主要組成成分、功能特性三方面進行了綜述,以期為植物精油的生產應用和新產品開發提供依據及參考。

1 植物精油的提取方法研究

1.1 傳統提取方法

植物精油傳統的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法和有機溶劑萃取法兩種,由于這兩種方法具有設備簡單、容易操作等優點,目前市場上銷售的精油,大多是采用這兩種方法制作而成的。

1.1.1 水蒸氣蒸餾法 水蒸氣蒸餾法(Hydrodistillation,HD),是利用水蒸氣將植物精油從原料中提取出來的一種方法。植物精油在提取的過程中,水通過水散作用,將待提取成分從植物組織中滲透出來,帶到表面呈現出油斑狀,再與水混合而被帶離組織,經冷凝后通過油水分離的方法得到較純的精油。此法適用于具有揮發性、能隨水蒸氣蒸餾而不被破壞、與水不發生反應、難溶于或不溶于水的成分提取。早在中世紀,阿拉伯人就采用HD法從植物組織中提取出精油[13]?，F今,國內外學者仍青睞HD法,且此法一直是植物精油提取最為常用的方法。HD法提取的迷迭香精油質量好,且鑒定出24種組成成分[14]。此外,HD法提取的精油產率高,臭柏(SabinavulgarisAnt.)精油和油松(PinustabulaeformisCarr.)精油經HD法提取之后,最終得率分別高達2.3%、1.0%[15]。

HD法具有設備簡單、操作容易、綠色環保等優點,但是,HD法也存在著些許缺點。此法中會因為植物原料組織長時間地置于高溫中,導致其中所含有的熱敏性成分熱分解,易水解成分發生水解及原料焦化等,從而造成對精油產品質量不利的影響,還存在能耗高、耗時長等缺點。

1.1.2 有機溶劑萃取法 有機溶劑萃取法(Solvent extraction,SE),是利用有機溶劑(如甲醇、乙醇、丙酮、石油醚、正己烷等)對植物精油進行連續回流提取或熱浸、冷浸提取等,隨后提取液經蒸餾或減壓蒸餾去除有機溶劑,即得精油粗制品。SE法作為植物精油提取的一種傳統方法,深受眾多研究者的喜愛。目前,很多植物精油,例如花葉艷山姜葉精油[16]、崖柏精油[6]等均采用此法制備而成,且提取率分別為0.34%、7.84%。

SE法的設備簡單、投資小,精油提取率高,大多數國內外研究者仍使用此法來提取植物精油。但是此法也存在著些許缺點,如:SE法提取的植物精油純度較低,主要是因為植物體中的樹脂、蠟等雜質會同時被提出,而且這些雜質還會掩蓋精油中的主要致香物質;植物精油提取過程中需用大量有機溶劑,嚴重污染環境,并且最終精油產品中殘留的提取溶劑也比較難以除去。

1.1.3 其他傳統提取方法 植物精油提取的傳統方法除上述介紹的HD法和SE法外,還存在著一些傳統的提取方法,例如吸收法、壓榨法、吸附法等[17],其中吸收法和吸附法適用于熱敏性的貴重精油提取,工序復雜,耗時長;壓榨法是最為傳統的精油抽提方法,該法所得精油產品不純,且得率低,成品保存時間短。

1.2 新型提取方法

隨著科技的發展,為提高植物精油的質量和產率,到目前為止,涌現出了一大批新型的植物精油提取方法,如超臨界CO2流體萃取法、亞臨界水萃取法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法、超聲強化亞臨界水提取法等。

1.2.1 超臨界CO2流體萃取法 超臨界CO2流體萃取(Supercritical carbon dioxide fluid extraction,SFE-CO2)是近三十多年發展起來的新型精油提取方法。此法的原理在于,將超臨界流體控制在超過臨界壓力和臨界溫度狀態下,從植物材料中萃取精油,當超臨界流體恢復到常溫和常壓條件時,溶解在超臨界流體中的精油即刻與其分開。歷年來,國內外學者都會采用SFE-CO2法提取植物精油,且提取出來的精油有芒果皮精油[5]、羅勒精油[18]等,得率均可達到6. 0%以上。

與HD法相比,SFE-CO2法能夠避免植物精油中的某些組分分解或流失,主要原因在于,此法在提取過程中的操作溫度偏低,精油中熱敏組分不會因為溫度過高而發生分解,而且還能防止可能存在的水解及水溶作用致使的精油組分流失。此外,超臨界二氧化碳還具有溶解能力可調和選擇性高的優點。SFE-CO2因具有上述優點,而使得提取制備所得的植物精油香氣極接近于天然芳香植物本身所特有的香氣,而且在提取過程中萃取出的某些高沸點物質還可以增加精油的留香時間,因此,此法尤其適合高檔精油的提取制備。但是,由于SFE-CO2法所需成本較高,目前仍處于實驗研究的階段,還未普遍投入工業化生產中。

1.2.2 同時蒸餾-萃取法 同時蒸餾-萃取法(Simultaneous-distextraction,SDE)是近二十多年發展起來的新型精油提取方法。原理是利用樣品蒸汽和萃取劑蒸汽在密閉裝置中充分混合,樣品中各組分在低于各自沸點時就能被蒸出,而且混合物的沸點在蒸餾的時候會一直保持不變,當樣品中某一組分完全被蒸出后,溫度才會上升至蒸餾瓶中剩余組分的沸點。樣品中的揮發性組分會優先被蒸出,隨后在冷凝管上和萃取劑完成萃取,根據萃取劑與水比重存在的差異而將兩者分離,最終回收萃取液即得目標成分。當下SDE法由于其有著自身特有的優勢而被大量的用來提取植物精油。SDE法與傳統提取方法HD法相比,提取的新疆產羅馬洋甘菊油得率較高,且對于小分子易揮發化合物如單萜等和水溶性較好的化合物如醇類等還有著較高的提取率[4]。薛山[2]也發現在HD法、SDE法和UAE法三種方法中,SDE法提取紫蘇葉精油的提取率最高,達到了8.21 mg/g鮮重。

SDE法具有以下優點:樣品的水蒸氣蒸餾和餾分的溶劑萃取合二為一,與傳統的HD法相比,實驗步驟減少,溶劑用量降低,且樣品在轉移過程中的損失降低;提取所得的植物精油可直接用于GC-MS分析;SDE法對植物精油中微量成分的提取率較高。SDE法同時也是存在缺點的,如操作溫度高,所得精油的香氣存在著失真現象。

1.2.3 亞臨界水提取法 亞臨界水提取法(Subcritical water extraction,SWE)提取精油始于1998年,自國外學者Basile等[19]第一次用亞臨界水提取出了迷迭香葉片中的精油以后,此法廣泛應用于天然產物提取等領域中,而且在國內也已取得了一定的成功。亞臨界水(Subcritical water)也稱超加熱水、高壓水,其本質是處在臨界溫度下的液態水,是指在特定的壓力下,使水的溫度達到100 ℃以上,臨界溫度374 ℃以下,水體仍保持為液體狀態。SWE法因得油率高、產品質量好等優勢,備受廣大國內外研究者的關注。阿米糙果芹(Trachyspermumammi)籽精油經SWE法提取之后的得油率顯著高于HD法,得油率高達12.9634 mg/g干重[20]。Mottahedin等[21]也發現,采用SWE法提取姜黃(CurcumalongaL.)根精油可明顯提高其中姜黃素的質量和提取率,最大提取率達到了90.1947%±0.26%。

SWE法具有提取時間短、提取率高、精油品質好、能耗低、綠色環保等優勢[22],是一項開發潛力巨大、應用前景廣闊的新型提取技術。與SFE-CO2法相比,盡管兩種提取方法的提取能力、得率、選擇性、精油品質旗鼓相當,然而SFE-CO2法中的CO2必須處于25 MPa以上的超高壓狀態下才能實現萃取,而SWE法中的亞臨界水的壓力遠遠低于超高壓狀態,由此使得SWE法在設備上更容易實現,也更適用于植物精油的工業化生產[23]。但是,此法也存在一定的局限性,若要用于植物精油的規?；I生產中,許多地方仍需不斷完善。

1.2.4 分子蒸餾法 分子蒸餾(Molecular distillation,MD),又稱短程蒸餾,是在高真空度下,依靠分子運動的平均自由程不同,實現液體混合物組分分離的一項高新技術。目前,眾多研究者采用MD法提取植物精油,提取出來的植物精油質量好、純度高。有報道稱,MD法提取的大蒜精油外觀質量明顯提高,平均總提取率達到0.476%,純度高達99.85%[3];另外,毛蔥精油經MD法提取之后,純度也可達94.20%[24]。

MD法的操作溫度遠低于提取物料常壓下的沸點溫度,同時植物組織被加熱的時間極短,熱分解作用被抑制,不會對組織本身造成損壞。此外,MD法還能有效地阻止其他有毒成分進入,精油產品的安全性提高,因此MD常作為植物精油的一種精制、純化、除蠟手段[25-26]。

1.2.5 超聲波輔助提取法 超聲波輔助提取(Ultrasonic-assisted extraction,UAE)是運用超聲波強化來提取植物組織中的有效成分。原理是利用超聲波空化作用,加速植物組織中的有效成分釋放溶出;另外,超聲波次級效應(如機械震動、擊碎、化學效應等)同樣也能加速植物組織中有效成分的擴散、釋放,使其與提取劑充分混合而利于有效目標成分的提取。目前UAE法提取植物精油備受廣大研究者的關注,此法提取的植物精油得率較高,被大量應用于植物精油的輔助提取中[2,22]。UAE法提取的金柑果皮精油得率達到2.24%,發現對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、沙門氏菌、黑曲霉、酵母菌均有一定抑制作用,最小抑菌濃度(MIC)分別為1.0%、0.5%、0.5%、0.5%、0.1%,此外可延緩食用油脂的貨架期,具有良好的抗氧化活性,清除羥自由基能力為42.71 U/mL,對DPPH自由基清除率達到82.5%,總抗氧化能力達到9.00 U/mL[27]。

UAE法具有提取時間短、提取溫度低、提取率高、節能等優點,對傳統提取工藝方法有較大的改進,其經濟性較好、適應性廣泛。但是此法卻只是一種輔助手段,需與其他提取方法聯用才能獲得理想的提取效果。

1.2.6 微波輔助提取法 微波輔助提取法(Microwave-assisted extraction,MAE)是利用微波加熱的特性來對植物物料中目標成分有選擇性地提取的一種方法。MAE法通過調節微波的參數,能有效地加熱植物物料中的目標成分,以利于目標成分的分離和提取。MAE法的原理是在微波場中,植物樣品組織吸收大量的能量,其細胞內部由于水及其它物質的存在,會對微波能吸收較多,周圍的非極性提取劑反而吸收得少,因此在細胞內部會產生熱應力,然后提取物料的細胞因其內部產生的熱應力而破裂,使得細胞內部目標物質直接接觸相對較冷的提取劑,由此可加速目標物質從細胞內部向提取劑中轉移,從而強化整個提取過程。目前,在植物精油的提取中,MAE法主要是作為一種輔助手段來提高精油的質量、產率等。微波輔助有機溶劑法提取的柑桔花精油得率達到1.04%,還發現總抗氧化能力和DPPH自由基清除率均要強于SFE-CO2法[28]。此外,微波輔助水蒸汽蒸餾法提取薰衣草精油可減少各種副產物的生成,還能獲得更好的精油脂提取率[29]。

MAE的優點在于提取快速、高效,可減少浪費,節省能源等。此法同UAE法一樣,確實改進了傳統的精油提取工藝,但是卻只是作為一種輔助提取手段,使用時需與其他技術聯用才能發揮其理想的提取效果。

1.2.7 生物酶制劑輔助提取法 生物酶制劑輔助提取法是利用酶解反應破壞植物組織細胞壁結構,使得組織細胞內的有效成分溶出于溶劑中,從而達到提取目的的一種新型植物精油提取方法。Passos等[30]對用酶預先處理過的葡萄籽進行精油提取,精油提取率達到13.7%,與沒有酶處理的樣品相比,發現精油提取率提高了106%。研究還發現,葡萄籽經酶處理的時間越長,其精油得率越高。

生物酶制劑輔助提取法中所采用的生物酶(例如纖維素酶、果膠酶等)能在溫和條件下分解植物組織,可節省提取時間、提高得率、減少破壞有效成分,然而由于生物酶的價格成本較高且現有酶解技術不能完全破壞原料的細胞壁,以致難以大規模地用于工業生產中[30]。

1.2.8 其他新型提取方法 除上述植物精油新型提取方法外,還出現了一些不斷探索研究的其他新型提取方法,如超聲強化亞臨界水提取法[31]、微膠囊雙水相萃取法[17]等,這些新型提取方法具有提取時間短、提取精油質量好的優點,但成本較高,所以未大規模地應用于實際生產中,目前較多地應用于實驗室研究中。將來為獲得高質量的植物精油,多種提取方法聯用會是精油提取領域里發展的方向。

2 植物精油的檢測分析方法及主要組成成分研究

2.1 植物精油的檢測分析方法

植物精油的組成成分結構復雜多樣,很難采取簡單的檢測分析方法來對其定性及定量,往往需要靈敏度高的檢測分析方法。目前植物精油的檢測分析方法有高效液相色譜法(HPLC)、氣相色譜-質譜聯用法(GC-MS)、薄層色譜法(TLC)、超臨界流體色譜法(SFC)等[8,32-34],其中GC-MS分離能力強、分析速度快、靈敏度高、選擇性良好,且能確定精油的組成成分及分子結構,因此常常被用于植物精油中主要組成成分的定性和定量分析。胡椒(PiperaduncumL.)精油經GC-MS分析,被鑒定出90種不同的組成成分,確定其中的主要成分為樟腦(17.1%)、綠花白千層醇(14.5%)和薄荷酮(23.7%)[9]。

2.2 植物精油的主要組成成分

植物精油的組成成分十分復雜,與其種類、生長環境、采收時節、提取部位、提取方法等密切相關,且其組成成分差異也較大[35]。盡管植物精油中的組成成分較為復雜,但是大體可分為萜類化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物和含氮含硫化合物四大類。

2.2.1 萜類化合物 萜類化合物是植物精油中最為常見、含量最高的組成成分,含量所占比例在70%以上,有的甚至超過了85%,主要包括單萜(如橙花醇、香茅醇、薄荷醇等)、倍單萜(如橙花叔醇、杜松醇、欖香醇等)和雙萜(如植醇、維生素A醇等)[36]。Oliveira等[37]采用GC-MS對胡椒葉(PiperaduncumL.)精油進行分析,鑒定出22種不同的組成成分,發現其中大部分的組成成分為萜類物質。

2.2.2 芳香族化合物 芳香族化合物是植物精油中僅次于萜類化合物的第二大類組成成分,主要是醛類、醇類及酚類(如芐醇、乙酸酯、丁香酚、桂皮醛等)、萜源衍生物(如百麗香草酚、α-姜黃烯等)和苯丙烷類衍生物(如欖香素、歐細辛醚等)[38]。文獻資料顯示,這些芳香族化合物常存在于百里香、肉桂、丁香等植物精油中[6,16]。

2.2.3 脂肪族化合物 脂肪族化合物幾乎存在于所有的植物精油中,但是卻是含量極低的一類組成成分,多存在于植物果實中,如橘子精油、檸檬精油中的異戊醛、沙棘精油中的乙酸乙酯、黃柏果實精油中的甲基壬基酮等[38]。有文獻資料顯示,異戊醛和異戊酸這兩種脂肪族化合物在植物精油的組成成分中最為常見[39]。

2.2.4 含氮含硫化合物 含氮含硫化合物主要存在于植物香辛料精油中,一般具有強烈辛辣氣味。此類成分在植物精油中以含硫化合物居多,如大蒜頭精油中的大蒜素、洋蔥精油中的三硫化合物、辣椒及芥末精油中的異硫氰酸酯等[22,36]。另外,也存在少量的含氮化合物,如檸檬精油中的吡咯[40]。

3 植物精油的功能特性

植物精油具有多種功能特性,包括抗氧化、抑菌、抗癌抑瘤、保鮮、驅蚊滅蟲等作用,廣泛應用于食品、化妝品、醫藥、農業等領域。

3.1 抗氧化作用

植物精油是一種天然抗氧化劑,其抗氧化作用機理可分為兩種,一種是直接抗氧化作用,另一種是間接抗氧化作用[36]。植物精油具有抗氧化的作用,主要原因是其中含有豐富的酚類物質,其抗氧化的方式有清除自由基、螯合金屬離子、調節抗氧化酶和抑制細胞脂質過氧化這四種。

目前,國內外眾多學者的研究都表明植物精油具有抗氧化作用。Bouchekrit等[10]發現,從E.asclepium(L.)中提取的精油具有較強的抗氧化能力,其抗氧化能力接近BHA的4倍。此外還有研究發現,從紫蘇不同部位提取的精油均具有一定的抗氧化能力,紫蘇葉精油清除DPPH自由基的能力(清除率為69.10%)較強,紫蘇籽精油清除羥自由基的能力(清除率為79.11%)較強[41]。

3.2 抑菌作用

植物精油是一類植物的次生代謝物質,具有廣譜抑菌作用。抑菌機理在于精油及其組成成分作用于微生物的細胞膜,使膜結構遭到破壞而損傷,從而膜透性增加,導致細胞內的離子和內含物外泄,或是微生物的酶系統受到破壞,致使細胞死亡[32,42]。有研究發現,植物精油中的萜類物質和酚類化合物在抑菌作用中貢獻巨大,其中萜類物質可使微生物細胞壁脂質結構受損,進而破壞微生物細胞膜結構,致使細胞質外泄,細胞裂解導致其死亡[43];酚類物質通過破壞微生物的細胞膜而使細胞膜功能受損、細胞內物質外泄,最終導致微生物死亡[32]。

植物精油是一種天然抑菌劑,其主要成分作為防腐劑可起到較好的防腐抑菌效果,對多種真菌和細菌均有抑制效果。近年來,國內外研究者在植物精油抑菌這一方面進行了大量的研究。Memariani等[11]研究發現,大西洋黃連木精油中的成分α-蒎烯對幽門螺桿菌具有抑制作用;Bouchekrit等[10]發現從E.asclepium(L.)中提取的精油中,各組成成分相互作用可抑制酵母菌、革蘭氏陰性菌(大腸桿菌)和革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌、藤黃微球菌、醋樣芽孢桿菌)的生長。

3.3 抗癌抑瘤作用

植物精油對多種癌細胞和瘤細胞可起到抗癌抑瘤的作用,這一過程相當復雜,其作用機理還尚未研究透徹。普遍認為,植物精油能實現抗癌抑瘤是通過誘導癌細胞和瘤細胞凋亡。有研究發現,大蒜精油中的大蒜素可能通過調節Bax和Bcl-2兩個基因的表達比例,誘導人結腸癌HT-29細胞的凋亡,進而抑制癌細胞的增殖達到抑制結腸癌的目的[44]。另外,還有研究發現,誘導癌細胞及腫瘤細胞凋亡的作用途徑有很多條,而且同一種精油成分誘導的不同癌細胞凋亡的作用途徑存在差異[45]。

目前研究已表明,不同植物精油對肺癌、肝癌、結腸癌、腦癌甚至是白血病等都具有抑制能力[46]。此外,植物精油還能有效地消除某些致癌物質,如亞硝酸鹽等,在一定程度上可預防癌癥[47]。近年來的研究發現,檸檬香茅、鼠尾草、澤蘭蒿、薰衣草、野芹菜、橘皮、楊梅葉等19種植物精油均具有抗癌抑瘤作用,其中具有抗癌抑瘤作用的功效成分主要有檸檬烯、β-欖香烯、薄荷醇、廣藿香醇、百里酚、丁香酚、檸檬醛、β-石竹烯及其氧化物[48]。

3.4 保鮮作用

果蔬、肉制品、水產品等食品經植物精油浸蘸、熏蒸、噴灑或與保鮮紙及涂膜劑等載體相結合的方式處理之后,貯藏過程中保鮮效果明顯,原因是植物精油可抑制采后果蔬、肉品等在貯藏保鮮過程中的病原微生物的生長,還能增強它們的抗氧化能力及抗病性。近年來,大多數的國內外研究者使用植物精油處理果蔬(如枇杷、青椒等)[39,49]、肉品(如豬肉)[12]等,最終發現保鮮效果良好。此外,植物精油還能起到延長其他食品貨架期的作用。例如,Koutsouman等[50]的研究表明,魚籽醬、鮭魚片等高脂肪含量的食物經牛至精油處理之后能很好地保存下來,保存時間為半個月左右。Nielsen等[51]在裸麥面包和熱狗面包的氣調包裝中添加適量的植物精油,發現其貨架期明顯延長。

3.5 驅蚊滅蟲作用

多種植物精油對蚊蟲具有毒殺、趨避、引誘、拒食及抑制生長發育的作用,具有高效低毒的特點,其使用可減少化學農藥對人體及環境造成的危害和污染[7]。目前,國內外學者在植物精油的驅蚊滅蟲作用方面投入了大量精力,研究發現植物精油可殺滅麩皮中的玉米象(Sitophiluszeamais)[52]、玉米中的谷蠹(Rhizoperthadominica)[53]等害蟲。此外,還對黑翅土白蟻[54]、白紋伊蚊和致倦庫蚊[55]等蚊螨具有毒殺、觸殺、趨避等作用。

3.6 其他功能特性

植物精油除了上述的功能特性以外,還具有防治心血管疾病、抗病毒、消炎、鎮痛、鎮靜、治療痛經、解痙等[45-56]作用。隨著眾多研究者的深入研究,植物精油的很多未曾被發現的功能特性必將被探尋出來,從而為食品、醫藥、農業等領域發展提供更為便利的條件。

4 結論與展望

目前,盡管植物精油的提取方法較多,但是大多是采用單一的方法來進行提取,未來多種提取方法聯合使用將會備受關注,且探尋一種高效、簡便、環保的提取方法并適用于所有植物精油的提取將會是未來一個重要的研究方向。此外,當下眾多檢測技術及研究者也已獲得植物精油中的主要組成成分且也已知悉其生物功能特性,但是卻并未明確具體是何種組成成分具有何種生物功能特性,這可作為植物精油研究者未來研究的重點?？傊?植物精油作為一種天然產物,具有來源廣、高生物活性、低毒等優點,今后必將在食品、化妝品、醫藥、環保等行業中的開發應用迎來更加廣闊的空間。