超临界CO2萃取-气相色谱-质谱分析植物精油成分——仪器分析综合实验教学改革

doi:10.3866/PKU.DXHX202309069

摘要/Abstract

摘要：

气相色谱-质谱分析植物精油成分是我院“现代化学实验与技术(仪器分析部分)”的本科综合实验，以往采用水蒸气蒸馏法提取植物精油，存在提取率低、溶剂残留、工艺时间长等问题。超临界CO₂萃取是先进的绿色萃取技术，对于天然产物中有效成分提取有较大优势。本实验通过超临界CO₂萃取提取柑橘精油，并与传统水蒸气蒸馏法比较，共提取精油成分106个组分，各类成分相对含量从高到低的顺序是萜烯、醛、酸、酯、酮和醇类，其中萜烯类成分为89.55%。采用超临界CO₂萃取技术处理样品，可以让学生了解更多新型样品前处理技术，提高学生的实验技能、研究和创新思维，减少实验时间，减少有毒试剂使用，进行绿色实验教学。

关键词: 植物精油, 超临界CO₂萃取, 气相色谱-质谱, 综合实验

Abstract:

The analysis of plant essential oil components using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) serves as an integral component of modern chemical experiment and technology (instrumental analysis part) for undergraduates in our college. The conventional approach of steam distillation for extracting plant essential oil suffers from limitations such as low extraction rate, solvent residue and extended processing time. Supercritical CO₂ extraction, an advanced green extraction technology, offers considerable advantages for the isolation of bioactive constituents from natural plants and animals. In this experiment, citrus essential oil was extracted using supercritical CO₂ extraction and compared with traditional steam distillation method. A total of 106 essential oil components were isolated using supercritical CO₂ extraction, with the following distribution in terms of relative content: terpenes, aldehydes, acids, esters, ketones and alcohols, among which terpenes accounted for 89.55%. The incorporation of supercritical CO₂ extraction technology into the laboratory syllabus not only enriches students' understanding of advanced sample preparation methods but also enhances their practical skills, research acumen, and innovative thinking. Furthermore, this technology streamlines experiment timeline, reduces the use of hazardous reagents, and promotes green experiment teaching.

Key words: Plant essential oil, Supercritical CO₂ extraction, Gas chromatography-mass spectrometry, Comprehensive experiment

曾尊祥, 胡玉玲, 胡玉斐, 肖华. 超临界CO₂萃取-气相色谱-质谱分析植物精油成分——仪器分析综合实验教学改革[J]. 大学化学, 2024, 39(3): 274-282.

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链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202309069

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2024/V39/I3/274

图/表 10

表1

图1

表2

表3

表4

图2

图3

表5

超临界CO2萃取、水蒸气蒸馏提取精油和市售柑橘精油成分比较"

序号	化合物名称	分子式	相对含量(%)
序号	化合物名称	分子式	SFE法	水蒸气法	市售精油
1	β-月桂烯	C₁₀H₁₆	0.84	0.32	1.08
2	辛醛	C₈H₁₆O	– *	0.29	–
3	d-柠檬烯	C₁₀H₁₆	83.57	26.16	77.99
4	1-辛醇	C₈H1₈O	–	1.34	–
5	芳樟醇	C₁₀H₁₈O	–	2.81	–
6	(4R)-1-甲基-4-(1-甲基乙烯)-2-环己烯-1-醇	C₁₀H₁₆O	–	2.89	–
7	柠檬烯环氧化物	C₁₀H₁₆O	–	4.79	–
8	(+)-(E)柠檬烯氧化物	C₁₀H₁₆O	0.31	–	–
9	β-环氧蒎烷	C₁₀H₁₆O	–	0.42	–
10	4-萜烯醇	C₁₀H₁₈O	–	0.39	–
11 12	α-松油醇 2-甲基-5-(1-甲基乙烯基)环己酮	C₁₀H₁₈O C₁₀H₁₆O	– –	1.38 0.91	– –
13	3-甲基-6-(1-甲基乙烯基)-2-环己烯-1-醇	C₁₀H₁₆O	–	1.29	–
14	反-2-甲基-5-(1-甲乙基)-环己酮	C₁₀H₁₆O	–	1.22	–
15	2-甲基-5-(1-甲基乙烯基)-2-环己烯-1-醇，顺式	C₁₀H₁₆O	–	2.45	–
16	癸醛	C₁₀H₂₀O	1.03	–	–
17	乙酸，辛基酯	C₁₀H₂₀O₂	0.43	–	–
18	[2-甲基-2-(4-甲基-3-戊烯基)环丙]-甲醇	C₁₁H₂₀O	–	0.97	–
19	香芹醇	C₁₀H₁₆O	–	0.35	–
20	香芹酮	C₁₀H₁₄O	–	5.11	–
21	3-甲基-6-(1-甲基乙烯基)-2-环己烯-1-酮，(S)-	C₁₀H₁₄O	–	3.67	–
22	L-紫苏醛	C₁₀H₁₄O	0.18	1.51	–
23	1(7), 8(10)-对薄荷二烯-9-醇	C₁₀H₁₆O	–	0.41	–
24	紫苏醇	C₁₀H₁₆O	–	1.6	–
25	2-甲氧基-4-乙烯基苯酚	C₉H₁₀O₂	–	0.66	–
26	乙酸香茅酯	C₁₂H₂₂O₂	0.33	–	–
27	1-甲基-4-(1-甲基乙烯基)环己烷-1, 2-二醇	C₁₀H₁₈O₂	0.26	–	–
28	顺-3, 7-二甲基-2, 6-辛二烯-1-醇乙酸酯	C₁₂H₂₀O₂	0.31	–	–
29	α-蒎烯	C₁₅H₂₄	0.56	–	–
30	β-蒎烯	C₁₅H₂₄	0.55	–	–
31	乙酸癸酯	C₁₂H₂₄O₂	0.39	–	–
32	十二醛	C₁₂H₂₄O	0.87	–	-
33	(E)-β-金合欢烯	C₁₅H₂₄	0.20	–	–
34	荜澄茄油烯	C₁₅H₂₄	0.39	–	–
35	α-法呢烯	C₁₅H₂₄	1.24	–	–
36	牛儿烯	C₁₅H₂₄	0.29	–	–
37	β-杜松烯	C₁₅H₂₄	1.42	–	–
38	3, 7-环十二烯-1-甲醇，α, α, 4, 8-四甲基-，[s-(Z, Z)]	C₁₅H₂₆O	0.28	–	–
39	3-脱氧-d-甘露糖内脂	C₆H₁₀O₅	–	2.92	–
40	丁香	C₁₀H₁₆	0.18	–	–
41	甜橙醛	C₁₅H₂₂O	0.36	–	–
42	甲位甜橙醛	C₁₅H₂₂O	0.24	–	–
43	诺卡酮	C₁₅H₂₂O	0.80	–	–
44	棕榈酸	C₁₆H₃₂O	1.17	–	–
45	亚油酸	C₁₈H₃₂O	0.32	–	–
46	3′, 4′, 5, 6, 7, 8-六甲氧基黄酮	C₂₁H₂₂O₈	–	–	18.13

表5

表6

表7

参考文献 16

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提取方法	适用对象	方法优点	方法缺点	使用溶剂	实验时间
超临界CO₂萃取	脂溶性、热敏性样品	无溶剂残留、选择性好、工作温度低	成本高，工作压力高	超临界流体CO₂	0.5 h
水蒸气蒸馏	与水不相溶的成分	成本低，操作简单	产品质量差、易分解、水解、溶剂残留、时间长	正己烷、乙酸乙酯、乙醚等	2.5–3 h

仪器名称	型号	厂家
气相色谱-质谱联用仪	7890B-5977	安捷伦科技(中国)有限公司
超临界CO₂萃取仪	Spe-ed SFE-2	美国应用分离公司
静音无油空压机	MDET750-38 L	达尔拓国际集团(中国)有限公司
低温恒温槽	SDC-6	南京宁凯仪器有限公司
电热恒温干燥箱	GZX-DH202-3-S-II	上海贺德实验设备有限公司

试剂名称	规格	厂家
正己烷	AR	广州化学试剂厂
无水乙醇	AR	广州化学试剂厂
无水硫酸钠	AR	广州化学试剂厂
二氧化碳纯度	≥ 99.9%	广州市广气气体有限公司

序号	实验过程	实验内容	完成时间/h	实验学时
1	实验预习	布置预习任务和文献调研，分组讨论	– *	2
2	实验内容介绍	检查学生预习状况，讲解实验背景、意义，样品处理和测试方法，实验内容和实验报告要求等	1	1
3	制作市售精油样品	制作市售精油样品，供比较用	0.5	0.5
4	水蒸气蒸馏法处理样品	用水蒸气蒸馏法提取柑橘精油	2.5–3	3
5	超临界CO₂萃取法处理样品	用超临界CO₂萃取法提取柑橘精油	0.5–1	2
6	样品上机测试和数据处理	用GC-MS分析样品，采集数据和数据处理	4–5	4.5
7	实验报告	每个学生独立以科技论文方式完成实验报告	–	2

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超临界CO₂萃取-气相色谱-质谱分析植物精油成分——仪器分析综合实验教学改革

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升温速率(℃∙min⁻¹)	温度(℃)	保留时间(min)
– *	50	2
12	90	1
8	130	0
11	280	2

样品	全积分的峰/个	样品中各类成分的相对含量(%)
样品	全积分的峰/个	萜烯类	醛类	酸类	酯类	酮类	醇类	酚类
SFE法	106	89.55	2.68	1.49	1.46	0.8	0.54	– *
水蒸气法	65	31.69	1.8	–	2.92	10.91	25.23	0.66
市售精油	16	79.49	–	–	–	18.13	–	–