馬 飛，賴玥華，黃 頌，劉旎璇，段春娜

(贛南師范大學(xué) 地理與環(huán)境工程學(xué)院，江西省城市固廢低碳循環(huán)技術(shù)重點實驗室，江西 贛州 341000)

在中國的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中，金銀花(Lonicera japonica)作為治療普通感冒和發(fā)燒使用已有數(shù)千年的歷史[1].同時，因其獨特的藥用功效和芳香氣味，而被廣泛的應(yīng)用作為茶飲料的原料[2].化學(xué)成分研究表明，金銀花富含有機酸、黃酮類化合物、皂苷、揮發(fā)油和芳香性物質(zhì)[3-6].特別是，揮發(fā)油(揮發(fā)性組分)作為金銀花氣味和發(fā)揮藥理作用的主要組成部分，將其應(yīng)用于茶，食品和香煙等制品，有助于提升香味和口感[7].因此，從金銀花中提取揮發(fā)性成分，并揭示揮發(fā)性成分與氣味之間的關(guān)系具有重要的意義和價值.

從植株中提取揮發(fā)性成分的傳統(tǒng)方法包括，加速溶劑萃取(ASE)、蒸餾提取(SD)和同時蒸餾提取(SDE)[8-11].然而，這些方法在使用時均存在一定的局限性，如過程耗時，操作繁瑣，需使用大量的溶劑等[12].因此，更多先進的萃取技術(shù)被開發(fā)，以達到小溶劑提取，高產(chǎn)量回收的目的[13].例如，超臨界流體萃取(SFE)、加壓液體萃取(PLE)、超聲波輔助萃取(UAE)等[14-18].但是，由于以上設(shè)備投資成本高、技術(shù)操作專業(yè)性強，因此在大范圍推廣應(yīng)用方面受到一定的局限.多級冷凝作為一種操作簡單，成本相對較低的粗分離技術(shù)，應(yīng)用得當可有效降低后續(xù)分離和純化的技術(shù)成本[19].在多級冷凝過程中，依據(jù)樣品蒸氣中各組分不同的物理和化學(xué)特性，熱解的樣品蒸氣將通過系列溫度點的冷凝器被逐級冷凝，達到樣品分離的目的[20].目前，多級冷凝技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)資源富集[21-23].同時，有研究人員發(fā)現(xiàn)利用多級冷凝可以更有效地將生物油中的某些成分分離出來，并提高生物油的品質(zhì)[24-27].多級冷凝技術(shù)因具有溶劑消耗少，操作簡單和回收方便等優(yōu)點，近年來被改進用于分析煙草中的復(fù)雜揮發(fā)性成分，并從中成功的收集到30種重要的與煙草氣味和口感相關(guān)的揮發(fā)性成分[28].

基于以上，本文通過構(gòu)建多級冷凝裝置，優(yōu)化蒸發(fā)溫度、載氣流量和冷凝區(qū)間等參數(shù)，收集到一系列金銀花揮發(fā)性組分，進一步結(jié)合GC-MS分析各組分在多級冷凝裝置中的分布特點并描述其氣味特征.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

QP2010Plus GC-MS(含自動采樣機型號AOC-20I，日本島津公司)；XL-45自增壓液氮罐(泰來華頓，美國)；GBRT-高溫套式恒溫器(上海學(xué)森儀器有限公司)；

金銀花(廣州同仁堂藥房)；500 mL乙醇(分析純)；500 mg乙酸苯乙酯(標準品，百靈威科技有限公司)；1 mg/mL C4-C30烷烴混標(百靈威科技有限公司)；1 000 mL叔丁基甲基醚(99%純度，百靈威科技有限公司).

1.2 實驗裝置

構(gòu)建的多級冷凝裝置同文獻[28]，詳見圖1.該裝置由5個部分組成：冷源、蒸發(fā)器、冷源傳輸線、冷凝器和采樣管.采樣管采用玻璃材質(zhì)(L型設(shè)計結(jié)構(gòu)，長度20 cm)，冷凝器由兩對傳輸板組成(單板尺寸，長×寬×高：1 m×20 cm×1 cm).冷源傳輸線(S形彎曲銅管：內(nèi)徑5.0 mm，長度5.0 m)，位于傳輸板底部，作為冷源傳輸通道.通過改變冷源傳輸線的排列間距，設(shè)計3種不同模型，作為后續(xù)溫度范圍優(yōu)化.(型號1：18.0 cm,16.0 cm,13.0 cm,12.0 cm,9.5 cm,11.0 cm,11.5 cm,10.0 cm,11.0 cm,10.0 cm,10.0 cm,9.5 cm,8.5 cm,8.0 cm,7.0 cm;型號2:18.0 cm,16.0 cm,12.0 cm,12.0 cm,8.0 cm,10.5 cm,12.5 cm,10.5 cm,12.5 cm,8.5 cm,10.0 cm,9.5 cm,11.5 cm,7.5 cm,7.0 cm;型號3:23.5 cm,16.0 cm,15.0 cm,11.5 cm,11.5 cm,9.5 cm,12.0 cm,11.5 cm,14.0 cm,12.5 cm,12.0 cm,10.5 cm,10.0 cm,8.5 cm,7.0 cm,7.0 cm.)

圖1 金銀花揮發(fā)油多級冷凝示意圖

1.3 標準溶液配制

準確稱量0.135 g苯乙酸乙酯于100 mL容量瓶中，并用叔丁基甲基醚(TBME)稀釋至刻度線，配制成濃度為1.35 mg/mL的內(nèi)標溶液.

1.4 樣品捕集流程

取30.0 g金銀花放入蒸發(fā)器，恒溫(150 ℃)加熱蒸發(fā)樣品.采用液氮為冷源，使用自增壓裝置調(diào)整冷凝溫度區(qū)間并保持相對穩(wěn)定.以N2為載氣，以恒定流量1 000 mL/min將蒸發(fā)的金銀花揮發(fā)組分送入多級冷凝器并持續(xù)冷凝30 min，向每根捕集管中加入2.0 mL的乙醇，搖動并充分的溶解后轉(zhuǎn)移1.0 mL至事先準備好的色譜瓶，以備GC-MS分析.

1.5 氣質(zhì)條件

通過氣相色譜-質(zhì)譜儀(GC-MS)對揮發(fā)性組件進行定性分析，RTX-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm；薄膜厚度0.25 μm).程序升溫條件：以2 ℃/min從60 ℃增加到180 ℃，并以5 ℃/min進一步提高到230 ℃(保持15 min).其他設(shè)置條件如下：進樣口溫度為260 ℃，載氣(He)恒定流量為2.0 mL/min，接口溫度為240 ℃；電離：EI70 eV，分流比1∶10，溶劑延遲時間為2.5 min.

2 結(jié)果和討論

2.1 多級冷凝溫度優(yōu)化

為便于考察冷凝溫度對樣品組分多級冷凝影響，穩(wěn)定而寬泛的溫度梯度是前提條件.在冷凝器固定的情況下，冷源的初始溫度和冷源傳輸間隔對冷凝器整體溫度影響較大.以液氮(-196 ℃)為冷源，通過自增壓控制冷源傳輸量維持溫度穩(wěn)定性，研究不同冷源轉(zhuǎn)移間距對溫度梯度的影響，如表1所示.利用溫度傳感器分別測量模式1、模式2和模式3條件下，形成的溫差區(qū)間為：57 ℃、67 ℃和65 ℃.顯然，模式2條件下，形成的溫差區(qū)間更加寬泛.

表1 冷源轉(zhuǎn)移間距對溫度的影響

在以上模式2的條件下，保持冷源傳輸量和冷源傳輸間距不變，平行3次實驗，考察冷凝器溫度區(qū)間的穩(wěn)定性，如表2所示.通過3次平行實驗，冷凝溫度平均偏差為0.43，相對標準偏差為0.85%，說明構(gòu)建的冷凝器溫度區(qū)間相對穩(wěn)定，具有較好的重復(fù)性.

表2 冷凝溫度區(qū)間穩(wěn)定性

2.2 樣品捕集過程

根據(jù)相同溫度下，沸點和飽和蒸汽壓之間的差異，當揮發(fā)性物質(zhì)被引入冷凝器時，各組分在不同溫度點的捕獲管中被逐級凝結(jié)，以達到分離的目的.

2.2.1 樣品蒸發(fā)溫度的影響

樣品揮發(fā)速率和揮發(fā)組分受樣品蒸發(fā)溫度的影響，溫度越高，樣品蒸發(fā)越快，單位時間內(nèi)揮發(fā)性組分越多.但隨著蒸發(fā)溫度增加，部分揮發(fā)性物質(zhì)易發(fā)生熱解，同時維持冷凝所需的冷量消耗也增加.在相同的載氣流量(1 000 mL/min)、相對穩(wěn)定的冷凝溫度區(qū)間(-61 ℃～6 ℃)條件下，分別考察蒸發(fā)溫度為100 ℃、150 ℃和200 ℃時冷凝多級捕集效果.結(jié)果表明，在蒸發(fā)溫度從100 ℃增加至150 ℃時，被冷凝器捕集的揮發(fā)性組分數(shù)量明顯增加，150 ℃時共收集到66種揮發(fā)性組分.但繼續(xù)增加溫度至200 ℃時，揮發(fā)性組分僅增加5種，且代表金銀花的風(fēng)味和香氣成分的含量并未增加.說明采用150 ℃作為蒸發(fā)溫度，不僅能夠獲得金銀花特征揮發(fā)性組分，而且所需的能耗更低，可作為最佳條件使用.

圖2 不同蒸發(fā)溫度下金銀花樣品總離子流圖

2.2.2 載波氣體流量的影響

為探索載氣流量對樣品揮發(fā)性組分多級冷凝的影響，在相同實驗條件下，分別考察600 mL/min和1 000 mL/min的載氣流量下，揮發(fā)性組分在冷凝捕集1#、5#、10#和15#管中被冷凝情況，如圖3所示.當載氣流量較小時(600 mL/min)，揮發(fā)性組分主要集中在前5根冷凝捕集管中，冷凝組分相對集中，多級效果不明顯；載氣流量較大時(1 000 mL/min)，揮發(fā)性組分被多級冷凝到15根冷凝捕集管中，冷凝組分相對分散，更有利于后續(xù)各組分的分離和純化.以上結(jié)果表明，在冷凝溫度一定的情況下，較快的載氣流速更有利于揮發(fā)性組分的傳輸和擴散，有助于各組分在多級冷凝器的多級分離.

圖3 在600 mL/min和1 000 mL/min的載氣流量下，捕集管中樣品組分的總離子色譜

2.3 揮發(fā)性組分物性及分布特征

選擇在蒸發(fā)溫度150 ℃，載氣流量1 000 mL/min，冷凝溫度區(qū)間6 ℃～ -61 ℃條件下，收集各捕集管中揮發(fā)性組分，將收集的樣品取1 μL進GC-MS分析，結(jié)果共分析出66種化合物，主要成分32種，包括：4種有機酸、7種酚類、8種酮類、3種醇類、2種醛類、2種酯類和6種雜環(huán)類化合物.

揮發(fā)性物質(zhì)的分布特征與沸點和飽和壓力有很大關(guān)系，沸點較高的揮發(fā)性物質(zhì)將首先被凝結(jié).丙酸(沸點：414.25 K，飽和壓力：1.33 kPa(39.7 ℃)，相對百分比含量：3.55%)主要被集中冷凝在1#～4#捕獲管.丁酸(沸點：436.65 K，飽和壓力：0.10 kPa(25 ℃)，相對百分比含量：0.75%)主要被冷凝在1#～2#捕獲管.僅在1#捕獲管中檢測到戊酸(沸點：459.65 K，相對百分比含量：1.10%).結(jié)果表明，沸點較高的揮發(fā)性成分在捕獲管中的分布較窄，同時7種酚類酸性有機物，主要分布在1-8#捕集管.例如：丁香酚具有丁香味、鄰苯二酚具有辛辣氣味，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域.此外，酮類和醛類化合物作為重要的揮發(fā)性物質(zhì)也被多級冷凝在不同捕集管.

表3 揮發(fā)性組分的氣味和分布特征

2.4 揮發(fā)性成分粗回收

相較于單級冷阱或二級/三級串聯(lián)冷阱，本文構(gòu)建的多級冷凝裝置可提供更加多樣的溫度點和更廣泛的冷凝區(qū)間.苯甲醛和環(huán)己酮作為金銀花揮發(fā)油中的代表性物質(zhì)，其在香料、有機合成、食品和制藥等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用價值.

如表4和表5所示，苯甲醛和環(huán)己酮分別被該裝置冷凝在1#～12#和1#～8#捕集管.將冷凝捕集管1#、7#、8#和10#內(nèi)組分進行回收，獲得的苯甲醛占總回收組分的57.14%；同理，將冷凝捕集管2#、5#和6#內(nèi)組分進行回收，獲得的環(huán)己酮占回收組分的68.14%.因此，通過以上實驗表明：基于多級冷凝分離，選擇不同捕集管可實現(xiàn)苯甲醛和環(huán)己酮與其他化合物的粗分離和粗回收.

表4 苯甲醛的粗分離

表5 環(huán)已酮的粗分離

3 結(jié)論

通過構(gòu)建一套多級冷凝裝置，獲得穩(wěn)定而寬泛的溫度區(qū)間.在最佳條件下：冷凝溫度范圍在6 ℃～-61 ℃，樣品烘烤溫度150 ℃，載氣流量1 000 mL/min.利用GC-MS從金銀花揮發(fā)油中分析出32種主要組分，其中42.42%物質(zhì)對金銀花香味具有貢獻.同時，采用多級冷凝技術(shù)實現(xiàn)57.14%的苯甲醛和68.14%的環(huán)己酮粗分與回收.該技術(shù)對溫度較敏感的天然產(chǎn)物中揮發(fā)性與半揮發(fā)性物質(zhì)的分離與回收具有潛在的應(yīng)用價值，后續(xù)有望通過工藝和能耗優(yōu)化，發(fā)展成為一種新型的分離回收技術(shù).