超声辅助乳化微萃取-气相色谱-质谱法分析草豆蔻芳香水中化学成分 叶志勇1,李祖光1,*,邓丰涛2,敬 刚1,王 芳1 (1.浙江工业大学化学工程与材料学院,浙江 杭州 310014;2.聚光科技(杭州)股份有限公司,浙江 杭州 310052)
摘 要:采用聚乙烯材质的一次性巴斯德吸管为萃取装置,以密度小于水的正己烷为萃取剂,建立低密度溶剂超声辅助乳化微萃取结合气相色谱-质谱分析草豆蔻芳香水中化学成分的方法。通过考察萃取溶剂类型、萃取溶剂体积和超声时间等因素对草豆蔻芳香水中所鉴定出的4个主要成分萃取率的影响,确定最佳萃取条件为:80μL正己烷、1mL芳香水、超声10min。通过气相色谱-质谱进行定性分析,草豆蔻芳香水中共鉴定出52种物质,主要化合物有桉油精(28.06%)、3-苯基-2-丁酮(22.69%)、肉桂酸甲酯(9.34%)、α-松油醇(7.51%)、芳樟醇(4.48%)、龙脑(4.11%)、 关键词:超声辅助乳化微萃取;低密度有机溶剂;气相色谱-质谱法;芳香水;草豆蔻
Ultrasound-Assisted Emulsification Microextraction Combined with Gas Chromatography-Mass Spectrometry
YE Zhi-yong1,LI Zu-guang1,*,DENG Feng-tao2,JING Gang1,WANG Fang1 (1. College of Chemical Engineering and Materials Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2. Focused Photonics (Hangzhou) Inc. Hangzhou 310052, China)
Abstract:A novel method using a polyethylene Pasteur pipette, ultrasound-assisted emulsification microextraction (USAEME) with low density organic solvent (n-hexane) was successfully developed for the analysis of chemical constituents in aromatic water from Alpinia katsumadai Hayata by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Factors affecting the extraction process, such as the type and volume of extraction solvents and extraction time, were optimized. The optimum extraction conditions were found as follows: extraction of 1 mL of aromatic water with 80 μL of n-hexane for 10 min. Meanwhile, 52 volatile compounds were identified in this study, with eucalyptol (28.06%), 3-phenyl-2-butanone (22.69%), methyl cinnamate (9.34%), α-terpineol (7.51%), linalool (4.48%), borneol (4.11%), 4-terpineol (3.40%) and myrtenol (3.77%) being the major volatile compounds in the aromatic water. The USAEME technique proved to be a simple, efficient, cheap and environment-friendly method for the determination of chemical components in the aromatic water. Key words:ultrasound-assisted emulsi?cation microextraction (USAEME);low density organic solvent;gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS);aromatic water;Alpinia katsumadai Hayata 中图分类号:O657.63 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2013)24-0208-05 doi:10.7506/spkx1002-6630-201324043 草豆蔻(Alpinia katsumadai Hayata)又称草寇仁等,是姜科山姜属植物草豆蔻的干燥近成熟种子,其性温,味辛辣,具有祛寒燥湿、温胃止呕的功效。草豆蔻既可以入药也可作为香料,已在食品烹饪和加工中普遍使用。如草豆蔻可与花椒、八角和肉桂等配合使用,可去除鱼、肉等食品的异味,增加菜肴的香味[1]。草豆蔻主要化学成分为黄酮类和挥发油。植物挥发油中的一些化学成分在水中能少量溶解而使其水溶液具有该挥发油特有的香气与功用,这类芳香挥发性物质的饱和或近饱和水溶液即芳香水[2]。目前,关于草豆蔻挥发油中挥发性成分的研究已有报道[3-7],但未见关于其芳香水的研究报道。 Regueiro等[8]于2008年首次提出超声辅助乳化微萃取技术,该技术结合了分散液-液微萃取和超声辅助液-液萃取的优点,通过超声使萃取剂形成细小的乳化液滴,极大地增大了水相与萃取相之间的传质接触面积,同时超声又能加速目标分析物从水相到萃取相的质量传递[9],因此超声辅助乳化微萃取技术是1种高效、简单、快速、廉价和富集倍数高的样品前处理技术。目前该技术已成功应用于农药[10-14]、多环芳烃[9,15]、邻苯二甲酸酯[16]、苯酚类[17-18]、氯苯胺[19]、植物精油[20]等化合物的测定。本研究采用微波辅助水蒸气蒸馏萃取技术提取草豆蔻芳香水,再以密度小于水的轻质溶剂为萃取剂、聚乙烯材质的一次性巴斯德吸管为萃取装置的超声辅助乳化微萃取技术,萃取草豆蔻芳香水中的挥发性成分,并优化了微萃取条件,为草豆蔻资源利用和开发提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 材料与试剂 草豆蔻(广东) 购于杭州九洲大药房。 甲苯(分析纯) 衢州巨化试剂有限公司;正己烷(分析纯) 上海凌峰化学试剂有限公司;环己烷(分析纯) 杭州双林化工试剂厂产品;无水硫酸钠(分析纯) 上海试四赫维化工有限公司;超纯水 美国Millipore公司;用于测定保留指数的正构烷烃系列标准样品C6~C18 美国Accustandard公司。 1.2 仪器与设备 GC2000-Mars6100气相色谱-质谱联用仪(配有电子轰击离子源) 聚光科技(杭州)股份有限公司;XH-100A型微波催化合成/萃取仪 北京祥鹄科技发展有限公司;KQ-50E型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;TGL-16C离心机 上海安亭科学仪器厂;AL 204电子分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;5mL巴斯德吸管 姜堰市康泰医疗器材厂。 1.3 方法 1.3.1 微波辅助水蒸汽蒸馏萃取草豆蔻芳香水 准确称取50g已粉碎的草豆蔻于500mL圆底烧瓶中,加入120mL蒸馏水,静置浸泡30min,设置微波萃取温度为103℃,萃取时间为40min,初始设定微波功率为600W,待温度升至80℃后改微波功率为400W,采用微波辅助水蒸气蒸馏萃取草豆蔻芳香水,收集草豆蔻芳香水于样品顶空瓶中,密封后保存于冰箱中待分析。 1.3.2 超声辅助乳化微萃取条件优化 本实验研究了萃取剂(甲苯、环己烷和正己烷)、萃取体积(70、80、90、100、120μL)、萃取时间(6、8、10、12min)对主要物质萃取效果的影响。初步实验采用1mL芳香水,用水稀释至4mL,加入100μL萃取剂,超声10min。 1.3.3 超声辅助乳化微萃取步骤 准确移取1mL草豆蔻芳香水于5mL巴斯德吸管中,再加3mL超纯水和80μL正己烷,超声10min使其充分乳化,然后8000r/min离心破乳15min,取出巴斯德吸管,轻轻挤压吸管并使正己烷相于吸管窄颈处,用微量进样针收集上层正己烷相至有含有少量无水Na2SO4的PCR管中,除水后取1μL进行气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)分析。
●目标待测物;A.注入芳香水和萃取剂;B.超声 图 1 超声辅助乳化微萃取步骤 Fig.1 Scheme of USAEME: (A) Injection of aromatic water and extraction solvent; (B) Ultrasonication for 10 min; (C) Centrifugation for phase separation; (D) Collection of the organic extract after squeezing of pipette 1.3.4 GC-MS分析条件 1.3.4.1 色谱条件 色谱柱:RTX-5石英毛细管柱(30m×0.25mm,0.25µm);进样口温度250℃;升温程序:40℃保持3min,以5℃/min升温至90℃,保持1min,再以3℃/min升温至250℃,保持5min;载气为氦气(99.999%);流量为0.8mL/min;进样量1.0µL;分流比20:1。 1.3.4.2 质谱条件 电子轰击离子源;电子能量70eV;离子阱温度180℃;歧管温度为50℃;传输线温度250℃;质量扫描范围m/z 45~550;扫描速率3scans/s;溶剂延迟10min。 1.3.5 定性和定量分析 总离子流图中各质谱图,利用NIST及Wiley 2个谱库串联检索,同时采用保留指数和参考文献来辅助质谱检索定性;定量分析结果依据总离子流色谱峰的峰面积归一化法来计算各组分的相对含量。 2 结果与分析 2.1 超声辅助乳化微萃取条件优化 2.1.1 萃取溶剂的选择 对于使用低密度溶剂超声辅助乳化微萃取来说,萃取剂应该满足以下条件:1)在样品溶液中溶解度低;2)对目标分析物的萃取能力强以确保有高的富集倍数;3)在超声条件下能形成良好的乳化效果;4)低蒸汽压以防止挥发;5)具有良好的色谱行为且与分析仪器兼容;6)密度比水小。一般常用低密度溶剂有甲苯、环己烷、正己烷、正辛醇、正十一醇、异辛烷等。鉴于正十一醇由于溶剂延迟会掩盖很多目标物的峰,而正辛醇黏度比较大,因此本实验采用甲苯、环己烷和正己烷作为萃取剂进行优化。不同萃取剂对总离子流图影响见图2。从图2可知,这3种不同溶剂萃取出的主要成分基本相同。从色谱峰形和萃取能力等因素综合考虑,本实验选择正己烷作为萃取溶剂。
图 2 萃取剂类型对样品总离子流图的影响 Fig.2 Effect of extraction solvents on TIC of samples 2.1.2 萃取溶剂体积的影响 萃取剂体积是影响目标分析物响应信号的重要参数。当萃取剂体积使用量少,可获得较高的富集倍数并减少对环境的污染,但同时需确保上层有机相有足够量的体积以便于收集。如图3所示,当正己烷体积为70~80μL时,峰面积随着体积增加而增加;而当正己烷体积大于80μL时,峰面积随着体积增加而减少,这是因为随着正己烷体积增加,稀释作用占主导作用[11-12]。因此,本实验选择正己烷萃取溶剂的体积为80μL。
图 3 溶剂体积对萃取的影响 Fig.3 Effect of extraction solvent volume on the extraction efficiency 2.1.3 萃取时间的影响 超声能加速目标分析物从水相到萃取相的质量传递,同时还能减小萃取剂微滴的尺寸以增加萃取相与水相的接触面积,从而提高萃取效率。萃取时间是指水相溶液中加入萃取剂,从超声开始到超声结束所需要的时间。如图4所示,初始峰面积随着超声时间延长而增加;当超声时间大于8min时,峰面积减少。若超声时间过短,萃取剂没有完全形成细小的颗粒均匀的分散在水相溶液中,乳化作用不充分;但超声时间过长,则溶液乳化状态不稳定,溶液易分层,破坏萃取平衡,从而降低了萃取效率。因此选择超声时间为10min。
图 4 萃取时间对萃取的影响 Fig.4 Effect of extraction time on the extraction efficiency 2.2 草豆蔻芳香水中挥发性化合物的分析
图 5 草豆蔻芳香水总离子流色谱图 Fig.5 TIC of aromatic water from Alpinia katsumadai Hayata 按上述实验条件对草豆蔻芳香水中挥发性化合物进行测定,得到总离子流色谱图,见图5。 采用质谱检索与保留指数结合的二维定性方法,草豆蔻芳香水中共鉴定出52种化合物,定性结果及相对含量见表1。 表 1 草豆蔻芳香水中化学成分的GC-MS鉴定结果及 Table 1 Identification of major chemical components and their contents in aromatic water from Alpinia katsumadai Hayata
注:*.谱库检索所得。
由表1可知,草豆蔻芳香水的主要化学物质及其相对含量为:桉油精(28.06%)、3-苯基-2-丁酮(22.69%)、肉桂酸甲酯(9.34%)、α-松油醇(7.51%)、芳樟醇(4.49%)、龙脑(4.11%)、桃金娘烯醇(3.77%)、4-松油醇(3.40%)、柠檬醛(1.88%)、樟脑(1.85%)、反式-苄叉丙酮(1.80%)、顺式-金合欢醇(1.19%)等52种化合物。从化合物结构分,醇类有23种,占28.09%;醚类有3种,占28.40%;酮类有7种,占26.95%;酯类有8种,占11.18%;醛类有3种,占2.53%;烃类有7种,占2.45%;酚类1种,占0.40%。张力等[4]运用乙醚提取草豆蔻化学成分,从中鉴定出主要成分为棕榈酸、桉油精、1-甲基-2-(1-甲基乙基)苯、3-苯基-2-丁酮等;于萍等[5]从草豆蔻挥发油中鉴定出金合欢醇、桉油精、3-苯基-2-丁酮等主要成分;晏小霞等[6]从草豆蔻果壳挥发油中鉴定出桉油精、4-松油醇、对-聚伞花素等主要成分。草豆蔻芳香水的主要化学成分(如桉油精等)与文献报道的草豆蔻挥发油的主要化学成分基本一致,但也存在一定的差异,这主要是由于文献报道的是草豆蔻挥发油中的化学成分,而本实验研究的是草豆蔻芳香水中的化学成分。此外,不同的产地、气候等因素也对草豆蔻化学成分有一定的影响。桉油精广泛存在于天然芳香油中,常用作香料和防腐剂,也可用于医学,具有解热、消炎、抗菌、防腐、平喘及镇痛作用;肉桂酸甲酯可用于定香剂或食用香精,同时也可作为有机合成中间体。松油醇具有紫丁香气味,其中α-松油醇是调配紫丁香型香精的主剂,而4-松油醇不但具有抗痉挛作用还在害虫抗性治理中具有潜在的应用价值[6];芳樟醇也是其中含量较高的组分之一,它广泛存在于植物精油中,其沸点198℃,是一种重要的香料成分,具有铃兰花香气味和抗菌、抗病毒等功效[21-22]。因此,草豆蔻芳香水具有广泛的应用前景,可进行深度开发。 3 结 论 本研究运用基于聚乙烯材质的一次性巴斯德吸管和低密度溶剂的超声辅助乳化微萃取技术结合气相色谱-质谱成功分析了草豆蔻芳香水中的化学成分。萃取剂使用密度比水小的正己烷,降低毒性伤害和环境污染;同时萃取装置使用一次性巴斯德吸管,避免了交叉污染。从草豆蔻芳香水中鉴定出桉油精、3-苯基-2-丁酮、肉桂酸甲酯、α-松油醇、芳樟醇、龙脑、桃金娘烯醇、4-松油醇、柠檬醛、樟脑、反式-苄叉丙酮、顺式-金合欢醇等52种化合物,这为全面了解草豆蔻成分、更好地开发我国草豆蔻资源提供了科学依据。 参考文献: [1] 甘炳春. 草豆蔻的栽培与利用[J]. 资源开发与市场, 2005, 21(2): 144-145. [2] 叶开富, 刘布鸣, 苏小川, 等. 茶树油芳香水的化学成分分析[J]. 广西科学, 2008, 15(2): 173-175. [3] WANG Xiaobing, YANG Changshui, HUA Shuzhen, et al. Chemical constituents from the seeds of Alpinia katsumadai Hayata[J]. Chinese Journal of Natural Medicines, 2010, 8(6): 419-421. [4] 张力, 包玉敏, 杨利青, 等. 草豆蔻化学成分的GC/ MS研究[J]. 内蒙古民族大学学报: 自然科学版, 2006, 21(5): 502-504. [5] 于萍, 崔兆杰, 邱琴, 等. 草豆蔻挥发油化学成分的GC/MS研究[J]. 中国现代应用药学杂志, 2002, 19(2): 135-137. [6] 晏小霞, 王茂媛, 王祝年, 等. 草豆蔻鲜果壳挥发油的化学成分分析[J]. 植物资源与环境学报, 2010, 19(3): 94-96. [7] 林敬明, 许寅超, 郑玉华, 等. 超临界CO2流体萃取草豆蔻挥发油成分分析[J]. 中药材, 2000, 23(2): 87-91. [8] REGUEIROA J, LLOMPART M, GARCIA-JARES C, et al. Ultrasound-assisted emulsification microextraction of emergent contaminants and pesticides in environmental waters[J]. Journal of Chromatography A, 2008, 1190(1/2): 27-38. [9] SALEH A, YAMINI Y, FARAJI M, et al. Ultrasound-assisted emulsification microextraction method based on applying low density organic solvents followed by gas chromatography analysis for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in water samples[J]. Journal of Chromatography A, 2009, 1216(39): 6673-6679. [10] SU Yisong, JEN J. Determination of organophosphorous pesticides in water using in-syringe ultrasound-assisted emulsi?cation and gas chromatography with electron-capture detection[J]. Journal of Chromatography A, 2010, 1217(37): 5043-5049. [11] WEI Shuoyang, LEONG M I, LI Yee, et al. Development of liquid phase microextraction based on manual shaking and ultrasound-assisted emulsification method for analysis of organochlorine pesticides in aqueous samples[J]. Journal of Chromatography A, 2011, 1218(51): 9142-9148. [12] ZHANG Yufeng, LEE H K. Application of ultrasound-assisted emulsification microextraction based on applying low-density organic solvent for the determination of organochlorine pesticides in water samples[J]. Journal of Chromatography A, 2012, 1252: 67-73. [13] WU Qiuhua, CHANG Qingyun, WU Chunxia, et al. Ultrasound-assisted surfactant-enhanced emulsification microextraction for the determination of carbamate pesticides in water samples by high performance liquid chromatography[J]. Journal of Chromatography A, 2010, 1217(11): 1773-1778. [14] WU Chunxia, LIU Ning, WU Qiuhua, et al. Application of ultrasound-assisted [15] CHENG Jing, MATSADIQ G, LIU Lu, et al. Development of a novel ultrasound-assisted surfactant-enhanced emulsification microextraction method and its application to the analysis of eleven polycyclic aromatic hydrocarbons at trace levels in water[J]. Journal of Chromatography A, 2011, 1218(18): 2476-2482. [16] KAMAREI F, EBRAHIMZADEH H, YAMINI Y. Optimization of ultrasound-assisted emulsification microextraction with solidification of floating organic droplet followed by high performance liquid chromatography for the analysis of phthalate esters in cosmetic and environmental water samples[J]. Microchemical Journal, 2011, 99(1): 26-33. [17] SHU Mingwei, LEONG M I, FUH M, et al. Determination of endocrine-disrupting phenols in water samples by a new manual shaking-enhanced, ultrasound-assisted emulsification microextraction method[J]. Analyst, 2012, 137(9): 2143-2150. [18] CHUNG R, LEONG M I, HUANG Shangda. Determination of nitrophenols using ultrahigh pressure liquid chromatography and a new manual shaking-enhanced, ultrasound-assisted emulsification microextraction method based on solidification of a floating organic droplet[J]. Journal of Chromatography A, 2012, 1246: 55-61. [19] RAMKUMAR A, PONNUSAMY V, JEN J. Rapid analysis of chlorinated anilines in environmental water samples using ultrasound assisted emulsification microextraction with solidification of floating organic droplet followed by HPLC-UV detection[J]. Talanta, 2012, 97: 279-284. [20] SERESHTI H, ROHANIFAR A, BAKHTIARI S, et al. Bifunctional ultrasound assisted extraction and determination of Elettaria cardamomum Maton essential oil[J]. Journal of Chromatography A, 2012, 1238: 46-53. [21] LI Zuguang, LEE M, SHEN Delong. Analysis of volatile compounds emitted from fresh Syringa oblata flowers in different florescence by headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry[J]. Analytica Chimica Acta, 2006, 576(1): 43-49. [22] 李祖光, 曹慧, 刘力, 等. 紫丁香鲜花香气化学成分的研究[J]. 浙江林学院学报, 2006, 23(2): 159-162. 收稿日期:2012-11-26 基金项目:浙江省科技厅钱江人才基金资助项目(2010R10044);浙江省重点科技创新团队项目(2010R50018-06); 国家人力资源与社会保障部2011年度留学人员科技活动择优资助(优秀类)项目(2011443); 浙江省本科院校中青年学科带头人学术攀登项目(Pd2013016) 作者简介:叶志勇(1988—),男,硕士研究生,研究方向为分析化学。E-mail:yezhiyong19881004@126.com *通信作者:李祖光(1971—),男,教授,博士,研究方向为分析化学。E-mail:lzg@zjut.edu.cn |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||