基于HS-SPME-GC-MS法分析化橘红中的挥发油成分
Analysis of Volatile Oil Components in Exocarpium Citri grandis Using HS-SPME-GC-MS Method
摘要: 探究化橘红中挥发性成分的种类、相对含量。利用固相微萃取(SPME)两种不同涂层材料,但萃取效果类同的萃取头结合气相色谱–质谱联用技术(GC-MS),对化橘红挥发油进行成分分析,研究发现相对含量最高的三个成分:β-月桂烯、D-柠檬烯与大根香叶烯D。使用两种萃取效果类同的萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)和萃取头65 μm (PDMS)主要是为了确保最后结果的有效性、真实性、稳定性及准确性。固相微萃取的样品前处理技术不需要溶剂,避免了传统提取方法中溶剂残留对分析结果的影响,同时也减少了试验过程中对环境的污染。由于其具有简单、快速、灵敏度高、易于自动化等优点,在化橘红挥发油成分提取中展现出独特优势,提高挥发油的质量和产量,在挥发油成分分析中显示出巨大的潜力。
Abstract: This study investigates the types and relative contents of volatile components in Exocarpium Citri grandis. By utilizing solid-phase microextraction (SPME) with two different coating materials, but with similar extraction efficacy, combined with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), the volatile oil components of Exocarpium Citri grandis were analyzed. The study found that the three components with the highest relative content were β-laurolene, D-limonene, and D-germacrene. The use of two SPME fibers with similar extraction performance, 50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 μm) and 65 μm (PDMS), was primarily to ensure the validity, authenticity, stability, and accuracy of the final results. The sample pretreatment technique of solid-phase microextraction does not require solvents, thereby avoiding the impact of solvent residues on analytical results commonly seen in traditional extraction methods, while also reducing environmental pollution during the experiment. Due to its simplicity, speed, high sensitivity, and ease of automation, SPME demonstrates a unique advantage in the extraction of volatile oil components of Exocarpium Citri grandis, enhancing both the quality and yield of the essential oil, and showing great potential in volatile oil component analysis.
文章引用:张玉良, 冯素勤, 王美娜. 基于HS-SPME-GC-MS法分析化橘红中的挥发油成分[J]. 有机化学研究, 2025, 13(4): 458-466. https://doi.org/10.12677/jocr.2025.134044

1. 引言

挥发油在医药、食品和香料工业中应用广泛,故在现代分析化学领域,挥发油的成分测定一直都是研究热点。化橘红(Exocarpium Citri grandis)又名化州橘红,为芸香科植物化州柚(Citrus grandis Tomentosa)或柚(Citrus grandis (L.) Osbeck)的未成熟或近成熟的干燥外层果皮,用于咳嗽痰多,食积伤酒,呕恶痞闷[1]。化橘红是广东省化州市的特产。2006年,经原中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局批准,化橘红获得地理标志产品保护。化州地下有矿石石脉,其中释放出的镁、锌等元素渗入化橘红树的根部。此外,当地土壤富含多种矿物质元素,典型的亚热带季风气候为化橘红的生长提供了独特的自然条件。化橘红性味辛、苦,性温,归肺、脾经,具有燥湿化痰、理气宽中、消食的功效。它可用于治疗风寒咳喘痰多、呕吐、呃逆、食积不化、脘腹胀痛等症状,化学成分丰富,含挥发油、黄酮类等物质。化橘红气味芳香,富含挥发油,以烯类化合物为主[2] [3],具有祛痰、镇静及抗菌的药理作用。

顶空固相微萃取(Headspace Solid-Phase Microextraction, HS-SPME)提取化橘红挥发油的优点在于制样简便快速,不和样品直接接触,避免了损害涂层材料[4],可以减少前处理多过程的误差累积,也能减少溶剂的消耗,对于一些挥发性组分以及半挥发性组分灵敏度较好,能够有效地从复杂基质中提取目标化合物,同时对于一些含量比较低、低挥发性的组分起到很好的富集作用,通过选择合适的萃取纤维,如吸附性能高的往往多孔纳米材料的孔径分布更宽[5],可以针对化橘红挥发油中的特定成分进行选择性萃取,从而提高分析的灵敏度和选择性。而且,固相微萃取操作相对简单,试验人员经过简单培训即可上手,大大缩短了样品前处理的时间,提高了整个分析流程的效率。萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)和萃取头65 μm (PDMS)是采用两种不同材料制作而成的,适用于不同的分析物类型。萃取头65 μm (PDMS)适用于提取低分子量化合物和气体,常用于衡量有机化合物的提取;萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)具有良好的热稳定性,适用于挥发性和半挥发性成分的提取。本文利用固相微萃取两种不同涂层材料的萃取头,但萃取效果类同提取化橘红挥发油,并用气相色谱–质谱联用技术(GC-MS)进行分析,探究化橘红中挥发性成分的含量,以期为化橘红挥发油不同的提取方式提供参考,并为化橘红产业的再加工利用提供一定的理论研究。

2. 材料与方法

2.1. 原料

材料来自李橘园牌化橘红,产地广东茂名,为化州柚近成熟的干燥外层果皮。

2.2. 主要仪器设备

气相色谱–三重四级杆质谱仪:Agilent 7890B-7000B,安捷伦科技(中国)有限公司。色谱柱:安捷伦DB-5MS,安捷伦科技(中国)有限公司。固相微萃取萃取头:萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um),萃取头65 μm (PDMS),美国Supelco。万分之一分析天平:PTX-FA210S,美国华志。

2.3. 试验方法

本次试验主要以不同涂层材料萃取头分为两组。萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组及萃取头65 μm (PDMS)组。其余的样品处理、试验步骤、试验环境等均保持一致,确保试验结果的有效性、真实性、稳定性及准确性。

2.3.1. 样品前处理

用去离子水洗净化橘红果实后晾干,将果实和果皮进行分离。把化橘红皮用小刀切成小块(约1.00 cm大小),再用粉碎机粉碎后过40目筛,精密称取样品粉末约2.00 g,分别放入22 mL的顶空瓶中,并往样品加入内标物质2-辛醇(82.19 mg/L) 50 μL,用密封盖垫迅速压盖封口。

2.3.2. 萃取条件

使用固相微萃取仪,将固相微萃取萃取头插入顶空瓶中,推出萃取纤维头,在55℃下萃取30分钟,搅拌子转速为1000转/分钟。萃取结束后,缩回萃取纤维,拔出萃取头,插入气相色谱进样口,进行GC-MS分析。

2.3.3. GC-MS分析条件

色谱条件:DB-5MS毛细管柱(30 m × 0.25 mm × 0.25 um);进样口温度:250℃;载气:高纯氦气;流速:1.0 mL/min;进样量:1 μL;不分流模式;程序升温:[50℃ (1 min)~5℃/min~280℃ (3 min)]。

质谱:离子源:条件EI;电离能量:70 eV;离子源温度:230℃;四极杆温度:150℃;扫描范围:35~450 amu。

2.4. 数据处理

实验所得的GC-MS数据,使用Origin2021以及EXCEL计算绘图,并对图表进行结论分析。

3. 结果与分析

3.1. 化橘红挥发性成分分析

在本研究中,利用GC-MS法对化橘红挥发油成分进行了深入分析,通过固相微萃取不同涂层材料但萃取效果类同的萃取头,有利于分析化橘红挥发油成分,确保成分的有效性、真实性、稳定性及准确性。经过计算机谱图库匹配检索,检索谱库为NIST17.L谱库,我们得到了一系列数据。如,两个萃取头匹配度高于30%的共有成分有34种,相对含量之和分别是萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组90.71%、萃取头65 μm (PDMS)组87.68%。其中化橘红挥发油中β-月桂烯、D-柠檬烯、大根香叶烯D等化合物相对含量最高,萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组和萃取头65 μm (PDMS)组分别占总量的57.59%和51.52%。推测这些物质对化橘红的香气有一定的贡献。果实中的大部分萜烯类化合物通过萜类代谢途径生成,其余酯类、醇类、醛类和酮类物质则可经由脂肪酸代谢途径或氨基酸代谢途径产生。果实中不同的底物和酶活性会促成不同香气物质的形成[6],这些香气物质决定了化橘红的香气特征。该香气可能与所用果实的大小、种植条件及管理方式等因素相关。果实香气的形成是多种挥发性化合物共同作用的结果[7]。在检测出的众多挥发性成分中,仅部分成分的相对含量较高,这部分成分构成了化橘红独特的香气特征。研究表明,当挥发性成分浓度恒定时,感觉阈值越低的化合物越容易被人体感知[8],这为进一步筛选构成化橘红香型的关键挥发性成分提供了依据。

化橘红挥发油萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组GC-MS总离子流见图1,萃取头65 μm (PDMS)组GC-MS总离子流见图2,挥发性成分的种类含量见图3,化橘红萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组主要成分分析见表1,萃取头65 μm (PDMS)组主要成分分析见表2

Figure 1. Total ion chromatogram of the GC-MS for the extraction head 50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 μm) group

1. 萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组GC-MS总离子流图

Figure 2. Total ion chromatogram of GC-MS for 65 μm (PDMS) extraction head

2. 萃取头65 μm (PDMS)组GC-MS总离子流图

Figure 3. Content of different types of volatile components

3. 挥发性成分的种类含量

Table 1. Analysis of the main components of the 50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 μm) extraction head group

1. 萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组主要成分分析表

序号

保留 时间 t/min

化合物英文名称

化合物中文名称

相对 含量 /%

1

1.385

Acetic acid

醋酸

0.15

2

6.899

Bicyclo [3.1.0] hex-2-ene, 2-methyl-5-(1-methylethyl)

双环[3.1.0]己-2-烯,2-甲基-5-(1-甲基乙基)

0.04

3

7.085

(1R)-2,6,6-Trimethylbicyclo[3.1.1]hept-2-ene

(1R)-2,6,6-三甲基双环[3.1.1]庚-2-烯

0.77

4

7.195

3-Heptanone, 2-methyl

3-庚酮,2-甲基

0.37

5

8.391

.beta.-Pinene

β-蒎烯

1.36

6

8.931

.beta.-Myrcene

β-月桂烯

10.58

7

9.275

.alpha.-Phellandrene

α-水芹烯

1.98

8

10.189

D-Limonene

D-柠檬烯

32.58

9

10.988

.gamma.-Terpinene

γ-松油烯

1.25

10

11.899

Cyclohexene, 3-methyl-6-(1-methylethylidene)

环己烯,3-甲基-6-(1-甲基亚乙基)

0.48

11

14.569

Terpinen-4-ol

松油烯-4-醇

0.10

12

14.963

1,3-Cyclohexadiene, 1-methyl-4-(1-methylethyl)

1,3-环己二烯,1-甲基-4-(1-甲基乙基)

0.15

13

15.408

Decanal

癸醛

0.10

14

16.417

Neral

花醛

0.11

15

17.248

Citral

柠檬醛

0.16

序号

保留 时间t/min

化合物英文名称

化合物中文名称

相对含量/%

16

19.104

Cyclohexene, 4-ethenyl-4-methyl-3-(1-methylethenyl)-1-(1-methylethyl), (3R-trans)

环己烯,4-乙烯基-4-甲基-3-(1-甲基乙烯基)-1-(1-甲基乙基),(3R-反式)

2.95

17

19.42

.alpha.-Cubebene

α-荜澄茄烯

0.62

18

19.787

2,6-Octadien-1-ol, 3,7-dimethyl,acetate, (Z)

2,6-辛二烯-1-醇,3,7-二甲基,乙酸酯,(Z)

0.56

19

20.002

Ylangene

依兰烯

0.20

20

20.119

Copaene

蒎烯

0.39

21

20.539

Cyclohexane, 1-ethenyl-1-methyl-2,4-bis(1-methylethenyl)-, (1.alpha.,2.beta.,4.beta.)

环己烷,1-乙烯基-1-甲基-2,4-双 (1-甲基乙烯基) -, (1α,2β,4β)

3.06

22

20.826

10,10-Dimethyl-4-acetyl-tricyclo[5.2.1.0(1,5)]decane

10,10-二甲基-4-乙酰基三环[5.2.1.0(1,5)]癸烷

0.05

23

21.114

(S,1Z,6Z)-8-Isopropyl-1-methyl-5-methylenecyclodeca-1,6-diene

(S,1Z,6Z)-8-异丙基-1-甲基-5-亚甲基环癸-1,6-二烯

0.31

24

21.264

Caryophyllene

石竹烯

3.17

25

21.497

Bicyclo[4.4.0]dec-1-ene, 2-isopropyl-5-methyl-9-methylene

双环[4.4.0]癸-1-烯,2-异丙基-5-甲基-9-亚甲基

0.62

26

22.355

(+)-epi-Bicyclosesquiphellandrene

(+)-表-双环倍半水芹烯

2.28

27

22.873

Germacrene D

大根香叶烯D

14.43

28

23.208

(1S,2E,6E,10R)-3,7,11,11-Tetramethylbicyclo[8.1.0]undeca-2,6-diene

(1S,2E,6E,10R)-3,7,11,11-四甲基双环[8.1.0]十一碳-2,6-二烯

5.44

29

23.438

Naphthalene, 1,2,3,5,6,8a-hexahydro-4,7-dimethyl-1-(1-methylethyl),(1S-cis)

萘,1,2,3,5,6,8a-六氢-4,7-二甲基-1-(1-甲基乙基),(1S-顺式)

0.42

序号

保留时间t/min

化合物英文名称

化合物中文名称

相对含量/%

30

23.611

.gamma.-Muurolene

γ-木罗烯

1.85

31

23.828

1-Isopropyl-4,7-dimethyl-1,2,3,5,6,8a-hexahydronaphthalene

1-异丙基-4,7-二甲基-1,2,3,5,6,8a-六氢萘

2.67

32

24.037

Cubenene

立方烯

0.24

33

24.163

Naphthalene, 1,2,4a,5,6,8a-hexahydro-4,7-dimethyl-1-(1-methylethyl), [1S-(1.alpha.,4a.beta.,8a.alpha.)]

萘,1,2,4a,5,6,8a-六氢-4,7-二甲基-1-(1-甲基乙基),[1S-(1.α.,4a.β.,8a.α.)]

0.61

34

24.637

1,5-Cyclodecadiene, 1,5-dimethyl-8-(1-methylethylidene), (E,E)

1,5-环癸二烯,1,5-二甲基-8-(1-甲基亚乙基),(E,E)构型

0.66

Table 2. Analysis of the main components of the 65 μm (PDMS) extraction fiber group

2. 萃取头65 μm (PDMS)组主要成分分析表

序号

保留

时间t/min

化合物英文名称

化合物中文名称

相对含量/%

1

1.408

Acetic acid

醋酸

0.18

2

6.907

Bicyclo[3.1.0]hex-2-ene, 2-methyl-5-(1-methylethyl)

双环[3.1.0]己-2-烯,2-甲基-5-(1-甲基乙基)

0.04

3

7.090

(1S)-2,6,6-Trimethylbicyclo[3.1.1]hept-2-ene

(1S)-2,6,6-三甲基双环[3.1.1]庚-2-烯

0.37

4

7.208

3-Heptanone, 2-methyl

3-庚酮,2-甲基

0.20

5

8.395

.beta.-Pinene

β-蒎烯

0.57

6

8.948

.beta.-Myrcene

β-月桂烯

11.32

序号

保留

时间t/min

化合物英文名称

化合物中文名称

相对含量/%

7

9.285

.alpha.-Phellandrene

α-水芹烯

2.05

8

10.172

D-Limonene

D-柠檬烯

28.23

9

10.990

.gamma.-Terpinene

γ-松油烯

2.19

10

11.910

Cyclohexene, 3-methyl-6-(1-methylethylidene)

环己烯,3-甲基-6-(1-甲基亚乙基)

1.05

11

14.576

Terpinen-4-ol

松油烯-4-醇

0.06

12

14.97

1,3-Cyclohexadiene, 1-methyl-4-(1-methylethyl)

1,3-环己二烯,1-甲基-4-(1-甲基乙基)

0.11

13

15.417

Decanal

癸醛

0.06

14

16.427

Neral

花醛

0.06

15

17.261

Citral

柠檬醛

0.08

16

19.11

Cyclohexene, 4-ethenyl-4-methyl-3-(1-methylethenyl)-1-(1-methylethyl ), (3R-trans)

环己烯,4-乙烯基-4-甲基-3-(1-甲基乙烯基)-1-(1-甲基乙基),(3R-反式)

2.65

17

19.425

.alpha.-Cubebene

α-荜澄茄烯

0.9

18

19.793

2,6-Octadien-1-ol, 3,7-dimethyl,acetate, (Z)

2,6-辛二烯-1-醇,3,7-二甲基,乙酸酯,(Z)

0.19

19

20.006

Ylangene

依兰烯

0.27

20

20.123

Copaene

蒎烯

0.58

续表

序号

保留

时间t/min

化合物英文名称

化合物中文名称

相对含量/%

21

20.543

Cyclohexane, 1-ethenyl-1-methyl-2,4-bis(1-methylethenyl), [1S-(1.alpha.,2.beta.,4.beta.)]

环己烷,1-乙烯基-1-甲基-2,4-二(1-甲基乙烯基),[1S-(1α,2β,4β)]

3.58

22

20.83

10,10-Dimethyl-4-acetyl-tricyclo[5.2.1.0(1,5)]decane

10,10-二甲基-4-乙酰基三环[5.2.1.0(1,5)]癸烷

0.08

23

21.119

(S,1Z,6Z)-8-Isopropyl-1-methyl-5-methylenecyclodeca-1,6-diene

(S,1Z,6Z)-8-异丙基-1-甲基-5-亚甲基环癸-1,6-二烯

0.54

24

21.27

Caryophyllene

石竹烯

3.08

25

21.502

Bicyclo[4.4.0]dec-1-ene, 2-isopropyl-5-methyl-9-methylene

双环[4.4.0]癸-1-烯,2-异丙基-5-甲基-9-亚甲基

0.92

26

22.362

(+)-epi-Bicyclosesquiphellandrene

(+)-表-双环倍半水芹烯

2.94

27

22.871

Germacrene D

大根香叶烯D

11.97

28

23.218

(1S,2E,6E,10R)-3,7,11,11-Tetramethylbicyclo[8.1.0]undeca-2,6-diene

(1S,2E,6E,10R)-3,7,11,11-四甲基双环[8.1.0]十一碳-2,6-二烯

6.25

29

23.442

Naphthalene, 1,2,3,5,6,8a-hexahydro-4,7-dimethyl-1-(1-methylethyl),(1S-cis)

萘,1,2,3,5,6,8a-六氢-4,7-二甲基-1-(1-甲基乙基),(1S-顺式)

0.38

30

23.618

.gamma.-Muurolene

γ-木罗烯

1.88

31

23.834

1-Isopropyl-4,7-dimethyl-1,2,3,5,6,8a-hexahydronaphthalene

1-异丙基-4,7-二甲基-1,2,3,5,6,8a-六氢萘

3.17

32

24.042

Cubenene

立方烯

0.25

33

24.169

Naphthalene, 1,2,4a,5,6,8a-hexahydro-4,7-dimethyl-1-(1-methylethyl), [1S-(1.alpha.,4a.beta.,8a.alpha.)]

萘,1,2,4a,5,6,8a-六氢-4,7-二甲基-1-(1-甲基乙基),[1S-(1.α.,4a.β.,8a.α.)]

0.89

34

24.641

1,5-Cyclodecadiene, 1,5-dimethyl-8-(1-methylethylidene), (E,E)

1,5-环癸二烯,1,5-二甲基-8-(1-甲基亚乙基),(E,E)构型

0.59

3.2. 两种不同萃取头对化橘红挥发性成分的检测差异

萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30um):通常由DVB/CAR/PDMS材料制成,适用于分析极性和非极性的挥发性及半挥发性物质。其高度交联结构赋予它良好的热稳定性和化学稳定性,可用于复杂基质样品的前处理。萃取头65 μm (PDMS):通常由Carboxen/聚二甲基硅氧烷(CAR/PDMS)构成,适用于分析气体和低分子量化合物。该类型萃取头具有良好的疏水性和较低的吸附能力,适合挥发性及半挥发性物质的分析。选择萃取头时,需根据具体的分析需求和样品性质确定最适配的类型。在本次实验中,两个萃取头在NIST17.L谱库中匹配度高于30%的共有成分有34种,相对含量总量萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组为90.71%、萃取头65 μm (PDMS)组为87.68%。其中化橘红挥发油中β-月桂烯、D-柠檬烯、大根香叶烯D等化合物相对含量最高,萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组和萃取头65 μm (PDMS)组分别占总量的57.59%和51.52%,这一点差异可能是萃取时,不同的涂层材料在同一温度下加速分析物的传质不一样,导致储存在吸附剂的量也有些不同[9]。期间涉及相互作用的复杂分子[10]。根据两种萃取头萃取化橘红的结论来看,萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组和萃取头65 μm (PDMS)组并无明显差异,两个萃取头间相对含量之和仅相差3.03%。这主要是由于这两种头都适合用于低分子量挥发性成分的萃取,这为GC-MS固相微萃取方法分析其他物质的挥发性成分提供了一定的参考依据,比如沙田柚中挥发性成分的分析,陈皮中香气成分分析等。

4. 结论与展望

与文献[10]报道的结果不一样的提取方法,得到的主要成分都有:柠檬烯。在提取过程上,水蒸气蒸馏法温度过高,容易让一些低沸点化合物散失和破坏热不稳定及氧化成分。而固相微萃取技术萃取温度低,及时吸附蒸发出来的挥发性成分。一定程度上,减少了挥发性成分的散失和某些对热不稳定及氧化成分的分解。固相微萃取技术在提取化橘红挥发油时,其提取效率显著高于传统方法,主要优势有:高效、无污染、无溶剂、易自动化和高选择性[11]

在化橘红挥发油提取技术的研究中,不同萃取头的效能分析减少了检出成分名称有误可能性,确保试验结果的有效性、真实性、稳定性及准确性[12]。本次试验研究得出:在NIST17.L谱库检索后匹配度高于30%的成分,两种固相微萃取萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)和萃取头65 μm (PDMS)共有成分有34种,两个萃取头间相对含量之和仅相差3.03%。其中化橘红挥发油中β-月桂烯、D-柠檬烯、大根香叶烯D等化合物相对含量最高,萃取头50/30 μm (DVB/CAR/PDMS 50/30 um)组和萃取头65 μm (PDMS)组分别占总量的57.59%和51.52%。

固相微萃取技术在化橘红挥发油提取中的应用研究,不仅为化橘红挥发油的高效提取提供了新的技术路径,而且为相关领域的研究者提供了宝贵的试验数据和方法论启示。随着固相微萃取技术与气相色谱–质谱联用技术(GC-MS)的不断进步,化橘红挥发油的提取与分析技术已经达到了新的高度,通过优化固相微萃取条件,可以显著提高挥发油的提取效率和成分的检测灵敏度,从而为化橘红挥发油的成分分析提供更为精确的数据支持。

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