3種樺木屬植物木醋液成分分析

李夢媛　李占君　韓月　楊逢建

摘 要：為深度開發(fā)樺木屬植物資源，以白樺、楓樺和油樺為原料，采用熱解法收集額定功率2 000 W條件下的熱解液，通過精制熱解液以獲得3種醋液。應(yīng)用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)對3種木醋液的成分和各成分相對百分含量進行測定與分析。最終檢測出白樺、楓樺和油樺3種木醋液中含有機物質(zhì)種類分別為46、62、43種，主要成分均為酚類、醛類、酮類和酸類，白樺、楓樺和油樺木醋液中酚類物質(zhì)含量最高，其種類和相對含量由大到小依次為：12種38.30%、10種25.87%、10種23.06%。結(jié)果顯示，不同品種樺樹木醋液成分具有顯著性差異。研究結(jié)論可以為樺木屬植物資源的整合與利用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：樺木屬;木醋液;生物質(zhì)熱解;GC-MS分析法;成分分析

中圖分類號：TQ654.2;TS205.4? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2021）02-0041-09

Composition Analysis of Wood Vinegar from Three Birch Species

LI Mengyuan1， LI Zhanjun2， HAN Yue1， YANG Fengjian1*

（1.Key Laboratory of Forest Plant Ecology， Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China;

2.Yichun Branch of Heilongjiang Academy of Forestry， Yichun 153000， China）

Abstract：In order to further develop the resources of birch plants， the white birch， maple birch and oil birch were used as raw materials. The pyrolysis method was used to collect the pyrolysis liquid under the condition of the power of 2 000 W， and then three kinds of vinegar were obtained by refining the pyrolysis liquid. Gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS） technology was used to determine and analyze the components and relative percentages of these three wood vinegar liquids. Finally， it was detected that， there were 46， 62 and 43 kinds of organic substances in the vinegar of white birch， maple birch and oil birch， the main ingredients were phenols， aldehydes， ketones and acids. White birch， maple birch and oil birch wood vinegar had the highest content of phenolic substances， and their types， relative content were as follows： 12 kinds， 38.30%; 10 kinds， 25.87%; and 10 kinds， 23.06%. Conclusion： there were significant differences in the composition of vinegar from different varieties of birch trees. The research results can provide a data reference for the integration and utilization of birch resources.

Keywords：Betula; wood vinegar; biomass pyrolysis; GC-MS analysis; component analysis

收稿日期：2020-11-17

基金項目：黑龍江省林業(yè)科技項目（Hljlykj2018-1）

第一作者簡介：李夢媛，碩士研究生。研究方向為植物資源學(xué)。E-mail： 2214848648@qq.com

通信作者：楊逢建，博士，教授。研究方向為植物資源學(xué)。E-mail： yangfj@nefu.edu.cn

引文格式：李夢媛，李占君，韓月，等. 3種樺木屬植物木醋液成分分析[J].森林工程，2021，37（2）：41-49.

LI M Y， LI Z J， HAN Y， et al. Composition analysis of wood vinegar from three birch species[J]. Forest Engineering，2021，37（2）：41-49.

0 引言

樺木（Betula），主要分布于北半球寒冷地區(qū)。具有耐寒與速生等特性，同時對病蟲害有較強的抵抗能力，常作為控制水土流失、防護覆蓋或保育的樹種[1-2]。目前對樺木屬植物的研究大都集中在白樺樹皮中活性成分的提取、分離及增強免疫力和抗腫瘤方面，對提取之后剩余物質(zhì)處理方面的研究報道甚少，甚至80%以上的剩余物被當作廢棄物[3-4]。木醋液作為一種天然的綠色能源已受到廣泛關(guān)注，花生殼、核桃殼、落葉松和柞木等木醋液已有報道，樺木屬提取物成分的藥用價值也早有記載，因此樺木屬木醋液的研究對天然產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新和資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5-6]。

木醋液也稱生物質(zhì)熱解液，是一種偏赤褐色具有刺激性煙味和酸味的混合物。是木材剩余物或其他生物質(zhì)材料在熱解碳化過程中導(dǎo)出的蒸汽氣體，經(jīng)冷凝回收得到的包含酸、酚、醇和酮等有機組分的液體物質(zhì)[7-9]。木醋液作為一種天然環(huán)保的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)材料，不僅因其抑菌殺菌的功效用于果蔬保鮮，還作為葉面肥促進植物生長和果蔬增產(chǎn)，此外殺菌和抗氧化的特性使木醋液在化妝品、食品添加劑和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域備受青睞[9-13]。生物質(zhì)熱解原料的不同會導(dǎo)致木醋液在化學(xué)成分上略有差異。

小興安嶺作為中國重點用材林基地，野生植物資源十分豐富。本文以小興安嶺地產(chǎn)白樺、楓樺和油樺3種樺木屬植物的樹皮提取剩余物為原料，利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）對活性炭吸附處理后的3種精制木醋液有效成分進行對比分析，為樺木屬植物的綜合利用和木醋液類產(chǎn)品的開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗?zāi)静呐c試劑

供試所需的白樺、楓樺和油樺于2020年6月采自我國黑龍江省小興安嶺材林基地海拔600 m處。色譜級甲醇（SK公司），市售活性炭（上海升華環(huán)保科技有限公司），無水硫酸鈉（天津市博迪化工有限公司）等試劑均為分析純，實驗用水為純凈水（杭州娃哈哈公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用儀（型號：7890A-7000B，美國安捷倫公司），熱解爐（型號：小型，東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點實驗室制造），醫(yī)用離心機（型號：H1650，長沙市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)湘儀離心機器有限公司），pH計（PB-10）（型號：Sartorius普及型，北京塞多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）等。

1.3 實驗方法

1.3.1 木醋液的粗提

取經(jīng)自然風(fēng)干后的3種樺木屬植物的樹皮提取剩余殘渣，各精確稱取50 g為待測樣品，分別在額定功率為2 000 W的高溫?zé)峤鉅t下熱解（最高熱解溫度為752 ℃），待溫度升高至270 ℃時開始有煙氣順著管道涌進冷凝裝置中，待樣品熱解完全，裝置中無氣體產(chǎn)出時回收270～752 ℃煙氣冷凝液產(chǎn)物。此時為含有木焦油的粗木醋液，通過公式計算粗木醋液產(chǎn)率。計算公式為：

Y = M1/M × 100% 。

式中：Y為粗木醋液產(chǎn)率，%;M1為液體產(chǎn)物質(zhì)量，g;M為樣品質(zhì)量，g。

1.3.2 木醋液的精制

使用活性炭吸附過濾的方法，利用活性炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)吸附懸浮物、沉淀物與木焦油以達到精制的目的。將采集后的木醋液放入棕色瓶內(nèi)避光靜置1個月，虹吸中間層液體。加入5%的活性炭粉（活性炭粉顆?！?0.5 mm），用玻璃棒攪拌15 min后轉(zhuǎn)移至離心管中，10 000 r/min離心10 min，靜置96 h使木焦油吸附充分，取上清液過0.22 μm的有機濾膜，得到精制木醋液[14]。通過公式計算白樺木醋液、楓樺木醋液和油樺木醋液的精制得率。計算公式為：

Y= M2/M × 100% 。

式中：Y為精制得率，%;M2為活性炭粉處理后的木醋液質(zhì)量，g;M為粗木醋液質(zhì)量，g。

1.3.3 木醋液基本參數(shù)測定方法

采用平行測定3次取平均值。

pH的測定：pH計經(jīng)校準后，將電極浸入待測樣液中，使溶液均勻接觸電極。

含水量的測定：將待測樣各取1 mL裝入試管后放入真空揮桿儀中，取出后算出放入前后差值。

密度的測定：將密度計插入待測液中等其穩(wěn)定后讀數(shù)。

顏色、氣味的測定：采用文獻法和色卡比較法進行辨別。

1.3.4 供試品溶液的制備

吸取精制后3種木醋液各1 mL，分別用甲醇作溶劑將其稀釋50倍進行制樣，震蕩待充分混溶之后加入5 g無水硫酸鈉吸收其中水分，靜置12 h，待干燥完全后過0.22 μm的有機濾膜，得淺黃褐色液體，將此液體裝入GC-MS進樣瓶中待測[15]。

1.3.5 實驗條件

氣相色譜條件：選用HP-5彈性毛細管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 μm），載氣為高純度氦氣（純度≥99.999%），進樣口溫度280 ℃，柱溫60 ℃，恒溫1 min后以6.0 ℃/min速度升溫至120 ℃，再以10.0 ℃/min的速度升至280 ℃，保持5 min;分流進樣，進樣比為10∶1，載氣流速為1.0 mL/min，進樣量為1 μL。

質(zhì)譜條件：EI源，電子能量70 eV，離子源溫度250 ℃，質(zhì)譜掃描范圍20～750 amu，質(zhì)譜標準庫為NIST庫[16]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

本文數(shù)據(jù)采用Origin 9.0和Excel軟件進行處理。利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用 （GC-MS）技術(shù)對木醋液化學(xué)成分進行分離鑒定，色譜峰面積歸一化法測定各化學(xué)成分的相對含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種樺木屬粗木醋液參數(shù)的測定

由表1可見，3種木醋液的pH范圍為2.29～2.35，由大到小分別為：油樺木醋液、白樺木醋液、楓樺木醋液。含水量范圍為37.73%～52.44%，由大到小分別為：油樺木醋液、楓樺木醋液、白樺木醋液。密度范圍為0.890 0～1.006 7，由大到小分別為：油樺木醋液、楓樺木醋液、白樺木醋液，與產(chǎn)量成正相關(guān)，產(chǎn)量越高其密度越大。油樺、白樺、楓樺木醋液的顏色分別為褐色、黑褐色、棕黃色。氣味為濃重的煙熏味、酸味明顯。

2.2 3種樺木屬粗木醋液產(chǎn)量與精制得率

3種木醋液的產(chǎn)率均為45%以上（圖2），其中油樺產(chǎn)率最高為63.32%，其次為楓樺48.74%，產(chǎn)率最少的白樺為45.64%。3種木醋液的精制得率均在78%以上（圖3），其中白樺得率最大為83.1%，其次是楓樺82.3%，油樺得率最小為79.1%。精制得率與產(chǎn)率呈負相關(guān)，這是由于在同一熱解功率下，粗木醋液產(chǎn)率與木焦油含量相關(guān)聯(lián)，木焦油含量越高粗木醋液產(chǎn)率越高。而木醋液在精制過程中會將木焦油清除，反而使得產(chǎn)率最高的油樺精制得率最低。

2.3 GC-MS測定結(jié)果與分析

2.3.1 白樺木醋液GC-MS測定結(jié)果

精制后脫水的白樺木醋液樣品經(jīng)GC-MS檢測后得到了總離子圖（圖4）和有效化學(xué)成分及相對含量（表2）。

白樺木醋液共分離出46個色譜峰，最終確定了34個有效成分，占總面積的82.45%。由表2可以看出，白樺木醋液中主要有機成分為甲基環(huán)戊烯醇酮（9.81 %）、2，6-二甲氧基苯酚（10.51%）、對甲酚（4.68%）、愈創(chuàng)木酚（4.68%）、澳洲茄堿（0.42%）。對分離出來的有效成分進行歸類分析，其中酸類物質(zhì)4種（2.49%），酚類物質(zhì)12種（38.30%），醛類物質(zhì)2種（5.37%），酮類物質(zhì)7種（23.33%），脂類物質(zhì)1種（0.41%）。

2.3.2 楓樺木醋液GC-MS測定結(jié)果

精制后脫水的楓樺木醋液樣品經(jīng)GC-MS檢測后得到了總離子圖（圖5）和有效化學(xué)成分及相對含量（表3）。

楓樺木醋液共分離出62個色譜峰，最終確定了40個有效成分，占總面積的62 .63%。由表3可以看出，楓樺木醋液中主要有機成分為2，6-二甲氧基苯酚（9.86%）、甲基環(huán)戊烯醇酮（5.58%）、愈創(chuàng)木酚（3.46%）、乙酸庚酯（2.69%）、苯酚（1.32%）、乙酰丁香酮（1.94%）。對分離出來的有效成分進行歸類分析，其中酸類物質(zhì)6種（3.57%），酚類物質(zhì)10種（25.87%），醛類物質(zhì)2種（3.4%），酮類物質(zhì)8種，（18.91%），脂類物質(zhì)3種（3.62%），呋喃類物質(zhì)4種（3.98%）。

2.3.3 油樺木醋液GC-MS測定結(jié)果

精制后脫水的油樺木醋液樣品經(jīng)GC-MS檢測后得到了總離子圖（圖6）和有效化學(xué)成分及相對含量（表4）。

油樺木醋液共分離出43個色譜峰，最終確定了32個有效成分，占總面積的88.83%。由表4可以看出，油樺木醋液中主要有機成分為甲基環(huán)戊烯醇酮（6.05%）、2，6-二甲氧基苯酚（9.86%）、愈創(chuàng)木酚（4.17%）、乙酸庚酯（3.67%）、乙酰丁香酮（1.36%）。對分離出來的有效成分進行歸類分析，其中酸類物質(zhì)4種（1.76%），酚類物質(zhì)10種（23.06%），醛類物質(zhì)3種（3.29%），酮類物質(zhì)7種（13.90%），脂類物質(zhì)2種（3.82%）。

根據(jù)分析結(jié)果以及圖7和圖8可以看出，3種木醋液組分中占比最大的均為酚類（23%以上）、酮類（18%以上），其次為醛類（3.2%以上）和酸類（1.76%以上），主要成分組成和陳萍等[17]報道的花生殼木醋液的主要成分組成有差別，說明木醋液的成分差異與木醋液的原料種類相關(guān)聯(lián)。而酚類物質(zhì)中的2，6-二甲氧基苯酚、愈創(chuàng)木酚、5-叔-丁基焦酚和甲基麥芽酚等含量也與盧辛成等[18]萃取精制后的杉木木醋液中酚類物質(zhì)含量不同，說明木醋液的成分差異與木醋液的粗提、精制工藝也密切相關(guān)。與其他種類的木醋液相比較，樺樹木醋液中酚類和酮類成分占比更高，其中白樺木醋液酚類高達38.30%、酮類為23.33%。酚類物質(zhì)具有抑菌抗炎的作用，不論是在醫(yī)藥領(lǐng)域還是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價值。酮類物質(zhì)可促進植物生長，是抗癌和抑菌方面的有效成分。白樺木醋液、楓樺木醋液、油樺木醋液的主要成分與含量也存在著差別，說明相同處理條件下，同屬不同種植物木醋液的成分與其含量也有差別。

3 結(jié)論

根據(jù)實驗結(jié)果可知：3種木醋液煙味與pH之間呈負相關(guān)，同時產(chǎn)量與精制得率亦呈負相關(guān)。經(jīng)GC-MS檢測分析，白樺、楓樺、油樺木醋液中分別測出有機物質(zhì)46種、62種和43種，主要成分均為酚類、醛類、酮類和酸類4種物質(zhì)。其中白樺木醋液中4種主要物質(zhì)構(gòu)成和相對含量分別為：酚類12種，38.30%;醛類2種，5.37%;酮類7種，23.33%;酸類4種，2.49%。楓樺木醋液中4種主要物質(zhì)構(gòu)成和相對含量分別為：酚類10種，25.87%;醛類2種，3.40%;酮類8種，18.91%;酸類6種，3.57%。油樺木醋液中4種主要物質(zhì)構(gòu)成和相對含量分別為：酚類10種，23.06%;醛類3種，3.29%;酮類7種，13.90%;酸類4種1.76%。通過對實驗數(shù)據(jù)進行綜合對比分析得出：酚類、醛類以及酮類含量最高的樹種均為“白樺”，而酸類最高的樹種為“楓樺”。實驗結(jié)果進一步證實了樺樹木醋液主要成分與樺樹樹種二者之間具有密切的聯(lián)系。

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