CN104133007B - 森林可燃物中单萜类组分ɑ-蒎烯的提取、测量方法 - Google Patents

森林可燃物中单萜类组分ɑ-蒎烯的提取、测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种森林可燃物中单萜类组分ɑ-蒎烯的提取、测量方法，包括如下步骤：采集生长健康、未有病虫危害的可燃物样品，用脱脂棉擦拭掉表面的尘土，用封口袋封存，保存于冰箱冷藏室备用；将可燃物样品剪成粒状；把未经剪切处理的可燃物样品置于恒温烘箱中，烘至恒重，计算含水率；超临界萃取ɑ-蒎烯；用无水乙醇作为回收剂进行回收；用气相色谱测定回收剂中ɑ-蒎烯的浓度；计算ɑ-蒎烯的含量：计算单位质量绝干可燃物样品ɑ-蒎烯的相对含量。本方法可准确快速的测定不同可燃物中ɑ-蒎烯的含量，此科学数据是研究森林燃烧性、树种燃烧性及抗火性的重要理化指标，也是林火管理的重要依据，同时可为林火蔓延模拟提供科学数据支撑。

Description

森林可燃物中单萜类组分ɑ-蒎烯的提取、测量方法
技术领域
本发明涉及一种化合物的提取、测量方法，特别是涉及森林可燃物中挥发性油单萜类组分ɑ-蒎烯的提取及其含量的测量方法。
背景技术
森林火灾往往导致重大的财产损失和人员伤亡。准确地预测和把握森林火行为的发展趋势，进而制定出合理高效的扑火策略，可最大程度地降低由火灾导致的损失和伤亡。森林火行为的发展和变化除与气象和地形条件密切相关外，与可燃物自身的理化性质更是密不可分。
尽管森林可燃物的形态千差万别，但其化学组分相似，可归结为5大类：纤维素(38～50％)、半纤维素(7～26％)、木质素(23～24％)、抽提物(<15％)、矿物质(<1％)。纤维素和半纤维素的热学性质差别不大，热值为16.13MJ/kg，木质素的热值为24.53MJ/kg。
抽提物是指可以用水(热水、冷水)、有机溶剂(醚、苯醇等)或稀酸稀碱水液抽提出来的物质的总称。抽提物是影响可燃物燃烧过程的重要化学组分，因为它可以加速火线的燃烧。可燃物抽提物含量是研究森林燃烧性、树种燃烧性及抗火性的重要理化指标，也是林火管理的基本依据。
抽提物组成复杂，主要有2类化合物对燃烧和火行为的影响较大，第1类是脂溶性组分(脂肪和蜡)，主要存在于木质部和树皮中，俗称“粗脂肪”；第2类是萜烯类化合物，主要存在于树木的小枝和叶片中，以针叶树种叶片中含量最大，俗称“挥发油”。
挥发油的主要成分为萜烯类化合物(如表1所示)，是异戊二烯的聚合物，随树种不同在小枝和叶片中的含量变化很大，在针叶树中所占比例较多，可达6％，其燃点低、易挥发、不需要热解、极易燃烧，燃烧热值大。
表1单萜化合物的沸点
“挥发油”一词最早源自医药领域，又称植物精油，是存在于植物体中一类具有挥发性、可随水蒸气蒸馏出来的油状液体的总称。长期以来，国内外学者对中药挥发油的研究进行了大量的实践，并取得一定的成就。近年来挥发油在香料、食品、化妆品行业也有了一定的应用，但在森林防火领域应用很少。
挥发性油与林火的关系密切，它可以加速火线的燃烧，挥发性油含量高的地表枯落叶引燃时间短、火蔓延快、火焰高，同时挥发性油含量高树种组成的森林发生火灾时，易出现树冠火、火旋风、轰燃等高能量火行为。最新的研究结果表明，可燃物中的挥发性油与特定条件下林火行为的突变具有重要关联，因为它在火场热量条件下不需热裂解，即可快速释放到周围环境中，且可以在特定地形条件下进行累积，累积后高浓度的挥发油性气体，遇星星火源即可演变为爆发火，使火场形式突变，导致伤亡事故发生。
对于挥发性油与林火的密切关系，我国林火研究人员一直都很重视，并在挥发性油与可燃物易燃性评价和防火树种筛选方面做了不少研究工作，但对于准确测定可燃物中挥发性油含量，特别是与林火最密切相关的单萜挥发性油含量的方法则未有深入研究，森林防火中常用的水蒸汽蒸馏法存在很多不足。另外，虽然中药、香料、食品和化妆品行业等对挥发性油提取有很多的研究，但他们关注的挥发性油多为具有一定药理作用、香味等的萜烯类化合物及其衍生物，是萜烯类化合物中高沸程的部分，而对于低沸程的单萜类化合物，则认为是药用或香料挥发性油的杂质，需极力去除的，因此对于单萜化合物提取方法和含量测定等目前尚无深入的研究。
ɑ-蒎烯是针叶树含量最多的单萜挥发性油性化合物，在水蒸气蒸馏法等获得的针叶树挥发油中含量高达60％以上，其沸点在单萜中也是较低的，为155～156℃(如表1所示)。
但由于挥发性油理化性质的特殊性，一直以来对于挥发性油影响林火行为机理的研究大多停留在定性和假设的层面，缺乏定量科学数据的支撑。可燃物中挥发性油研究的难题在于挥发性油含量的精确测定。
在森林防火领域，水蒸气蒸馏法(试验设备如图1所示)是提取森林可燃物中挥发油的传统方法。其依据是利用了挥发油与水不相混合，受热后，两者大气压的总和与大气压相等时，溶液开始沸腾，继续加热挥发油可随水蒸气蒸馏出来的性质。提取时，将可燃物样品粉碎(40目)，装入挥发油提取器中，加水蒸馏6-8小时，挥发油受热随水蒸气同时蒸馏出来，收集蒸馏液，经冷却后分取油层，所得挥发油用无水硫酸钠干燥，得到的挥发油为黄色油状物。
现有水蒸气蒸馏法的缺点是：1.耗时长，水蒸气蒸馏就需6-8小时，其后还有蒸馏物的分离，干燥等过程；2.样品干燥粉碎过程中，已有大量单萜化合物组分丢失，这是因为单萜化合物沸点低，粉碎过程中，粉碎机产生的热量及样品的破碎会导致单萜类化合物大量挥发到空气中；3.可燃物样品用量大，水蒸气蒸馏过程需消耗很多可燃物样品；4.提取效率低，单萜类化合物在长时间的蒸馏过程会因受热而挥发到空气中；5.操作复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种简便易行、可快速准确测定ɑ-蒎烯含量、提取时间短且可燃物样品用量少的提取、测量森林可燃物中单萜类组分ɑ-蒎烯的方法。
为达上述目的，本发明一种森林可燃物中单萜类组分ɑ-蒎烯的提取、测量方法，包括如下步骤：
(1)可燃物样品采集：采集生长健康、未有病虫危害的可燃物样品，用脱脂棉擦拭掉表面的尘土，用封口袋封存，保存于冰箱冷藏室备用；
(2)可燃物样品处理：将可燃物样品剪成粒状，尺寸为(0.2-0.4cm)*(0.2-0.4cm)*(0.2-0.4cm)；
(3)可燃物样品含水率的测定：把未经剪切处理的可燃物样品置于恒温烘箱中，102-108℃烘至恒重，并根据以下公式计算可燃物样品的含水率：
可燃物样品的含水率＝(烘干前质量-烘干后质量)/烘干前质量*100％；
(4)超临界萃取可燃物中单萜类组分ɑ-蒎烯：所用设备为超临界萃取釜，所用载气为99.9％纯度的CO2气体，萃取釜温度：33-37℃，萃取釜压力：90-110Bar，收集时间：18-22min，CO2气体流速：0.9-1.1L/min；
(5)萃取物回收：用无水乙醇作为回收剂进行回收；
(6)用气相色谱测定回收剂中ɑ-蒎烯的浓度；
(7)计算可燃物样品中ɑ-蒎烯的含量：
ɑ-蒎烯含量＝回收剂中ɑ-蒎烯的浓度*回收剂的体积；
(8)计算单位质量绝干可燃物样品ɑ-蒎烯的相对含量：
ɑ-蒎烯含量百分比(％)＝[可燃物样品单萜ɑ-蒎烯含量/(1-可燃物样品的含水率％)]/可燃物样品鲜重*100％。
本发明的方法，其中优选所述步骤(1)中可燃物样品包括叶子、枝条、树皮、木质部、地表枯落物等，以研究目标而定。病虫危害的可燃物样品的萜烯组分会发生明显变化，并导致测定结果偏高。一般情况下冰箱冷藏室温度为2-5℃。
本发明的方法，其中优选所述步骤(2)中可燃物样品尺寸为0.3cm*0.3cm*0.3cm。从理论上讲，样品粒度越小，越有利于超临界萃取溶剂和样品接触，从而得到更多的萃取物。因此，在应用超临界技术萃取大分子有机物时，总是把植物样品粉碎，过60目或40目筛。但是由于可燃物中的挥发油性组分极易挥发，尤其是ɑ-蒎烯，样品粉碎过程会导致大量单萜组分的丢失，导致测定结果偏低。前期实验结果表明，可燃物样品粒度为0.3cm*0.3cm*0.3cm时，所获得萃取物中ɑ-蒎烯含量最多。
本发明的方法，其中优选所述步骤(3)中可燃物样品置于恒温烘箱24-26小时烘至恒重。
本发明的方法，其中优选所述步骤(4)中可燃物样品质量为3g，静态萃取时间为5min。理论上，可燃物样品用量越多，ɑ-蒎烯含量测定结果越准确，但考虑到萃取釜体积及回收剂中ɑ-蒎烯浓度不易过高，以免影响气相色谱测定精度，所以3g样品的用量比较合理。
本发明的方法，其中优选所述步骤(5)中回收剂体积为10mL。
前期实验数据分析表明，针叶可燃物挥发油性的主要组分是单萜，且ɑ-蒎烯是最主要的单萜化合物。不同萃取条件下所获得的萃取物组分和含量有很大差异。对于可燃物挥发油性单萜类组分ɑ-蒎烯来说，其最优萃取条件如下：
a)初温50℃，终温220℃；升温程序为：50℃保留1min，以3℃/min的速度升温到80℃，保留1min；以10℃/min的速度升到220℃，保留50min；
b)采用恒流模式，载气流速9mL/min，压力为11.258psi；
c)分流比为5:1。采取分流是因为回收剂中ɑ-蒎烯浓度较高。
本发明与现有技术不同之处在于，本发明采用超临界流体萃取技术对森林可燃物中ɑ-蒎烯进行提取，通过一系列试验确定了提取的最佳工艺条件。本发明方法具有如下优点：
(1)能够精确测量可燃物中单萜类挥发性油组分含量ɑ-蒎烯的含量；
(2)单萜类挥发性油组分ɑ-蒎烯的提取过程大大缩短，仅需30分钟；
(3)减少可燃物样品的用量；
(4)提高单萜类挥发性油组分ɑ-蒎烯的提取效率；
(5)整个测定过程，操作简便易行。
通过本方法，可准确快速的测定不同可燃物中挥发性油单萜类组分ɑ-蒎烯的含量，此科学数据是研究森林燃烧性、树种燃烧性及抗火性的重要理化指标，也是林火管理的重要依据，同时可为林火蔓延模拟提供科学数据支撑。
附图说明
图1为现有水蒸气蒸馏法所用的试验设备示意图；
图2为可燃物样品中ɑ-蒎烯的气相色谱图；
图3为不同浓度ɑ-蒎烯标准物含量与峰面积的对照曲线图。
具体实施方式
以下是实施例及其试验数据等，但本发明的内容并不局限于这些实施例的范围。
实施例1
(1)可燃物样品采集
本实施例的可燃物样品为樟子松针叶。采集生长健康，未有病虫危害的樟子松针叶，用脱脂棉擦拭掉表面的尘土，用封口袋封存，保存于冰箱冷藏室。
(2)可燃物样品处理
取20g可燃物样品用剪刀剪成0.3cm*0.3cm*0.3cm的小粒，混合均匀待用。
(3)可燃物样品含水率的测定
把未经剪切处理的可燃物样品20g置于恒温烘箱中，105℃烘至恒重(约24小时)，根据以下公式计算可燃物样品的含水率：
可燃物样品的含水率＝(烘干前质量-烘干后质量)/烘干前质量*100％
可燃物烘干前质量：20g
可燃物烘干后质量：12.732g
可燃物样品的含水率＝(20g-12.732g)/20*100％＝36.34％
(4)超临界萃取可燃物中挥发油性单萜类化合物
取3g可燃物样品置于10mL超临界萃取釜中，并按以下参数设置萃取条件。所用载气为99.9％纯度的CO2气体，静态萃取时间为5min；萃取釜温度：35℃；萃取釜压力：100Bar；收集时间：20min；CO2气体流速：1.0L/min。
(5)萃取物回收
用10mL无水乙醇作为回收剂进行回收。
(6)气相色谱测定回收剂中ɑ-蒎烯的浓度
①气相色谱条件
a)初温50℃，终温220℃；升温程序为：50℃保留1min，以3℃/min的速度升温到80℃，保留1min；以10℃/min的速度升到220℃，保留50min。
b)采用恒流模式，载气流速9mL/min,压力约11.258psi；
c)分流比为5:1。
②获取ɑ-蒎烯峰面积
用归一化法计算出出峰化合物的峰面积(如图2所示)，图2中最高峰即为单萜组分中含量最高的ɑ-蒎烯。
③标准曲线绘制
配制以下浓度的ɑ-蒎烯标准溶液，根据气相色谱得到的各浓度峰面积值，绘制标准曲线，标准液浓度分别为：0.01mg/mL,0.02mg/mL,0.05mg/mL,0.10mg/mL,0.20mg/mL,0.40mg/mL,0.60mg/mL,0.80mg/mL,1.0mg/mL,1.2mg/mL,1.5mg/mL。
标准曲线如图3所示，所得标准曲线拟合方程为
y＝846.06x-12.076
其中，y为峰面积，x为ɑ-蒎烯浓度。相关系数R2＝0.9987。
④计算回收剂中ɑ-蒎烯的浓度
把气相色谱所测定回收剂中ɑ-蒎烯峰面积的数值(y)反向代入标准曲线拟合方程，即可计算出回收剂中ɑ-蒎烯的浓度(x)，单位为mg/mL。
ɑ-蒎烯峰面积的数值(y)＝1151
回收剂中ɑ-蒎烯的浓度(x)＝(1151+12.076)/846.06＝1.3747mg/mL
(7)计算可燃物样品中ɑ-蒎烯的含量：
ɑ-蒎烯含量＝回收剂中ɑ-蒎烯的浓度*回收剂的体积；
回收剂中ɑ-蒎烯的浓度:1.3747mg/mL
回收剂的体积:10mL
ɑ-蒎烯含量＝1.3747mg/mL*10mL＝13.747mg
(8)计算单位质量绝干可燃物样品ɑ-蒎烯的相对含量：
ɑ-蒎烯含量百分比(％)＝[可燃物样品单萜ɑ-蒎烯含量/(1-可燃物样品的含水率％)]/可燃物样品鲜重*100％。
可燃物样品单萜ɑ-蒎烯含量：13.747mg
可燃物样品的含水率：36.34％
可燃物样品鲜重：3g＝3000mg
ɑ-蒎烯含量百分比(％)＝[13.747mg/(1-36.34％)]/3000mg*100％＝7.198％
实施例2樟子松针叶超临界萃取α-蒎烯最优条件的试验
实验步骤
(1)樟子松针叶的采集
2013年7月10日于大兴安岭林区采集生长健康，未有病虫危害的樟子松针叶。采集后的样品用脱脂棉擦拭掉表面的尘土，用封口袋封存，保存于冰箱冷藏室。
(2)样品处理
把樟子松针叶按要求剪切成相应的粒度大小。
(3)超临界萃取单萜类挥发油性化合物
取3g剪切处理过的樟子松样品置于10mL超临界萃取釜中，按实验设计要求，设定各项萃取条件，主要有：萃取釜温度、萃取釜压力、CO2气体流速、收集时间。
(4)萃取物收集
萃取物用无水乙醇作为回收剂进行回收，这是因为萜类化合物在无水乙醇中的溶解度为100％。
(5)气相色谱测定回收剂中α-蒎烯的浓度(mg/mL)。
①气相色谱条件
d)程序升温：初温50℃，终温220℃；升温程序为：50℃保留1分钟，以3℃/分钟的速度升温到80℃，保留1分钟；以10℃/分钟的速度升到220℃，保留50分钟。
e)采用恒流模式，载气流速9mL/min，压力约11.258psi；
f)分流比为5:1。
②标准曲线绘制(如图3所示)
配制以下浓度的ɑ-蒎烯标准液，根据气相色谱得到的各浓度峰面积值，绘制标准曲线，标准液浓度分别为：0.01mg/mL,0.02mg/mL,0.05mg/mL,0.10mg/mL,0.20mg/mL,0.40mg/mL,0.60mg/mL,0.80mg/mL,1.0mg/mL,1.2mg/mL,1.5mg/mL。
③不同萃取条件下回收剂中α-蒎烯的浓度(mg/mL)
(A)不同萃取釜温度
(B)不同萃取釜压力
(C)不同CO2气体流速
(D)样品粒度
(E)不同收集时间
④最佳萃取条件
由上述试验可知，样品颗粒度为0.3*0.3*0.3时、萃取釜温度35℃、萃取釜压力100Bar、CO2气体流速1.0L/min、收集时间为20min时，提取样品中ɑ-蒎烯的浓度最高，此条件为最佳的工艺条件。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种森林可燃物中单萜类组分ɑ-蒎烯的提取、测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)可燃物样品采集：采集生长健康、未有病虫危害的可燃物样品，用脱脂棉擦拭掉表面的尘土，用封口袋封存，保存于冰箱冷藏室备用；
(2)可燃物样品处理：将可燃物样品剪成粒状，尺寸为(0.2-0.4cm)*(0.2-0.4cm)*(0.2-0.4cm)；
(3)可燃物样品含水率的测定：把未经剪切处理的可燃物样品置于恒温烘箱中，102-108℃烘至恒重，并根据以下公式计算可燃物样品的含水率：
可燃物样品的含水率＝(烘干前质量-烘干后质量)/烘干前质量*100％；
(4)超临界萃取可燃物中单萜类组分ɑ-蒎烯：所用设备为超临界萃取釜，所用载气为99.9％纯度的CO2气体，萃取釜温度：33-37℃，萃取釜压力：90-110Bar，收集时间：18-22min，CO2气体流速：0.9-1.1L/min；
(5)萃取物回收：用无水乙醇作为回收剂进行回收；
(6)用气相色谱测定回收剂中ɑ-蒎烯的浓度；
(7)计算可燃物样品中ɑ-蒎烯的含量：
ɑ-蒎烯含量＝回收剂中ɑ-蒎烯的浓度*回收剂的体积；
(8)计算单位质量绝干可燃物样品ɑ-蒎烯的相对含量：
ɑ-蒎烯含量百分比(％)＝[可燃物样品单萜ɑ-蒎烯含量/(1-可燃物样品的含水率)]/可燃物样品鲜重*100％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中可燃物样品包括叶子、枝条、树皮、木质部、地表枯落物，所述冰箱冷藏室温度为2-5℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中可燃物样品尺寸为0.3cm*0.3cm*0.3cm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中可燃物样品置于恒温烘箱24-26小时烘至恒重。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中可燃物样品质量为3g，静态萃取时间为5min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中回收剂体积为10mL。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中气相色谱条件：
a)初温50℃，终温220℃；升温程序为：50℃保留1min，以3℃/min的速度升温到80℃，保留1min；以10℃/min的速度升到220℃，保留50min；
b)采用恒流模式，载气流速9mL/min，压力为11.258psi；
c)分流比为5:1。
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