互叶白千层植物精油的研究进展

吕永,何庭玉,陈珊
[摘　要]互叶白千层植物精油(茶树油)是近年来发展较快的植物精油之一,本文概括了茶树油的提取分析、抗菌活性等方面的研究在国内外的研究进展,讨论了用真空间歇精馏和分子蒸馏方法精制茶树油,为茶树油的相关研究提供参考。
[关键词]茶树油;抗菌活性;精馏;分子蒸馏;综述
        互叶白千层(melaleuca alternifolia)是桃金娘科白千层属的一种长绿小乔木,从其新鲜枝叶中可提取得到无色至淡黄色透明油状液体,商品名字叫茶树油( Tea Tree Oil) [ 1 ]。茶树油具有良好的广谱杀菌抑菌保健作用,并有宜人的肉豆蔻香气,是公认优良的天然芳香剂、抗菌剂、防腐剂,主要应用在日化、制药、食品等行业。
        互叶白千层原生于澳大利亚,上世纪80年代后,植物源杀菌剂日益受到重视,茶树油产业得以迅速发展,互叶白千层也开始在我国、印度和东南亚一些国家地区引种。我国广东、广西、云南等地从1993年起先后成功引种互叶白千层,栽培面积已发展到150公顷左右,年产油17～20 t。国内有关茶树油的研究也日益活跃,已经初步建立了我国茶树油的质量标准[ 2 ] 。但与国外相比,我国的相关研究还很不够,尤其在茶树油的抗菌活性、应用方面的研究报道很少。本文概括了近年来茶树油在国际国内的研究进展,重点叙述了茶树油的抗菌活性,提出并讨论了茶树油的精制,希望为茶树油的相关研究提供参考。
1　茶树油的提取分析
        互叶白千层的新鲜小枝叶可直接水蒸气蒸馏提取茶树油,水上蒸馏法是最实用、经济的方法,产品为白至淡黄色的透明液体,油的产率为1% ～3% ( v/w) 。提取条件优化研究的因素有提取时间、蒸汽速率、原料是否浸泡、蒸馏方式等,考察的主要指标有产率、出油率或组分馏出率和化学组成。Johns等[ 3 ]研究了蒸汽速率、原料是否浸泡和贮存对茶树油的产率、组成、各组分馏出率的影响,结果表明:不同操作条件对油的产率、组成基本无影响,但能显著影响茶树油各成分的馏出顺序。国内不少文献也研究报道了茶树油提取条件的优化[ 4 ] 。
        茶树油含有近100种化学成分[ 5 ] ,基本上是由50%的单萜烃和50%的单萜烃含氧衍生物组成,另有少量的倍半萜。茶树油化学成分的分析都是利用气相色谱或气相色谱2质谱联用法,定量方法一般采用不加校正因子的峰面积归一法。GC分析时,柱子采用弱极性毛细管柱,如DB21、HP21、OV2101等,程序升温。我们用DB21柱子直接进样达到了较好的基线分离,见图1。

2　茶树油的精制
        茶树油的质量主要由其中含有的42松油醇和1, 82桉叶油素的浓度规定。前者是茶树油主要的活性成分,具有紫丁香的花香香气,香气柔和,其含量不应低于30%;后者有清凉的草、药气味,往往会使茶树油带有一定的刺激性气味,影响油的香气,且多数研究者认为它对人体皮肤产生刺激性,所以,其含量应该越低越好。国际标准化组织于1996年制定了最新的茶树油国际标准,即ISO473021996,规定了茶树油中14种化合物的浓度(见表1) 。

        我国产茶树油的各化学成分浓度随地区差异较大,难以满足此标准,即使在茶树油质量较好的广东地区, 1, 8 - 桉叶油素的含量也在5%以上(根据实际应用的经验,该物质的含量应该在5%以下, 2%左右较好) 。所以,通常需要精制茶树油以提高其质量,增加其附加值。遗憾的是,目前这方面的研究报道很少。茶树油是热敏性物料,长时间受热容易颜色加深,发生氧化聚合而变质,适合用减压精馏、分子蒸馏等真空分离技术分离精制。
2. 1 减压精馏
        精馏分离技术现已广泛应用于化工生产中,有成熟的工艺和设备。精馏有连续精馏和间歇精馏两种方式,精馏塔可用板式塔或填料塔。对于植物精油的分离精制一般采用间歇精馏和塔藏量较少的填料塔,即茶树油的分离精制宜采用填料塔的真空间歇精馏,分罐收集产品。精馏工艺计算可用简捷法或逐板计算法,但有关的化工数据中缺乏茶树油各主要成分的蒸汽压数据,只能进行近似处理。一般的方法是:将茶树油进行温度切割后直接测量轻、重组分的蒸汽压;或者用基团贡献法(CSGC法)估算茶树油各主要成分的蒸汽压数据。
        精馏的真空度应该在1mmHg左右,使精馏结束时的蒸馏釜温度不高于100℃,精馏过程应快速进行,避免茶树油长时间受热发生变质。实际操作时,采用逐渐增大回流比的操作方式,开始阶段短时间全回流形成适宜的温度梯度和压降,然后以较小的回流比采出轻组分,整个过程要特别注意控制加热速率,防止出现液泛现象。
2. 2 分子蒸馏
        分子蒸馏是一种高真空分离技术,其原理是利用不同物质分子平均自由程的不同实现分离。分子运动平均自由程主要由操作的压力、温度和分子有效直径决定,在设定的操作温度和压力下,茶树油轻组分物质的分子运动平均自由程小于分子蒸馏器蒸发面和冷凝面的距离而被冷凝分出,达到茶树油精制的目的。分子蒸馏具有操作温度压力低,物料受热时间短,分离程度和产品收率高等优点,特别适合茶树油等热敏物质的分离精制。
        分子蒸馏的操作参数有系统压力、蒸馏温度、进料预热温度、进料速度、刮膜转速和冷凝温度等。茶树油的化学成分相近,很多为同分异构体,主要活性成分42松油醇容易随轻组分一块被蒸发冷凝造成损失。所以在蒸馏过程中需要特别注意进料的速度,控制蒸出物和蒸余物的流量,实验发现,该流量比控制在1 ∶3左右较合适。图2给出了茶树油分子蒸馏的一般流程。

3　茶树油的抗菌活性
        茶树油的抗菌作用在国外早有报道[ 6 ] ,上世纪九十年代后,更多更广泛的细菌和真菌被报道对茶树油敏感,研究较多的菌种见表2。除绿脓杆菌外,报道的茶树油的最小抑菌浓度(M IC)或最小杀菌浓度(MBC或MCC)一般在1%以下,对真菌的抑制浓度更小[ 7 ] ,显示出茶树油良好的广谱抗菌活性。

        琼脂稀释法和肉汤稀释法常用于茶树油的细菌敏感性实验。但和其他植物精油一样,茶树油不溶于水溶性介质,形成的乳浊液使茶树油和受试菌种不能形成良好的接触,测定的M IC值或MBC值可能偏高,并且会影响M IC值或MBC值测定时的终点判断。常用的辅助性试剂为表面活性剂吐温20或吐温80,它们能使茶树油在水溶性介质中增溶而本身基本没有抗菌活性,使用的浓度范围一般为0. 5% ～20%。
另外,加入少量的氯化三苯四氮唑( TTC试剂)或刃天青试剂可帮助用于M IC值或MBC值终点的判断。不同的实验方法测定的结果会有不同,一般用肉汤稀释法的M IC或MBC值更小。Carson等[ 8 ]用改进的肉汤稀释法测定出茶树油对32珠痤疮丙酸杆菌的MBC 值为0. 25% ～0. 5% , 而Raman等[ 9 ]报道的对痤疮丙酸杆菌的M IC值为0. 31% ～0. 63% ,金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌均为0. 63% ～1125%。Southwell等[ 10 ]测定的对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌和黑曲霉菌的M IC值分别为: 0. 2%、014%、0. 2%和012% ,Mann等[ 11 ]用刃天青改进的稀释法比用琼脂稀释法测定的M IC值更低: 金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的分别为0104%和0. 08% ,临床分离的链球菌为0. 08% ～0. 31% ,变形杆菌为0. 08%。Cox等[ 12 ]测定的对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌的M IC分别为0. 25%、0. 25%、0. 125% ,MCC分别为0. 5%、0. 5%和0125% ,但同时测定的对绿脓杆菌的M IC和MCC均大于8,Mann等[ 13 ]的研究解释了绿脓杆菌的独特耐药性,并实验表明如将茶树油与一种多粘菌素共同使用,可使对绿脓杆菌的M IC和MBC降低到0. 25%和0.5%。所有这些研究为茶树油的抗菌作用提供了越来越多的科学证据,但由于实验方法不同、实验菌珠的差异、甚至对M IC的判断标准不一致而使实验结果之间缺乏可比性。琼脂平板扩散法也常用于评价茶树油的抗菌活性,但其缺点明显,茶树油中不同的化学成分在水溶性琼脂平板上扩散的速度可能有较大差异,导致实验结果出现偏差。
        茶树油抗菌作用的机理近年来也有研究。Cox等[ 14 ]以大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌为对象研究了茶树油的作用机制,发现了茶树油能引起前两种细菌的K+离子的泄露,得出的结论是茶树油能够抑制这些菌的呼吸作用,增加菌体细胞质的渗透性,使其发生自溶作用而死亡。另外,也有研究[ 15 ]认为茶树油的活性成分42松油醇对人体白细胞有激活作用,从而增强人体免疫力,达到保健作用。
4　展望
        现今全世界茶树油的年产量为500多吨,茶树油产品的使用安全性获得了欧美等多个国家的认可,目前已开发应用于护发品,化妆品,漱洗用品,宠物用品,口腔卫生用品,消炎药品等100多个系列产品中。而我国对茶树油的认识时间较短,仅有日化行业开始使用,目前仍是一个新兴产业,具有良好的开发价值和发展潜力。加强茶树油的基础研究和应用研究,提高我国茶树油的质量,开发茶树油的新产品,具有十分重要的意义。