超臨界萃取琯溪蜜柚精油工藝優化及組分分析

李 松 吳光斌 陳發河

（集美大學生物工程學院，福建 廈門 361021）

福建省是中國優質柚類的主要產區，主栽品種有琯溪蜜柚、文旦柚等，其柚類產量已超過全國柚類總產量的1／3。僅平和縣就種植琯溪蜜柚4.3萬hm2以上，年產已達80萬t。柚類的果皮率高達40%［1］，精油約占果皮鮮重的0.5%～2.0%［2］，主要存在于外果皮的油胞層中。柚類果皮精油（essential oil）屬于植物精油，它是一類植物源次生代謝物質，具有一定揮發性的油狀液體物質。精油主要由萜烯烴類物質及其含氧衍生物組成，主要的萜烯類化合物是檸檬烯約占32%～98%，含氧化合物含量往往低于5%，而后者卻是精油香味的主要來源。由于柚類精油具有獨特優雅的芳香，廣泛用于食品工業［3－5］（如清涼飲料、果醬、糕點、糖果、餅干、冰淇淋等）和日化工業［6－8］（如香水、化妝品、牙膏香精、浴用劑、家用清潔劑等），精油中的單體成分具有很高的應用價值，如檸檬烯、月桂烯、芳樟醇、蛇床子素、香豆素［9－11］等。琯溪蜜柚果皮提取的精油具有獨特的芳香，研究［12］表明，琯溪蜜柚果皮揮發性物質含量較高。

目前柚類精油主要采取水蒸餾、溶劑萃取、壓榨等方法提取。但這幾種方法各有不足。蒸餾法由于加熱時間較長，精油中有些成分會發生水解或降解，還會導致精油帶有蒸煮味；溶劑萃取法由于需要大量處理溶劑而難免引入雜質，這對植物成分的分析很不利；壓榨法由于原料的吸附精油得率較低。超臨界CO2萃取法具有萃取率高、無溶劑殘留等優點。本試驗研究超臨界CO2萃取琯溪蜜柚精油的工藝技術，并對萃取精油的組分進行分析，以期為琯溪蜜柚果實綜合加工利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

琯溪蜜柚：采自福建省平和縣果園；

無水硫酸鈉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

二氧化碳：純度99.999%，林德氣體（廈門）有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

高速萬能粉碎機：FW100型，天津市泰斯特儀器有限公司；

電子天平：PL602－S型，梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司；

超臨界萃取裝置：HA221－50－06型，江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；

氣質聯用儀：Agilent7890A－5975C型，美國安捷倫（Agilent）科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 琯溪蜜柚果皮干粉制備 蜜柚果皮分黃色皮層（外果皮）和白色皮層（外果皮），經測定黃色皮層僅占蜜柚果皮重量的（21.59±3.37）%。蜜柚果皮精油主要存在于果皮的黃色皮層的油胞中，白色皮層幾乎不含精油，去除白色皮層能有效提高投料效率和減少白色皮層對精油的吸附效應。預試驗表明，去除白皮層后，同樣的投料量精油得率提高5倍以上。因此，本試驗選用琯溪蜜柚果皮的黃色皮層為材料，將黃色皮層陰干，粉碎備用。

1.2.2 精油制取工藝 稱取一定量的琯溪蜜柚果皮干粉，添進料桶后，裝入萃取釜封緊后，排出殘余空氣，調節萃取溫度和壓力，分離壓力7MPa，分離溫度32℃連續萃取90min后，從分離釜出口接收精油產物，準確稱其質量，計算得率。

產物得率計算公式如下：

式中：

R—— 產物提取率，%；

m1—— 產物質量，g；

m2—— 蜜柚果皮干粉質量，g。

1.2.3 單因素試驗 單因素試驗按下列處理進行：① 萃取壓力對產物得率的影響，選取萃取溫度40℃，萃取時間90min，萃取壓力分別取10，15，20，25，30MPa；② 萃取溫度對產物得率的影響，選取萃取壓力25MPa，萃取時間90min，萃取溫度分別取35，40，45，50，55℃；③ 萃取時間對產物得率的影響，選取萃取壓力25MPa，萃取溫度40℃，萃取時間分別取30，50，70，90，110min。每次投料80.00g，試驗重復3次。確定各因素的最佳范圍。

1.2.4 響應面試驗 在單因素試驗的基礎之上，采用三因素三水平的Box－Behnken Design（BBD）試驗設計以時間、壓力、溫度的值為自變量，以產物得率為因變量，研究響應值以及最佳變量的組合。

1.2.5 精油組分的氣相色譜－質譜檢測 最優條件下的精油，無水硫酸鈉干燥、過濾除雜作樣品，進行氣相色譜－質譜聯機檢測。

（1）色譜條件：色譜柱：HP－5MS，30m×0.25mm×0.25μm石英毛細管柱；程序升溫：初溫80℃，保持10min，3℃／min升至250℃，保持5min；進樣方式：分流進樣，分流比100∶1，進樣量0.2μL；進樣口溫度：250℃；載氣：氦氣（純度為99.999%），流速1.0mL／min。

（2）質譜條件：離子源：EI源；離子源溫度230℃；四極桿溫度150℃；接口溫度280℃；電子能量70eV；溶劑延遲2min；質量掃描范圍：22～500amu；掃描范圍 （m／z）30～350amu；采集方式全掃描scan；標準質譜圖庫 NIST98和Wiley7n.1標準譜庫。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 萃取壓力對產物得率的影響 萃取壓力對產物得率的影響見圖1。由圖1可知，當壓力低于25MPa時，隨著壓力的上升，產物得率不斷提高，但是超過25MPa以后，產物得率呈下降態勢。

圖1 萃取壓力對提取率的影響Figure 1 Influence of extraction pressure on yield

壓力變化會對萃取率產生影響，也會對萃取的選擇性產生影響。當壓力處于較低水平（小于25MPa）時，壓力增加一方面使CO2流體的密度增大，溶質的溶解度隨之上升，另一方面減少了分子間的傳質距離，使傳質速率較理想，有利于萃取過程的進行；由于CO2對精油的溶解度與壓力不成線性關系，當壓力較高（大于25MPa）時，繼續增加萃取壓力，雖CO2流體密度和其對溶質的溶解度有較小的上升，但是CO2流體黏度增大，流動性降低，傳質性受到嚴重影響，從而造成產物得率降低；并且過高壓力對設備要求高，投入成本較大，也會造成CO2流體選擇性下降，導致產物雜質增多，流動性降低不但影響產物的收集也影響產物的品質。

綜上所述，無論從產物提取率和品質，還是從設備投入角度考慮，萃取壓力都不宜過高，根據試驗結果，確定萃取壓力為25MPa比較合適。

2.1.2 萃取溫度對產物得率的影響 萃取溫度對產物得率的影響見圖2。由圖2可知，在30～40℃時，產物得率隨溫度升高而增加；當溫度高于40℃時，產物得率反而處于較低的水平。

出現這樣的情況是因為萃取溫度對產物得率的影響是兩方面制衡的結果：① 萃取溫度的升高會引起CO2流體密度下降，使得對產物的溶解度降低；② 溫度升高，CO2擴散系數增加，提高CO2萃取能力，同時加大了精油在CO2流體中的飽和蒸汽壓，分子熱運動加劇，促進物料分子擴散，利于萃取。當處于30～40℃范圍內，升溫對CO2擴散系數增加和精油飽和蒸汽壓及擴散作用強于CO2流體密度下降帶來的不利影響，所以產物提取率隨溫度上升而增加；但是當溫度高于40℃時，CO2流體密度下降的不利影響占據主導地位，所以產物得率會較低；50℃以后會有小幅上升，可能是因為溫度上升對精油溶解度增加幅度更大。

圖2 萃取溫度對產物得率的影響Figure 2 Influence of extraction temperature on yield

2.1.3 萃取時間對產物得率的影響 萃取時間對產物得率的影響見圖3。由圖3可知，70min以前，產物萃取率隨萃取時間增加幾乎呈直線上升；70～90min，增長趨勢放緩，但產物得率仍有較大的提高；90min以后曲線趨于平緩，幾乎沒有變化。

圖3 萃取時間對產物得率的影響Figure 3 Influence of extraction time on yielde

CO2流體對精油的萃取過程是一個動態平衡的過程。萃取開始階段，精油成分主要分布在顆粒表面，內擴散阻力較小，因此產物得率比較高，隨著時間的延長產物得率直線上升；隨著萃取的進行，內擴散阻力逐漸增大，精油含量逐漸降低，CO2溶出的精油量逐漸減小，萃取效率趨向于零，萃取過程進入完結階段，所以曲線趨于平緩，產物得率幾乎沒有變化。

2.2 響應面試驗結果與分析

根據單因素試驗結果，確定響應面試驗的因素水平，見表1。

響應面優化方案及結果見表2，采用Design－Experts程序對數據進行回歸分析，得到擬合方程為

由表3可知，壓力、溫度和時間對產物得率均具有顯著影響，在選取的因素范圍內，各因素對產物得率影響排序為X2＞X3＞X1，即壓力 ＞ 溫度 ＞ 時間。F＝260.87，P＜0.000 1表明該模型極顯著；F 失擬 ＝0.64，失擬項P＝0.702 0＞0.05表明該模型失擬不顯著。Box－Behnken法計算產物得率回歸模型的調整確定系數r2＝0.996 2，說明該模型擬合程度良好，可以用此模型對超臨界CO2萃取館溪蜜柚精油進行分析和預測。

表1 響應面試驗因素水平及編碼Table 1 Factors and levels in the Box－Behnken experimental design

表2 響應面設計和產物得率Table 2 Box－Behnken experimental design matrix and corresponding experimental results of the yield

由圖4可知，在萃取時間為90min條件下，萃取壓力和萃取溫度對產物得率的影響存在交互作用。在低溫條件下，產物得率隨著溫度的升高而增加，這可能與溫度升高導致物質傳輸速度的增加有關。但是，當溫度升高到一定值后，隨著溫度的升高，產物得率反而開始下降，其原因可能與CO2濃度的降低有關。在低壓條件下，壓力與產物得率正相關，隨著壓力升高，CO2濃度也隨之升高，從而增加了精油的溶解度。在高壓條件下，隨著萃取壓力升高到15MPa時，產物得率會達到一個最大值，隨后壓力的升高對產物得率就不再有明顯的影響。

采用響應面優化琯溪蜜柚精油提取工藝，確定最終優化工藝為萃取時間92.40min，萃取壓力18.26MPa，萃取溫度38.22℃，此條件下產物得率為10.28%。

為檢驗試驗的可靠性，同時考慮設備控制因素，修正后的最優條件為萃取時間93min，萃取壓力18MPa，萃取溫度38℃，在該條件下進行6組驗證實驗，實際產物得率為10.22%±0.04%，驗證結果與預測值非常接近，說明預測結果可靠，工藝參數可行。

表3 回歸模型方差分析和模型系數顯著性檢驗Table 3 Analysis of varlances for the developed response surface quadrtic model

圖4 壓力和溫度交互作用的響應面圖和等高線圖Figure 4 Three－dimensional response surface graphs and the contour plots showing the pairwise interactive effects between extraction pressure and extraction temperature on essential oil yield

2.3 精油組分分析結果

將在優化的最佳條件下獲得的精油樣品進行組分分析，GC／MS檢測的總離子流（TIC）圖見圖5。圖譜經NIST08.L譜圖庫自動檢索，通過與標準譜圖對照、人工解析并查對文獻等方法確認各化合物，并采用面積歸一化法確定各組分的相對百分含量，結果見表4。

圖5 超臨界萃取精油總粒子流圖Figure 5 Total ion current chromatogram of the essential oil from Guanxi honey pomelo by SFE

表4 超臨界萃取產品組分及相對含量Table 4 Component analysis of essential oil from Guanxi honey pomelo by SFE

續表4

超臨界萃取產品總共鑒定出52種成分，占出峰物質總量的96.36%。其中烴類物質26種高達95.14%，如月桂烯（29.83%）和 D－檸 檬 烯 （61.92%）等；含 氧 化 合 物 僅 占1.22%，如芳樟醇（0.30%）、順式檸檬醛（0.24%）、反式檸檬醛（0.33%）等。精油含氧化合物雖然含量較少，但卻是柚皮精油香氣的主要貢獻者，已被證實的柚子特征香氣成分圓柚酮［13］在本試驗中也有檢出。

試驗結果表明，琯溪蜜柚果皮精油中主要為D－檸檬烯和月桂烯，分別達到61.92%和29.83%，而芳樟醇和圓柚酮含量相對較低。夏湘等［14］研究發現δ－欖香烯、石竹烯、橙花醇、香葉醇等成分的提取率與提取條件具有顯著的相關性。萃取溫度和壓力的變化明顯影響精油不同成分的得率，升高溫度降低壓力利于萃取選擇性的提高［15］。

雖然高含量的烯烴類物質，如D－檸檬烯和月桂烯，對柚子香氣貢獻很小，但卻應用廣泛。例如，月桂烯可以鎮咳，也可以作為精細化工合成中間體；D－檸檬烯可用于制備合成樹脂和合成橡膠，調配橙花香精、柑桔油等，也可用于制作檸檬系精油的代用品，許多日化香精配方中，其用量可達30%［16］；以檸檬烯為原料還可以合成多種香料［17］，制備環保油墨清洗劑［18］；同時D－檸檬烯具有抗菌、抗氧化、祛痰平喘、利膽溶石、抗癌抗腫瘤等功效［19－21］。

3 結論

（1）超臨界CO2萃取琯溪蜜柚精油最佳工藝條件為萃取時 間 92.40min，萃 取 壓 力 18.26MPa，萃 取 溫 度38.22℃，此條件下產物得率為10.28%。

（2）對在優化的最佳條件下獲得的精油樣品進行組分分析，結果表明超臨界CO2萃取精油產品總共鑒定出52種成分，占出峰物質總量的96.36%。其中烴類物質26種高達95.14%，含氧化合物僅占1.22%。

（3）與筆者［22］先期研究的利用同時蒸餾萃取方法和有機溶劑萃取方法萃取琯溪蜜柚精油相比，超臨界CO2萃取具有萃取時間短、選擇性好、萃取率高、無溶劑殘留等優點。

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