超臨界CO2脫除大紅橙油中萜烯類成分的工藝優化

付復華，潘兆平，謝秋濤，尚雪波，單 楊

（1.湖南省農產品加工研究所，湖南 長沙 410125；2.湖南省食品測試分析中心，湖南 長沙 410125；3. 湖南省農業科學院，湖南 長沙 410125）

超臨界CO2脫除大紅橙油中萜烯類成分的工藝優化

付復華1，潘兆平1，謝秋濤1，尚雪波2，單 楊3

（1.湖南省農產品加工研究所，湖南 長沙 410125；2.湖南省食品測試分析中心，湖南 長沙 410125；3. 湖南省農業科學院，湖南 長沙 410125）

以大紅橙油為研究對象，以采用GC-MS法分析確定的目標萜烯為脫除對象，以萃取壓力、溫度、時間和CO2流量為單因素，通過正交試驗優化超臨界CO2技術脫除萜烯類成分的工藝。結果表明：大紅橙油中D-檸檬烯等目標萜烯相對含量為91.00 %；當萃取壓力12 Mpa，萃取溫度60 ℃，萃取時間2.5 h，CO2流量12 L/h時，脫萜效果最佳，萃取相中目標萜烯相對含量達94.87 %；采用超臨界CO2萃取技術分離大紅橙油中的萜烯類物質，可以將目標萜烯類物質相對含量降低到73.84 %。

橙油；超臨界CO2；萜烯；分離

柑橘精油是常用的一種天然香料，在食品、煙草、日化、醫藥等領域得到廣泛應用。其主要成分是萜烯類、倍半萜烯類以及高級醇類、醛類、酮類、酯類、酚類等組成的含氧化合物，其中90%以上是萜烯類和倍半萜烯類化合物。萜烯類物質對熱、光敏感，在空氣中容易被氧化，很容易由于加工貯存不當導致被氧化，影響精油的品質和應用［1-2］。因此，降低柑橘精油中萜烯類物質的含量對穩定品質具有重要意義。

目前，國內對柑橘精油的研究主要集中在制取工藝［3-4］、成分分析［5］、抑菌保鮮［6］等方面，對柑橘精油脫萜純化的研究較少，主要采用減壓蒸餾［7］和分子蒸餾［8］的方法。超臨界CO2萃取技術因選擇性強、安全性好、無溶劑殘留等特點，近年廣泛應用于油脂［9］和功能性成分［10］以及柑橘精油［11］等揮發性成分的提取。國外還有應用于精油成分分離的研究：Mitsuru等［12］采用超臨界CO2連續萃取裝置半連續操作和連續逆流操作對佛手柑精油進行脫萜研究；Gironi等［13］利用超臨界萃取耦合間歇精餾過程研究外回流對檸檬精油中氧化萜類化合物回收率的影響；Chouchi等［14］在利用硅膠對酸橙皮精油進行除雜濃縮的基礎上，再用超臨界CO2萃取其中的萜烯類化合物。國內雖然也有超臨界CO2萃取技術用于萃取柑橘精油的研究，但一般用于以柑橘皮為原料提取富含萜烯類物質的“粗油”［15-17］，用于對柑橘精油進一步分離純化的較少。由于柑橘皮中精油含量較少［18］，直接以柑橘皮為原料用于超臨界CO2萃取，對設備處理能力要求較高，不利于技術的產業化應用。

研究以湖南主產的大紅橙冷榨精油為原料，采用GC-MS定性分析確定大紅橙油中主要的萜烯類化合物。利用超臨界CO2萃取裝置分離其中的萜烯類成分，考察各種試驗條件對萜烯類化合物萃取效果的影響，探索最佳萃取條件，以期為提高大紅橙油品質，推動地方特色資源綜合利用提供理論依據，為超臨界CO2萃取技術應用于柑橘精油提取純化的工業化應用提供借鑒參考。

1 材料與方法

1.1原料與試劑

大紅橙油：冷榨（湖南鑫洋食品工業有限公司）；石油醚：沸程30～60℃（分析純，長沙安泰精細化工有限公司）；甲醇（色譜純，江蘇漢邦科技有限公司）；硝酸、高氯酸（優級純，國藥集團化學試劑有限公司）；草酸、鐵氫化鉀、硼氫化鈉、硫脲、三氧化二砷、無水硫酸鈉（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；金屬鉛（國藥集團化學試劑有限公司）；硫酸氫鈉（分析純，廣東光華化學廠有限公司）；異辛烷（色譜純，天津市科密歐化學試劑有限公司）。

1.2儀器與設備

HA221-50-06型超臨界萃取裝置（江蘇華安科研儀器有限公司）；DS-1型高速組織搗碎機（江蘇金城國勝試驗儀器廠）；FA1104型上皿電子天平（上海精科天平）；Agilent 7890C-5975A氣相色譜-質譜聯用儀，配Agilent 7683B自動進樣器、NIST08譜庫（美國Agilent公司）。

1.3實驗方法

1.3.1精油成分分析與目標萜烯選擇采用GC-MS進行分析。GC條件：HP-88型色譜柱為100 m×250 μm×0.25 μm；載氣為99.999%氦氣，柱前壓7.069 9 psi（0.049 MPa），載氣流速1 mL/min，平均速率36.262 cm/s，滯留時間1.378 9 min；初始柱溫40 ℃，以3 ℃/min升溫到220 ℃（保持6 min）；分流比30∶1，分流流量30 mL/min。MS條件：EI離子源，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，電子倍增電壓1.835 kV，溶劑延遲4.00 min，EMV模式的增益系數1.00，采集模式為全掃描。

根據GC-MS分析結果，選擇主要萜烯化合物作為目標萜烯。

1.3.2超臨界CO2萃取橙油中萜烯稱取橙油250 g，裝入萃取罐中，萃取壓力8～16 MPa，萃取溫度45～65℃，CO2流量6～14 L/h，萃取0.5～2.5 h，從分離釜底部放出萃取液，稱重。

1.3.3單因素試驗設計試驗在GC-MS分析時未采用外標法校正，所得組分的相對含量不能視為該物質的實際含量，因此不能由相對含量直接計算得出萜烯的萃取率。試驗將萃取相質量m和目標萜烯相對含量β兩項作為評價指標，綜合評價萜烯的萃取效果。

分別以萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、CO2流量為影響因素，分析不同條件的萃取條件對萜烯超臨界CO2萃取效果的影響，檢測指標為萃取相質量和目標萜烯相對含量。

（1）萃取壓力：固定萃取溫度60 ℃、萃取時間2.0 h、CO2流量10 L/h，分別在萃取壓力8、10、12、14、16 Mpa的條件下進行試驗，考察在萃取壓力對萃取相質量和目標萜烯相對含量的影響。

（2）萃取溫度：固定萃取壓力10 MPa、萃取時間2.0 h、CO2流量10 L/h，分別在萃取溫度45、50、55、60、65 ℃的條件下進行試驗，考察萃取溫度對萃取相質量和目標萜烯相對含量的影響。

（3）萃取時間：固定萃取壓力10 MPa、萃取溫度60 ℃、CO2流量10 L/h，分別在萃取時間0.5、1.0、1.5、2.0、2.5的條件下進行試驗，考察萃取壓力對萃取相質量和目標萜烯相對含量的影響。

（4）CO2流量：固定萃取壓力10 MPa、萃取溫度60 ℃、萃取時間2.0 h條件下，分別在CO2流量6、8、10、12、14 L/h的條件下進行試驗，考察不同CO2流量對萃取相質量和目標萜烯相對含量的影響。

1.3.4正交試驗優化為全面考察各因素影響，采用L9（34）正交試驗方法，以萃取壓力（A）、萃取溫度（B）、萃取時間（C）、CO2流量（D）為考察因素，設計試驗方案。稱取9份橙油，每份250 g，分別按試驗方案進行超臨界CO2萃取。以萃取相質量和目標萜烯相對含量為評價指標進行綜合分析，以得到最優條件。

2 結果與分析

2.1大紅橙油成分分析

大紅橙油GC-MS分析總離子流圖見圖1。

應用面積歸一法分析得出大紅橙油組分及相對含量如表1所示。

圖1　大紅橙油的總離子流圖

根據表1，選擇為相對含量分別為0.30%以上、合計達91.00%的β-蒎烯、2-崖柏烯、檜烯、β-月桂烯、D -檸檬烯、莰烯、古巴烯、β-蓽澄茄油烯、佛術烯為目標萜烯類化合物。

2.2單因素試驗

2.2.1萃取壓力的影響由圖2可知，在8～12 MPa范圍內，萃取壓力升高，萃取相質量逐漸增長，萃取壓力繼續增加，萃取相質量逐漸減少；萃取壓力低于10 MPa時，目標萜烯含量隨壓力升高而增加，當萃取壓力高于10 MPa時，目標萜烯含量逐漸下降。這是由于萃取壓力升高，超臨界液體的密度隨之增加，溶解能力提高，使得萃取率增大；同時，超臨界壓力升高，介電常數隨之增大［19］，有利于橙油中醇類、醛類等極性相對較強物質的溶解，但對萜烯等極性相對較弱的物質則具有負相關性。但壓力增加同時會導致CO2液體的粘度增大，流動性降低，影響其傳質性，從而降低萃取率［16］。綜合考慮，選擇萃取壓力10 MPa為較佳萃取壓力。

圖2　萃取壓力對萜烯萃取效果的影響

2.2.2萃取溫度的影響由圖3可知，在設定范圍內（45～65 ℃），萃取溫度升高，萃取相質量增加，其增加速率呈遞減趨勢；當溫度低于55 ℃，萃取溫度升高，目標萜烯含量增加，溫度繼續升高（＞55 ℃），目標萜烯含量逐漸減少。這是由于萃取溫度對超臨界液體萃取率的影響是雙重的：一方面，溫度升高使流體揮發度增大、傳質速度加快，提高物料的擴散系數；另一方面，溫度升高導致液體密度下降，使CO2流體的溶劑化效應下降，物料在流體中溶解度下降，從而降低萃取率［20］。結合圖3分析，萃取溫度升高，對橙油中極性強、沸點高的醇、醛等含氧化合物溶解度的正影響要比對極性弱、沸點低的萜烯類化合物溶解度的正影響要大，同時，溫度過高，可能導致低沸點物質分解［21］。綜合考慮，選擇60 ℃為較佳萃取溫度。

圖3　萃取溫度對萜烯萃取效果的影響

2.2.3萃取時間的影響由圖4可知，隨著萃取時間的增加，萃取相質量逐漸增加，其增加速度逐漸變緩；萃取時間的增加，目標萜烯含量逐漸下降。這是由于，雖然萃取時間不會改變超臨界CO2的選擇性，但隨時萃取時間的增加，橙油中醇、醛等擴散速度較慢、相對較難萃取的物質也逐漸被萃取出來，導致分離的總體選擇性降低，從而增加了萃取相質量，降低了目標萜烯的相對含量。綜合考慮，選擇2.0 h為較佳萃取時間。

圖4　萃取時間對萜烯萃取效果的影響

2.2.4CO2流量的影響由圖5可知，隨著CO2流量的加大，萃取相質量逐漸增加，目標萜烯含量逐漸下降。這是由于，CO2流量增加，物料在CO2中的擴散速度隨之增加，較快地達到溶解度平衡，可以提高萃取能力，使得橙油中溶解度相對低的強極性物質，醇、醛等含氧化合物也被萃取出來，從而增加了萃取相質量，降低了目標萜烯含量。綜合考慮，選擇10 L/h為較佳CO2流量。

2.3正交試驗

根據單因素試驗結果，設計正交試驗因素與水平見表2。

圖5　CO2流量對萜烯萃取效果的影響

表2　正交試驗因子水平表

正交設計方案及結果見表3。由表3可知：以萃取相質量為指標，較優工藝條件為A3B2C3D3，即萃取壓力12 MPa、萃取溫度60 ℃、萃取時間2.5 h、CO2流量12 L/h，對萃取相質量影響主次因素依次為B（萃取溫度）＞A（萃取壓力）＞D（CO2流量）＞C（萃取時間）；以萃取相中萜烯相對含量為指標，較優工藝條件為A2B1C1D1，即萃取壓力10 MPa、萃取溫度55℃、萃取時間1.5 h、CO2流量8 L/h，對萜烯相對含量影響主次因素依次為B（萃取溫度）＞A（萃取壓力）＞D（CO2流量）＞C（萃取時間）。

根據正交試驗結果，選擇工藝條件A3B2C3D3、A2B1C1D1分別進行3次平行驗證試驗。A3B2C3D3萃取相質量與萜烯相對含量為（207.84±3.35）g、（94.87±0.37）%，A2B1C1D1萃取相質量與萜烯相對含量為（196.09±3.23）g、（95.59±0.31）%。綜合比較，萃取時間與CO2流量對萃取相質量和萜烯含量影響較小，主要考察萃取溫度與壓力的影響。從萃取溫度與壓力的R值比較可知，對萃取相的影響大于對萜烯相對含量的影響。因此，考慮選擇A3B2C3D3為最佳條件。同時，雖然不能由萃取相質量與萜烯相對含量直接計算出萜烯的實際萃取率，但可以將萃取相質量與萜烯相對含量的乘積作為評價萜烯萃取效果的參考，分析結果見表3。從表3中以萃取相質量與萜烯相對含量的乘積為評價指標時的正交試驗結果可知，A3B2C3D3為最佳條件，驗證了前文分析。因此，選擇A3B2C3D3作為最佳工藝條件。

2.4萃取相、萃余相成分分析

通過GC-MS方法對采用上述最佳工藝條件所得的萃取相、萃余相進行分析，用峰面積歸一法進行定量，原料、萃取相、萃余相中目標萜烯相對含量比較見表4。由表4可知，萃取相的目標萜烯相對含量遠高于萃余相的目標萜烯相對含量，表明試驗較好地實現了脫除萜烯類成分的目標。萃取相中D-檸檬烯相對含量達83.23 %，可作為進一步純化制取D-檸檬烯的優質原料。

表4　大紅橙油原料、萃取相、萃余相主要萜烯含量比較

3 結 論

（1）利用超臨界CO2技術萃取橙油中萜烯類物質的最佳工藝條件為：萃取壓力12 MPa，萃取溫度60℃，萃取時間2.5 h，CO2流速12 L/h。在該工藝條件下萃取相質量與目標萜烯相對含量為（207.84±3.35）g、（94.87±0.37）%。

（2）采用超臨界CO2萃取技術分離橙油中的萜烯類物質，可以將D-檸檬烯等主要萜烯類物質相對含量由91.00 %降低到73.84 %，有利于提高和穩定精油品質，所分離的萜烯類物質可作為D-檸檬烯等化合物的優質來源。

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Optimization of Supercritical CO2Removal Technology of Terpenes from Dahong Orange Essential Oil

FU Fu-hua1，PAN Zhao-ping1，XIE Qiu-tao1，SHANG Xue-bo2，SHAN yang3
（1. Hunan Agriculture Product Produce Institute， Changsha 410125， PRC；2. Hunan Food Testing Analysis Center， Changsha 410125， PRC；3. Hunan Academy of Agricultural Science， Changsha 410125， PRC）

In order to determine the optimum conditions for removal of terpenes from Dahong Orange essential oil by supercritical CO2fluid， target terpenes such as D-limonene was determined as moving object by GC-MS， the effect of extraction pressure， extraction temperature， extraction time and CO2flow rate on extraction efficiency of terpenes were studied， used of single factor and orthogonal array experiments. The result showed that the relative contents of target terpenes was 91.00 %. The highest moving efficiency was achieved under the optimum extraction conditions of pressure 12 MPa， temperature 60 ℃， extraction time 2.5 h， and CO2flow rate 12 L/h， and the relative contents of target terpenes in extraction phase was measured to be 94.87 %. The relative contents of target terpenes in Dahong orange essential oil reduced to 73.84 % from 91.00 % by supercritical CO2extraction technology.

orange essential oil； supercritical CO2； terpenes； removal

TS225.1

A

1006-060X（2016）08-0084-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.08.025

2016-06-12

國家科技支撐計劃（2012BAD31B02）；公益性行業（農業）科研專項（201303076）

付復華（1978-），男，湖南攸縣人，副研究員，主要從事農產品加工與質量安全研究。