超聲波輔助提取橙皮香精油的工藝研究

劉玉珍，張兆琴，胡潔芳，張彩鳳

（1.江西工業貿易職業技術學院，江西南昌 330038；2.江西省糧油科學技術研究所，江西南昌 330029；3.陜西科儀陽光檢測技術服務有限公司，陜西西安 711700）

0 引言

橙子是蕓香科柑橘屬植物橙樹的果實，是橘子與柚子的雜交品種，廣泛分布在我國長江以南的地區，有較高的食用價值和藥用價值[1]。果皮中含有多種有效成分，主要有香精油、橙皮苷、果膠、色素等，是食品、飲料、糖果的賦香劑及醫藥、化妝品的重要原料[2]。研究表明，橙皮香精油是一種天然溶劑，它富含多種成分，其中的檸烯具有無色透明、誘人橘香味的特征；精油具有消炎、止咳、鎮痛、排毒等功效[3-4]。

橙皮香精油的提取方法有多種，傳統的方法有水蒸氣蒸餾法[5]、溶劑浸提法、壓榨法[6]，近年發展較快的超臨界二氧化碳萃取法[7]和微波萃取[8-9]等。超聲波輔助提取法[10-13]主要利用強大超聲波產生的熱作用、機械作用、空穴作用等，改變橙皮的物化特性，加速橙皮中的香精油溶出，具有操作簡單、提取效率高的優點。試驗采用超聲波輔助提取橙皮香精油，研究料液比、石油醚體積分數、靜置時間、超聲溫度和超聲時間等因素對提取率的影響，并通過響應面試驗確定最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料

贛南臍橙、石油醚（AR）、蒸餾水。

1.2 儀器

YB-1500A型高速多功能粉碎機，上海力箭機械有限公司產品；GZX-9140MBE型數顯鼓風干燥箱，上海博訊實業有限公司醫療設備廠產品；AR2140型電子天平，奧豪斯國際貿易有限公司產品；KQ-500B型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產品；SHZ-III型循環水真空泵、RE-52AA型旋轉蒸發器，上海亞榮生化儀器廠產品；布氏漏斗。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

鮮橙皮→晾曬→烘干→粉碎→稱質量→浸提→超聲提取→過濾→濾液濃縮→烘干（至恒質量）→橙皮香精油→稱質量。

（1）橙皮預處理。新鮮贛南臍橙，清水洗凈擦干，削下果皮，置于陽臺初步晾干，于50℃條件下干燥至恒質量，粉碎，裝瓶，密封保存。

（2）橙皮香精油的提取方法與提取率計算。準確稱取8 g橙皮粉末，以料液比1∶15加入100%石油醚，靜置15 min，于30℃條件下超聲15 min，過濾，濾液濃縮，烘干至恒質量，得粗精油，計算提取率。

1.3.2 橙皮香精油提取單因素試驗

（1）料液比對橙皮香精油提取率的影響。分別以料液比為 1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，研究料液比對橙皮香精油提取率的影響，確定最佳料液比。

（2）石油醚體積分數對橙皮香精油提取率的影響。分別以100%，90%，80%，70%，60%的體積分數配制石油醚，以最佳料液比加入石油醚，研究石油醚體積分數對提取率的影響，確定最佳體積分數。

（3）靜置時間對橙皮香精油提取率的影響。以最佳料液比和最佳石油醚體積分數加入石油醚，分別靜置5，10，15，20，25 min，研究靜置時間對橙皮香精油提取率的影響，確定最佳靜置時間。

（4）超聲溫度對橙皮香精油提取率的影響。以最佳料液比和最佳石油醚體積分數加入石油醚，靜置最佳時間，分別于10，20，30，40，50℃條件下超聲處理，研究超聲溫度對橙皮香精油提取率的影響，確定最佳超聲溫度。

（5）超聲時間對橙皮香精油提取率的影響。在上述最佳條件下，分別以超聲時間5，10，15，20，25 min處理，研究超聲時間對橙皮香精油提取率的影響，確定最佳超聲時間。

1.3.3 設計響應曲面試驗優化提取工藝

在單因素試驗基礎之上，綜合考慮多因素對橙皮香精油提取率的影響，根據單因素試驗結果采用響應曲面試驗對橙皮香精油提取條件進行優化。

1.3.4 響應曲面優化下的重現性試驗

在響應曲面優化條件下進行重復性試驗，確定橙皮香精油提取優化條件的可行性和重現性。

2 結果與分析

2.1 提取單因素試驗結果

2.1.1 最佳提取料液比的確定

料液比對橙皮香精油提取率的影響見圖1。

圖1 料液比對橙皮香精油提取率的影響

由圖1可知，橙皮香精油的提取率隨著料液比的增加先上升后下降，當料液比為1∶20時，提取率最高。料液比較小時，石油醚不足，橙皮中的精油成分不能充分浸出，提取率隨料液比的增加而不斷上升；當料液比為1∶20時，混合液中的石油醚足以把橙皮中的精油成分浸出，此后再增加料液比會導致橙皮中其他雜質和成分浸出，且濃縮時間延長，橙皮香精油分解速度加大，影響提取效果，提取率隨之下降。確定1∶20為最佳提取料液比。

2.1.2 最佳石油醚體積分數的確定

石油醚體積分數對橙皮香精油提取率的影響見圖2。

圖2 石油醚體積分數對橙皮香精油提取率的影響

由圖2可知，隨著石油醚體積分數的不斷增大，橙皮中精油成分的滲出率增大，橙皮香精油提取率增大，當石油醚體積分數為100%，即使用純石油醚時提取率達到最大。

2.1.3 最佳料液靜置時間的確定

靜置時間對橙皮香精油提取率的影響見圖3。

圖3 靜置時間對橙皮香精油提取率的影響

由圖3可知，靜置時間越長，石油醚與橙皮粉末的反應越充分，橙皮香精油提取率越大；當靜置時間為15 min時，橙皮香精油的提取率最高；此后繼續增加靜置時間，會使橙皮香精油中的一些易揮發性成分揮發，從而導致提取率下降，因此15 min為最佳靜置時間。

2.1.4 最佳超聲溫度的確定

超聲溫度對橙皮香精油提取率的影響見圖4。

圖4 超聲溫度對橙皮香精油提取率的影響

由圖4可知，在超聲溫度達到40℃之前，隨著超聲溫度的升高，油胞的破裂越充分，精油滲出率越大，提取率也越大；當超聲溫度為40℃時，精油提取率達到最大值；繼續升溫，將使精油中的一些熱敏性成分受熱揮發，導致提取率下降，因此40℃為最佳超聲溫度。

2.1.5 最佳超聲時間的確定

超聲時間對橙皮香精油提取率的影響見圖5。

圖5 超聲時間對橙皮香精油提取率的影響

由圖5可知，在超聲時間達到15 min之前，隨著超聲時間的增加，油胞的破裂率增大，橙皮香精油提取率增加；當超聲時間為15 min時，油胞破裂充分，此時提取率最高；繼續增加超聲時間，會使精油中的一些不穩定成分遭到破壞，導致提取率下降，因此15 min為最佳超聲時間。

2.2 橙皮香精油提取響應曲面試驗結果

在單因素試驗結果基礎之上，根據Box-Beheken試驗設計原理，選取石油醚體積分數（A）、超聲溫度（B）、超聲時間（C） 3個對橙皮香精油提取率影響較大的因素，進行響應面分析，對提取條件進行優化。

響應面分析因素與水平設計見表1，響應面分析方案及試驗結果見表2。

2.2.1 模型的建立及其顯著性檢驗

表1 響應面分析因素與水平設計

表2 響應面分析方案及試驗結果

利用Design Expert軟件對表2中試驗結果進行二次多項式逐步回歸擬合，建立數學模型：Y=2.310+0.210A+0.110B-0.010C+0.086AB-0.069AC+0.100BC-0.160A2+0.015B2-0.089C2模型可信度分析的統計檢驗結果見表3。

表3 模型可信度分析的統計檢驗結果

由表3可看出，預測決定系數為負值，表明相比于當前模型總平均值能夠更好地預測響應值；同時信噪比遠遠大于4，表明該模型的誤差較小；決定系數為0.924 2，表明響應值的變化有92.42%受所選因素影響，回歸模型顯著，該方程能夠代替真實的試驗點進行分析。

方差分析見表4。

由表4可知，A，B，A23項的p＜0.01，對甜橙香精油的提取率影響極顯著，C，AB，AC，BC，B2，C25項的p＞0.05，對甜橙香精油的提取率影響不顯著。模型p值＜0.01，說明對橙皮香精油提取率影響極顯著，表明建立該模型所冒風險小于0.01%。

2.2.2 提取工藝的響應曲面分析與優化

表4 方差分析

石油醚體積分數和超聲溫度的響應面見圖6，石油醚體積分數和超聲時間的響應面見圖7，超聲溫度和超聲時間的響應曲面圖見圖8。

圖6 石油醚體積分數和超聲溫度的響應面

圖7 石油醚體積分數和超聲時間的響應面

圖8 超聲溫度和超聲時間的響應曲面

圖6～圖8為3個因素兩兩組合對橙皮香精油提取效果影響的響應曲面和等高線，可直觀描述各因素對響應值的影響，同時可看出響應曲面均是凸面，且開口向下卷曲。

2.3 優化條件下的重現性試驗結果

通過Design Expert軟件分析，研究出超聲波輔助提取橙皮香精油最佳工藝條件為石油醚體積分數99.16%，超聲溫度40℃，超聲時間15.77 min。在此工藝條件下，橙皮香精油提取率為2.58%。為檢驗優化條件的重現性，在最佳工藝條件下進行3次獨立重復試驗，提取率平均值為2.56%，與理論預測值接近，證明該回歸模型具有可靠性。

3 結論

在單因素試驗基礎上，通過響應面試驗得出超聲波輔助提取橙皮香精油的最佳工藝條件為料液比1∶20，石油醚體積分數99.16%，靜置時間15 min，超聲溫度40℃，超聲時間15.77 min。在此工藝參數條件下經過重復性試驗得出橙皮香精油的提取率為2.56%。