超临界萃取琯溪蜜柚精油工艺优化及组分分析

李 松 吴光斌 陈发河

（集美大学生物工程学院，福建 厦门 361021）

福建省是中国优质柚类的主要产区，主栽品种有琯溪蜜柚、文旦柚等，其柚类产量已超过全国柚类总产量的1／3。仅平和县就种植琯溪蜜柚4.3万hm2以上，年产已达80万t。柚类的果皮率高达40%［1］，精油约占果皮鲜重的0.5%～2.0%［2］，主要存在于外果皮的油胞层中。柚类果皮精油（essential oil）属于植物精油，它是一类植物源次生代谢物质，具有一定挥发性的油状液体物质。精油主要由萜烯烃类物质及其含氧衍生物组成，主要的萜烯类化合物是柠檬烯约占32%～98%，含氧化合物含量往往低于5%，而后者却是精油香味的主要来源。由于柚类精油具有独特优雅的芳香，广泛用于食品工业［3－5］（如清凉饮料、果酱、糕点、糖果、饼干、冰淇淋等）和日化工业［6－8］（如香水、化妆品、牙膏香精、浴用剂、家用清洁剂等），精油中的单体成分具有很高的应用价值，如柠檬烯、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独特的芳香，研究［12］表明，琯溪蜜柚果皮挥发性物质含量较高。

目前柚类精油主要采取水蒸馏、溶剂萃取、压榨等方法提取。但这几种方法各有不足。蒸馏法由于加热时间较长，精油中有些成分会发生水解或降解，还会导致精油带有蒸煮味；溶剂萃取法由于需要大量处理溶剂而难免引入杂质，这对植物成分的分析很不利；压榨法由于原料的吸附精油得率较低。超临界CO2萃取法具有萃取率高、无溶剂残留等优点。本试验研究超临界CO2萃取琯溪蜜柚精油的工艺技术，并对萃取精油的组分进行分析，以期为琯溪蜜柚果实综合加工利用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

琯溪蜜柚：采自福建省平和县果园；

无水硫酸钠：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

二氧化碳：纯度99.999%，林德气体（厦门）有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

高速万能粉碎机：FW100型，天津市泰斯特仪器有限公司；

电子天平：PL602－S型，梅特勒－托利多仪器（上海）有限公司；

超临界萃取装置：HA221－50－06型，江苏南通华安超临界萃取有限公司；

气质联用仪：Agilent7890A－5975C型，美国安捷伦（Agilent）科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 琯溪蜜柚果皮干粉制备 蜜柚果皮分黄色皮层（外果皮）和白色皮层（外果皮），经测定黄色皮层仅占蜜柚果皮重量的（21.59±3.37）%。蜜柚果皮精油主要存在于果皮的黄色皮层的油胞中，白色皮层几乎不含精油，去除白色皮层能有效提高投料效率和减少白色皮层对精油的吸附效应。预试验表明，去除白皮层后，同样的投料量精油得率提高5倍以上。因此，本试验选用琯溪蜜柚果皮的黄色皮层为材料，将黄色皮层阴干，粉碎备用。

1.2.2 精油制取工艺 称取一定量的琯溪蜜柚果皮干粉，添进料桶后，装入萃取釜封紧后，排出残余空气，调节萃取温度和压力，分离压力7MPa，分离温度32℃连续萃取90min后，从分离釜出口接收精油产物，准确称其质量，计算得率。

产物得率计算公式如下：

式中：

R—— 产物提取率，%；

m1—— 产物质量，g；

m2—— 蜜柚果皮干粉质量，g。

1.2.3 单因素试验 单因素试验按下列处理进行：① 萃取压力对产物得率的影响，选取萃取温度40℃，萃取时间90min，萃取压力分别取10，15，20，25，30MPa；② 萃取温度对产物得率的影响，选取萃取压力25MPa，萃取时间90min，萃取温度分别取35，40，45，50，55℃；③ 萃取时间对产物得率的影响，选取萃取压力25MPa，萃取温度40℃，萃取时间分别取30，50，70，90，110min。每次投料80.00g，试验重复3次。确定各因素的最佳范围。

1.2.4 响应面试验 在单因素试验的基础之上，采用三因素三水平的Box－Behnken Design（BBD）试验设计以时间、压力、温度的值为自变量，以产物得率为因变量，研究响应值以及最佳变量的组合。

1.2.5 精油组分的气相色谱－质谱检测 最优条件下的精油，无水硫酸钠干燥、过滤除杂作样品，进行气相色谱－质谱联机检测。

（1）色谱条件：色谱柱：HP－5MS，30m×0.25mm×0.25μm石英毛细管柱；程序升温：初温80℃，保持10min，3℃／min升至250℃，保持5min；进样方式：分流进样，分流比100∶1，进样量0.2μL；进样口温度：250℃；载气：氦气（纯度为99.999%），流速1.0mL／min。

（2）质谱条件：离子源：EI源；离子源温度230℃；四极杆温度150℃；接口温度280℃；电子能量70eV；溶剂延迟2min；质量扫描范围：22～500amu；扫描范围 （m／z）30～350amu；采集方式全扫描scan；标准质谱图库 NIST98和Wiley7n.1标准谱库。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 萃取压力对产物得率的影响 萃取压力对产物得率的影响见图1。由图1可知，当压力低于25MPa时，随着压力的上升，产物得率不断提高，但是超过25MPa以后，产物得率呈下降态势。

图1 萃取压力对提取率的影响Figure 1 Influence of extraction pressure on yield

压力变化会对萃取率产生影响，也会对萃取的选择性产生影响。当压力处于较低水平（小于25MPa）时，压力增加一方面使CO2流体的密度增大，溶质的溶解度随之上升，另一方面减少了分子间的传质距离，使传质速率较理想，有利于萃取过程的进行；由于CO2对精油的溶解度与压力不成线性关系，当压力较高（大于25MPa）时，继续增加萃取压力，虽CO2流体密度和其对溶质的溶解度有较小的上升，但是CO2流体黏度增大，流动性降低，传质性受到严重影响，从而造成产物得率降低；并且过高压力对设备要求高，投入成本较大，也会造成CO2流体选择性下降，导致产物杂质增多，流动性降低不但影响产物的收集也影响产物的品质。

综上所述，无论从产物提取率和品质，还是从设备投入角度考虑，萃取压力都不宜过高，根据试验结果，确定萃取压力为25MPa比较合适。

2.1.2 萃取温度对产物得率的影响 萃取温度对产物得率的影响见图2。由图2可知，在30～40℃时，产物得率随温度升高而增加；当温度高于40℃时，产物得率反而处于较低的水平。

出现这样的情况是因为萃取温度对产物得率的影响是两方面制衡的结果：① 萃取温度的升高会引起CO2流体密度下降，使得对产物的溶解度降低；② 温度升高，CO2扩散系数增加，提高CO2萃取能力，同时加大了精油在CO2流体中的饱和蒸汽压，分子热运动加剧，促进物料分子扩散，利于萃取。当处于30～40℃范围内，升温对CO2扩散系数增加和精油饱和蒸汽压及扩散作用强于CO2流体密度下降带来的不利影响，所以产物提取率随温度上升而增加；但是当温度高于40℃时，CO2流体密度下降的不利影响占据主导地位，所以产物得率会较低；50℃以后会有小幅上升，可能是因为温度上升对精油溶解度增加幅度更大。

图2 萃取温度对产物得率的影响Figure 2 Influence of extraction temperature on yield

2.1.3 萃取时间对产物得率的影响 萃取时间对产物得率的影响见图3。由图3可知，70min以前，产物萃取率随萃取时间增加几乎呈直线上升；70～90min，增长趋势放缓，但产物得率仍有较大的提高；90min以后曲线趋于平缓，几乎没有变化。

图3 萃取时间对产物得率的影响Figure 3 Influence of extraction time on yielde

CO2流体对精油的萃取过程是一个动态平衡的过程。萃取开始阶段，精油成分主要分布在颗粒表面，内扩散阻力较小，因此产物得率比较高，随着时间的延长产物得率直线上升；随着萃取的进行，内扩散阻力逐渐增大，精油含量逐渐降低，CO2溶出的精油量逐渐减小，萃取效率趋向于零，萃取过程进入完结阶段，所以曲线趋于平缓，产物得率几乎没有变化。

2.2 响应面试验结果与分析

根据单因素试验结果，确定响应面试验的因素水平，见表1。

响应面优化方案及结果见表2，采用Design－Experts程序对数据进行回归分析，得到拟合方程为

由表3可知，压力、温度和时间对产物得率均具有显著影响，在选取的因素范围内，各因素对产物得率影响排序为X2＞X3＞X1，即压力 ＞ 温度 ＞ 时间。F＝260.87，P＜0.000 1表明该模型极显著；F 失拟 ＝0.64，失拟项P＝0.702 0＞0.05表明该模型失拟不显著。Box－Behnken法计算产物得率回归模型的调整确定系数r2＝0.996 2，说明该模型拟合程度良好，可以用此模型对超临界CO2萃取馆溪蜜柚精油进行分析和预测。

表1 响应面试验因素水平及编码Table 1 Factors and levels in the Box－Behnken experimental design

表2 响应面设计和产物得率Table 2 Box－Behnken experimental design matrix and corresponding experimental results of the yield

由图4可知，在萃取时间为90min条件下，萃取压力和萃取温度对产物得率的影响存在交互作用。在低温条件下，产物得率随着温度的升高而增加，这可能与温度升高导致物质传输速度的增加有关。但是，当温度升高到一定值后，随着温度的升高，产物得率反而开始下降，其原因可能与CO2浓度的降低有关。在低压条件下，压力与产物得率正相关，随着压力升高，CO2浓度也随之升高，从而增加了精油的溶解度。在高压条件下，随着萃取压力升高到15MPa时，产物得率会达到一个最大值，随后压力的升高对产物得率就不再有明显的影响。

采用响应面优化琯溪蜜柚精油提取工艺，确定最终优化工艺为萃取时间92.40min，萃取压力18.26MPa，萃取温度38.22℃，此条件下产物得率为10.28%。

为检验试验的可靠性，同时考虑设备控制因素，修正后的最优条件为萃取时间93min，萃取压力18MPa，萃取温度38℃，在该条件下进行6组验证实验，实际产物得率为10.22%±0.04%，验证结果与预测值非常接近，说明预测结果可靠，工艺参数可行。

表3 回归模型方差分析和模型系数显著性检验Table 3 Analysis of varlances for the developed response surface quadrtic model

图4 压力和温度交互作用的响应面图和等高线图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 精油组分分析结果

将在优化的最佳条件下获得的精油样品进行组分分析，GC／MS检测的总离子流（TIC）图见图5。图谱经NIST08.L谱图库自动检索，通过与标准谱图对照、人工解析并查对文献等方法确认各化合物，并采用面积归一化法确定各组分的相对百分含量，结果见表4。

图5 超临界萃取精油总粒子流图Figure 5 Total ion current chromatogram of the essential oil from Guanxi honey pomelo by SFE

表4 超临界萃取产品组分及相对含量Table 4 Component analysis of essential oil from Guanxi honey pomelo by SFE

续表4

超临界萃取产品总共鉴定出52种成分，占出峰物质总量的96.36%。其中烃类物质26种高达95.14%，如月桂烯（29.83%）和 D－柠 檬 烯 （61.92%）等；含 氧 化 合 物 仅 占1.22%，如芳樟醇（0.30%）、顺式柠檬醛（0.24%）、反式柠檬醛（0.33%）等。精油含氧化合物虽然含量较少，但却是柚皮精油香气的主要贡献者，已被证实的柚子特征香气成分圆柚酮［13］在本试验中也有检出。

试验结果表明，琯溪蜜柚果皮精油中主要为D－柠檬烯和月桂烯，分别达到61.92%和29.83%，而芳樟醇和圆柚酮含量相对较低。夏湘等［14］研究发现δ－榄香烯、石竹烯、橙花醇、香叶醇等成分的提取率与提取条件具有显著的相关性。萃取温度和压力的变化明显影响精油不同成分的得率，升高温度降低压力利于萃取选择性的提高［15］。

虽然高含量的烯烃类物质，如D－柠檬烯和月桂烯，对柚子香气贡献很小，但却应用广泛。例如，月桂烯可以镇咳，也可以作为精细化工合成中间体；D－柠檬烯可用于制备合成树脂和合成橡胶，调配橙花香精、柑桔油等，也可用于制作柠檬系精油的代用品，许多日化香精配方中，其用量可达30%［16］；以柠檬烯为原料还可以合成多种香料［17］，制备环保油墨清洗剂［18］；同时D－柠檬烯具有抗菌、抗氧化、祛痰平喘、利胆溶石、抗癌抗肿瘤等功效［19－21］。

3 结论

（1）超临界CO2萃取琯溪蜜柚精油最佳工艺条件为萃取时 间 92.40min，萃 取 压 力 18.26MPa，萃 取 温 度38.22℃，此条件下产物得率为10.28%。

（2）对在优化的最佳条件下获得的精油样品进行组分分析，结果表明超临界CO2萃取精油产品总共鉴定出52种成分，占出峰物质总量的96.36%。其中烃类物质26种高达95.14%，含氧化合物仅占1.22%。

（3）与笔者［22］先期研究的利用同时蒸馏萃取方法和有机溶剂萃取方法萃取琯溪蜜柚精油相比，超临界CO2萃取具有萃取时间短、选择性好、萃取率高、无溶剂残留等优点。

1 安登魁.药物分析［M］.北京：人民卫生出版社，1986：160～166.

2 罗金岳，安鑫南.植物精油和天然色素加工工艺［M］.北京：北京化学工业出版社，2005：8.

3 汪秋安，单杨.柑桔香精油的提取与食用柑桔香精的调制［J］.食品工业科技，2002，23（6）：41～43.

4 李巧巧，雷激，唐洁，等.柑橘精油的抑菌性及D－柠檬烯在面包的初步应用研究［J］.食品工业，2012（1）：21～23.

5 侯滨滨，李悦.葡萄柚精油对食用油脂的抗氧化研究［J］.食品研究与开发，2011，32（2）：187～189.

6 Sawamura M，Shichiri K，OotaniY，et al.Volatile constituents of several varieties of Pummelos and characteristics among Citrus pecies［J］.Agric.Bio.Chem.，1991，55（10）：2 571～2 578.

7 宋平，吴厚玖，沈海亮.柚皮精油提取工艺与应用研究现状［J］.保鲜与加工，2012，12（1）：51～54.

8 余小林，徐步前，邓丹雯，等.酸柚精油与蔬菜汁混合体系对N－亚硝基二甲胺体外生成阻断作用的影响［J］.中国食品学报，2006，6（1）：274～278.

9 Murakami Akira，Kuki Wataru，Takahashi Yasuo，et al.Auraptene，a citrus coum，inhibits 12－O－tetrade－canoylphorbol－13－acetate induced tumor promotion in ICR mouse skin，possibly through suppression of superoxide generation in leukocytes［J］.Japanese Journal Cancer Research，1997，88（5）：443～452.

10 Kazunori Ogawa，Akemi Kawasaki，Toshio Yoshida，et al.Evaluation of auraptene content in citrus fruits and their products［J］.J.Agric Food Chem.，2000，48（5）：1 763～1 769.

11 吴大鹏，王宏涛，张俊杰，等.葡萄柚精油中抗癌成分橙油素的分离及鉴［J］.化学工程，2011，39（11）：74～78.

12 臧燕燕，张明霞，刘国杰.不同品种中国柚果皮中挥发性物质的组成及质量分数比较［J］.中国农业大学学报，2011，16（6）：52～57.

13 贾冬英，姚开，谭敏，等.柚果皮中生理活性成分研究进展［J］.食品与发酵工业，2001（11）：74～78.

14 夏湘，赵良忠，谭宝秀，等.雪峰蜜橘果皮精油组分与CO2超临界萃取工艺条件的相关性研究［J］.食品科学，2008，29（5）：222～226.

15 Mitsuru Kondo，Motonobu Goto，Akio Kodama，et al.Fractional extraction by supercritical carbon dioxide for the deterpenation of bergamot oil［J］.Ind.Eng.Chem.Res.，2000，39（12）：4 745～4 748.

16 Diaz S，Espinosa S，Brignole E A.Citrus peel oil deterpenation with supercritical fluids optimal process and solvent cycle design［J］.J.of Supercritical Fluids，2005，35（1）：49～61.

17 Sawamura M，Shichiri K，Ootani Y，et al.Volatile constituents of several varieties of Pummelos and characteristics among Citrus species［J］.Agric.Biol.Chem.，1991，55（10）：2 571～2 578.

18 刘树文.合成香料技术手册［M］.北京：中国轻工业出版社，2000：68.

19 Fujimaki M，Fukubu T，Hayashi K，et al.Science of flavor［M］.Tokyo：Asakura Syoten Press，1980：369.

20 Espina L，Somolinos M，Lorás，et al.Chemieal composition of commercial citrus fruit essential oils and evaluation of their antimierobial activity acting alone or in combined processes［J］.Food Control，2011，22（6）：896～902.

21 Singh P，Shukla R，Prakash B，et al.Chemical profile，antifungal，antiaflatoxigenic and antioxidant activity of citrus sinensis，osbeck essential oils and their cyclic monoterpene，DL－limonene［J］.Food and Chemical Toxicology，2010，48（6）：1 724～1 740.

22 谢功昀，陈发河，吴光斌.同时蒸馏萃取法提取柚皮油的研究［J］.香料香精化妆品，2008（2）：17～20.