超臨界CO2脫除大紅橙油中萜烯類成分的工藝優(yōu)化

付復(fù)華，潘兆平，謝秋濤，尚雪波，單 楊

（1.湖南省農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南省食品測(cè)試分析中心，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

超臨界CO2脫除大紅橙油中萜烯類成分的工藝優(yōu)化

付復(fù)華1，潘兆平1，謝秋濤1，尚雪波2，單 楊3

（1.湖南省農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南省食品測(cè)試分析中心，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

以大紅橙油為研究對(duì)象，以采用GC-MS法分析確定的目標(biāo)萜烯為脫除對(duì)象，以萃取壓力、溫度、時(shí)間和CO2流量為單因素，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化超臨界CO2技術(shù)脫除萜烯類成分的工藝。結(jié)果表明：大紅橙油中D-檸檬烯等目標(biāo)萜烯相對(duì)含量為91.00 %；當(dāng)萃取壓力12 Mpa，萃取溫度60 ℃，萃取時(shí)間2.5 h，CO2流量12 L/h時(shí)，脫萜效果最佳，萃取相中目標(biāo)萜烯相對(duì)含量達(dá)94.87 %；采用超臨界CO2萃取技術(shù)分離大紅橙油中的萜烯類物質(zhì)，可以將目標(biāo)萜烯類物質(zhì)相對(duì)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(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其主要成分是萜烯類、倍半萜烯類以及高級(jí)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(zhì)對(duì)熱、光敏感，在空氣中容易被氧化，很容易由于加工貯存不當(dāng)導(dǎo)致被氧化，影響精油的品質(zhì)和應(yīng)用［1-2］。因此，降低柑橘精油中萜烯類物質(zhì)的含量對(duì)穩(wěn)定品質(zhì)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)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(shù)因選擇性強(qiáng)、安全性好、無(wú)溶劑殘留等特點(diǎn)，近年廣泛應(yīng)用于油脂［9］和功能性成分［10］以及柑橘精油［11］等揮發(fā)性成分的提取。國(guó)外還有應(yīng)用于精油成分分離的研究：Mitsuru等［12］采用超臨界CO2連續(xù)萃取裝置半連續(xù)操作和連續(xù)逆流操作對(duì)佛手柑精油進(jìn)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(duì)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(duì)酸橙皮精油進(jìn)行除雜濃縮的基礎(chǔ)上，再用超臨界CO2萃取其中的萜烯類化合物。國(guó)內(nèi)雖然也有超臨界CO2萃取技術(shù)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(zhì)的“粗油”［15-17］，用于對(duì)柑橘精油進(jìn)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(duì)設(shè)備處理能力要求較高，不利于技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

研究以湖南主產(chǎn)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(yàn)條件對(duì)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(zhì)，推動(dòng)地方特色資源綜合利用提供理論依據(jù)，為超臨界CO2萃取技術(shù)應(yīng)用于柑橘精油提取純化的工業(yè)化應(yīng)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(yè)有限公司）；石油醚：沸程30～60℃（分析純，長(zhǎng)沙安泰精細(xì)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(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；草酸、鐵氫化鉀、硼氫化鈉、硫脲、三氧化二砷、無(wú)水硫酸鈉（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；金屬鉛（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；硫酸氫鈉（分析純，廣東光華化學(xué)廠有限公司）；異辛烷（色譜純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）。

1.2儀器與設(shè)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(jī)（江蘇金城國(guó)勝試驗(yàn)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(zhì)譜聯(lián)用儀，配Agilent 7683B自動(dòng)進(jìn)樣器、NIST08譜庫(kù)（美國(guó)Agilent公司）。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1精油成分分析與目標(biāo)萜烯選擇采用GC-MS進(jìn)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(shí)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(shù)1.00，采集模式為全掃描。

根據(jù)GC-MS分析結(jié)果，選擇主要萜烯化合物作為目標(biāo)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(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)在GC-MS分析時(shí)未采用外標(biāo)法校正，所得組分的相對(duì)含量不能視為該物質(zhì)的實(shí)際含量，因此不能由相對(duì)含量直接計(jì)算得出萜烯的萃取率。試驗(yàn)將萃取相質(zhì)量m和目標(biāo)萜烯相對(duì)含量β兩項(xiàng)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)萜烯的萃取效果。

分別以萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間、CO2流量為影響因素，分析不同條件的萃取條件對(duì)萜烯超臨界CO2萃取效果的影響，檢測(cè)指標(biāo)為萃取相質(zhì)量和目標(biāo)萜烯相對(duì)含量。

（1）萃取壓力：固定萃取溫度60 ℃、萃取時(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，考察在萃取壓力對(duì)萃取相質(zhì)量和目標(biāo)萜烯相對(duì)含量的影響。

（2）萃取溫度：固定萃取壓力10 MPa、萃取時(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，考察萃取溫度對(duì)萃取相質(zhì)量和目標(biāo)萜烯相對(duì)含量的影響。

（3）萃取時(shí)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(shí)間0.5、1.0、1.5、2.0、2.5的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，考察萃取壓力對(duì)萃取相質(zhì)量和目標(biāo)萜烯相對(duì)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(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，考察不同CO2流量對(duì)萃取相質(zhì)量和目標(biāo)萜烯相對(duì)含量的影響。

1.3.4正交試驗(yàn)優(yōu)化為全面考察各因素影響，采用L9（34）正交試驗(yàn)方法，以萃取壓力（A）、萃取溫度（B）、萃取時(shí)間（C）、CO2流量（D）為考察因素，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。稱取9份橙油，每份250 g，分別按試驗(yàn)方案進(jìn)行超臨界CO2萃取。以萃取相質(zhì)量和目標(biāo)萜烯相對(duì)含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，以得到最優(yōu)條件。

2 結(jié)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(yīng)用面積歸一法分析得出大紅橙油組分及相對(duì)含量如表1所示。

圖1　大紅橙油的總離子流圖

根據(jù)表1，選擇為相對(duì)含量分別為0.30%以上、合計(jì)達(dá)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(shù)烯為目標(biāo)萜烯類化合物。

2.2單因素試驗(yàn)

2.2.1萃取壓力的影響由圖2可知，在8～12 MPa范圍內(nèi)，萃取壓力升高，萃取相質(zhì)量逐漸增長(zhǎng)，萃取壓力繼續(xù)增加，萃取相質(zhì)量逐漸減少；萃取壓力低于10 MPa時(shí)，目標(biāo)萜烯含量隨壓力升高而增加，當(dāng)萃取壓力高于10 MPa時(shí)，目標(biāo)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(shí)，超臨界壓力升高，介電常數(shù)隨之增大［19］，有利于橙油中醇類、醛類等極性相對(duì)較強(qiáng)物質(zhì)的溶解，但對(duì)萜烯等極性相對(duì)較弱的物質(zhì)則具有負(fù)相關(guān)性。但壓力增加同時(shí)會(huì)導(dǎo)致CO2液體的粘度增大，流動(dòng)性降低，影響其傳質(zhì)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(duì)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(shè)定范圍內(nèi)（45～65 ℃），萃取溫度升高，萃取相質(zhì)量增加，其增加速率呈遞減趨勢(shì)；當(dāng)溫度低于55 ℃，萃取溫度升高，目標(biāo)萜烯含量增加，溫度繼續(xù)升高（＞55 ℃），目標(biāo)萜烯含量逐漸減少。這是由于萃取溫度對(duì)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(fā)度增大、傳質(zhì)速度加快，提高物料的擴(kuò)散系數(shù)；另一方面，溫度升高導(dǎo)致液體密度下降，使CO2流體的溶劑化效應(yīng)下降，物料在流體中溶解度下降，從而降低萃取率［20］。結(jié)合圖3分析，萃取溫度升高，對(duì)橙油中極性強(qiáng)、沸點(diǎn)高的醇、醛等含氧化合物溶解度的正影響要比對(duì)極性弱、沸點(diǎn)低的萜烯類化合物溶解度的正影響要大，同時(shí)，溫度過高，可能導(dǎo)致低沸點(diǎn)物質(zhì)分解［21］。綜合考慮，選擇60 ℃為較佳萃取溫度。

圖3　萃取溫度對(duì)萜烯萃取效果的影響

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

圖4　萃取時(shí)間對(duì)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(zhì)量逐漸增加，目標(biāo)萜烯含量逐漸下降。這是由于，CO2流量增加，物料在CO2中的擴(kuò)散速度隨之增加，較快地達(dá)到溶解度平衡，可以提高萃取能力，使得橙油中溶解度相對(duì)低的強(qiáng)極性物質(zhì)，醇、醛等含氧化合物也被萃取出來(lái)，從而增加了萃取相質(zhì)量，降低了目標(biāo)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(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)因素與水平見表2。

圖5　CO2流量對(duì)萜烯萃取效果的影響

表2　正交試驗(yàn)因子水平表

正交設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表3。由表3可知：以萃取相質(zhì)量為指標(biāo)，較優(yōu)工藝條件為A3B2C3D3，即萃取壓力12 MPa、萃取溫度60 ℃、萃取時(shí)間2.5 h、CO2流量12 L/h，對(duì)萃取相質(zhì)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(shí)間）；以萃取相中萜烯相對(duì)含量為指標(biāo)，較優(yōu)工藝條件為A2B1C1D1，即萃取壓力10 MPa、萃取溫度55℃、萃取時(shí)間1.5 h、CO2流量8 L/h，對(duì)萜烯相對(duì)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(shí)間）。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，選擇工藝條件A3B2C3D3、A2B1C1D1分別進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)。A3B2C3D3萃取相質(zhì)量與萜烯相對(duì)含量為（207.84±3.35）g、（94.87±0.37）%，A2B1C1D1萃取相質(zhì)量與萜烯相對(duì)含量為（196.09±3.23）g、（95.59±0.31）%。綜合比較，萃取時(shí)間與CO2流量對(duì)萃取相質(zhì)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(duì)萃取相的影響大于對(duì)萜烯相對(duì)含量的影響。因此，考慮選擇A3B2C3D3為最佳條件。同時(shí)，雖然不能由萃取相質(zhì)量與萜烯相對(duì)含量直接計(jì)算出萜烯的實(shí)際萃取率，但可以將萃取相質(zhì)量與萜烯相對(duì)含量的乘積作為評(píng)價(jià)萜烯萃取效果的參考，分析結(jié)果見表3。從表3中以萃取相質(zhì)量與萜烯相對(duì)含量的乘積為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)的正交試驗(yàn)結(jié)果可知，A3B2C3D3為最佳條件，驗(yàn)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(duì)采用上述最佳工藝條件所得的萃取相、萃余相進(jìn)行分析，用峰面積歸一法進(jìn)行定量，原料、萃取相、萃余相中目標(biāo)萜烯相對(duì)含量比較見表4。由表4可知，萃取相的目標(biāo)萜烯相對(duì)含量遠(yuǎn)高于萃余相的目標(biāo)萜烯相對(duì)含量，表明試驗(yàn)較好地實(shí)現(xiàn)了脫除萜烯類成分的目標(biāo)。萃取相中D-檸檬烯相對(duì)含量達(dá)83.23 %，可作為進(jìn)一步純化制取D-檸檬烯的優(yōu)質(zhì)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(jié) 論

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

（2）采用超臨界CO2萃取技術(shù)分離橙油中的萜烯類物質(zhì)，可以將D-檸檬烯等主要萜烯類物質(zhì)相對(duì)含量由91.00 %降低到73.84 %，有利于提高和穩(wěn)定精油品質(zhì)，所分離的萜烯類物質(zhì)可作為D-檸檬烯等化合物的優(yōu)質(zhì)來(lái)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(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAD31B02）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303076）

付復(fù)華（1978-），男，湖南攸縣人，副研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量安全研究。