沙田柚皮精油分子蒸餾分離及成分分析

郭暢，傅曼琴，徐玉娟，余元善，唐道邦，王治同

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130118）（2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510610）

沙田柚(Citrus grandis L. Osbeck cv. Shatian)，在我國分布廣泛，廣東、廣西、湖南和重慶等地都有栽培，素有“柚中之王”的美稱。柚皮中含有多種活性成分，如：果膠、色素、柚皮甙和精油等，具有一定的藥用價(jià)值[1]。精油存在于植物果核、果皮中，是常溫下能揮發(fā)的油狀液體物質(zhì)，是植物中具有芳香氣味的重要次生代謝產(chǎn)物[2]。精油具有殺菌、消炎的功效，通常由烯烴、烷烴和醇類等物質(zhì)組成。柚皮精油因其獨(dú)特的清香味被人們喜愛，逐漸成為日用品、化妝品中常見的添加劑。精油所含化學(xué)成分與很多因素有關(guān)，同一種植物的精油由于提取方式不同，其化學(xué)成分會(huì)有一定差別[3]。植物精油常見的提取方法主要有：水蒸氣蒸餾法、冷磨法、冷榨法、超臨界CO2流體萃取法、微波輔助萃取法和超聲波萃取法等[4]。本研究采用水蒸氣蒸餾法與冷磨法提取沙田柚精油。

冷磨油是采用機(jī)械方法破壞柚子油胞，同時(shí)用噴淋水把油沖洗出來，再通過離心分離而得。由于未經(jīng)化學(xué)處理和熱處理，故冷磨油質(zhì)量最好，價(jià)值最高，但操作復(fù)雜，提油率低。水蒸氣蒸餾法是一種傳統(tǒng)提取精油的方法，具有設(shè)備簡單、易操作和高效等特點(diǎn)[5]，由于精油具有低沸點(diǎn)、密度低于水等特點(diǎn)，使其在加熱時(shí)可隨著水蒸氣的揮發(fā)出來，與水分層，便于分離。宋平等[6]采用冷壓法、水蒸氣蒸餾法和CO2超臨界萃取法三種方法提取沙田柚柚皮精油，發(fā)現(xiàn)水蒸氣蒸餾法在提取會(huì)導(dǎo)致部分精油成分會(huì)揮發(fā)或分解，冷壓法可以保持沙田柚柚皮精油成分。

分子蒸餾技術(shù)是近幾年新型的一種用于液-液分離的技術(shù)手段[7]，又稱為短程蒸餾。是一種常用的高效、無污染的分離及濃縮技術(shù)，在高真空度下進(jìn)行，受熱時(shí)間較短，能夠保證熱敏性物質(zhì)不在分離過程中被破壞，是分離和純化天然產(chǎn)物的常用方法[8]。楊穎等以分子蒸餾技術(shù)對(duì)葡萄柚進(jìn)行脫烯萜類物質(zhì)精制，發(fā)現(xiàn)分子蒸餾對(duì)葡萄柚精油具有良好脫萜效果[9]。

本試驗(yàn)分別采用冷磨法與水蒸氣蒸餾法提取沙田柚柚皮精油，再通過分子蒸餾對(duì)原油進(jìn)行分餾，將精油中含量高的烯烴分離，使其他組分濃度增高，以便檢測。對(duì)所得餾分及原油成分進(jìn)行分析，找出冷、熱兩種精油的差異成分。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

沙田柚采于廣東省梅州市嘉豐果園，挑選顏色、大小、成熟度一致，且表皮無損傷的果實(shí)。削皮，去果肉、白色內(nèi)皮，黃色果皮部分用于精油揮發(fā)性成分的提取和分析。

甲醇（色譜純），美國TEDIA公司；無水硫酸鈉、氯化鈉（分析純），天津市大茂化學(xué)試劑廠；正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品（C6～C20），美國Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

GC-MS 6980N/5975B氣質(zhì)聯(lián)用儀，美國Agilent公司；ME204分析天平，瑞士METTLER公司；YH系列電熱器，江蘇近湖鎮(zhèn)教學(xué)儀器廠；柚子磨皮機(jī)，新鄉(xiāng)市領(lǐng)先輕工機(jī)械有限公司；DHY400蝶式分離機(jī)，遼陽天興離心機(jī)有限公司；RY-JYTQ-20隔水蒸餾提取植物精油設(shè)備，上海銳元機(jī)械設(shè)備有限公司；MDS-80分子蒸餾裝置，廣州市浩立生物科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 冷磨油和水蒸氣蒸餾油的制備

冷磨油的制備：選取成熟度一致的新鮮沙田柚，放入柚子磨皮機(jī)內(nèi)磨皮，經(jīng)水流沖洗后得油水混合液，蝶式分離機(jī)離心去除水分，進(jìn)一步加無水硫酸鈉脫水得到冷磨油。水蒸氣蒸餾油的制備：選取成熟度一致的新鮮沙田柚，取黃色果皮部分，適當(dāng)剪碎，放入熱蒸餾設(shè)備中，加熱提取精油，待冷卻后收集精油，無水硫酸鈉脫水得水蒸氣蒸餾油。本實(shí)驗(yàn)用冷磨油和水蒸氣蒸餾油均為廣東安田天然精油科技有限公司提供。

1.3.2 分子蒸餾

取100 g冷磨油和水蒸氣蒸餾油分別進(jìn)行分子蒸餾。進(jìn)料速度0.2～0.3 L/h，真空度為200 MPa，加熱溫度為35～45 ℃，冷卻溫度為20～25 ℃，刮磨轉(zhuǎn)速為300 r/min。分別收集輕組分和重組分，備用。以上操作重復(fù)三次。

餾分得率按下式計(jì)算：

式中：質(zhì)量單位：g。

1.3.3 精油的氣質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）分析

冷磨原油、水蒸氣蒸餾原油、冷磨油的輕組分、冷磨油重組分、水蒸氣蒸餾油的輕組分、水蒸氣蒸餾油重組分通過甲醇（色譜純）稀釋 20倍后分別在GC-MS聯(lián)用儀上進(jìn)行分析。

色譜條件：色譜柱為安捷倫DB-5MS石英毛細(xì)柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；升溫程序：起始柱溫40 ℃，以 10 ℃/min的升溫到 70 ℃，保持 3 min，然后以3 ℃/min的升溫到190 ℃，保持2 min，再以10 ℃/min的速率升溫到250 ℃，保持3 min；載氣(He)流速1.0 mL/min，壓力2.5 kPa；分流比：20:1；進(jìn)樣量1.0 μL。

質(zhì)譜條件。電子轟擊電子源；電子能量70 eV；傳輸線溫度275 ℃；離子源溫度230 ℃；激活電壓1.5 V；質(zhì)量掃描范圍m/z50～500。

1.4 精油定性定量分析

定性分析：應(yīng)用GC-MS聯(lián)用儀進(jìn)行鑒定，并利用 C6～C20正構(gòu)烷烴的保留時(shí)間計(jì)算各個(gè)色譜峰的保留指數(shù)。運(yùn)用計(jì)算機(jī)譜庫（NIST06/WILEY7.0）進(jìn)行初步檢索及資料分析，同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)的保留指數(shù)進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)揮發(fā)性物質(zhì)的各個(gè)化學(xué)組成。

定量分析：采用總離子流圖峰面積歸一化法求取各成分相對(duì)含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

參考文獻(xiàn)[2～14]，使用Origin8.5.1進(jìn)行繪圖，使用SPSS Statistics 20（IBM）進(jìn)行精油揮發(fā)性物質(zhì)分類及計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方法的精油提取率

分別采用冷磨法和水蒸氣蒸餾法提取沙田柚皮精油，提取率分別為0.82%和 1.68%，冷磨法提取率顯著低于水蒸氣蒸餾法（p＜0.01），但是所得的冷磨油氣味清香、芳香，接近柚皮香味，而水蒸氣蒸餾油氣味稍辛澀，并伴有煮熟柚皮味。可能是由于水蒸氣蒸餾時(shí)，溫度較高導(dǎo)致異味產(chǎn)生。

2.2 分子蒸餾各餾分得率

圖1 分子蒸餾各餾分得率Fig.1 The yields of various fractions by molecular distillation

沙田柚精油分子蒸餾得率如圖1所示，冷磨油輕組分為52.79 g，其得率為52.79%、重組分為40.00 g，其得率為40.00%，損失率為7.21%；水蒸氣蒸餾油輕組分71.20 g，其得率為71.20%、重組分為22.00 g，得率為22.00%，損失率為6.80%。造成損失可能是由于精油在分餾過程中有少量揮發(fā)和部分精油殘留在儀器中。

2.3 精油可揮發(fā)性成分鑒定結(jié)果

圖2 正構(gòu)烷烴總分子流圖Fig.2 Total ion flow chart of n-alkanes

在冷磨油、冷磨油輕組分、冷磨油重組分、水蒸氣蒸餾油、水蒸氣蒸餾油輕組分、水蒸氣蒸餾油重組分中分別分離出27、9、27、24、11、24個(gè)主要色譜峰，采用Nist06譜庫分別對(duì)各色譜峰進(jìn)行檢索比較，選擇較高匹配度的結(jié)果，用面積歸一法計(jì)算相對(duì)含量，根據(jù)正構(gòu)烷烴（見圖 2）計(jì)算各物質(zhì)保留指數(shù)。其揮發(fā)性成分及含量見表 1。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[10～13]，結(jié)合數(shù)據(jù)庫信息搜索，對(duì)冷磨油和水蒸氣蒸餾油及其輕重組分進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，共鑒定出33種揮發(fā)性成分（見表1），共有18種為烯烴類化合物，7種醇類，2種醛類，3種酯類，3種酮類。

沙田柚精油成分的種類與相對(duì)含量百分比見表1，結(jié)果顯示沙田柚精油中主要化合物類型為烯烴類，各組烯烴類化合物含量均大于90%；其中兩組輕組分的烯烴類化合物的相對(duì)含量均大于99%，說明分子蒸餾的方式能有效的將精油中烯烴類化合物分離。

表1 柚皮精油可揮發(fā)性成分及相對(duì)含量Table 1 Volatile components and relative content of pomelo peel essential oil

注：“-”為不存在或未檢出。

2.4 冷磨油與水蒸氣蒸餾油揮發(fā)性成分對(duì)比分析

由圖3可知，兩種方法提取的柚皮精油揮發(fā)性成分總離子流色譜圖大致相同，最高峰均為D-檸檬烯。結(jié)合表1的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分析，冷磨油共含27種揮發(fā)性物質(zhì)，水蒸氣蒸餾油共含24種揮發(fā)性物質(zhì)。冷磨油中檢出烯烴16種（占總揮發(fā)性成分的97.76%）、醇類4種（0.30%）、酯類3種（0.97%）、醛類2種（0.20%）、酮類 2種（0.70%）；水蒸氣蒸餾油檢出烯烴 13種（93.55%）、醇類6種（2.26%）、酯類2種（0.46%）、醛類1種（0.28%）、酮類2種（1.43%）。對(duì)比兩種精油的成分發(fā)現(xiàn)，冷、熱兩種提取方法的共有揮發(fā)性成分為14種，占中揮發(fā)物質(zhì)的98%以上，D-檸檬烯是含量最多的物質(zhì)，其次是β-月桂烯（含量大于2%），與臧燕燕等[14]的分析結(jié)果一致。冷磨油特有成分有8種，分別為α-水芹烯、β-羅勒烯、丁香烯、γ-欖香烯、α-松油醇、香茅醛、(1,1’-聯(lián)環(huán)戊基)-2-酮、橙皮內(nèi)酯，占冷磨油總揮發(fā)性成分的 1.50%以上；水蒸氣蒸餾油特有成分有6種，分別為4-蒈烯、反式-對(duì)-薄荷-2,8-二烯醇、順式-對(duì)-薄荷-2,8-二烯-1-醇、異蒲勒醇、右旋香芹酮，占水蒸氣蒸餾油總揮發(fā)性成分的 2.74%以上。

圖3 冷磨油與水蒸氣蒸餾油揮發(fā)性成分的總離子流圖Fig.3 Total ion flow chart of volatile components in cold grinding oil and steam distilled oil

2.5 冷磨原油與輕重組分對(duì)比分析

圖4 冷磨油與輕重組分揮發(fā)性成分的總離子流圖Fig.4 Total ion current diagram of volatile components in cold grinding oil as well as light and heavy components

結(jié)合表1的數(shù)據(jù)對(duì)冷磨原油與其輕重組分進(jìn)行對(duì)比分析，冷磨油輕組分中揮發(fā)性成分共9種，其中8種為烯烴類（99.08%），1種為醇類（0.03%）。冷磨油重組分中含揮發(fā)性成分27種，烯烴16種（占總揮發(fā)性成分的 90.97%）、醇類 4種（1.12%）、酯類 3種（6.09%）、醛類2種（0.15%）、酮類2種（1.43%）。冷磨原油、輕組分、重組分共有的成分為蒎烯、β-半水芹烯、β-月桂烯、α-水芹烯、D-檸檬烯、β-羅勒烯、石竹烯、α-松油烯，這9種揮發(fā)性成分也為輕組分的全部成分。通過分子蒸餾，將原油中含量較高的輕組分拆分出來，使原油中含量較少的重組分物質(zhì)濃縮。

2.6 水蒸氣蒸餾油與輕重組分對(duì)比分析

圖5 水蒸氣蒸餾油與輕重組分揮發(fā)性成分的總離子流圖Fig.5 Total ion flow chart of volatile components in steam distilled oil as well as light and heavy components

結(jié)合表1的數(shù)據(jù)對(duì)水蒸氣蒸餾油與其輕重組分進(jìn)行分析，水蒸氣蒸餾油輕組分中可揮發(fā)性成分共 11種，其中6種為烯烴類(99.21%)、3種醇類(0.35%)、1種酯類(0.04%)、1種醛類(0.20%)。重組分中可揮發(fā)性成分共24種，其中烯烴類13種(94.17%)、5種醇類(1.84%)、2 種酯類(0.47%)、1 種醛類(0.09%)、2 種酮類(2.86%)。水蒸氣蒸餾油原油、輕組分、重組分共有成分為蒎烯、β-半水芹烯、β-月桂烯、α-水芹烯、D-檸檬烯、β-羅勒烯、石竹烯、α-松油烯。

從冷、熱兩種精油及4部分分餾物的總離子流圖可以看出，各部分成分的數(shù)量和含量存在一定的差異，輕組分的數(shù)量明顯小于原油及重組分，輕組分總體由烯烴類化合物組成，而重組分總體組成成分與原油相似，說明通過分子蒸餾手段可以將含量較多的烯烴類物質(zhì)有效分離出來。

3 討論

檸檬烯、β-月桂烯是柚子香氣成分的主要來源[15]，為柚子果皮提供爽快香氣。冷磨油中檸檬烯、β-月桂烯的相對(duì)含量均高于水蒸氣蒸餾油。冷磨油中未檢測出香芹酮，而水蒸氣蒸餾油中則含有0.25%的右旋香芹酮，可能是由于檸檬烯在加熱條件下，易氧化成具有異味的香芹酮[16]；醛類物質(zhì)是柑橘類水果的重要香氣成分[17]，香茅醛與檸檬醛共同形成清甜的檸檬果香味[18]，由于醛類物質(zhì)閾值較低，所以即使含量很低，也可以表現(xiàn)出強(qiáng)烈的氣味[19]，冷榨油中含有香茅醛、檸檬醛兩種醛類，而水蒸氣蒸餾油只含有檸檬醛一種，但水蒸氣蒸餾油中醛類物質(zhì)含量為0.28%，冷榨油僅含有0.01%。

沉香醇具有花香味[20]，沉香醇在冷磨油中含量為0.14%，水蒸氣蒸餾油中含量為0.13%。酮類化合物在精油中具有辛辣、涼的氣味，有研究表明圓柚酮也是柚子精油中重要的特征香味成分[21]，酮類物質(zhì)在水蒸氣蒸餾油中的含量為1.43%，是冷磨油的兩倍多。乙酸香葉酯有薄荷的味道，水蒸氣蒸餾油比冷榨油中含量高出0.14%。α-松油醇、α-水芹烯、β-羅勒烯是冷磨油中特有的揮發(fā)性成分，在常壓下蒸餾易分解，α-松油醇帶有松油味[22]；α-水芹烯具有新鮮的柑橘-胡椒香氣[23]。冷磨油與水蒸氣蒸餾油組成成分及相對(duì)含量比例存在差異的主要原因?yàn)樘崛囟炔煌?，水蒸氣蒸餾油的特有成分可能是精油成分經(jīng)過加熱而轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物，也有可能為某些成分化學(xué)鍵裂解所得[24]。

經(jīng)分子蒸餾分離純化后，原油中的大部分分子量小、揮發(fā)性強(qiáng)的烯烴類物質(zhì)被分離為輕組分，而一些含量極低的、分子量較大的含氧化合物重組分中得以濃縮，其相對(duì)含量增加，更有利于檢測分析。因此原油的部分揮發(fā)性物質(zhì)由于其含量較低而被忽略，難以檢測，但在重組分中可檢測到。冷磨油中松油烯的相對(duì)含量由原油中的0.01%增加到0.04%；坎烯由0.07%增加到 0.40%；雙環(huán)[3.2.1]辛-2-烯，3-甲基-4-亞甲基由 0.01%增加到 0.35%；D-香茅醇由 0.03%增加到0.19%；香茅醛由0.01%增加到0.07%；檸檬醛由0.01%增加到0.08%；橙皮內(nèi)酯由0.65%增加到5.16%，水蒸氣蒸餾油中香橙烯由0.07%增加到0.25%；乙酸香芹酯由0.05%增加到0.15%。這些成分的濃度增加，有利于進(jìn)一步的定性定量分析，更全面的分析了解柚子精油的揮發(fā)性成分。

4 結(jié)論

4.1 通過GC-MS結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷磨法與水蒸氣蒸餾法提取的沙田柚皮精油揮發(fā)性成分有一定區(qū)別。冷磨油的檸檬烯和β-月桂烯比水蒸氣蒸餾油中相對(duì)含量更高，所以會(huì)呈現(xiàn)出更加明顯的柚子果皮清香、爽快的氣味；由于含有香茅醛，會(huì)多一些檸檬的香氣；同時(shí)冷磨油的特有成分α-水芹烯、β-羅勒烯又為其增添了柑橘、花草的香氣，水蒸氣蒸餾油則缺少這些香氣。水蒸氣蒸餾油含有氣味不愉快的香芹酮成分，和薄荷味道的乙酸香葉酯。冷磨油可以保留沙田柚柚皮中更多的柚子特有的香氣成分，但提取過程相對(duì)于水蒸氣蒸餾法更繁復(fù)，且得率比較低。水蒸氣蒸餾法作為傳統(tǒng)的提取精油的方法，會(huì)在加熱過程中失去一部分香氣成分，甚至產(chǎn)生刺鼻異味。因此，冷磨法更有利于柚子精油的產(chǎn)業(yè)化提取應(yīng)用。

4.2 本研究采用自動(dòng)控制低溫蒸發(fā)的分子蒸餾技術(shù)分離沙田柚精油，可快速有效的將沙田柚精油分為輕、重兩個(gè)組分，輕組分呈澄清透明且99%以上都為烯烴類；重組分呈淺黃色，組成成分與原油基本一致，其醇類、酯類和酮類等含氧化合物含量均有了顯著增加。說明利用分子蒸餾方法能有效對(duì)沙田柚精油進(jìn)行分離，將原油中含量較高的烯烴類化合物分離，使含氧化合物得以濃縮，分離出的不同成分按功效用途可應(yīng)用于不同風(fēng)味食品、保健食品、化狀品和醫(yī)藥等產(chǎn)品中，擴(kuò)展了柚子精油精深加工的途徑。