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(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330038；2.江西省糧油科學(xué)技術(shù)研究所，江西南昌 330029；3.陜西科儀陽(yáng)光檢測(cè)技術(shù)服務(wù)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(shù)的果實(shí)，是橘子與柚子的雜交品種，廣泛分布在我國(guó)長(zhǎng)江以南的地區(qū)，有較高的食用價(jià)值和藥用價(jià)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(yī)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(wú)色透明、誘人橘香味的特征；精油具有消炎、止咳、鎮(zhèn)痛、排毒等功效[3-4]。

橙皮香精油的提取方法有多種，傳統(tǒng)的方法有水蒸氣蒸餾法[5]、溶劑浸提法、壓榨法[6]，近年發(fā)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(qiáng)大超聲波產(chǎn)生的熱作用、機(jī)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(jiǎn)單、提取效率高的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)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?jǐn)?shù)、靜置時(shí)間、超聲溫度和超聲時(shí)間等因素對(duì)提取率的影響，并通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)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(jī)，上海力箭機(jī)械有限公司產(chǎn)品；GZX-9140MBE型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠產(chǎn)品；AR2140型電子天平，奧豪斯國(guó)際貿(mào)易有限公司產(chǎn)品；KQ-500B型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；SHZ-III型循環(huán)水真空泵、RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠產(chǎn)品；布氏漏斗。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

鮮橙皮→晾曬→烘干→粉碎→稱質(zhì)量→浸提→超聲提取→過(guò)濾→濾液濃縮→烘干（至恒質(zhì)量）→橙皮香精油→稱質(zhì)量。

（1）橙皮預(yù)處理。新鮮贛南臍橙，清水洗凈擦干，削下果皮，置于陽(yáng)臺(tái)初步晾干，于50℃條件下干燥至恒質(zhì)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(jì)算。準(zhǔn)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(guò)濾，濾液濃縮，烘干至恒質(zhì)量，得粗精油，計(jì)算提取率。

1.3.2 橙皮香精油提取單因素試驗(yàn)

（1）料液比對(duì)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(duì)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?jǐn)?shù)對(duì)橙皮香精油提取率的影響。分別以100%，90%，80%，70%，60%的體積分?jǐn)?shù)配制石油醚，以最佳料液比加入石油醚，研究石油醚體積分?jǐn)?shù)對(duì)提取率的影響，確定最佳體積分?jǐn)?shù)。

（3）靜置時(shí)間對(duì)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?jǐn)?shù)加入石油醚，分別靜置5，10，15，20，25 min，研究靜置時(shí)間對(duì)橙皮香精油提取率的影響，確定最佳靜置時(shí)間。

（4）超聲溫度對(duì)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?jǐn)?shù)加入石油醚，靜置最佳時(shí)間，分別于10，20，30，40，50℃條件下超聲處理，研究超聲溫度對(duì)橙皮香精油提取率的影響，確定最佳超聲溫度。

（5）超聲時(shí)間對(duì)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(shí)間5，10，15，20，25 min處理，研究超聲時(shí)間對(duì)橙皮香精油提取率的影響，確定最佳超聲時(shí)間。

1.3.3 設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，綜合考慮多因素對(duì)橙皮香精油提取率的影響，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果采用響應(yīng)曲面試驗(yàn)對(duì)橙皮香精油提取條件進(jìn)行優(yōu)化。

1.3.4 響應(yīng)曲面優(yōu)化下的重現(xiàn)性試驗(yàn)

在響應(yīng)曲面優(yōu)化條件下進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，確定橙皮香精油提取優(yōu)化條件的可行性和重現(xiàn)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 最佳提取料液比的確定

料液比對(duì)橙皮香精油提取率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 料液比對(duì)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(dāng)料液比為1∶20時(shí)，提取率最高。料液比較小時(shí)，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(dāng)料液比為1∶20時(shí)，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(huì)導(dǎo)致橙皮中其他雜質(zhì)和成分浸出，且濃縮時(shí)間延長(zhǎng)，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?jǐn)?shù)的確定

石油醚體積分?jǐn)?shù)對(duì)橙皮香精油提取率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 石油醚體積分?jǐn)?shù)對(duì)橙皮香精油提取率的影響

由圖2可知，隨著石油醚體積分?jǐn)?shù)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(dāng)石油醚體積分?jǐn)?shù)為100%，即使用純石油醚時(shí)提取率達(dá)到最大。

2.1.3 最佳料液靜置時(shí)間的確定

靜置時(shí)間對(duì)橙皮香精油提取率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 靜置時(shí)間對(duì)橙皮香精油提取率的影響

由圖3可知，靜置時(shí)間越長(zhǎng)，石油醚與橙皮粉末的反應(yīng)越充分，橙皮香精油提取率越大；當(dāng)靜置時(shí)間為15 min時(shí)，橙皮香精油的提取率最高；此后繼續(xù)增加靜置時(shí)間，會(huì)使橙皮香精油中的一些易揮發(fā)性成分揮發(fā)，從而導(dǎo)致提取率下降，因此15 min為最佳靜置時(shí)間。

2.1.4 最佳超聲溫度的確定

超聲溫度對(duì)橙皮香精油提取率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 超聲溫度對(duì)橙皮香精油提取率的影響

由圖4可知，在超聲溫度達(dá)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(dāng)超聲溫度為40℃時(shí)，精油提取率達(dá)到最大值；繼續(xù)升溫，將使精油中的一些熱敏性成分受熱揮發(fā)，導(dǎo)致提取率下降，因此40℃為最佳超聲溫度。

2.1.5 最佳超聲時(shí)間的確定

超聲時(shí)間對(duì)橙皮香精油提取率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 超聲時(shí)間對(duì)橙皮香精油提取率的影響

由圖5可知，在超聲時(shí)間達(dá)到15 min之前，隨著超聲時(shí)間的增加，油胞的破裂率增大，橙皮香精油提取率增加；當(dāng)超聲時(shí)間為15 min時(shí)，油胞破裂充分，此時(shí)提取率最高；繼續(xù)增加超聲時(shí)間，會(huì)使精油中的一些不穩(wěn)定成分遭到破壞，導(dǎo)致提取率下降，因此15 min為最佳超聲時(shí)間。

2.2 橙皮香精油提取響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)之上，根據(jù)Box-Beheken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取石油醚體積分?jǐn)?shù)（A）、超聲溫度（B）、超聲時(shí)間（C） 3個(gè)對(duì)橙皮香精油提取率影響較大的因素，進(jìn)行響應(yīng)面分析，對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化。

響應(yīng)面分析因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2.1 模型的建立及其顯著性檢驗(yàn)

表1 響應(yīng)面分析因素與水平設(shè)計(jì)

表2 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果

利用Design Expert軟件對(duì)表2中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸擬合，建立數(shù)學(xué)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(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 模型可信度分析的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果

由表3可看出，預(yù)測(cè)決定系數(shù)為負(fù)值，表明相比于當(dāng)前模型總平均值能夠更好地預(yù)測(cè)響應(yīng)值；同時(shí)信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4，表明該模型的誤差較??；決定系數(shù)為0.924 2，表明響應(yīng)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(shí)的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析。

方差分析見(jiàn)表4。

由表4可知，A，B，A23項(xiàng)的p＜0.01，對(duì)甜橙香精油的提取率影響極顯著，C，AB，AC，BC，B2，C25項(xiàng)的p＞0.05，對(duì)甜橙香精油的提取率影響不顯著。模型p值＜0.01，說(shuō)明對(duì)橙皮香精油提取率影響極顯著，表明建立該模型所冒風(fēng)險(xiǎn)小于0.01%。

2.2.2 提取工藝的響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化

表4 方差分析

石油醚體積分?jǐn)?shù)和超聲溫度的響應(yīng)面見(jiàn)圖6，石油醚體積分?jǐn)?shù)和超聲時(shí)間的響應(yīng)面見(jiàn)圖7，超聲溫度和超聲時(shí)間的響應(yīng)曲面圖見(jiàn)圖8。

圖6 石油醚體積分?jǐn)?shù)和超聲溫度的響應(yīng)面

圖7 石油醚體積分?jǐn)?shù)和超聲時(shí)間的響應(yīng)面

圖8 超聲溫度和超聲時(shí)間的響應(yīng)曲面

圖6～圖8為3個(gè)因素兩兩組合對(duì)橙皮香精油提取效果影響的響應(yīng)曲面和等高線，可直觀描述各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，同時(shí)可看出響應(yīng)曲面均是凸面，且開(kāi)口向下卷曲。

2.3 優(yōu)化條件下的重現(xiàn)性試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)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?jǐn)?shù)99.16%，超聲溫度40℃，超聲時(shí)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(yàn)優(yōu)化條件的重現(xiàn)性，在最佳工藝條件下進(jìn)行3次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)，提取率平均值為2.56%，與理論預(yù)測(cè)值接近，證明該回歸模型具有可靠性。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)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?jǐn)?shù)99.16%，靜置時(shí)間15 min，超聲溫度40℃，超聲時(shí)間15.77 min。在此工藝參數(shù)條件下經(jīng)過(guò)重復(fù)性試驗(yàn)得出橙皮香精油的提取率為2.56%。