利用超臨界流體萃取法提取天然香蕉香精

麻少瑩，楊昌鵬，韋璐，黃杰，孫欽菊

廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（南寧 530007）

香蕉是中國重要的亞熱帶、熱帶水果之一，在20世紀(jì)90年代之后，香蕉種植與加工逐漸發(fā)展成為產(chǎn)業(yè)，是南方地區(qū)最大的水果產(chǎn)業(yè)。2018年，中國香蕉收獲面積331.90×103hm2（33.19萬 hm2），居世界第5位，產(chǎn)量1 122.17萬 t，占世界香蕉產(chǎn)量的12.63%，居世界第2位[1]。在其產(chǎn)地進(jìn)行深加工，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?。香蕉皮是香蕉果實(shí)的重要組成部分，約占果實(shí)的30%，香蕉皮中的K、Ca、Mg、S、Fe、Zn等微量元素含量較大[2]，還含有多酚、抗壞血酸、果膠、低聚糖等多種活性物質(zhì)[3]。廣西是香蕉的主產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)量達(dá)323.19萬 t，居全國第2位。近年來，香蕉的加工工藝種類不斷增加，在香蕉食品生產(chǎn)的同時(shí)，產(chǎn)生大量的香蕉皮（為果重的40%左右），大量香蕉皮不能得到及時(shí)處理，對環(huán)境造成污染，也造成資源浪費(fèi)[4-5]。如何高效合理利用香蕉皮是香蕉產(chǎn)業(yè)的重大研究課題。香蕉果肉和果皮中含有令人愉悅的香氣物質(zhì)，如能從中提取天然香蕉香精用于食品工業(yè)，對促進(jìn)香蕉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和香蕉的綜合利用將具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國內(nèi)外對香蕉香氣研究的重點(diǎn)在于不同品種、產(chǎn)地、成熟度、加工過程等果肉香氣物質(zhì)[6-8]，而果皮香氣成分的研究鮮有報(bào)道。研究者大多采用固相微萃?。⊿PME）法從香蕉果實(shí)、香蕉汁中提取香氣物質(zhì)并對其定性和定量分析。試驗(yàn)以超臨界CO2萃取技術(shù)為手段，開展從香蕉果肉、香蕉皮、香蕉渣中提取香蕉香精的研究，確定最合適的香蕉香精提取原料，結(jié)合單因素試驗(yàn)進(jìn)行香蕉皮粉香精萃取正交試驗(yàn)，確定最佳萃取工藝；對香蕉香精成分進(jìn)行定性與定量分析。

1 材料與方法

1.1 材料

黃熟香蕉（市購）；乙酸乙酯、無水乙醇、丙三醇（分析純，西安天茂化工有限公司）。

1.2 主要儀器與設(shè)備

PL203 電子天平（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；DHG-9203A電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；DZF-6020真空干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；小太陽TM-767Ⅲ攪拌機(jī)（中山市海盤電器有限公司）；HA220-50-06超臨界CO2萃取裝置（江蘇華安超臨界萃取有限公司）；SCION SQ 456-GC氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國BRUKER公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 香蕉皮粉的制備

選購黃熟的香蕉，將香蕉切頭切尾后剝皮，皮切成厚度3～4 mm的小塊，將切好的香蕉皮裝盤放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干（設(shè)置溫度40 ℃、時(shí)間15～20 h）；采用粉碎機(jī)將烘干的香蕉皮粉碎即得香蕉皮粉，香蕉皮粉粒度為0.250 mm。

1.3.2 香蕉渣粉的制備

制備香蕉酒過程中香蕉漿酶解離心后的渣即為香蕉渣。將香蕉渣置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干（設(shè)置溫度40 ℃、時(shí)間15～20 h）；將烘干好后的香蕉渣放入粉碎機(jī)粉粹即得香蕉渣粉，香蕉渣粉粒度為0.250 mm。

1.3.3 香蕉肉粉的制備

選購黃熟香蕉，剝皮后將香蕉肉切成厚度3～4 mm的香蕉片，將切好的香蕉肉片裝盤放入真空干燥箱中烘干，將烘干好后的香蕉片放入粉碎機(jī)，粉碎得到香蕉肉粉，香蕉肉粉粒度為0.250 mm。

1.3.4 超臨界CO2提取香蕉香精

1.3.4.1 不同原料來源提取香蕉香精

采用超臨界CO2萃取法從香蕉果肉粉、香蕉皮粉、香蕉渣粉中提取香蕉香精，對比其得率，從萃取率、原料來源等方面綜合考慮確定最合適的香蕉香精提取原料。萃取條件為原料質(zhì)量各200 g、萃取壓力25 MPa、萃取溫度30 ℃、分離壓力8 MPa、萃取時(shí)間2.5 h、CO2流量20 L/h。

1.3.4.2 單因素試驗(yàn)

采用超臨界CO2萃取法從香蕉皮粉中提取香蕉香精。萃取條件為原料質(zhì)量200 g、萃取壓力15～40 MPa、萃取溫度20～40 ℃、分離壓力6～16 MPa、萃取時(shí)間1.0～3.0 h、CO2流量20 L/h。

1.3.4.3 正交試驗(yàn)法優(yōu)化香蕉皮粉香精提取工藝

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇萃取壓力（A）、萃取溫度（B）、分離壓力（C）及萃取時(shí)間（D）4個(gè)因素，設(shè)計(jì)L9(34)正交表進(jìn)行四因素三水平的試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)法優(yōu)化香蕉皮粉香精因素水平表

1.3.4.4 不同攜帶劑萃取香蕉香精

采用乙酸乙酯、無水乙醇、丙三醇分別作為攜帶劑，在萃取壓力30 MPa、萃取溫度30 ℃、分離壓力16 MPa、萃取時(shí)間1.5 h條件下萃取，比較萃取率與萃取物揮發(fā)性成分含量，確定最佳的萃取攜帶劑。

1.3.5 萃取物香氣成分分析

采用固相微萃取法進(jìn)行樣品處理。取2 g樣品置于20 mL頂空瓶中，將老化后的50/30 μm CAR/PDMS/DVB萃取頭插入樣品瓶頂空部分，于60 ℃吸附30 min，吸附后的萃取頭取出后插入氣相色譜進(jìn)樣口，于250℃解吸3 min，同時(shí)啟動(dòng)儀器采集數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同原料提取香蕉香精結(jié)果

采用超臨界CO2萃取法從香蕉果肉粉、香蕉皮粉、香蕉渣粉中提取香蕉香精，3種原料提取出來的香蕉香精量如表2所示。

由表2可知，香蕉果肉粉、香蕉皮粉、香蕉渣粉提取的香氣物質(zhì)得率分別為3.6%，2.65%和1.35%，香蕉果肉分提取的香氣物質(zhì)最高，香蕉香味最濃，香蕉渣粉提取的香氣物質(zhì)萃取率最低，香蕉香味最淡。這與張文燦等[9]對香蕉全果實(shí)果汁香氣成分分析得出的結(jié)論一致。從原料來源及資源的綜合利用等方面考慮，確定香蕉皮為最合適的香蕉香精提取原料。

表2 不同原料萃取香蕉香精結(jié)果

2.2 超臨界萃取單因素試驗(yàn)

2.2.1 萃取壓力對香蕉皮粉香氣物質(zhì)萃取率的影響

由圖1可知，萃取壓力30 MPa時(shí)，萃取率最高，為1.52%。萃取壓力從15 MPa升高至35 MPa時(shí)，萃取率逐漸提高，壓力升高至35 MPa萃取率達(dá)到1.63%，相較于30 MPa時(shí)萃取率1.52%，增幅不大。萃取率提高是由于萃取壓力增大，CO2流體密度增加，溶解能力增強(qiáng)，有利于酯類物質(zhì)、醛類物質(zhì)、醇類物質(zhì)的萃取。萃取壓力超過35 MPa時(shí)，萃取壓力對萃取率影響不明顯，反而有略微下降。這是由于CO2流體的可壓縮性減小，萃取壓力對CO2流體溶解性的增加有限[10]；另外，萃取壓力增大的同時(shí)會(huì)增加香蕉皮粉的堆密度，降低其擴(kuò)散能力，從而降低萃取率；同時(shí)萃取壓力過高會(huì)降低設(shè)備的使用壽命[11]。故最佳萃取壓力30 MPa為佳。

圖1 萃取壓力對香蕉皮粉香氣物質(zhì)萃取率的影響

2.2.2 萃取溫度對萃取率的影響

在萃取壓力30 MPa、分離壓力12 MPa、萃取時(shí)間1.5 h條件下，考察萃取溫度對香蕉皮粉香氣物質(zhì)萃取率的影響，結(jié)果如圖2所示。

溫度對CO2流體的溶解性具有雙重作用：一方面，溫度升高，CO2流體的分子熱運(yùn)動(dòng)加快，擴(kuò)散速度和揮發(fā)性增加，其溶解性增加；另一方面，溫度升高，CO2流體的密度降低，其溶解性降低。由圖2可知，萃取溫度從20 ℃升高至50 ℃時(shí)，萃取率先升高后降低，萃取溫度30 ℃時(shí)萃取率最高。這是由于隨著溫度升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)因素，萃取率逐漸提高[12]。萃取溫度高于30 ℃，CO2流體的密度降低為主導(dǎo)因素，且溫度過高香蕉皮粉中的酯類物質(zhì)分解為醇類與酸類物質(zhì)，導(dǎo)致萃取得到的香蕉香精品質(zhì)下降，故試驗(yàn)選擇最佳萃取溫度為30 ℃。

圖2 萃取溫度對香蕉皮粉香氣物質(zhì)萃取率的影響

2.2.3 分離壓力對萃取率的影響

在萃取壓力30 MPa、萃取溫度30 ℃、提取時(shí)間1.5 h條件下，考察分離壓力對香蕉皮粉香氣物質(zhì)萃取率的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨著分離壓力增大，萃取率先逐漸提高而后降低，分離壓力12 MPa時(shí)，萃取率達(dá)到最大，為1.36%。這是因?yàn)閴毫p低時(shí)，萃取物溶解度也較低，隨著壓力升高，溶解度也增大[13]。

圖3 分離壓力對香蕉皮粉香氣物質(zhì)萃取率的影響

2.2.4 萃取時(shí)間對萃取率的影響

在萃取壓力30 MPa、萃取溫度30 ℃、分離壓力12 MPa條件下，考察萃取時(shí)間對香蕉皮粉香氣物質(zhì)萃取率的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著萃取時(shí)間增加，萃取率越大，但隨著萃取時(shí)間增加，萃取率增加幅度逐漸減緩。原因在于延長萃取時(shí)間，萃取過程更充分，但隨著萃取時(shí)間延長，傳質(zhì)達(dá)到頂點(diǎn)[14]，萃取物逐步被完全提取出來?？紤]到工藝成本、時(shí)間效益等因素，選擇萃取時(shí)間1.5 h。

圖4 萃取時(shí)間對香蕉皮粉香氣物質(zhì)萃取率的影響

2.3 正交試驗(yàn)法優(yōu)化香蕉皮粉香精提取工藝

正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見表3與表4。

由表3可知，4個(gè)因素對提取率的影響大小依次為A（萃取壓力）＞D（萃取時(shí)間）＞C（分離壓力）＞B（萃取溫度），萃取壓力和萃取時(shí)間對萃取率的大小影響較為顯著。由均值k分析知最優(yōu)萃取工藝為A3D2C3B1，即萃取壓力30 MPa、萃取溫度25 ℃、分離壓力16 MPa、萃取時(shí)間1.5 h。按A3D2C3B1條件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，萃取率分別為2.51%，2.75%和2.60%。

表3 正交試驗(yàn)法優(yōu)化香蕉皮粉香精萃取工藝試驗(yàn)安排表

由表4可知，萃取壓力與萃取率有顯著性影響，在試驗(yàn)中應(yīng)該嚴(yán)格控制。

表4 正交結(jié)果的方差表

2.4 不同攜帶劑萃取香蕉皮粉香精的成分分析

不同攜帶劑萃取香蕉皮粉香精結(jié)果見表5，GC-MS成分分析結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 無攜帶劑時(shí)萃取物成分分析

圖8 乙酸乙酯為攜帶劑時(shí)萃取物成分分析

由表5可知，采用乙酸乙酯作為攜帶劑時(shí)萃取率最高，萃取物香氣最濃，萃取物中酯類物質(zhì)含量最大，這是因?yàn)橄憬镀ぶ械膿]發(fā)性成分主要是酯類、酸類、醛類、醇類等[15]。無攜帶劑萃取香蕉香精時(shí)，揮發(fā)性物質(zhì)中的酯類、酸類、醛類、醇類總含量僅17.255%，采用無水乙醇、丙三醇與乙酸乙酯為攜帶劑時(shí)，香氣成分總含量分別為67.069%，79.615%和79.418%，明顯高于無攜帶劑萃取時(shí)香氣物質(zhì)含量，由此可知采用攜帶劑可有效萃取香蕉皮粉中的香氣物質(zhì)。因香蕉皮中主要的香氣物質(zhì)為酯類、醇類、醛類、酸類、苯酚類化合物[15]，采用乙酸乙酯為攜帶劑能更顯著提高酯類物質(zhì)的萃取率，無水乙醇與丙三醇為攜帶劑時(shí)能顯著提高醇類與酸類物質(zhì)的萃取率。試驗(yàn)鑒定出香蕉果皮中主要香氣成分46種，占總揮發(fā)性成分的85%以上。其中，酯類25種，主要為異丁酸異戊酯、異戊酸異戊酯、乙酸異戊酯、己酸甲酯等；醇類10種，主要為乙醇；酸類4種，分別為乙酸、甲酸、丁酸、己酸。主要的揮發(fā)性物質(zhì)（含量超過1%）為異丁酸異戊酯、異戊酸異戊酯、乙酸異戊酯、乙酸、己酸甲酯、乙醇、甲酸等。

表5 不同攜帶劑對萃取效果的影響

圖6 丙三醇為攜帶劑時(shí)萃取物成分分析

圖7 無水乙醇為攜帶劑時(shí)萃取物成分分析

3 結(jié)論

采用超臨界CO2萃取香蕉皮中香蕉香精，通過單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)優(yōu)化萃取工藝，得到最佳工藝條件：萃取壓力30 MPa、萃取溫度25 ℃、分離壓力16 MPa、提取時(shí)間1.5 h。此條件下萃取率最多，萃取壓力對萃取率有顯著影響，在試驗(yàn)中要嚴(yán)格控制。在制備香蕉皮粉時(shí)，烘干溫度不能超過40 ℃，否則香蕉皮粉中的酯類物質(zhì)會(huì)分解，降低萃取物中香氣物質(zhì)的含量。試驗(yàn)鑒定出香蕉果皮中主要香氣成分46種，占總揮發(fā)性成分的85%以上。其中酯類25種，主要為異丁酸異戊酯、異戊酸異戊酯、乙酸異戊酯、己酸甲酯等；醇類10種，主要為乙醇；酸類4種，分別為乙酸、甲酸、丁酸、己酸。主要的揮發(fā)性物質(zhì)（含量超過1%）為異丁酸異戊酯、異戊酸異戊酯、乙酸異戊酯、乙酸、己酸甲酯、乙醇、甲酸等。