葡萄柚精油“除萜賦香”工藝的優(yōu)化研究

楊 穎，施迎春，2，邢建榮，劉 哲，鄭美瑜，陸勝民，*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 食品科學研究所，浙江 杭州 310021； 2.南京農(nóng)業(yè)大學 食品科技學院，江蘇 南京 210095)

植物精油是從果皮、花、葉、莖、根、全草或果實等部位提取的一種揮發(fā)性油狀液體物質(zhì)，是重要的次生代謝產(chǎn)物，其氣味清香舒爽，具有抗菌消炎，抗癌、舒緩神經(jīng)和鎮(zhèn)靜等作用[1-5]，廣泛應用于食品、日化產(chǎn)品及醫(yī)療保健品中，是重要的天然香料之一。葡萄柚(Citrusparadisi)，又稱為西柚，是世界四大柑橘類群之一[6-7]。葡萄柚精油具有獨特芳香，主要包含萜烯類氧化衍生物和萜烯烴類化合物兩大類成分[8-9]，前者僅占總量的10%左右，以芳樟醇、葵醛等為代表，是其香味的主要來源；后者約占總量的90%，以檸檬烯為主要成分[10-13]。葡萄柚精油在光和熱等條件下不穩(wěn)定，所含檸檬烯易被氧化成有異味的香芹酮，從而導致品質(zhì)下降[14]。因此，有必要進行“除萜賦香”處理[15-16]，即從精油中去除一部分檸檬烯，從而提高精油的賦香能力，減少添加量，降低儲運成本，延長儲藏時間。

分子蒸餾也叫短程蒸餾，是根據(jù)輕重分子間運動自由程的差異而實現(xiàn)化學成分分離的技術[17-19]。該操作在高真空下進行，具有蒸餾溫度低、受熱時間短和分離效率高等優(yōu)點，是目前分離天然產(chǎn)物較為溫和的方法之一，尤其適用于熱敏性天然活性成分的分離提純[20-23]。本文探討分子蒸餾制備葡萄柚精油的濃縮工藝，以實現(xiàn)檸檬烯與含氧化合物的有效分離，從而提高精油品質(zhì)、延長貨架期，同時得到用途廣泛的檸檬烯，實現(xiàn)葡萄柚精油的高值利用[24]，為柑橘類精油的濃縮精制提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冷榨葡萄柚精油(廣州澳博貿(mào)易有限公司，美國進口分裝)；正己烷(色譜純，天津四友精細化學品有限公司)；檸檬烯、芳樟醇、葵醛(分析純，純度大于98%，梯希愛上?；晒I(yè)發(fā)展有限公司)；其余試劑均為分析純，購于華東醫(yī)藥股份有限公司。

1.2 儀器與設備

刮膜式2英寸分子蒸餾設備(美國POPE公司)；SP-6890型氣相色譜儀(山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)，配備DB-5(30 m×0.25 mm×0.25 μm)毛細管色譜柱和FID檢測器；氣質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜(GC-MS)，配備J&W DB-5石英毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；Expert Design 8.0.5軟件(Stat-Ease公司)。

1.3 檸檬烯、芳樟醇及葵醛含量測定

分別配制體積分數(shù)分別為100%、50%、25%、12.5%、6.25%的檸檬烯、芳樟醇及葵醛標準溶液。

GC條件：進樣溫度280 ℃，檢測器溫度300 ℃，程序升溫：初始溫度40 ℃，保留5 min，然后以10 ℃·min-1的速度升至280 ℃，保持10 min。進樣量為1.0 μL，在此條件下進行含量測定，采用外標法并對峰面積積分得到標準曲線(圖1)。

圖1 檸檬烯(a)、芳樟醇(b)及葵醛(c)的標準曲線Fig.1 Standard curves of limonene(a)， linalool(b) and decanal(c)

1.4 氧化合物的總含量測定

采用GC-MS分析樣品的組成，將各個含氧化合物的含量累加即得氧化物總量[25-26]。

GC條件：起始溫度為40 ℃，保持5 min，再以3 ℃·min-1升溫至250 ℃，保持 5 min；載氣為高純氦氣(99.999%)，流速為0.8 mL·min-1；進樣溫度為250 ℃；進樣量為1.0 μL。

MS條件：離子源為EI，電離能量為70 eV，質(zhì)量掃描范圍40～650 m/z；離子阱溫度為150 ℃，歧管溫度為40 ℃，傳輸線溫度為280 ℃。

1.5 分子蒸餾

將150 mL葡萄柚原油裝入分子蒸餾設備的進料瓶中，連接冷凝水，將液氮加入冷阱中，然后打開真空泵，脫氣，調(diào)節(jié)壓力，設定蒸發(fā)面溫度，待壓力和溫度到達設定值后打開進料閥，調(diào)節(jié)進料速度為2 mL·min-1，轉(zhuǎn)速為150 r·min-1，開始分子蒸餾過程，分別收集餾出物和餾余物，測定餾出物的檸檬烯含量(Y1)，餾余物的檸檬烯含量(Y2)、芳樟醇含量(Y3)及葵醛含量(Y4)。

1.6 分子蒸餾單因素實驗

1.6.1 溫度對精油化學成分的影響

設定壓力為500 Pa，考察溫度(35、40、45、50、55 ℃)對餾出物檸檬烯含量(Y1)、餾余物中的檸檬烯含量(Y2)、芳樟醇含量(Y3)及葵醛含量(Y4)的影響。

1.6.2 壓力對精油化學成分的影響

固定溫度為50 ℃，研究壓力(300、400、500、600、700及800 Pa)對餾出物中檸檬烯含量(Y1)，餾余物中檸檬烯含量(Y2)、芳樟醇含量(Y3)及葵醛含量(Y4)的影響。

1.7 中心組合設計

以溫度(X1)和壓力(X2)為響應變量，以Y1、Y2、Y3及Y4為響應值，在單因素實驗的基礎上，運用Design-Expert 8.0.5軟件對分子蒸餾濃縮葡萄柚精油進行中心組合設計(central composite design， CCD)，實驗因素及水平見表1。

第一，公路橋梁的下部結構養(yǎng)護。公路橋梁地基對整體橋梁的穩(wěn)定性起著重要的決定性作用，加強公路橋梁的下部結構養(yǎng)護不僅可以延長公路橋梁的使用壽命還可以提高車輛通行的舒適性與安全性。第二，公路橋梁的橋面養(yǎng)護。公路橋梁的橋面是承重負荷的主要接觸面，其面臨多樣的受損因素。若不對公路橋梁的橋面進行及時養(yǎng)護與維修很容易造成橋梁的變形性損壞。第三，公路橋梁的上部結構養(yǎng)護。大部分的公路橋梁養(yǎng)護工作都是對其進行簡單維修，工作人員很少會進行深層次的養(yǎng)護，導致公路橋梁的質(zhì)量得不到有效保障[1]。

表1 中心組合設計的實驗因素及水平編碼

2 結果與分析

2.1 溫度對葡萄柚精油濃縮效率的影響

物質(zhì)的分子運動平均自由程隨溫度的升高而增大，蒸餾速度也隨之加快，蒸發(fā)面溫度對葡萄柚精油濃縮效率的影響見圖2。

圖2 溫度對葡萄柚精油濃縮效率的影響Fig.2 Effects of temperatures on concentrating efficacy of grapefruit essential oil

分子蒸餾在500 Pa壓力下，加熱至35 ℃至40 ℃時，剛好達到檸檬烯的沸點，原油中的檸檬烯與芳樟醇、葵醛可得到有效分離。餾出物中主要含有檸檬烯，所以檸檬烯含量(Y1)呈一條直線。由于沸點較低的檸檬烯經(jīng)分子蒸餾進入到餾出物中[26]，餾余物中檸檬烯含量(Y2)急劇下降，而沸點較高的芳樟醇(Y3)和葵醛(Y4)其含量升高。但隨著溫度提高至45 ℃及以上時，葵醛含量與40 ℃時基本持平，但芳樟醇含量(Y3)開始下降，這說明芳樟醇和葵醛在高于45 ℃時容易損失，同時檸檬烯的分離效率也降低。綜上所述，響應面分析的溫度范圍為40～50 ℃較為合適。

2.2 壓力對分子蒸餾濃縮葡萄柚精油的影響

溫度固定為50 ℃時，真空度越高，物質(zhì)的氣體分子運動平均自由程越大，組分更容易從液面逸出而被分離。壓力對葡萄柚精油濃縮效率的影響如圖3所示。

由圖3可見，在300～800 Pa的范圍內(nèi)，壓力對餾出物中的檸檬烯含量(Y1)沒有明顯影響。

圖3 壓力對葡萄柚精油濃縮效率的影響Fig.3 Effects of pressure on concentrating efficacy of grapefruit essential oil

但餾余物中的檸檬烯(Y2)含量隨著壓力的增大而升高，當壓力高于700 Pa時，其數(shù)值急劇增加，這表明真空度下降時，分子蒸餾的濃縮效率下降，餾余濃縮物中檸檬烯的含量增加。芳樟醇(Y3)與葵醛(Y4)含量在300～700 Pa時變化不大，但700 Pa時迅速下降，表明其分離效果下降。綜合考慮分離效果與得率，選取壓力范圍為500～700 Pa。

2.3 響應面法優(yōu)化分子蒸餾技術濃縮工藝

2.3.1 響應面分析

采用分子蒸餾技術，根據(jù)響應面分析中的中心組合試驗設計方案對葡萄柚精油進行濃縮工藝優(yōu)化試驗，結果見表2。

表2 中心組合設計方案與響應值

Y1=94.84；

(1)

Y2=59.79-15.32X1+10.42X2；

(2)

(3)

(4)

Y2、Y3、Y4響應模型的方差分析及回歸方程各項系數(shù)的方差分析見表3和表4。

表3 Y2、Y3、Y4響應模型的方差分析

表4 Y2、Y3、Y4模型的回歸方程系數(shù)的方差分析

圖4 溫度與壓力對Y1(A)、Y2(B)、Y3(C)及Y4(D)影響的響應曲面Fig.4 Response surfaces for effects of temperature and pressure on Y1(A)， Y2(B)， Y3(C) and Y4(D)

2.3.2 優(yōu)化實驗

為了實現(xiàn)檸檬烯與含氧化合物的最優(yōu)分離，根據(jù)餾出物中檸檬烯含量(Y1)、餾余濃縮物中檸檬烯(Y2)、芳樟醇(Y3)以及葵醛(Y4)的含量設計響應面模型，利用Design-Expert 8.0.5軟件對試驗結果進行優(yōu)化，并驗證其優(yōu)化方案，優(yōu)化參數(shù)和范圍設置見表5。

表5 響應面模型的優(yōu)化參數(shù)設置

得出較優(yōu)條件為44.89 ℃，500 Pa，此時Y1、Y2、Y3及Y4的預測值分別為94.84%、49.75%、1.63%及2.39%。在上述條件進行驗證，所得實際值分別為94.89%、49.72%、1.59%及2.34%，與預測值基本一致，證明了此實驗模型的合理性，說明以響應面分析法設計分子蒸餾實驗，對葡萄柚精油進行濃縮精制是可行的。

2.3.3 濃縮效果及主要化學成分分析

通過分子蒸餾將葡萄柚原油分成餾出物及餾余物兩個組分，三者的表觀特征見圖5。

圖5 葡萄柚原油(左)、餾出物(中)及餾余濃縮物(右)的表觀特征Fig.5 Apparent properties of raw oil (left)， distillated fraction (middle) and residual fraction (right)

分子蒸餾將葡萄柚精油分為餾余濃縮精油與餾出物兩部分，餾出物接近無色，氣味清淡，略微刺鼻，其檸檬烯含量達到95%左右。餾余濃縮精油呈棕褐色、氣息醇厚、柔潤，其檸檬烯含量則從91.48%下降到49.75%，其他烯烴類化合物含量也明顯下降；主要含氧化合物芳樟醇、葵醛含量分別從原油中的0.198%、0.57%上升到1.59%、2.34%，而α-松油醇、順-葦醇、反-葦醇、香芹酮及香葉醛含量則由微量(低于0.1%)分別增加至1.20%、2.93%、2.05%、2.88%及1.41%，含氧化合物的總量從3.41%上升到29.31%，實現(xiàn)了8.6倍濃縮(圖6)。響應面優(yōu)化分子蒸餾工藝實現(xiàn)了烯烴類物質(zhì)與含氧化合物的高效分離，使葡萄柚精油的增值利用得以實現(xiàn)，對甜橙、檸檬等其他柑橘類精油的濃縮及增值利用具有借鑒意義[26]。

圖6 蒸餾前后主要烯烴類化合物(A)與氧化物(B)的含量變化Fig.6 Contents of olefin compounds (A) and oxides (B) of grapefruit essential oil before and after the condensation

3 結論

(1)分子蒸餾的溫度和壓力對葡萄柚精油的濃縮效果具有顯著影響，單因素實驗確定溫度范圍40～50 ℃，壓力范圍為500～700 Pa。

(2)采用中心組合設計響應面模型得到優(yōu)化濃縮條件：溫度為44.89 ℃，壓力為500 Pa，Y1、Y2、Y3及Y4的預測值分別為94.84%、49.75%、1.63%及2.39%，此條件下的實測值分別為94.89%、49.72%、1.59%及2.34%，與預測值基本一致，驗證了以響應面方法優(yōu)化分子蒸餾技術對葡萄柚精油進行精制濃縮的有效性。

(3)所得濃縮精油中含氧化合物的總含量從原油中的3.41%上升到29.31%，實現(xiàn)了8.6倍濃縮。檸檬烯在原油中的含量從91.48%下降到49.75%，在餾出物中的含量達95%左右，能夠作為電子清洗劑及農(nóng)藥原料，實現(xiàn)了葡萄柚精油的有效分離與增值利用。該研究結果對甜橙、檸檬等柑橘類精油的濃縮及增值利用具有普遍的借鑒意義。