超聲輔助提取柚皮精油工藝優(yōu)化及GC?鄄MS成分對比分析

李黎 孫晶 石艷賓 周茂然 應(yīng)小川 姜子濤

摘要：以柚皮為原料，采用響應(yīng)面分析法輔助水蒸氣蒸餾法優(yōu)化提取柚皮精油?？疾焯崛」に囍谐晻r(shí)間、蒸餾時(shí)間和料液比對精油提取率的影響，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以柚皮精油提取率為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面法對柚皮提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，并利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）對水蒸氣蒸餾法提取的柚皮精油進(jìn)行化學(xué)成分分析。結(jié)果表明，最佳的提取工藝條件為超聲時(shí)間58.5 min、蒸餾時(shí)間2 h、料液比1∶18（g/mL）。此條件下柚皮精油的提取率為1.474 3%，與理論值1.482 18%相差0.007 88%，表明試驗(yàn)測得提取率與模型理論值之間擬合良好。采用GC-MS對柚皮精油成分進(jìn)行分析，共檢出20種揮發(fā)性成分，其中D-檸檬烯、β-月桂烯、棕櫚酸、α-松油醇、芳樟醇等占總成分的80.407%，說明水蒸氣蒸餾可有效地純化柚皮精油，為柚皮精油在食品及調(diào)味品中的應(yīng)用提供了寶貴的數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：柚皮精油；提??；成分分析；響應(yīng)面分析法；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）

中圖分類號：TS224.4????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號：1000-9973（2023）08-0180-05

Optimization of Process of Pomelo Peel Essential Oil by Ultrasonic-Assisted

Extraction and Comparative Analysis of Components by GC-MS

LI Li1， SUN Jing2， SHI Yan-bin1， ZHOU Mao-ran1， YING Xiao-chuan3， JIANG Zi-tao1*

（1.Tianjin Tianshi College， Tianjin 301700， China; 2.Academic Affairs Office， Guizhou

Normal University， Guiyang 550025，? China; 3.Tianjin Yunni Technology

Co.， Ltd.， Tianjin 300450， China）

Abstract： With pomelo peel as the raw material， response surface analysis method assisted steam distillation method is used to optimize the extraction of pomelo peel essential oil. The effects of ultrasonic time， distillation time and solid-liquid ratio on the extraction rate of essential oil in the extraction process is investigated. Based on the single factor test， with the extraction rate of pomelo peel essential oil as the response value， the extraction process conditions of pomelo peel are optimized by response surface methodology， and gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS） is used to analyze the chemical components of pomelo peel essential oil extracted by steam distillation method. The results show that the optimal extraction process conditions are the ultrasonic time of 58.5 min， the distillation time of 2 h， and the ratio of solid to liquid of 1∶18（g/mL）， the extraction rate of pomelo peel essential oil under these conditions is 1.474 3%， which is 0.007 88% lower than the theoretical value of 1.482 18%， indicating that the extraction rate measured in the test fits well with the theoretical value of the model. GC-MS is used to analyze the components of pomelo peel essential oil， and a total of 20 volatile components are detected， among which， D-limonene， β-myrcene， palmitic acid， α-terpinol， linalool， etc. account for 80.407% of the total components， which shows that steam distillation can effectively purify pomelo peel essential oil， has provided valuable data reference for the application of pomelo peel essential oil in food and condiment.

Key words： pomelo peel essential oil； extraction； component analysis； response surface analysis method； gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS）

收稿日期：2023-02-06

基金項(xiàng)目：天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（22YDTPJC01000）

作者簡介：李黎（1982—），女，副教授，碩士，研究方向：食品科學(xué)與工程。

通信作者：姜子濤（1956－），男，教授，博士，研究方向：食品添加劑。

柚子（Citrus maxima）屬蕓香科柑橘屬，世界柚子年總產(chǎn)量可達(dá)452.87萬噸[1-3]，我國柑橘產(chǎn)量位居世界第二[4]，而柚皮占鮮柚子質(zhì)量的40%以上，柚皮中不僅含有水分、無機(jī)鹽，而且含有精油、黃酮類物質(zhì)、膳食纖維等。目前，柚皮常被當(dāng)作廢棄物處理，不僅造成資源的極大浪費(fèi)，而且對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，若合理利用，不僅可以增加柚子產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)的多元化，而且是提高柚子綜合利用的途徑之一[5]。

柑橘類精油因具有特殊的香氣味，常被作為香味原料、調(diào)味劑、日用品、洗滌劑等，在食品和醫(yī)藥行業(yè)中應(yīng)用。有研究表明該精油還具有抑菌[6]、抗氧化[7]、驅(qū)蚊[8]、抗菌消炎、治療胃腸疾病等功效，還可以淡化疤痕[9]。精油的提取方法有溶劑浸提法[10]、超臨界二氧化碳提取法[11-12]及水蒸氣蒸餾法[13-14]等。與其他提取方法相比，水蒸氣蒸餾法具有設(shè)備成本低、易操作、提取條件簡單且無溶劑殘留等優(yōu)點(diǎn)[15-16]。

本文以柚子皮為原料，采用超聲波輔助水蒸氣蒸餾法[17-20]提取柚皮精油（pomelo peel essential oil）分析，并通過響應(yīng)面法Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)對提取柚子精油工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，利用高效氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）分析柚皮精油成分，為綜合開發(fā)利用柚皮精油提供了數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

柚子：葡萄柚，市售。

1.2 主要試劑及設(shè)備

無水硫酸鈉、氯化鈉：均為分析純；乙醚：色譜純；蒸餾水：自制。

ZNCL-TS磁力攪拌電熱套 上海予申儀器有限公司；TD4K-Z臺式數(shù)顯離心機(jī) 長沙東旺實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；KQ3200DB數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；水蒸氣蒸餾裝置 天長市康鵬實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；高效氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國Agilent公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 葡萄柚柚皮處理

取新鮮的葡萄柚剝皮，去白瓤和絮狀皮層，將表皮切成厚度約2～3 mm、長5 mm左右的塊狀，分裝，冷凍保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 柚皮精油提取方法

稱取40 g已處理好的柚子皮放入燒杯中，加入3% NaCl，攪拌，封口，以超聲溫度40 ℃、一定時(shí)間進(jìn)行超聲處理，倒入1 000 mL的圓底燒瓶中，組裝蒸餾儀器開啟磁力攪拌，加熱，進(jìn)行水蒸氣蒸餾，完畢，停止加熱，收集存放于高硼硅玻璃管內(nèi)，于－18 ℃條件下凍存，待收集管內(nèi)水結(jié)成冰后去除，得到柚皮精油，稱重，計(jì)算提取率。

1.3.3 柚皮精油提取率的計(jì)算

PPEO提取率（%）=提取的精油質(zhì)量（g）柚皮質(zhì)量（g）×100%。

1.3.4 柚皮精油單因素試驗(yàn)

參照1.3.2 柚皮精油提取方法，選取超聲時(shí)間、蒸餾時(shí)間、料液比作為提取柚皮精油的影響因素，進(jìn)行柚皮精油的單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見表1。

1.3.5 柚皮精油響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)[21-22]

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Box-Behnken組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取超聲時(shí)間、蒸餾時(shí)間、料液比為自變量，以柚皮精油提取率為響應(yīng)值，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對柚皮精油提取工藝進(jìn)行優(yōu)化分析，柚皮精油響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表見表2。

氣相色譜條件：色譜柱為DB-WAX毛細(xì)管柱（30 m×320 μm×0.25 μm，Agilent Technologies Co.， Ltd.）；載氣（He）流速1.0 mL/min；前進(jìn)樣口溫度250 ℃；不分流模式進(jìn)樣；程序升溫：初始柱溫40 ℃，保持3 min，以2 ℃/min升至70 ℃，以3 ℃/min升至130 ℃，再以10 ℃/min升至230 ℃并保持10 min。

樣品配制：100 μL樣品加入乙醚溶解定容至1 mL，進(jìn)樣量1.0 μL/mL，進(jìn)樣口溫度250 ℃，不分流模式進(jìn)樣。

質(zhì)譜條件：質(zhì)譜接口溫度280 ℃，四極桿溫度150 ℃，離子源溫度230 ℃；離子化方式EI；電子能量70 eV；質(zhì)量掃描范圍（m/z） 40～500。

定性分析：風(fēng)味物質(zhì)鑒定結(jié)果通過計(jì)算機(jī)譜庫（NIST/Wiley）進(jìn)行檢索，并配合手動(dòng)檢索校對信息，正反匹配度均大于80（最大值為100），各化合物峰面積由軟件系統(tǒng)計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較分析，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用Design Expert 8.05b軟件進(jìn)行分析，采用Origin 7.5軟件作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 超聲輔助提取柚皮精油單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 超聲時(shí)間對柚皮精油提取率的影響

當(dāng)超聲時(shí)間小于60 min時(shí)，柚皮精油提取率隨著超聲時(shí)間的延長而增大，當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到60 min，柚皮精油提取率最高，為（1.364±0.030 5）%?？赡苁且?yàn)殡S著超聲時(shí)間的延長，在超聲空化作用下，增加細(xì)胞破碎量從而增大柚皮精油提取率。但當(dāng)超聲時(shí)間超過60 min時(shí)，柚皮精油提取率隨著超聲時(shí)間的延長顯著降低，可能是超聲時(shí)間過長導(dǎo)致原料中部分精油組成成分被分解和揮發(fā)[23]，降低了柚皮精油的提取率。因此，最適的超聲時(shí)間水平為50～70 min。

2.1.2 蒸餾時(shí)間對柚皮精油提取率的影響

由圖2可知，當(dāng)蒸餾時(shí)間小于2 h時(shí)，柚皮精油提取率隨著蒸餾時(shí)間的延長提取率增高，當(dāng)蒸餾時(shí)間達(dá)到2 h時(shí)，柚皮精油提取率最高，為（1.288±0.017 9）%，當(dāng)蒸餾時(shí)間大于2 h時(shí)，柚皮精油提取率隨著蒸餾時(shí)間的延長顯著降低?？赡苁钦麴s時(shí)間較短時(shí)，精油殘留量高，提取率低，隨著蒸餾時(shí)間的延長，柚皮精油提取得更徹底，從而提取率提高。當(dāng)蒸餾時(shí)間過長時(shí)，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，而且蒸汽量過大導(dǎo)致精油部分分解，提取率下降[24]。因此，從節(jié)約能源和柚皮精油提取率等方面綜合考量，最適的蒸餾時(shí)間水平為1.5～2.5 h。

2.1.3 料液比對柚皮精油提取率的影響

由圖3可知，當(dāng)料液比在1∶5～1∶15范圍內(nèi)，柚皮精油提取率隨著料液比的增大而顯著增大，料液比在1∶15時(shí)提取率最大，為（1.358±0.067 231）%。原因可能是隨著料液比的增大，柚子皮原料可以充分地與溶液接觸，溶脹，導(dǎo)致細(xì)胞易破裂，從而提高了精油的提取率[25]。當(dāng)料液比大于1∶15時(shí)，柚皮精油提取率隨著料液比的增大而逐漸減小，這可能是因?yàn)榱弦罕冗^高時(shí)，蒸餾瓶中溶液的濃度差導(dǎo)致傳送動(dòng)力減小，精油在熱水中的濃度降低，同時(shí)料液比過高容易產(chǎn)生暴沸現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致柚皮精油提取率降低，本研究結(jié)果與王東營等[26]的研究結(jié)果相同，故選取料液比為1∶10～1∶20進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2 超聲輔助響應(yīng)面法優(yōu)化柚皮精油提取工藝條件

2.2.1 超聲輔助提取柚皮精油響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，該模型的F值為63.24（P<0.000 1），表明該模型回歸方程極顯著。失擬項(xiàng)的P值為0.074 9（P>0.05），不顯著，校正決定系數(shù)R2值為0.987 9，表明模型的擬合情況良好。因素B2影響顯著，A、C、AB、BC、A2、C2影響極顯著。影響柚皮精油提取率的主次因素為料液比>超聲時(shí)間>蒸餾時(shí)間，采用Design-Expert 8.05b對表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到二次方程模型為Y=1.44－0.057A－0.020B+0.16C－0.16AB－0.025AC+0.13BC－0.27A2－0.045B2－0.14C2。通過二次方程預(yù)測超聲時(shí)間為58.44 min，蒸餾時(shí)間為1.97 h，料液比為1∶18（g/mL），在此條件下預(yù)測柚皮精油提取率為1.482 18%。

2.2.2 超聲輔助提取柚皮精油響應(yīng)面交互因素分析

曲面圖坡度的陡峭程度與兩因素的交互作用具有相關(guān)性，曲面圖坡度越陡峭表示兩因素的交互作用越顯著，柚皮精油提取因素的交互作用響應(yīng)面圖見圖4～圖6。

由圖4～圖6可知，超聲時(shí)間（A）與蒸餾時(shí)間（B）的曲面圖比蒸餾時(shí)間（B）與料液比（C）的曲面圖和超聲時(shí)間（A）與料液比（C）的曲面圖陡峭程度大，但超聲時(shí)間（A）與料液比（C）的曲面圖坡度較平緩，故AC交互作用不顯著，因此，兩因素交互作用對超聲輔助提取柚皮精油提取率的影響程度為AB＞BC＞AC。

2.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化條件確定與模型驗(yàn)證

綜合考慮柚皮精油提取率及試驗(yàn)可操作性等因素，提取工藝條件為超聲時(shí)間58.5 min、蒸餾時(shí)間2 h、料液比1∶18（g/mL），重復(fù)提取5次，實(shí)際測得柚皮精油的提取率為1.474 3%，與理論值1.482 18%相差0.007 88%，表明試驗(yàn)測得的提取率與模型理論值之間擬合良好。

2.3 利用GC-MS進(jìn)行柚皮精油成分分析

利用GC-MS儀器進(jìn)行成分分析，得到總離子流色譜圖，見圖7。

利用GC-MS對柚皮精油成分進(jìn)行分析，共檢出揮發(fā)性成分20種，但檸檬烯含量未檢出，柚皮精油總離子色譜圖見圖7，利用軟件對圖7進(jìn)行定性分析，確定各化合物的保留時(shí)間、分子量及百分含量，見表5。在已經(jīng)鑒定的柚皮精油成分中，D-檸檬烯、β-月桂烯、棕櫚酸、α-松油醇、芳樟醇等占總成分的80.407%。其中D-檸檬烯（52.80%）和β-月桂烯（9.38%）含量比重大，與郭暢等[27]的分析結(jié)果一致，還有棕櫚酸（11.76%），李杰等[28]在植物中也檢測出。該柚皮精油主要由5種烯類、8種醇類、3種酯類、醛類、醚類、酮類和酸類各1種組成，這些成分相互協(xié)同發(fā)揮重要作用。柚皮精油是由多種化合物組成的，除圖7中鑒定的之外，還存在一些其他化合物，未來要對柚皮精油成分全部解明，需要更多方法聯(lián)合鑒定。

3 結(jié)果討論

采用超聲輔助提取柚皮精油，通過單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面法結(jié)合試驗(yàn)可操作性等因素，提取工藝條件為超聲時(shí)間58.5 min、蒸餾時(shí)間2 h、料液比1∶18（g/mL），重復(fù)提取5次，實(shí)際測得柚皮精油的提取率為1.474 3%，與理論值1.482 18%相差0.007 88%，表明試驗(yàn)測得的提取率與模型理論值之間擬合良好。利用GC-MS對柚皮精油成分進(jìn)行分析，共檢出20種揮發(fā)性成分，其中D-檸檬烯、β-月桂烯、棕櫚酸、α-松油醇、芳樟醇等占總成分的80.407%。本研究中柚皮精油提取過程簡單且成本低，可用于精油品質(zhì)鑒別及分離出多種成分，按功效可應(yīng)用于風(fēng)味材料、綠色添加劑及食品和化妝品等產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用，并提供寶貴的數(shù)據(jù)。

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