饶建平,王文成,张远志,*,陈宏坤,许大华,尤惠君,沈春松，林雅敏

(1.福建省饮料用植物提取加工企业重点实验室,大闽食品(漳州)有限公司,福建漳州 363000;2.漳州职业技术学院,福建漳州 363000)

水蒸气蒸馏法提取柚子花精油工艺研究及其成分分析

饶建平1,王文成2,张远志1,*,陈宏坤1,许大华1,尤惠君1,沈春松1，林雅敏1

(1.福建省饮料用植物提取加工企业重点实验室,大闽食品(漳州)有限公司,福建漳州 363000;2.漳州职业技术学院,福建漳州 363000)

以冻干柚子花为原料,采用单因素、响应面实验方法优化水蒸气蒸馏提取柚子花精油工艺,建立二次多项数学模型,得到水蒸气蒸馏法提取柚子花精油最优工艺参数:液料比16∶1、盐水浓度3.51%、蒸馏时间8.15 h,柚子花精油提取得率为0.3856%。采用GC-MS对水蒸气蒸馏法提取所得柚子花精油进行成分分析,共分离鉴定出50种化合物,占总萃取物的87.60%,其中主要成分为法呢醇、亚油酸乙酯、亚麻酸乙酯、棕榈酸乙酯、橙花叔醇等化合物。

水蒸气蒸馏法,柚子花精油,提取,成分,气质联用

柚子(Citrusmaxima)又被称为文旦、内紫、朱栾等,为芸香科柑橘属乔木,盛产于中国长江以南各地,广东的沙田柚和福建平和的琯溪蜜柚最为有名[1]。目前,行业中对柚子的深加工研究以柚肉、柚皮为主,主要产品为饮料、果脯、软糖、果酱、果茶、果冻等休闲食品,如蜜柚软糖、蜜柚茶点、蜜柚馅饼、蜜柚饮料、蜜柚浓缩清汁、蜜柚果酒、蜜柚花茶等。而行业中对柚子种植过程中的副产物柚子花的研究则少之甚少[2-3]。

柚子花有很多功效,食用可以清热解毒、美容养颜、解酒提神等。从柚子花中提取的柚子花精油也有提神安眠、舒缓精神等多种功效,大多应用于保健品、化妆品中。因为柚子花的花期早而短,且不到一个月(每年的3月下旬至4月下旬期间),若采用新鲜的柚子花则不易储存,不利于实际工业生产。而柚子花挥发成分受到光、热后极易挥发,采用传统的晾干或烘干不利于保存柚子花的挥发性成分,所以本实验采用冷冻干燥方式来干燥柚子花,在低温条件下进行干燥,可以较好地保存柚子花的挥发性成分,同时可以在柚子花非花期提取柚子花精油。

截止到目前,关于柚子花精油的提取方法研究主要集中在超临界二氧化碳萃取、同时蒸馏萃取法等方法。当然不同的提取方法、不同状态柚子花都会影响到精油的含量、化学组成和精油的提取效率[4-6]。与其他提取方法相比,水蒸汽蒸馏法设备成本低、操作简单、条件简单且无污染(无溶剂残留),很多花精油的提取都采用此方法。本文以冻干柚子花为原料,采用水蒸汽蒸馏法结合响应面实验法,优选出柚子花精油水蒸汽蒸馏提取最佳工艺条件,并用GC-MS对提取所得柚子花精油进行了成分分析,为柚子花精油的开发和实际生产提供参考,以变废为宝,利用果农在“疏花保果”时丢弃的柚子花,开发柚子花精油香料,增加果农的收入,提高柚子树的综合利用率。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

柚子花 采收于福建省漳州市平和县板仔镇;二氯甲烷、无水硫酸钠、石油醚、氯化钠、无水乙醇、氢氧化钠、柠檬酸 均为分析纯;水 蒸馏水。

ZNHW型2000W智能恒温电热套 重庆东悦仪器有限公司;CP513型电子分析天平 上海微川仪器有限公司;水蒸气蒸馏装置 常州普天仪器制造有限公司;HB43-S快速水分测定仪 长沙市秋龙仪器设备有限公司;6890N气相色谱/5973i 质谱联用仪 配有电子轰击离子源(electron impact,EI),美国Agilent公司;FD-1E-50冷冻干燥机 上海沪沁仪器设备有限公司;himac.CR21GⅢ高速离心机 日本日立(HITACHI)。

1.2 实验方法

1.2.1 提取工艺 新鲜柚子花→速冻、冻干→浸泡盐水→水蒸气蒸馏→集液瓶收集→离心分离→无水硫酸钠干燥→柚子花精油。

冻干柚子花:采收的新鲜柚子花为花后期(已经开放或是刚开始开放的柚子花),或者是已掉落还未腐烂的花瓣,采收后立即进行速冻,速冻完全后再进行冻干。

柚子花精油提取:称取一定量的冻干柚子花,以一定液料比,在一定浓度的盐水中浸泡30 min,将浸泡有柚子花的盐水置于水蒸气蒸馏装置中开始水蒸气蒸馏提取精油,蒸馏过程控制好火力(馏出液以1～2滴/s的速度馏出),集液瓶收集馏出液,馏出液在高速5000 r/min下离心15 min进行油水分离,分离得到的油层再用无水硫酸钠干燥,即得柚子花精油。

1.2.2 柚子花精油提取得率的计算

其中,m2:装有柚子花精油的瓶子重量(g);m1:空瓶重量(g);m:原料质量(g)。

1.2.3 单因素实验 以柚子花精油提取得率为指标,研究盐水浓度、液料比、蒸馏时间等因素对柚子花精油水蒸汽蒸馏提取得率的影响。

盐水浓度对柚子花精油提取得率的影响:称量冻干柚子花250 g,采用水蒸汽蒸馏法来提取柚子花精油,在提取时间为8 h和液料比为15∶1(g∶g)的条件下,研究盐水浓度分别为2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%时,柚子花精油的提取得率。

液料比对柚子花精油提取得率的影响:称量冻干柚子花250 g,采用水蒸汽蒸馏法来提取柚子花精油,在提取时间为8 h和盐水浓度为3.5%的条件下,研究液料比分别为5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1(g∶g)条件下,柚子花精油的提取得率。

蒸馏时间对柚子花精油提取得率的影响:称量冻干柚子花250 g,采用水蒸汽蒸馏法来提取柚子花精油,在液料比为15∶1(g∶g)和盐水浓度为3.5%的条件下,研究蒸馏时间分别为2、4、6、8、10 h时,柚子花精油的提取得率。

1.2.4 响应面实验 结合单因素实验结果,以柚子花精油提取得率为考察指标,选取液料比(x1)、盐水浓度(x2)、蒸馏时间(x3)3个因素为考察因素,每个因素设计3个水平,进行响应面实验。因素水平设计见表1。

表1 响应面实验分析因子及水平表Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.2.5 柚子花精油成分分析 采用GC-MS对水蒸气蒸馏法提取所得柚子花精油进行成分分析,实验条件参考文献[7]。

1.3 数据处理

统计数据采用Microsoft Excel 2003和Design-Expert V 8.0.6软件进行分析

2 结果与分析

图1 NaCl浓度对柚子花精油提取得率的影响Fig.1 Effect of the concentration of salt solution on extraction rate

2.1 单因素实验

2.1.1 NaCl浓度对柚子花精油提取得率的影响 由图1可以看出,在NaCl浓度2.0%～3.5%时,柚子花精油提取得率随着NaCl浓度的增加而不断提高,这可能主要是因为在蒸馏水中增加NaCl,一方面可以促进柚子花与水的水溶作用,使其充分接触,从而加速精油从细胞壁中渗出;另一方面,NaCl可以降低精油在水中的溶解度,保证从柚子花中提取出来的精油不溶解在水中[8]。而当NaCl浓度大于3.5%后,柚子花精油提取得率随着NaCl浓度的增加反而下降,可能是因为随着NaCl浓度的增加,提取液渗透压增加,而柚子花精油主要存在于细胞壁中且由于柚子花成分较复杂,高含量的内容物(果胶、单宁、纤维等)使精油在外界高渗透压下不易蒸出,精油从细胞壁中渗出的速率有所减小,同时增加NaCl浓度也会增加生产成本,也会给后续的提取液废液处理增加难度。综上所述,NaCl浓度控制在3.0%～4.0%较为合适。

2.1.2 液料比对柚子花精油提取得率的影响 从图2可以看出,当液料比由5∶1增加到15∶1时,柚子花精油提取得率随着液料比的增加而不断提高,而当液料比大于15∶1之后,柚子花精油提取得率却随着液料比的增加反而降低。这可能是因为液料比太低,冻干柚子花吸收一部分盐水使盐水减少,同时在加热的情况下,可能出现局部过热,从而使得精油提取得率过低。而当液料比过大时,随着提取液的增加,精油在提取液中的溶解量也会增加,从而可能导致精油提取得率降低[9]。同时液料比增加也会增加生产成本,所以综合考虑,液料比范围为10∶1～15∶1较为合适。

图2 液料比对柚子花精油提取得率的影响Fig.2 Effect of the liquid to solid ratio on extraction rate

2.1.3 蒸馏时间对柚子花精油提取得率的影响 从图3可以看出,蒸馏时间由2 h增加到8 h,柚子花精油提取得率随着蒸馏时间的增加而增大,而当蒸馏时间增加到8 h以后,随着蒸馏时间的延长提取得率几乎不变,说明蒸馏8 h后,柚子花精油已基本被蒸馏出来。再增加蒸馏时间,柚子花精油提取得率增加不明显,而且还增加了生产成本,所以选择蒸馏时间范围6～10 h为宜。

图3 蒸馏时间对柚子花精油提取得率的影响Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate

2.2 响应面实验

2.2.1 水蒸气蒸馏提取柚子花精油工艺回归模型的建立 采用软件Design-Expert 8.06对实验所得结果进行二次多元回归拟合和方差分析,得到柚子花精油提取得率对液料比、NaCl浓度、蒸馏时间的回归方程为:提取得率Y(编码)=0.38+0.025x1-0.001525x2+0.004162x3+0.016x1x2+0.0038x1x3-0.004325x2x3-0.068x12-0.03x22-0.028x32

表2 响应面实验结果Table 2 Results of response surface experiment

对回归模型进行方差分析得到失拟项p=0.2995>0.05,二次多项式模型p<0.001,整体回归方程的误差小,拟合程度较好;但是交互作用项x1x3和x2x3失拟项较大,说明交互作用不显著,为了提高方程的拟合程度予以手动剔除[10],仅保留x1x2一项,剔除后的回归方程为:

提取得率Y(编码)=0.38+0.025x1-0.001525x2+0.004162x3+0.016x1x2-0.068x12-0.03x22-0.028x32。

表3 回归模型方差分析Table 3 Variance analyse for the regression mode

注:*代表影响显著(p<0.05);**代表影响极显著(p<0.01)。

2.2.2 响应面分析 从图4可以直观地看出当固定蒸馏时间x3=8.15时,液料比和NaCl浓度的交互作用对柚子花精油提取得率影响显著,水蒸汽蒸馏法提取柚子花精油提取得率随液料比和NaCl浓度的增加而表现出先低到高再降低的趋势,即水蒸汽蒸馏法提取柚子花精油提取得率在合适的液料比(14∶1～17∶1)及NaCl浓度(3.3%～3.7%)下具有极大值。

图4 NaCl浓度与液料比交互项对柚子花精油提取得率影响的响应面图Fig.4 Response surface of the effect of the salt solution and the liquid to solid ratio on extraction rate

2.2.3 最佳工艺验证性实验 利用软件Design-Expert 8.06分析得到水蒸气蒸馏法提取柚子花精油的最优工艺为:液料比15.93∶1、NaCl浓度3.51%、蒸馏时间8.15 h,在最佳工艺条件下柚子花精油提取得率的预测值为0.387152%。为了方便实际操作,将柚子花精油提取的最佳工艺条件修正为:液料比16∶1、NaCl浓度3.51%、蒸馏时间8.15 h,并且再进行重复实验验证3次,所得到的柚子花精油提取得率平均值为0.3856%,和理论的预测值相差很小,结果表明利用该模型对柚子花精油的提取进行分析与预测是可行的。

2.3 柚子花精油GC-MS成分分析

通过对水蒸汽蒸馏法提取所得柚子花精油进行GC-MS分析,获得柚子花精油总离子流色谱图(图5),根据谱图资料库和相关文献对柚子花精油成分进行分析和鉴定[13-16],获得柚子花精油主要成分,通过峰面积归一化法计算出柚子花精油中各化学成分的相对含量(如表4),占总成分的87.60%。

图5 柚子花精油总离子流色谱图Fig.5 Total ion chromatogram of essential oil from Citrus maxima flower by steam distillation

表4 柚子花精油主要成分分析Table 4 Chemical composition of essential oil from Citrus maxima flower by steam distillation

3 结论

3.1 采用响应面实验优化水蒸气蒸馏法提取柚子花精油工艺,获得水蒸气蒸馏法提取柚子花精油最佳工艺条件:液料比16∶1、NaCl浓度3.51%、蒸馏时间8.15 h,柚子花精油提取得率为0.3856%,理论值与实验实际值相差很小,表明利用该模型对柚子花精油的提取进行分析与预测是可行的。同时,获得提取过程各因素对柚子花精油提取得率影响的大小依次是:液料比>蒸馏时间>NaCl浓度。

3.2 对水蒸气蒸馏法提取所得柚子花精油进行GC-MS分析,共分离鉴定出50种化合物,占总萃取物的87.60%,其中主要成分为法呢醇、亚油酸乙酯、亚麻酸乙酯、棕榈酸乙酯、橙花叔醇等化合物。通过对水蒸气蒸馏法提取所得柚子花精油进行成分分析可知,柚子花精油有着良好的开发和应用前景,也为柚子花进一步开发利用提供了相关依据。

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从水蒸汽蒸馏法提取所得柚子花精油中共分离鉴定出50种化合物,其中相对含量较大的成分为法呢醇10.39%、亚油酸乙酯9.61%、亚麻酸乙酯7.55%、棕榈酸乙酯7.05%、橙花叔醇6.25%等主要成分,还含有芳樟醇氧化物0.84%、芳樟醇0.87%、吲哚0.31%、8-羟基芳樟醇1.40%等挥发性成分。对分离鉴定出的化学成分进行归类分析,发现其中包括醇类有7种,占21.48%;酯类有11种,占24.52%;酸类有6种,占14.27%;烯类有5种,占2.72%;其他类有21种,占24.61%。

柚子花精油中分离鉴定出的法呢醇(10.39%)、橙花叔醇(6.25%)都是具有特殊花香的物质,橙花叔醇更是具有类似橙花的香气,所以被广泛应用在在香精香料中。而分离鉴定出的烯类β-月桂烯(0.47%)、萜品烯(0.60%)等具有特殊的芳香气味,价值很高。同时,还分离鉴定出芳樟醇(0.87%)、苯乙醛(1.44)、苯甲酸(5.88%)等物质,都是香精香料中常用的物质,芳樟醇常用于改善烟气的沉闷、不透发;苯乙醛用于花香型中,具有赋予青的头香,有提调香气的作用。综上所述,柚子花精油有着良好的开发和应用前景。

Study on the extracting process of essential oil fromCitrusmaximaflower by steam distillation and the analysis for the composition of the essential oil

RAO Jian-ping1,WANG Wen-cheng2,ZHANG Yuan-zhi1，*,CHEN Hong-kun1,XU Da-hua1,YOU Hui-jun1,SHEN Chun-song1,LIN Ya-min1

(1.Fujian Provincial Key Laboratory for Extracting & Processing Technology of Edible Plant,DAMIN Foodstuff(Zhangzhou)Co.,Ltd.,Zhangzhou 363000,China;2.Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,China)

The extraction condition of essential oil from freeze-driedCitrusmaximaflower by steam distillation was studied by single factor experiment and further the response surface method.The optimum condition was obtained as follows:the liquid to solid ratio 16∶1,the concentration of salt solution 3.51%,extraction time 8.15 h. The extraction ratio was 0.3856%. The composition of essential oil fromCitrusmaximaflower by steam distillation was analyzed by GC-MS,a total of 50 compounds which accounted for 87.60% of the essential oil were identified including farnesol,ethyl linoleate,ethyl linolenate,ethyl palmitatethe,nerolidol as the main components.

steam distillation;essential oil fromCitrusmaximaflower;extraction;composition;GC-MS

2016-08-12

饶建平(1988-)，男，硕士研究生，工程师，研究方向：农产品加工及贮藏，E-mail：rjp30503@163.com。

*通讯作者:张远志(1970-)，男，高级工程师，研究方向：天然植物加工，E-mail：turelife@163.com。

漳州市自然科学基金(ZZ2014J04)。

TS255.1

B

:1002-0306(2017)04-0278-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.04.044