金柑果皮精油超临界CO2流体萃取工艺优化及其理化性质的研究

傅维擎等

摘 要 对超临界CO2流体萃取金柑果皮精油的工艺进行优化，并研究其理化性质。结果表明，金柑果皮精油超临界CO2流体最佳萃取工艺条件为：萃取压力14 MPa，萃取温度31℃，萃取时间120 min，CO2流量26 L/h，在此优化条件下，金柑果皮精油得率为（5.08±0.03）%。金柑果皮精油理化性质研究表明，在20℃条件下，金柑果皮精油酸值为0.466 8、酯值为4.245 6、密度为0.838 g/mL、折光度为1.470 7、旋光度为1.366 8，精油与95%乙醇的互溶比例为1∶6.1。金柑果皮精油功能团鉴定结果表明，金柑果皮精油含有醇类、醛酮类、不饱和脂肪酸，不含酚类、羧酸衍生物。

关键词 金柑 ；果皮精油 ；超临界CO2流体萃取 ；理化性质 ；功能团

分类号 TQ644.14 ；S666.2

Abstract The supercritical CO2 fluid extraction technology of essential oil from Kumquat peel was optimized and its physicochemical properties were studied. The result showed the optimum conditions were as follows： extraction pressure 14MPa， extraction temperature 31℃， extraction time 120 min and CO2 flow 26L/h. Under these conditions， the yield of essential oil could be up to （5.08±0.03）%. According to the physicochemical properties of essential oil from Kumquat peel， the acid value was 0.4668， the ester value was 4.245 6， the density was 0.838 0 g/mL， the index of refraction was 1.470 7， the optical rotation was 1.366 8 and the ratio of mutual solubility of essential oil versus 95% alcohol was 1∶6.1 at 20℃. Moreover， the identification result of functional group showed the essential oil from Kumquat peel contained the alcohols， aldoketones and unsaturated fatty acid without the phenols and carboxylic acid derivatives.

Keywords essential oil ； kumquat peel ； supercritical-CO2 fluid ； physicochemical properties ； functional group

金柑（Fortunella margarita）又称之为金橘、夏橘，是一种产自于中国的芸香科常绿小乔木或灌木。其产地主要为浙江、广西、江西、福建、湖南和广东等省（区）[1-2]。福建省尤溪县是“中国金柑之乡”，如今种植的金柑面积约为2 700 hm2。其不断提升的科学种果方式，标准化生产技术的推广使用，使得所产金柑色鲜味美，酸甜可口[3]。

金柑成熟后，果皮占全果约22%～28%，在外果皮的近表皮组织中会产生大量油胞，油胞内含有大量的金黄色素和芳香油等，其油质温和，质量为柑橘类精油之最[3]。在食品工业上的应用相当广泛，是重要的且受欢迎的天然化工原料和食用香精，亦可用于某些高级日化香精的调剂。日本高知大学农学部次村正义教授的科研小组确认，柑橘类水果中含有的香精油类活性物质对致癌性物质N-硝基二甲胺（NDMA） 的生成具有抑制效果，最高达85%[4-6]。

超临界CO2萃取技术是利用CO2在临界点附近的超临界区域内与待分离的混合区中的溶质具有异常相平衡行为和传递性能，以及对溶质的溶解能力能随压力和温度细微的变化却产生剧烈变化的特性，达到溶质分离的一项技术[7-8]。超临界CO2萃取技术与传统提取柑橘果皮精油的方法相比，具有良好的“传质特性”、 溶解溶质速率快、溶解和携带能力大等许多独特的优点[9]，特别适合于挥发性成分的提取。故近来超临界CO2流体萃取技术在萃取领域应用广泛。

刘文玉等[10]通过单因素和响应面优化实验研究了超临界CO2萃取葡萄籽原花青素的工艺。结果表明，最佳条件为乙醇体积分数69.22%，CO2流量5 L/h，提取时间62.82 min，液料比1∶1.13 g/mL，提取温度55℃，提取压力35 Mpa。在此条件下葡萄籽中原花青素产率理论值为164.916 mg/kg，实测值为（163.60±0.93）mg/kg。黄慧芳[11]等采用超临界CO2萃取姜黄素，优化分析后得出萃取姜黄素的工艺条件为：萃取釜压力25 MPa，温度45℃；夹带剂食用酒精用量为6倍，CO2流量350 L/h；分离釜I分离压力6.0 MPa，分离温度40℃；分离釜II分离压力5 MPa，分离温度35℃，在设定的萃取温度、压力条件下静态萃取30 min，再循环萃取4 h，姜黄素提取率达90%以上。李双石等[12]用超临界CO2萃取技术提取鸡腿菇中的挥发性风味成分，采用正交试验后得出，最佳提取工艺条件为萃取温度55℃、萃取压力 20 MPa、分离温度 25℃、分离压力 8 MPa。

本实验采用超临界CO2萃取技术提取金柑果皮精油，同时对金柑果皮精油的理化指标、功能团的进行初步鉴定，为柑橘类精油的品质评价研究提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

三明尤溪金柑，九成熟，由尤溪县农业局提供；CO2（99.5%）购自江苏南通华安超临界萃取有限公司；硝酸铈铵、醋酸、三氯化铁、苯酚、2，4-二硝基苯肼、乙醇、四氯化碳、羟胺盐酸盐、氢氧化钠、盐酸等均为国产分析纯；本实验用水均为双蒸水。

主要仪器：DJG-9053A型电热鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司）；HA120-50-01超临界萃取装置（江苏南通华安超临界萃取有限公司）；DJG-9053A型电热鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司）；DS-200电动高速组织捣碎机（江苏省江阴市科研器械厂）；MRO1023-4型反渗透净水机（佛山市美的清湖净水设备制造有限公司）；PL602-L电子分析天平（梅特勒-托利多仪器上海有限公司）；GC-MS联用仪（Agilent7890A/5973i美国安捷伦科技有限公司）；WZZ-2S数字自动旋光仪（上海精密科学仪器有限公司）；J257全自动折光仪（RUDOLPH公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品前处理

新鲜金柑→筛选→清洗→去果肉→清洗果皮→冷冻干燥→金柑果皮。

1.2.2 萃取工艺流程

金柑果皮→粉碎→过筛→超临界CO2萃取→金柑果皮精油

1.2.3 单因素实验

以精油得率为考察指标，以萃取时间、萃取压力、萃取温度、CO2流量为因素，得到金柑果皮精油萃取的最佳工艺条件。

1.2.3.1 萃取压力对金柑果皮精油得率的影响

在萃取温度为34℃、萃取时间为60 min，CO2流量为26 L/h的工艺条件下，在萃取压力分别为10、14、18、22、26 MPa的条件下萃取，以精油得率为考察指标，研究萃取压力对得率的影响。

1.2.3.2 萃取温度对金柑果皮精油得率的影响

在萃取压力14 MPa，萃取时间60 min、CO2流量26 L/h的工艺条件下，萃取温度分别为25、28、31、34和37℃的条件下萃取，以精油得率为考察指标，研究萃取温度对得率的影响。

1.2.3.3 萃取时间对金柑果皮精油得率的影响

在萃取压力14 MPa，萃取温度34℃、CO2流量26 L/h的工艺条件下，萃取时间分别为30、60、90、120、150 min的条件下萃取，以精油得率为考察指标，研究萃取时间对得率的影响。

1.2.3.4 CO2流量对金柑果皮精油得率的影响

在萃取压力14 MPa，萃取时间60 min，萃取温度34℃的工艺条件下，CO2流量分别为14、18、22、26、30 L/h的条件下萃取，以精油得率为考察指标，研究CO2流量对得率的影响。

1.2.4 正交试验

以精油得率为考察指标，以萃取时间、萃取压力、萃取温度、CO2流量为因素，设计4因素3水平的正交试验，得到金柑果皮精油萃取的最佳工艺条件。

1.2.5 项目测定

1.2.5.1 金柑精油的得率

精油得率（%）=×100

1.2.5.2 金柑果皮精油理化指标测定

酸值、酯值、密度、折光度、旋光度等物理化学指标参照国标及相关标准进行测定。

1.2.5.3 金柑果皮精油功能团的鉴定

（1）醇类：硝酸铈铵测定法。

将1 mL醋酸和0.5 mL硝酸铈铵溶液加入一个洁净的试管中（如果有沉淀生成，加3～4滴水使之溶解），再加5滴样品，振摇试管使溶解，观察反应现象。

（2）酚类：三氯化铁测定法。

在A试管中加2 mL水和几滴金柑精油溶液，在B试管中加2 mL水，然后将1～2滴1%的三氯化铁溶液分别加入到两支试管中，比较这两支试管中溶液的颜色的不同。

（3）醛酮类： 2，4-二硝基苯肼检验醛和酮。

于A、B两个试管中各加入10滴2，4-二硝基苯肼试剂和10滴95%乙醇，在A和B试管中各加入2滴样品，振荡，观察实验现象。

（4）不饱和脂肪酸的测定：溴的四氯化碳测定法。

准备A、B、C三根洁净的试管，向三支试管中各加入1 mL四氯化碳。将2～3滴样品加入到试管A和B中，然后分别在A、B两个试管中滴加入5%的溴的四氯化碳溶液，边滴加边摇动，观察褪色情况。

（5）羧酸衍生物：羟肟酸铁测定法。

将1滴液体样品和1 mL羟胺盐酸盐乙醇溶液加入一支干净试管中，混合均匀后，加0.2 mL 6 mol/L氢氧化钠溶液，将溶液煮沸，稍冷后将2 mL 1 mol/L盐酸溶液加入，如果溶液变浑，再加2 mL 95%乙醇，然后加1滴5%三氯化铁溶液，观察紫色是否出现，当紫色出现后很快消失，继续滴加5%三氯化铁溶液，直到溶液颜色稳定为止。紫红色表示正反应。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 萃取压力对金柑果皮精油得率的影响

由图1可知，在CO2流量26 L/h、萃取时间60 min、萃取温度34℃的条件下进行超临界CO2流体萃取金柑果皮精油。当萃取压力小于14 MPa时，精油得率随着萃取压力的增加而增加；当萃取压力大于14 MPa时，精油得率随着萃取压力的增加而降低。这可能是因为当固定温度为34℃时，升高压力，超临界CO2的密度增大，CO2分子间的距离随之减小，溶质与溶剂间的相互作用增强，使得溶质在超临界CO2的溶解度增大，提高了精油得率。但压力过高（>14 MPa），传质阻力增大，不利于溶质的萃出，因此后续试验采用14 MPa的萃取压力。

2.1.2 萃取温度对金柑果皮精油得率的影响

在恒定萃取时间60 min、CO2流量26 L/h、萃取压力14 MPa的条件下，进行CO2流体萃取，研究不同萃取温度对金柑果皮精油得率的影响。由图2可知，当萃取温度小于34℃时，得率随萃取温度的升高而提高，但当提取温度达到34℃后，得率会随着温度的升高逐渐下降。一定量的气体在恒压的条件下，随着温度的升高，气体的体积增大，使气体的密度减小，但是随着温度的增大，气体分子平均动能增大使蒸汽压提高，因而萃取压力恒定时，温度变化使得溶剂的密度和溶质的蒸汽压变化共同影响精油的得率。因此萃取温度应为34℃。

2.1.3 萃取时间对金柑果皮精油得率的影响

由图3可知，在CO2流量26 L/h、萃取压力14 MPa、萃取温度34℃条件下进行CO2流体萃取金柑果皮精油，当萃取时间小于60 min时，萃取时间对精油的得率影响很大，随着时间的增长得率提高，当萃取时间超过60 min后，时间对精油的得率影响不大，可能是因为在60 min内大部分油脂都被萃取出来，接近萃取终点，综合考虑得率与人耗﹑能耗，故选择萃取时间为60 min。

2.1.4 CO2流量对金柑果皮精油得率的影响

在萃取压力14 MPa、萃取温度34℃、萃取时间60 min的条件下，分别在不同CO2流量下进行金柑果皮精油的萃取。由图4可知，CO2流量小于26 L/h时，CO2流量对得率的影响比较明显，几乎成线性关系。由于当CO2流量增大时， CO2与金柑果皮粉的接触面积增大，从而萃取速度提高。但是当CO2流量大于26 L/h时，得率曲线趋向平缓。这可能是由于CO2流量小于26 L/h时，加大其流量，传质推动力加大，传质速率加快，有利于萃取。但当CO2流量过大（>26 L/h），CO2与被萃取物接触时间减少，降低了得率，故选择萃取的CO2流量为26 L/h。

2.2 正交试验

在单因素试验的基础上，为了进一步确定各因素对金柑果皮精油得率的影响，选取萃取压力、萃取温度、萃取时间和CO2流量4个因素，进行L9（34）正交试验，考察各因素对金柑果皮精油得率的综合影响，确定金柑果皮精油超临界CO2萃取的最佳工艺条件。结果见表1。

由表1进行分析可知，上述4个因素对金柑果皮精油的得率的影响程度依次为：D>A>B>C，即CO2流量>萃取压力>萃取温度>萃取时间。最优工艺组合为A1B2C3D3，即萃取压力14 MPa，萃取温度31℃，萃取时间120 min，CO2流量26 L/h。

用最佳组合工艺进行了5次试验，得率分别为5.05%、5.06%、5.10%、5.12%、5.06%，平均得率为（5.08±0.03）%，最大误差为0.07%。由此可知，结果比较理想，验证了最佳组合的正确性。

2.3 部分理化性质

金柑果皮精油理化指标测定，酸值：A.V.=0.466 8；酯值：EV=4.245 6；密度：1/d 20℃5 mL=0.838 0 g/mL；折光度：1.470 7；旋光度：1.366 8。

1 mL精油与95%乙醇混溶度：当加入0.1 mL乙醇时开始混浊，当加入2.1 mL乙醇时浑浊度最高，当加入2.6 mL乙醇时开始变澄清，当加入6.1 mL乙醇时完全澄清。结果：精油与95%乙醇的互溶比例为1∶6.1。

2.4 部分功能团鉴定

通过金柑果皮精油功能团鉴定，醇类：通过硝酸铈铵试验呈红色；酚类：通过三氯化铁试验无颜色反应；醛酮类：通过2，4-二硝基苯肼检验醛和酮呈红色；不饱和脂肪酸：有轻微退色现象；羧酸衍生物：通过羟肟酸铁试验呈黄色乳浊液。

结果表明，金柑果皮精油含有醇类，不含有酚类，含有醛酮类，有不饱和脂肪酸，不含有羧酸衍生物。

3 小结

各因素对金柑果皮精油得率的影响程度顺序为：CO2流量>萃取压力>萃取温度>萃取时间，金柑果皮精油超临界CO2流体萃取的最佳工艺条件为：萃取压力14 MPa、萃取温度31℃、萃取时间120 min、CO2流量26 L/h。在此最优条件下，金柑果皮精油得率为（5.08±0.03）%。

金柑果皮精油理化性质研究结果表明，在20℃条件下，酸值为0.466 8、酯值为4.245 6、密度为0.838 0 g/mL、折光度为1.470 7、旋光度为1.366 8，精油与95%乙醇的互溶比例为1：6.1。金柑果皮精油功能团鉴定结果表明，金柑果皮精油含有醇类、醛酮类、不饱和脂肪酸，不含酚类、羧酸衍生物。

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