超声波辅助提取橙皮香精油的工艺研究

2018-07-27刘玉珍张兆琴胡洁芳张彩凤

农产品加工 2018年13期

刘玉珍，张兆琴，胡洁芳，张彩凤

（1.江西工业贸易职业技术学院，江西南昌 330038；2.江西省粮油科学技术研究所，江西南昌 330029；3.陕西科仪阳光检测技术服务有限公司，陕西西安 711700）

0 引言

橙子是芸香科柑橘属植物橙树的果实，是橘子与柚子的杂交品种，广泛分布在我国长江以南的地区，有较高的食用价值和药用价值[1]。果皮中含有多种有效成分，主要有香精油、橙皮苷、果胶、色素等，是食品、饮料、糖果的赋香剂及医药、化妆品的重要原料[2]。研究表明，橙皮香精油是一种天然溶剂，它富含多种成分，其中的柠烯具有无色透明、诱人橘香味的特征；精油具有消炎、止咳、镇痛、排毒等功效[3-4]。

橙皮香精油的提取方法有多种，传统的方法有水蒸气蒸馏法[5]、溶剂浸提法、压榨法[6]，近年发展较快的超临界二氧化碳萃取法[7]和微波萃取[8-9]等。超声波辅助提取法[10-13]主要利用强大超声波产生的热作用、机械作用、空穴作用等，改变橙皮的物化特性，加速橙皮中的香精油溶出，具有操作简单、提取效率高的优点。试验采用超声波辅助提取橙皮香精油，研究料液比、石油醚体积分数、静置时间、超声温度和超声时间等因素对提取率的影响，并通过响应面试验确定最佳工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料

赣南脐橙、石油醚（AR）、蒸馏水。

1.2 仪器

YB-1500A型高速多功能粉碎机，上海力箭机械有限公司产品；GZX-9140MBE型数显鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂产品；AR2140型电子天平，奥豪斯国际贸易有限公司产品；KQ-500B型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产品；SHZ-III型循环水真空泵、RE-52AA型旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂产品；布氏漏斗。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

鲜橙皮→晾晒→烘干→粉碎→称质量→浸提→超声提取→过滤→滤液浓缩→烘干（至恒质量）→橙皮香精油→称质量。

（1）橙皮预处理。新鲜赣南脐橙，清水洗净擦干，削下果皮，置于阳台初步晾干，于50℃条件下干燥至恒质量，粉碎，装瓶，密封保存。

（2）橙皮香精油的提取方法与提取率计算。准确称取8 g橙皮粉末，以料液比1∶15加入100%石油醚，静置15 min，于30℃条件下超声15 min，过滤，滤液浓缩，烘干至恒质量，得粗精油，计算提取率。

1.3.2 橙皮香精油提取单因素试验

（1）料液比对橙皮香精油提取率的影响。分别以料液比为 1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，研究料液比对橙皮香精油提取率的影响，确定最佳料液比。

（2）石油醚体积分数对橙皮香精油提取率的影响。分别以100%，90%，80%，70%，60%的体积分数配制石油醚，以最佳料液比加入石油醚，研究石油醚体积分数对提取率的影响，确定最佳体积分数。

（3）静置时间对橙皮香精油提取率的影响。以最佳料液比和最佳石油醚体积分数加入石油醚，分别静置5，10，15，20，25 min，研究静置时间对橙皮香精油提取率的影响，确定最佳静置时间。

（4）超声温度对橙皮香精油提取率的影响。以最佳料液比和最佳石油醚体积分数加入石油醚，静置最佳时间，分别于10，20，30，40，50℃条件下超声处理，研究超声温度对橙皮香精油提取率的影响，确定最佳超声温度。

（5）超声时间对橙皮香精油提取率的影响。在上述最佳条件下，分别以超声时间5，10，15，20，25 min处理，研究超声时间对橙皮香精油提取率的影响，确定最佳超声时间。

1.3.3 设计响应曲面试验优化提取工艺

在单因素试验基础之上，综合考虑多因素对橙皮香精油提取率的影响，根据单因素试验结果采用响应曲面试验对橙皮香精油提取条件进行优化。

1.3.4 响应曲面优化下的重现性试验

在响应曲面优化条件下进行重复性试验，确定橙皮香精油提取优化条件的可行性和重现性。

2 结果与分析

2.1 提取单因素试验结果

2.1.1 最佳提取料液比的确定

料液比对橙皮香精油提取率的影响见图1。

图1 料液比对橙皮香精油提取率的影响

由图1可知，橙皮香精油的提取率随着料液比的增加先上升后下降，当料液比为1∶20时，提取率最高。料液比较小时，石油醚不足，橙皮中的精油成分不能充分浸出，提取率随料液比的增加而不断上升；当料液比为1∶20时，混合液中的石油醚足以把橙皮中的精油成分浸出，此后再增加料液比会导致橙皮中其他杂质和成分浸出，且浓缩时间延长，橙皮香精油分解速度加大，影响提取效果，提取率随之下降。确定1∶20为最佳提取料液比。

2.1.2 最佳石油醚体积分数的确定

石油醚体积分数对橙皮香精油提取率的影响见图2。

图2 石油醚体积分数对橙皮香精油提取率的影响

由图2可知，随着石油醚体积分数的不断增大，橙皮中精油成分的渗出率增大，橙皮香精油提取率增大，当石油醚体积分数为100%，即使用纯石油醚时提取率达到最大。

2.1.3 最佳料液静置时间的确定

静置时间对橙皮香精油提取率的影响见图3。

图3 静置时间对橙皮香精油提取率的影响

由图3可知，静置时间越长，石油醚与橙皮粉末的反应越充分，橙皮香精油提取率越大；当静置时间为15 min时，橙皮香精油的提取率最高；此后继续增加静置时间，会使橙皮香精油中的一些易挥发性成分挥发，从而导致提取率下降，因此15 min为最佳静置时间。

2.1.4 最佳超声温度的确定

超声温度对橙皮香精油提取率的影响见图4。

图4 超声温度对橙皮香精油提取率的影响

由图4可知，在超声温度达到40℃之前，随着超声温度的升高，油胞的破裂越充分，精油渗出率越大，提取率也越大；当超声温度为40℃时，精油提取率达到最大值；继续升温，将使精油中的一些热敏性成分受热挥发，导致提取率下降，因此40℃为最佳超声温度。

2.1.5 最佳超声时间的确定

超声时间对橙皮香精油提取率的影响见图5。

图5 超声时间对橙皮香精油提取率的影响

由图5可知，在超声时间达到15 min之前，随着超声时间的增加，油胞的破裂率增大，橙皮香精油提取率增加；当超声时间为15 min时，油胞破裂充分，此时提取率最高；继续增加超声时间，会使精油中的一些不稳定成分遭到破坏，导致提取率下降，因此15 min为最佳超声时间。

2.2 橙皮香精油提取响应曲面试验结果

在单因素试验结果基础之上，根据Box-Beheken试验设计原理，选取石油醚体积分数（A）、超声温度（B）、超声时间（C） 3个对橙皮香精油提取率影响较大的因素，进行响应面分析，对提取条件进行优化。

响应面分析因素与水平设计见表1，响应面分析方案及试验结果见表2。

2.2.1 模型的建立及其显著性检验

表1 响应面分析因素与水平设计

表2 响应面分析方案及试验结果

利用Design Expert软件对表2中试验结果进行二次多项式逐步回归拟合，建立数学模型：Y=2.310+0.210A+0.110B-0.010C+0.086AB-0.069AC+0.100BC-0.160A2+0.015B2-0.089C2模型可信度分析的统计检验结果见表3。

表3 模型可信度分析的统计检验结果

由表3可看出，预测决定系数为负值，表明相比于当前模型总平均值能够更好地预测响应值；同时信噪比远远大于4，表明该模型的误差较小；决定系数为0.924 2，表明响应值的变化有92.42%受所选因素影响，回归模型显著，该方程能够代替真实的试验点进行分析。

方差分析见表4。

由表4可知，A，B，A23项的p＜0.01，对甜橙香精油的提取率影响极显著，C，AB，AC，BC，B2，C25项的p＞0.05，对甜橙香精油的提取率影响不显著。模型p值＜0.01，说明对橙皮香精油提取率影响极显著，表明建立该模型所冒风险小于0.01%。

2.2.2 提取工艺的响应曲面分析与优化

表4 方差分析

石油醚体积分数和超声温度的响应面见图6，石油醚体积分数和超声时间的响应面见图7，超声温度和超声时间的响应曲面图见图8。

图6 石油醚体积分数和超声温度的响应面

图7 石油醚体积分数和超声时间的响应面

图8 超声温度和超声时间的响应曲面

图6～图8为3个因素两两组合对橙皮香精油提取效果影响的响应曲面和等高线，可直观描述各因素对响应值的影响，同时可看出响应曲面均是凸面，且开口向下卷曲。

2.3 优化条件下的重现性试验结果

通过Design Expert软件分析，研究出超声波辅助提取橙皮香精油最佳工艺条件为石油醚体积分数99.16%，超声温度40℃，超声时间15.77 min。在此工艺条件下，橙皮香精油提取率为2.58%。为检验优化条件的重现性，在最佳工艺条件下进行3次独立重复试验，提取率平均值为2.56%，与理论预测值接近，证明该回归模型具有可靠性。