离子液体辅助水蒸气蒸馏法提取柠檬精油的研究

崔丽佼，于有伟，张小敏，贾慧琳，任辉娟

(山西师范大学 食品科学学院，山西 临汾 041004)

近年来，随着人们对生态环境的重视，减少食品工业副产物对环境不利影响的呼声日益提高[1]。柠檬皮渣是柠檬深加工的副产物，富含柠檬苦素、果胶、精油和膳食纤维等[2]。柠檬精油既可以调味，又具有营养功效，在食品行业具有广泛的应用价值[3-4]。目前关于柠檬精油的提取有超声波法、微波法和超临界流体法等[5]。水蒸气蒸馏法装置简便、容易操作，也符合食品安全要求，目前已在多种植物精油的提取中有所应用[6]。离子液体(ionic liquid)是由无机阴离子和有机阳离子构成的离子型化合物，在黏度、沸点、蒸气压和热稳定性等方面有特殊的理化性质，在天然产物提取领域逐渐得到应用[7-8]。目前在精油、黄酮等提取方面已经有所报道[9-11]。本实验以新鲜的柠檬皮为主要原料，遴选离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐辅助水蒸气蒸馏法提取精油，采用单因素和正交实验对提取精油的条件进行了优化，筛选得到提取柠檬精油的最佳条件，以期为柠檬精油的综合开发利用提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

柠檬：品种为黄柠檬，产地是四川省安岳县；1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm]BF4)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIm]BF4)、1-辛基-3-甲基咪唑四

氟硼酸盐([OMIm]BF4)：纯度≥98%，中科院兰州化学物理研究所监制；无水硫酸钠：分析纯，纯度≥99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

500 mL挥发油提取器(带测定装置) 郑州东亚玻璃仪器厂；DZTW调温电热套 北京市永光明医疗仪器厂；BS-110S电子分析天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司。

1.3 柠檬精油的提取过程

将新鲜柠檬去心留皮，然后将柠檬皮切成一定的颗粒大小，装入500 mL的蒸馏瓶内，加入210 mL的蒸馏水和一定量的离子液体。用电热套加热至沸腾，并在常压下保持微沸，产生挥发油和水的混合蒸汽，冷凝后即可得到柠檬精油。当提取装置中精油的油量几乎不再增加时，停止蒸馏。开启油水分离器下端活塞，将水缓放出至油层下降至0刻度后静止片刻，收集上层的淡黄色精油液体。用无水硫酸钠干燥分离得到纯柠檬精油，计算柠檬精油的提取率。

1.4 实验设计

实验首先遴选合适的离子液体种类，然后采用单因素实验研究离子液体浓度、料液比、蒸馏时间和柠檬皮颗粒大小对精油提取率的影响。在单因素实验的基础上，采用L9(34)正交实验进行提取工艺参数优化，得到最佳提取条件。

1.5 柠檬精油提取率计算方法

精油提取率=精油质量/原料质量×100%。

1.6 统计分析

各处理重复3次，采用 DPS 7.05进行数据统计分析，多重比较采用Duncan's新复极差法。

2 结果与分析

2.1 离子液体种类的选择

称取4份大小为0.8 mm左右的新鲜柠檬皮颗粒，每份为30 g，放入水蒸气蒸馏装置内，加入210 mL蒸馏水，然后分别加入[EMIm]BF4、[BMIm]BF4、[OMIm]BF4)和蒸馏水为溶液浓度的1.5%，蒸馏5 h。收集油水分离器上层的精油，计算精油的提取率。由图1可知，添加离子液体的实验组在相同条件下柠檬精油的提取率均显著高于添加蒸馏水的对照组(p<0.05)。离子液体的种类对柠檬精油的提取率也有一定的影响，随着离子液体链烃基的增大，提取率逐渐降低。其中，添加[EMIm]BF4组的柠檬精油的提取率最高，比对照组高33.5%。因此，接下来的单因素实验中选择[EMIm]BF4辅助水蒸气蒸馏法提取柠檬精油。

图1 不同离子液体对柠檬精油提取率的影响

2.2 离子液体浓度对柠檬提取率的影响

称取5组质量为30 g且大小为0.8 mm的新鲜柠檬颗粒，分别装入500 mL蒸馏瓶中，各加入210 mL蒸馏水，取离子液体[EMIm]BF4调配成溶液浓度的0.5%、1.5%、2.5%、3.5%、4.5%进行单因素实验。持续蒸馏5 h，然后收集精油，计算精油的提取率。由图2可知，随着离子液体浓度的升高，柠檬精油的提取率呈现先上升后降低的趋势，且离子液体浓度为1.5%时，精油的提取率最高。随着离子液体浓度进一步增大，精油的提取率开始降低，原因可能与离子液体自身的粘度有关。当离子液体浓度较低时，可能有助于精油从物料表面挥发，因此提取率随着离子液体浓度的增大而提高。但是当离子液体浓度过大时，体系黏度过大，不利于精油的迁移，从而导致提取率降低[12]。

图2 离子液体浓度对柠檬精油提取率的影响

2.3 料液比对柠檬精油提取率的影响

称取5组质量为30 g且大小为0.8 mm的新鲜柠檬颗粒，分别装入500 mL蒸馏瓶中，各加入120，150，180，210，240 g蒸馏水，持续蒸馏5 h，收集柠檬精油并计算提取率。由图3可知，随着料液比的增加，柠檬精油的提取率先升高后降低，当料液比为1∶6时，柠檬精油提取率最高。可能料液比较小时，由于加水量太少，体系很快达到饱和，不利于物料中精油的传递。当料液比达到1∶6时，蒸馏过程中精油充分游离出来，精油提取率达到最佳效果。料液比再增大时，物料被充分稀释，不利于挥发，导致精油提取率降低[13]。

图3 不同料液比对柠檬精油提取率的影响

2.4 蒸馏时间对柠檬精油提取率的影响

称取5组质量为30 g且大小为0.8 mm的新鲜柠檬颗粒，装入500 mL的蒸馏瓶内，加入210 mL蒸馏水和浓度为1.5%的离子液体[EMIm]BF4，分别蒸馏1，2，3，4，5 h，收集柠檬精油并计算提取率。由图4可知，随着蒸馏时间的增加，柠檬精油提取率逐渐升高。当提取4 h后，随着提取时间的延长，柠檬精油的提取率并无显著变化(p>0.05)。原因可能是蒸馏时间较短时，柠檬精油不能充分提取；当蒸馏时间达到4 h时，精油几乎被完全提取，因此，随着时间的延长，提取率不再增加[14]。

图4 蒸馏时间对柠檬精油提取率的影响

2.5 柠檬皮颗粒大小对柠檬精油提取率的影响

称取5组质量为30 g，大小分别为0.1，0.25，0.5，1.0，1.5，2.0 mm的新鲜柠檬颗粒，装入500 mL的蒸馏烧瓶内，加入210 mL蒸馏水和浓度为1.5%的离子液体[EMIm]BF4，蒸馏5 h，收集柠檬精油并计算提取率。由图5可知，在0.1～0.5 mm，随着颗粒粒度的增大，精油的提取率逐渐升高。当颗粒度大小在0.5 mm时，柠檬精油的提取率最高。随着颗粒度的进一步增大，柠檬精油的提取率开始降低。可能是柠檬皮颗粒度粉碎太小时，会造成一部分精油损失，因此提取量降低；而过大的柠檬皮颗粒度可能不利于精油从柠檬皮中迁移出来，因此会降低提取率[15]。

图5 柠檬皮颗粒大小对柠檬精油提取率的影响

2.6 正交实验

根据单因素实验的初步结果，将离子液体浓度(A)、蒸馏时间(B)、料液比(C)、颗粒度(D)作为因素，采用L9(34)正交实验优化柠檬精油的提取条件，结果见表1。

表1 正交实验结果Table 1 The results of orthogonal experiment

极差R的大小反映各因素对柠檬精油提取率的影响程度。本实验中，RC=RA>RB>RD，表明离子液体浓度(A)和料液比(C)对柠檬精油提取率的影响最大，其次是蒸馏时间(B)，颗粒度(D)的影响最小。从直观实验结果来看，4号处理A2B1C2D3柠檬精油的提取率最高，为0.91%；而由K值分析得出最佳因素水平为A2B2C2D2。经过实验验证，在最优组合离子液体[EMIm]BF4浓度为1.5%，蒸馏时间为4 h，料液比为1∶6，柠檬皮颗粒大小为0.5 mm的条件下，柠檬精油的提取率为0.93%。

3 结论

采用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[EMIm]BF4离子液体辅助水蒸气蒸馏法提取柠檬精油，随着离子液体浓度的增加、料液比的增大和柠檬皮颗粒度的增大，柠檬精油的提取率先升高后降低；随着蒸馏时间的延长，柠檬精油的提取率逐渐增大并达到平衡。离子液体辅助水蒸气蒸馏法提取精油的最佳工艺条件为[EMIm]BF4浓度为1.5%，蒸馏时间为4 h，料液比为1∶6，柠檬皮颗粒大小为0.5 mm。在此优化的条件下，柠檬精油的提取率为0.93%。