葡萄柚精油“除萜赋香”工艺的优化研究

杨 颖，施迎春，2，邢建荣，刘 哲，郑美瑜，陆胜民，*

(1.浙江省农业科学院 食品科学研究所，浙江 杭州 310021； 2.南京农业大学 食品科技学院，江苏 南京 210095)

植物精油是从果皮、花、叶、茎、根、全草或果实等部位提取的一种挥发性油状液体物质，是重要的次生代谢产物，其气味清香舒爽，具有抗菌消炎，抗癌、舒缓神经和镇静等作用[1-5]，广泛应用于食品、日化产品及医疗保健品中，是重要的天然香料之一。葡萄柚(Citrusparadisi)，又称为西柚，是世界四大柑橘类群之一[6-7]。葡萄柚精油具有独特芳香，主要包含萜烯类氧化衍生物和萜烯烃类化合物两大类成分[8-9]，前者仅占总量的10%左右，以芳樟醇、葵醛等为代表，是其香味的主要来源；后者约占总量的90%，以柠檬烯为主要成分[10-13]。葡萄柚精油在光和热等条件下不稳定，所含柠檬烯易被氧化成有异味的香芹酮，从而导致品质下降[14]。因此，有必要进行“除萜赋香”处理[15-16]，即从精油中去除一部分柠檬烯，从而提高精油的赋香能力，减少添加量，降低储运成本，延长储藏时间。

分子蒸馏也叫短程蒸馏，是根据轻重分子间运动自由程的差异而实现化学成分分离的技术[17-19]。该操作在高真空下进行，具有蒸馏温度低、受热时间短和分离效率高等优点，是目前分离天然产物较为温和的方法之一，尤其适用于热敏性天然活性成分的分离提纯[20-23]。本文探讨分子蒸馏制备葡萄柚精油的浓缩工艺，以实现柠檬烯与含氧化合物的有效分离，从而提高精油品质、延长货架期，同时得到用途广泛的柠檬烯，实现葡萄柚精油的高值利用[24]，为柑橘类精油的浓缩精制提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冷榨葡萄柚精油(广州澳博贸易有限公司，美国进口分装)；正己烷(色谱纯，天津四友精细化学品有限公司)；柠檬烯、芳樟醇、葵醛(分析纯，纯度大于98%，梯希爱上海化成工业发展有限公司)；其余试剂均为分析纯，购于华东医药股份有限公司。

1.2 仪器与设备

刮膜式2英寸分子蒸馏设备(美国POPE公司)；SP-6890型气相色谱仪(山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司)，配备DB-5(30 m×0.25 mm×0.25 μm)毛细管色谱柱和FID检测器；气质联用质谱(GC-MS)，配备J&W DB-5石英毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；Expert Design 8.0.5软件(Stat-Ease公司)。

1.3 柠檬烯、芳樟醇及葵醛含量测定

分别配制体积分数分别为100%、50%、25%、12.5%、6.25%的柠檬烯、芳樟醇及葵醛标准溶液。

GC条件：进样温度280 ℃，检测器温度300 ℃，程序升温：初始温度40 ℃，保留5 min，然后以10 ℃·min-1的速度升至280 ℃，保持10 min。进样量为1.0 μL，在此条件下进行含量测定，采用外标法并对峰面积积分得到标准曲线(图1)。

图1 柠檬烯(a)、芳樟醇(b)及葵醛(c)的标准曲线Fig.1 Standard curves of limonene(a)， linalool(b) and decanal(c)

1.4 氧化合物的总含量测定

采用GC-MS分析样品的组成，将各个含氧化合物的含量累加即得氧化物总量[25-26]。

GC条件：起始温度为40 ℃，保持5 min，再以3 ℃·min-1升温至250 ℃，保持 5 min；载气为高纯氦气(99.999%)，流速为0.8 mL·min-1；进样温度为250 ℃；进样量为1.0 μL。

MS条件：离子源为EI，电离能量为70 eV，质量扫描范围40～650 m/z；离子阱温度为150 ℃，歧管温度为40 ℃，传输线温度为280 ℃。

1.5 分子蒸馏

将150 mL葡萄柚原油装入分子蒸馏设备的进料瓶中，连接冷凝水，将液氮加入冷阱中，然后打开真空泵，脱气，调节压力，设定蒸发面温度，待压力和温度到达设定值后打开进料阀，调节进料速度为2 mL·min-1，转速为150 r·min-1，开始分子蒸馏过程，分别收集馏出物和馏余物，测定馏出物的柠檬烯含量(Y1)，馏余物的柠檬烯含量(Y2)、芳樟醇含量(Y3)及葵醛含量(Y4)。

1.6 分子蒸馏单因素实验

1.6.1 温度对精油化学成分的影响

设定压力为500 Pa，考察温度(35、40、45、50、55 ℃)对馏出物柠檬烯含量(Y1)、馏余物中的柠檬烯含量(Y2)、芳樟醇含量(Y3)及葵醛含量(Y4)的影响。

1.6.2 压力对精油化学成分的影响

固定温度为50 ℃，研究压力(300、400、500、600、700及800 Pa)对馏出物中柠檬烯含量(Y1)，馏余物中柠檬烯含量(Y2)、芳樟醇含量(Y3)及葵醛含量(Y4)的影响。

1.7 中心组合设计

以温度(X1)和压力(X2)为响应变量，以Y1、Y2、Y3及Y4为响应值，在单因素实验的基础上，运用Design-Expert 8.0.5软件对分子蒸馏浓缩葡萄柚精油进行中心组合设计(central composite design， CCD)，实验因素及水平见表1。

第一，公路桥梁的下部结构养护。公路桥梁地基对整体桥梁的稳定性起着重要的决定性作用，加强公路桥梁的下部结构养护不仅可以延长公路桥梁的使用寿命还可以提高车辆通行的舒适性与安全性。第二，公路桥梁的桥面养护。公路桥梁的桥面是承重负荷的主要接触面，其面临多样的受损因素。若不对公路桥梁的桥面进行及时养护与维修很容易造成桥梁的变形性损坏。第三，公路桥梁的上部结构养护。大部分的公路桥梁养护工作都是对其进行简单维修，工作人员很少会进行深层次的养护，导致公路桥梁的质量得不到有效保障[1]。

表1 中心组合设计的实验因素及水平编码

2 结果与分析

2.1 温度对葡萄柚精油浓缩效率的影响

物质的分子运动平均自由程随温度的升高而增大，蒸馏速度也随之加快，蒸发面温度对葡萄柚精油浓缩效率的影响见图2。

图2 温度对葡萄柚精油浓缩效率的影响Fig.2 Effects of temperatures on concentrating efficacy of grapefruit essential oil

分子蒸馏在500 Pa压力下，加热至35 ℃至40 ℃时，刚好达到柠檬烯的沸点，原油中的柠檬烯与芳樟醇、葵醛可得到有效分离。馏出物中主要含有柠檬烯，所以柠檬烯含量(Y1)呈一条直线。由于沸点较低的柠檬烯经分子蒸馏进入到馏出物中[26]，馏余物中柠檬烯含量(Y2)急剧下降，而沸点较高的芳樟醇(Y3)和葵醛(Y4)其含量升高。但随着温度提高至45 ℃及以上时，葵醛含量与40 ℃时基本持平，但芳樟醇含量(Y3)开始下降，这说明芳樟醇和葵醛在高于45 ℃时容易损失，同时柠檬烯的分离效率也降低。综上所述，响应面分析的温度范围为40～50 ℃较为合适。

2.2 压力对分子蒸馏浓缩葡萄柚精油的影响

温度固定为50 ℃时，真空度越高，物质的气体分子运动平均自由程越大，组分更容易从液面逸出而被分离。压力对葡萄柚精油浓缩效率的影响如图3所示。

由图3可见，在300～800 Pa的范围内，压力对馏出物中的柠檬烯含量(Y1)没有明显影响。

图3 压力对葡萄柚精油浓缩效率的影响Fig.3 Effects of pressure on concentrating efficacy of grapefruit essential oil

但馏余物中的柠檬烯(Y2)含量随着压力的增大而升高，当压力高于700 Pa时，其数值急剧增加，这表明真空度下降时，分子蒸馏的浓缩效率下降，馏余浓缩物中柠檬烯的含量增加。芳樟醇(Y3)与葵醛(Y4)含量在300～700 Pa时变化不大，但700 Pa时迅速下降，表明其分离效果下降。综合考虑分离效果与得率，选取压力范围为500～700 Pa。

2.3 响应面法优化分子蒸馏技术浓缩工艺

2.3.1 响应面分析

采用分子蒸馏技术，根据响应面分析中的中心组合试验设计方案对葡萄柚精油进行浓缩工艺优化试验，结果见表2。

表2 中心组合设计方案与响应值

Y1=94.84；

(1)

Y2=59.79-15.32X1+10.42X2；

(2)

(3)

(4)

Y2、Y3、Y4响应模型的方差分析及回归方程各项系数的方差分析见表3和表4。

表3 Y2、Y3、Y4响应模型的方差分析

表4 Y2、Y3、Y4模型的回归方程系数的方差分析

图4 温度与压力对Y1(A)、Y2(B)、Y3(C)及Y4(D)影响的响应曲面Fig.4 Response surfaces for effects of temperature and pressure on Y1(A)， Y2(B)， Y3(C) and Y4(D)

2.3.2 优化实验

为了实现柠檬烯与含氧化合物的最优分离，根据馏出物中柠檬烯含量(Y1)、馏余浓缩物中柠檬烯(Y2)、芳樟醇(Y3)以及葵醛(Y4)的含量设计响应面模型，利用Design-Expert 8.0.5软件对试验结果进行优化，并验证其优化方案，优化参数和范围设置见表5。

表5 响应面模型的优化参数设置

得出较优条件为44.89 ℃，500 Pa，此时Y1、Y2、Y3及Y4的预测值分别为94.84%、49.75%、1.63%及2.39%。在上述条件进行验证，所得实际值分别为94.89%、49.72%、1.59%及2.34%，与预测值基本一致，证明了此实验模型的合理性，说明以响应面分析法设计分子蒸馏实验，对葡萄柚精油进行浓缩精制是可行的。

2.3.3 浓缩效果及主要化学成分分析

通过分子蒸馏将葡萄柚原油分成馏出物及馏余物两个组分，三者的表观特征见图5。

图5 葡萄柚原油(左)、馏出物(中)及馏余浓缩物(右)的表观特征Fig.5 Apparent properties of raw oil (left)， distillated fraction (middle) and residual fraction (right)

分子蒸馏将葡萄柚精油分为馏余浓缩精油与馏出物两部分，馏出物接近无色，气味清淡，略微刺鼻，其柠檬烯含量达到95%左右。馏余浓缩精油呈棕褐色、气息醇厚、柔润，其柠檬烯含量则从91.48%下降到49.75%，其他烯烃类化合物含量也明显下降；主要含氧化合物芳樟醇、葵醛含量分别从原油中的0.198%、0.57%上升到1.59%、2.34%，而α-松油醇、顺-苇醇、反-苇醇、香芹酮及香叶醛含量则由微量(低于0.1%)分别增加至1.20%、2.93%、2.05%、2.88%及1.41%，含氧化合物的总量从3.41%上升到29.31%，实现了8.6倍浓缩(图6)。响应面优化分子蒸馏工艺实现了烯烃类物质与含氧化合物的高效分离，使葡萄柚精油的增值利用得以实现，对甜橙、柠檬等其他柑橘类精油的浓缩及增值利用具有借鉴意义[26]。

图6 蒸馏前后主要烯烃类化合物(A)与氧化物(B)的含量变化Fig.6 Contents of olefin compounds (A) and oxides (B) of grapefruit essential oil before and after the condensation

3 结论

(1)分子蒸馏的温度和压力对葡萄柚精油的浓缩效果具有显著影响，单因素实验确定温度范围40～50 ℃，压力范围为500～700 Pa。

(2)采用中心组合设计响应面模型得到优化浓缩条件：温度为44.89 ℃，压力为500 Pa，Y1、Y2、Y3及Y4的预测值分别为94.84%、49.75%、1.63%及2.39%，此条件下的实测值分别为94.89%、49.72%、1.59%及2.34%，与预测值基本一致，验证了以响应面方法优化分子蒸馏技术对葡萄柚精油进行精制浓缩的有效性。

(3)所得浓缩精油中含氧化合物的总含量从原油中的3.41%上升到29.31%，实现了8.6倍浓缩。柠檬烯在原油中的含量从91.48%下降到49.75%，在馏出物中的含量达95%左右，能够作为电子清洗剂及农药原料，实现了葡萄柚精油的有效分离与增值利用。该研究结果对甜橙、柠檬等柑橘类精油的浓缩及增值利用具有普遍的借鉴意义。