柑橘皮中d-柠檬烯的提取及在食品保鲜中的应用研究进展

宋琨燕，李金梦，鄢烽，巫小丹，刘玉环，郑洪立

南昌大学食品学院（南昌 330047）

柑橘是世界第一大类水果，其种植面积和产量在全球众多水果中均居于首位。据美国农业部统计：2020年全世界柑橘的产量为9 800万 t；其中，中国、巴西、美国的柑橘产量名列前三[1]。柑橘为芸香科柑橘属植物，主要包括橘、柑、橙、柚、葡萄柚、柠檬等。我国种植的柑橘主要是宽皮柑橘（橘、柑）类、甜橙类、柚类、柠檬类以及金柑类（表1）。中国作为柑橘的原产地之一，柑橘种植面积和产量均居世界前列。统计数据显示：2021年我国柑橘产量达到5 595.61万 t。柑橘的产地主要在我国的广西、湖南、江西、广东、四川等地区。江西省柑橘产业在全国占据重要地位，其种植面积和产量分别位居我国的第三和第六位。江西省种植的柑橘主要有南丰蜜橘、马家柚、脐橙等。

表1 我国柑橘皮中d-柠檬烯含量

柑橘精油为柑橘的次生代谢物质，是易挥发、具有特殊气味的天然化合物。柑橘精油主要由萜烯烃类化合物及高级醛类、醇类、酯类、酮类等含氧化合物组成。柑橘精油中含有400多种化学成分，主要为萜烯烃类化合物，其中以d-柠檬烯的含量最高。柑橘的树叶、树枝、树皮、花、果皮等均含有d-柠檬烯，其中柑橘皮中d-柠檬烯含量最为丰富[3]。柑橘皮占整个果重的25%~40%。柑橘皮中的精油占果皮鲜重的0.5%~2.0%。柑橘果皮中d-柠檬烯含量约为64.73%~92.15%（表1），而d-柠檬烯含量又以皮凤凰柚果皮中最高（92.15%）[2]。不同种类柑橘果皮中d-柠檬烯含量不同，不同生长时期的柑橘果皮中d-柠檬烯含量也不同。d-柠檬烯具有抑菌保鲜、抗氧化、抗疾病、增香等作用，被广泛应用于食品、医药、香料、日化等行业。深度开发柑橘皮中d-柠檬烯，具有重要的社会经济意义。因此，文章将重点综述柑橘皮中d-柠檬烯的提取及在食品保鲜中的应用研究，以期为我国柑橘皮中d-柠檬烯的研究以及在食品保鲜中的应用提供科学依据和理论参考。

1 d-柠檬烯简介

柠檬烯（Limonene），又称苧烯、苎烯，是一种单环单萜烯，化学名为1-甲基-4-（1-甲基乙烯基）环己烯，分子式为C10H16，分子量为136.24，沸点175.5~176.5 ℃，有橙皮香气，是不溶于水的无色至淡黄色油状液体，易溶于正己烷、丙酮等有机溶剂。柠檬烯有三种同分异构体：右旋柠檬烯（d-柠檬烯）、左旋柠檬烯（l-柠檬烯）和消旋柠檬烯（dl-柠檬烯）[4]。d-柠檬烯广泛存在天然的植物中，l-柠檬烯和dl-柠檬烯在天然植物中分布远远没有d-柠檬烯广泛。当前，d-柠檬烯主要来源于柑橘类水果。柑橘皮精油中d-柠檬烯含量占90%~98%。d-柠檬烯的分子结构式如图1所示。d-柠檬烯在光照和氧气环境中易被氧化成氧化单环单萜化合物。故d-柠檬烯保存时应避光和隔绝氧气，防止氧化。d-柠檬烯毒性较小。d-柠檬烯对很多细菌和真菌都具有较强的抗菌活性，有抗菌抑菌和防腐作用，被广泛应用于食品保鲜。

图1 d-柠檬烯结构式

2 d-柠檬烯的提取方法

d-柠檬烯主要存在于柑橘皮中，它是柑橘皮精油的主要成分。d-柠檬烯提取方法主要有物理方法、化学方法和生物方法。物理方法包括冷榨法、水蒸气蒸馏法、超临界CO2萃取法等；化学方法包括有机溶剂浸提法等；生物方法包括酶提取法等。组合方法（超声波辅助提取法、微波辅助提取法等）越来越多地被用于柑橘皮d-柠檬烯的提取。不同d-柠檬烯提取方法，其提取效率不同，优缺点不同（表2）。由于d-柠檬烯在光照和氧气环境中易被氧化，故快捷、高效的提取方法决定d-柠檬烯的得率和质量。

表2 d-柠檬烯提取方法的比较

2.1 物理方法

冷榨法提取d-柠檬烯，是指在室温至65 ℃之间，原料柑橘皮放入压榨机中，在压力的作用下，柑橘皮油囊细胞破碎，释放出油分，然后通过静置分层或者过滤、离心等方法实现油水分离，精炼得到含d-柠檬烯的精油。张群琳[5]通过不锈钢锉板锉磨提取了三种甜橙果皮的d-柠檬烯，其含量分别85.95%，84.60%和81.48%。金如月[6]采用冷榨法提取了12种柑橘的d-柠檬烯，d-柠檬烯含量为39.45%~71.82%。冷榨法具有提取得到的d-柠檬烯活性高、化学结构未被破坏等优点，但同时存在得率较低，纯度不高，与蜡、色素等杂质混合在一起等缺点。

水蒸气蒸馏法是一种依靠水蒸气从柑橘皮中提取d-柠檬烯，d-柠檬烯和水形成混合物，经冷凝后即得到含d-柠檬烯的产物。张金磊等[7]利用水蒸气蒸馏法提取了温州特早熟蜜橘橘皮的d-柠檬烯，其含量为82.37%。张方艳等[8]采用水蒸气蒸馏法提取了梁平柚、香柚、文旦柚和沙田柚四种柚子皮的d-柠檬烯，其提取率分别为1.86%，1.61%，1.97%和1.56%，其含量分别为59.11%，96.75%，55.34%和93.48%。水蒸气蒸馏法具有设备简单、容易操作、易规模化等优点，但存在能耗高、耗时长、所提取的d-柠檬烯纯度不够高、化学结构易被破坏等缺点。水蒸气蒸馏法适用于d-柠檬烯的初步提取。

超临界CO2萃取法是利用超临界二氧化碳对d-柠檬烯有较高的溶解作用，以高压、高密度的超临界状态流体CO2为溶剂，从柑橘皮中萃取d-柠檬烯，然后通过升温、降压或二者兼用和吸收等手段实现CO2和d-柠檬烯的分离。超临界CO2萃取法是一种集有机溶剂萃取和蒸馏法的优点为一体的产物分离技术。不同的温度与压力，超临界CO2的溶解性不同。邓敏[4]采用超临界CO2萃取法提取柑橘皮渣中的d-柠檬烯，在压力25 MPa、温度35 ℃、时间150 min条件下，萃取率最高，为2.21%，d-柠檬烯含量为57.89%±0.731%。李勇慧等[9]采用超临界CO2萃取法提取沃柑、柠檬、脐橙和芦柑四种果皮的d-柠檬烯，提取率分别为0.620%，0.556%，0.593%和0.742%，d-柠檬烯的含量分别为6.37%，3.69%，3.71%和46.66%。超临界CO2萃取法具有工艺简单、低溶剂残留、环境友好，得到的d-柠檬烯分子结构未遭破坏等优点，但存在该方法对技术要求高、设备昂贵，运行成本高等缺点。该方法目前主要在实验室应用。

2.2 化学方法

有机溶剂浸提法是依靠相似相溶的原理，利用有机溶剂对目标产物d-柠檬烯的溶解度，通过连续回流提取后得到提取液，去除其中的有机溶剂得到d-柠檬烯粗产物。常用有机溶剂包括乙醇、石油醚、正戊烷、正己烷、二氯甲烷等。张金磊等[7]用正己烷提取温州蜜桔果皮d-柠檬烯，得到的d-柠檬烯含量为85.25%。正己烷、石油醚等有机溶剂往往有毒，会引起严重的环境和健康问题。因此无毒和可生物降解的绿色溶剂替代传统的有毒化学溶剂成为发展方向，例如环戊基甲醚、乳酸乙酯、异丙醇、聚乙二醇300等[10]。Ozturk等[10]采用有机溶剂浸提法提取废弃柑橘皮的d-柠檬烯，使用绿色溶剂环戊基甲醚和2-甲基四氢呋喃，提取率分别为1.78%和1.37%，而使用正己烷的提取率仅为0.99%。有机溶剂浸提法具备操作方便、设备简单、效率高等优点，但存在有机溶剂易燃易爆、有毒、污染环境等缺点。

2.3 生物方法

酶提取法是利用酶破坏柑橘皮细胞壁的结构，使细胞内d-柠檬烯释放出来，实现d-柠檬烯的提取。Waheed等[11]研究了复合纤维素酶提取柑橘果皮d-柠檬烯，最佳工艺为液料值比4.0 mL/g、温度55 ℃、酶解3.8 h，得率最高为46.31 mL/kg，d-柠檬烯含量为66%。Ramos-Ibarra等[12]研究了酶法提取柑橘和酸橙果皮中的d-柠檬烯，结果表明：酶法的d-柠檬烯产率比对照提高了17倍。酶提取法具有反应条件温和、专一性强、d-柠檬烯分子结构未遭破坏等优点，但存在酶的成本高、酶易失活等缺点。目前d-柠檬烯酶提取法还未工业化应用。

2.4 组合方法

超声波辅助提取法是依靠声波引起快速、剧烈的空化效应和搅拌作用，以及次级效应（机械震动、乳化、扩散等），破坏柑橘皮细胞壁，加快目标产物d-柠檬烯的扩散、释放并与溶剂混合，从而减少提取时间，提升效率。Khandare等[13]采用超声波辅助有机溶剂提取了柑橘皮中的d-柠檬烯，在超声波功率80 W、料液比1∶10、超声波时间15 min条件下，d-柠檬烯含量为32.9 mg/g。宋雪[14]采用超声波辅助水蒸气蒸馏法提取狮头柑果皮d-柠檬烯，最优工艺为料液比1∶8、超声波功率80 W、超声波时间32 min，精油得率2.50%，d-柠檬烯含量为82.95%。超声波辅助提取法具有时间短、效率高、经济性好、适用范围广等优点，但存在超声波能量分布不均匀、d-柠檬烯分子结构易遭破坏等缺点。

微波辅助提取法是在微波作用下，柑橘皮中吸波能力较强的组分吸收微波后能被迅速加热，分子运动增强，促使d-柠檬烯从柑橘皮中释放到溶剂中，从而实现对d-柠檬烯的分离和提取。Auta等[15]研究了微波辅助提取法提取橙皮和柠檬皮d-柠檬烯，结果发现：功率1 000 W、时间10 min时，橙皮和柠檬皮的提取率最高，分别为3.7%和2.0%，d-柠檬烯的含量分别为28.88%和44.74%。Bustamante等[16]采用微波辅助水蒸气蒸馏法提取柑橘皮d-柠檬烯，在料液比1∶1.5，先后785 W处理5 min和250 W处理15 min，得率最高，为1.8%，d-柠檬烯含量为97.38%。微波辅助提取法具有适用范围广、效率高、污染小等优点，但存在微波作用过程可控性差、d-柠檬烯分子结构易遭破坏等缺点。

在柑橘皮d-柠檬烯提取过程中，采用单一的方法，效果通常较差。组合方法提取d-柠檬烯兼具不同单一方法的优点，效果较单一方法更好。组合方法受到越来越多的关注。通过以上物理、化学、生物和组合方法提取得到的d-柠檬烯，是一定纯度d-柠檬烯的混合物。d-柠檬烯在光照和氧气环境中易被氧化，而纯度不高d-柠檬烯更有利于防止d-柠檬烯被氧化。若想得到高纯度d-柠檬烯，则需对物理、化学、生物和组合方法提取得到的d-柠檬烯产物进一步纯化。目前d-柠檬烯纯化的方法主要有色谱法、毛细管电泳、离心等方法。但此类方法能耗较高、设备昂贵、维护成本高。

3 d-柠檬烯的抑菌机理

食品腐败变质指食品在微生物的作用下，营养成分与感官性状发生改变的现象。导致食品腐败变质的微生物主要是细菌[17]、霉菌及酵母菌。因此，抑制食品中微生物的活性是食品防腐保鲜的关键。d-柠檬烯是一种天然食品防腐剂，抑菌作用强。d-柠檬烯具有广谱的抗菌性，对细菌、霉菌和酵母菌等微生物的生长繁殖均具有抑制作用。张方艳等[8]以提取自四种柚皮（香柚、沙田柚、文旦柚、梁平柚）d-柠檬烯为研究对象，研究发现d-柠檬烯对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌、霉菌和酵母菌均有抑菌作用。卢海燕等[18]发现d-柠檬烯对小肠结肠炎耶尔森菌和金黄色葡萄球菌均有抑制作用，对单核增生李斯特菌没有抑制作用。

目前d-柠檬烯的抑菌机理尚未完全清楚。但研究者普遍认为，d-柠檬烯主要是通过破坏微生物的细胞膜，从而抑制微生物的生长繁殖（表3）。d-柠檬烯破坏菌体的细胞壁或细胞膜系统，增加细胞膜的通透性，导致细胞质外渗，无法生长繁殖，甚至死亡。Pasqua等[19,22]研究了d-柠檬烯等抑菌物质对大肠杆菌等微生物细胞膜的影响，结果发现d-柠檬烯等主要是降低了细胞膜磷脂的含量，进而改变了细胞膜的结构，最终产生了抑菌作用。Tao等[23]研究表明：d-柠檬烯等抑制青霉和绿霉，d-柠檬烯使霉菌变形和体积变小，改变了细胞外电导率和pH。这主要是由于d-柠檬烯破坏细胞膜，导致细胞质外渗，进而抑制细胞的生长。d-柠檬烯还可通过干扰菌体内正常的酶促反应和能量代谢、改变微生物DNA的结构或功能、影响微生物体内的酶或功能蛋白等来抑制微生物生长繁殖。

表3 d-柠檬烯抑菌作用

4 d-柠檬烯在食品保鲜中的应用

d-柠檬烯是天然防腐剂，具有安全性好、抗菌效果佳、无污染等优势。柑橘皮含有大量的d-柠檬烯，将其作为食品防腐保鲜剂，可减少传统化学防腐剂对人体的伤害，具有很大的经济价值和社会价值。研究表明，d-柠檬烯进入人体后，大部分可被代谢排出，不会给人体带来毒副作用。1994年美国食用香料与提取物制造商协会认定d-柠檬烯毒性为一般公认安全级，目前其已在美国食品保鲜方面推广使用。d-柠檬烯单独使用或与其他制剂联合使用，均可抑制微生物的生长。目前，d-柠檬烯已被广泛应用于水果、蔬菜、果汁、面包等食品的保鲜。

水果在贮运中腐烂的主要原因是采后病害，目前防止水果腐败常用方法为物理和防腐剂组合的方法。d-柠檬烯作为天然防腐剂，成为研究和开发水果防腐保鲜技术的研究热点。赵菊莲等[24]研究了d-柠檬烯保鲜油桃，结果发现它可在油桃的表皮形成一层保护膜，阻止腐败微生物入侵，使贮藏时间变长，减缓油桃的腐败变质，同时还有效延缓油桃的失水，保留油桃的营养价值。Lan等[25]研究了d-柠檬烯、聚乙烯醇和壳聚糖形成的复合薄膜保鲜芒果，结果表明复合薄膜可抑制腐败菌的生长，抑菌作用与柠檬烯的含量呈正比，柠檬烯添加量为10%时，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌圈直径分别为6.61和6.88 mm，经复合薄膜处理后芒果的贮藏期延长，贮藏期的腐败率小于20%。

蔬菜从最初采摘到最后的食用，此过程中极易因微生物的入侵而使蔬菜腐败变质，降低蔬菜营养。d-柠檬烯已被应用于蔬菜保鲜。卢海燕等[26]研究了d-柠檬烯保鲜菠菜，与清水组相比，d-柠檬烯乳化液可以保护菠菜的细胞膜结构；贮藏6 d，菠菜的品质没有发生改变。Maleki等[27]采用壳聚糖-d-柠檬烯涂膜和气调贮藏相结合的方法，保鲜黄瓜，结果发现此方法可以延长黄瓜的采后贮藏时间，抑制酵母菌和霉菌的生长，减少黄瓜腐败变质。

d-柠檬烯在其他食品保鲜方面也有应用。李巧巧等[28]研究发现d-柠檬烯添加到橙汁中可以抑制腐败菌生长，稳定橙汁色泽和pH。高红亮等[29]研究表明d-柠檬烯含量大于等于0.50 g/L时，对橙汁有保鲜效果，微生物生长受到抑制，对稳定pH和阻止感官品质下降都有显著的作用。李巧巧等[30]研究发现d-柠檬烯（气态下）对腐败面包上的酵母和青霉均有抑制效果，在面包保鲜中有明显效果。

5 结语与展望

随着我国柑橘产业的发展，柑橘产量将不断提高。柑橘皮d-柠檬烯是天然防腐剂，具有来源广泛、防腐效果好、安全、无污染等优点，柑橘皮d-柠檬烯保鲜食品展现出广阔的应用前景。随着食品加工技术和微生物应用的不断发展，柑橘皮d-柠檬烯保鲜食品未来发展方向主要有三个方面：一是破解大量优质而低廉的原料柑橘皮的获得难题，保障d-柠檬烯加工原料供应；二是柑橘皮d-柠檬烯提取新技术不断得到开发和应用，降低d-柠檬烯提取成本，提高d-柠檬烯质量和产量；三是阐明d-柠檬烯抑菌机制，大幅提高d-柠檬烯抑菌效果，开展d-柠檬烯与其他防腐方法共同防腐的研究，拓展d-柠檬烯食品保鲜应用。因此，利用我国丰富柑橘皮资源，深入研究柑橘皮d-柠檬烯提取及食品保鲜应用，有利于促进我国柑橘和食品产业高质量发展。