超声辅助提取柚皮精油工艺优化及GC?鄄MS成分对比分析

李黎 孙晶 石艳宾 周茂然 应小川 姜子涛

摘要：以柚皮为原料，采用响应面分析法辅助水蒸气蒸馏法优化提取柚皮精油。考察提取工艺中超声时间、蒸馏时间和料液比对精油提取率的影响，在单因素试验的基础上，以柚皮精油提取率为响应值，通过响应面法对柚皮提取工艺条件进行优化，并利用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）对水蒸气蒸馏法提取的柚皮精油进行化学成分分析。结果表明，最佳的提取工艺条件为超声时间58.5 min、蒸馏时间2 h、料液比1∶18（g/mL）。此条件下柚皮精油的提取率为1.474 3%，与理论值1.482 18%相差0.007 88%，表明试验测得提取率与模型理论值之间拟合良好。采用GC-MS对柚皮精油成分进行分析，共检出20种挥发性成分，其中D-柠檬烯、β-月桂烯、棕榈酸、α-松油醇、芳樟醇等占总成分的80.407%，说明水蒸气蒸馏可有效地纯化柚皮精油，為柚皮精油在食品及调味品中的应用提供了宝贵的数据参考。

关键词：柚皮精油；提取；成分分析；响应面分析法；气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）

中图分类号：TS224.4      文献标志码：A     文章编号：1000-9973（2023）08-0180-05

Optimization of Process of Pomelo Peel Essential Oil by Ultrasonic-Assisted

Extraction and Comparative Analysis of Components by GC-MS

LI Li1， SUN Jing2， SHI Yan-bin1， ZHOU Mao-ran1， YING Xiao-chuan3， JIANG Zi-tao1*

（1.Tianjin Tianshi College， Tianjin 301700， China; 2.Academic Affairs Office， Guizhou

Normal University， Guiyang 550025，  China; 3.Tianjin Yunni Technology

Co.， Ltd.， Tianjin 300450， China）

Abstract： With pomelo peel as the raw material， response surface analysis method assisted steam distillation method is used to optimize the extraction of pomelo peel essential oil. The effects of ultrasonic time， distillation time and solid-liquid ratio on the extraction rate of essential oil in the extraction process is investigated. Based on the single factor test， with the extraction rate of pomelo peel essential oil as the response value， the extraction process conditions of pomelo peel are optimized by response surface methodology， and gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS） is used to analyze the chemical components of pomelo peel essential oil extracted by steam distillation method. The results show that the optimal extraction process conditions are the ultrasonic time of 58.5 min， the distillation time of 2 h， and the ratio of solid to liquid of 1∶18（g/mL）， the extraction rate of pomelo peel essential oil under these conditions is 1.474 3%， which is 0.007 88% lower than the theoretical value of 1.482 18%， indicating that the extraction rate measured in the test fits well with the theoretical value of the model. GC-MS is used to analyze the components of pomelo peel essential oil， and a total of 20 volatile components are detected， among which， D-limonene， β-myrcene， palmitic acid， α-terpinol， linalool， etc. account for 80.407% of the total components， which shows that steam distillation can effectively purify pomelo peel essential oil， has provided valuable data reference for the application of pomelo peel essential oil in food and condiment.

Key words： pomelo peel essential oil； extraction； component analysis； response surface analysis method； gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS）

收稿日期：2023-02-06

基金项目：天津市科技计划项目（22YDTPJC01000）

作者简介：李黎（1982—），女，副教授，硕士，研究方向：食品科学与工程。

通信作者：姜子涛（1956－），男，教授，博士，研究方向：食品添加剂。

柚子（Citrus maxima）属芸香科柑橘属，世界柚子年总产量可达452.87万吨[1-3]，我国柑橘产量位居世界第二[4]，而柚皮占鮮柚子质量的40%以上，柚皮中不仅含有水分、无机盐，而且含有精油、黄酮类物质、膳食纤维等。目前，柚皮常被当作废弃物处理，不仅造成资源的极大浪费，而且对环境造成严重污染，若合理利用，不仅可以增加柚子产品加工产业的多元化，而且是提高柚子综合利用的途径之一[5]。

柑橘类精油因具有特殊的香气味，常被作为香味原料、调味剂、日用品、洗涤剂等，在食品和医药行业中应用。有研究表明该精油还具有抑菌[6]、抗氧化[7]、驱蚊[8]、抗菌消炎、治疗胃肠疾病等功效，还可以淡化疤痕[9]。精油的提取方法有溶剂浸提法[10]、超临界二氧化碳提取法[11-12]及水蒸气蒸馏法[13-14]等。与其他提取方法相比，水蒸气蒸馏法具有设备成本低、易操作、提取条件简单且无溶剂残留等优点[15-16]。

本文以柚子皮为原料，采用超声波辅助水蒸气蒸馏法[17-20]提取柚皮精油（pomelo peel essential oil）分析，并通过响应面法Box-Behnken试验设计对提取柚子精油工艺条件进行优化，利用高效气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析柚皮精油成分，为综合开发利用柚皮精油提供了数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料

柚子：葡萄柚，市售。

1.2 主要试剂及设备

无水硫酸钠、氯化钠：均为分析纯；乙醚：色谱纯；蒸馏水：自制。

ZNCL-TS磁力搅拌电热套 上海予申仪器有限公司；TD4K-Z台式数显离心机 长沙东旺实验仪器有限公司；KQ3200DB数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；水蒸气蒸馏装置 天长市康鹏实验设备有限公司；高效气相色谱-质谱联用仪 美国Agilent公司。

1.3 试验方法

1.3.1 葡萄柚柚皮处理

取新鲜的葡萄柚剥皮，去白瓤和絮状皮层，将表皮切成厚度约2～3 mm、长5 mm左右的块状，分装，冷冻保存备用。

1.3.2 柚皮精油提取方法

称取40 g已处理好的柚子皮放入烧杯中，加入3% NaCl，搅拌，封口，以超声温度40 ℃、一定时间进行超声处理，倒入1 000 mL的圆底烧瓶中，组装蒸馏仪器开启磁力搅拌，加热，进行水蒸气蒸馏，完毕，停止加热，收集存放于高硼硅玻璃管内，于－18 ℃条件下冻存，待收集管内水结成冰后去除，得到柚皮精油，称重，计算提取率。

1.3.3 柚皮精油提取率的计算

PPEO提取率（%）=提取的精油质量（g）柚皮质量（g）×100%。

1.3.4 柚皮精油单因素试验

参照1.3.2 柚皮精油提取方法，选取超声时间、蒸馏时间、料液比作为提取柚皮精油的影响因素，进行柚皮精油的单因素试验设计，见表1。

1.3.5 柚皮精油响应面试验设计[21-22]

基于单因素试验结果，根据Box-Behnken组合试验设计方法，选取超声时间、蒸馏时间、料液比为自变量，以柚皮精油提取率为响应值，进行三因素三水平的响应面优化试验设计，对柚皮精油提取工艺进行优化分析，柚皮精油响应面试验因素水平表见表2。

气相色谱条件：色谱柱为DB-WAX毛细管柱（30 m×320 μm×0.25 μm，Agilent Technologies Co.， Ltd.）；载气（He）流速1.0 mL/min；前进样口温度250 ℃；不分流模式进样；程序升温：初始柱温40 ℃，保持3 min，以2 ℃/min升至70 ℃，以3 ℃/min升至130 ℃，再以10 ℃/min升至230 ℃并保持10 min。

样品配制：100 μL样品加入乙醚溶解定容至1 mL，进样量1.0 μL/mL，进样口温度250 ℃，不分流模式进样。

质谱条件：质谱接口温度280 ℃，四极杆温度150 ℃，离子源温度230 ℃；离子化方式EI；电子能量70 eV；质量扫描范围（m/z） 40～500。

定性分析：风味物质鉴定结果通过计算机谱库（NIST/Wiley）进行检索，并配合手动检索校对信息，正反匹配度均大于80（最大值为100），各化合物峰面积由软件系统计算。

1.4 数据处理及分析

采用SPSS 22.0软件对数据进行多重比较分析，响应面试验设计数据采用Design Expert 8.05b软件进行分析，采用Origin 7.5软件作图。

2 结果分析

2.1 超声辅助提取柚皮精油单因素试验结果

2.1.1 超声时间对柚皮精油提取率的影响

当超声时间小于60 min时，柚皮精油提取率随着超声时间的延长而增大，当超声时间达到60 min，柚皮精油提取率最高，为（1.364±0.030 5）%。可能是因为随着超声时间的延长，在超声空化作用下，增加细胞破碎量从而增大柚皮精油提取率。但当超声时间超过60 min时，柚皮精油提取率随着超声时间的延长显著降低，可能是超声时间过长导致原料中部分精油组成成分被分解和挥发[23]，降低了柚皮精油的提取率。因此，最适的超声时间水平为50～70 min。

2.1.2 蒸馏时间对柚皮精油提取率的影响

由图2可知，当蒸馏时间小于2 h时，柚皮精油提取率随着蒸馏时间的延长提取率增高，当蒸馏时间达到2 h时，柚皮精油提取率最高，为（1.288±0.017 9）%，当蒸馏时间大于2 h时，柚皮精油提取率随着蒸馏时间的延长显著降低。可能是蒸馏时间较短时，精油残留量高，提取率低，随着蒸馏时间的延长，柚皮精油提取得更彻底，从而提取率提高。当蒸馏时间过长时，不仅会造成资源浪费，而且蒸汽量过大导致精油部分分解，提取率下降[24]。因此，从节约能源和柚皮精油提取率等方面综合考量，最适的蒸馏时间水平为1.5～2.5 h。

2.1.3 料液比对柚皮精油提取率的影响

由图3可知，当料液比在1∶5～1∶15范围内，柚皮精油提取率随着料液比的增大而显著增大，料液比在1∶15时提取率最大，为（1.358±0.067 231）%。原因可能是随着料液比的增大，柚子皮原料可以充分地与溶液接触，溶胀，导致细胞易破裂，从而提高了精油的提取率[25]。当料液比大于1∶15时，柚皮精油提取率随着料液比的增大而逐渐减小，这可能是因为料液比过高时，蒸馏瓶中溶液的浓度差导致传送动力减小，精油在热水中的浓度降低，同时料液比过高容易产生暴沸现象，也会导致柚皮精油提取率降低，本研究结果与王东营等[26]的研究结果相同，故选取料液比为1∶10～1∶20进行优化试验。

2.2 超声辅助响应面法优化柚皮精油提取工艺条件

2.2.1 超声辅助提取柚皮精油响应面试验结果

由表4可知，该模型的F值为63.24（P<0.000 1），表明该模型回归方程极显著。失拟项的P值为0.074 9（P>0.05），不显著，校正决定系数R2值为0.987 9，表明模型的拟合情况良好。因素B2影响显著，A、C、AB、BC、A2、C2影响极显著。影响柚皮精油提取率的主次因素为料液比>超声时间>蒸馏时间，采用Design-Expert 8.05b对表3中数据进行分析，得到二次方程模型为Y=1.44－0.057A－0.020B+0.16C－0.16AB－0.025AC+0.13BC－0.27A2－0.045B2－0.14C2。通过二次方程预测超声时间为58.44 min，蒸馏时间为1.97 h，料液比为1∶18（g/mL），在此条件下预测柚皮精油提取率为1.482 18%。

2.2.2 超声辅助提取柚皮精油响应面交互因素分析

曲面图坡度的陡峭程度与两因素的交互作用具有相关性，曲面图坡度越陡峭表示两因素的交互作用越显著，柚皮精油提取因素的交互作用响应面图见图4～图6。

由图4～图6可知，超声时间（A）与蒸馏时间（B）的曲面图比蒸馏时间（B）与料液比（C）的曲面图和超声时间（A）与料液比（C）的曲面图陡峭程度大，但超声时间（A）与料液比（C）的曲面图坡度较平缓，故AC交互作用不显著，因此，两因素交互作用对超声辅助提取柚皮精油提取率的影响程度为AB＞BC＞AC。

2.2.3 响应面优化条件确定與模型验证

综合考虑柚皮精油提取率及试验可操作性等因素，提取工艺条件为超声时间58.5 min、蒸馏时间2 h、料液比1∶18（g/mL），重复提取5次，实际测得柚皮精油的提取率为1.474 3%，与理论值1.482 18%相差0.007 88%，表明试验测得的提取率与模型理论值之间拟合良好。

2.3 利用GC-MS进行柚皮精油成分分析

利用GC-MS仪器进行成分分析，得到总离子流色谱图，见图7。

利用GC-MS对柚皮精油成分进行分析，共检出挥发性成分20种，但柠檬烯含量未检出，柚皮精油总离子色谱图见图7，利用软件对图7进行定性分析，确定各化合物的保留时间、分子量及百分含量，见表5。在已经鉴定的柚皮精油成分中，D-柠檬烯、β-月桂烯、棕榈酸、α-松油醇、芳樟醇等占总成分的80.407%。其中D-柠檬烯（52.80%）和β-月桂烯（9.38%）含量比重大，与郭畅等[27]的分析结果一致，还有棕榈酸（11.76%），李杰等[28]在植物中也检测出。该柚皮精油主要由5种烯类、8种醇类、3种酯类、醛类、醚类、酮类和酸类各1种组成，这些成分相互协同发挥重要作用。柚皮精油是由多种化合物组成的，除图7中鉴定的之外，还存在一些其他化合物，未来要对柚皮精油成分全部解明，需要更多方法联合鉴定。

3 结果讨论

采用超声辅助提取柚皮精油，通过单因素试验及响应面法结合试验可操作性等因素，提取工艺条件为超声时间58.5 min、蒸馏时间2 h、料液比1∶18（g/mL），重复提取5次，实际测得柚皮精油的提取率为1.474 3%，与理论值1.482 18%相差0.007 88%，表明试验测得的提取率与模型理论值之间拟合良好。利用GC-MS对柚皮精油成分进行分析，共检出20种挥发性成分，其中D-柠檬烯、β-月桂烯、棕榈酸、α-松油醇、芳樟醇等占总成分的80.407%。本研究中柚皮精油提取过程简单且成本低，可用于精油品质鉴别及分离出多种成分，按功效可应用于风味材料、绿色添加剂及食品和化妆品等产品的开发应用，并提供宝贵的数据。

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