金柑果皮精油超臨界CO2流體萃取工藝優化及其理化性質的研究

傅維擎等

摘 要 對超臨界CO2流體萃取金柑果皮精油的工藝進行優化，并研究其理化性質。結果表明，金柑果皮精油超臨界CO2流體最佳萃取工藝條件為：萃取壓力14 MPa，萃取溫度31℃，萃取時間120 min，CO2流量26 L/h，在此優化條件下，金柑果皮精油得率為（5.08±0.03）%。金柑果皮精油理化性質研究表明，在20℃條件下，金柑果皮精油酸值為0.466 8、酯值為4.245 6、密度為0.838 g/mL、折光度為1.470 7、旋光度為1.366 8，精油與95%乙醇的互溶比例為1∶6.1。金柑果皮精油功能團鑒定結果表明，金柑果皮精油含有醇類、醛酮類、不飽和脂肪酸，不含酚類、羧酸衍生物。

關鍵詞 金柑 ；果皮精油 ；超臨界CO2流體萃取 ；理化性質 ；功能團

分類號 TQ644.14 ；S666.2

Abstract The supercritical CO2 fluid extraction technology of essential oil from Kumquat peel was optimized and its physicochemical properties were studied. The result showed the optimum conditions were as follows： extraction pressure 14MPa， extraction temperature 31℃， extraction time 120 min and CO2 flow 26L/h. Under these conditions， the yield of essential oil could be up to （5.08±0.03）%. According to the physicochemical properties of essential oil from Kumquat peel， the acid value was 0.4668， the ester value was 4.245 6， the density was 0.838 0 g/mL， the index of refraction was 1.470 7， the optical rotation was 1.366 8 and the ratio of mutual solubility of essential oil versus 95% alcohol was 1∶6.1 at 20℃. Moreover， the identification result of functional group showed the essential oil from Kumquat peel contained the alcohols， aldoketones and unsaturated fatty acid without the phenols and carboxylic acid derivatives.

Keywords essential oil ； kumquat peel ； supercritical-CO2 fluid ； physicochemical properties ； functional group

金柑（Fortunella margarita）又稱之為金橘、夏橘，是一種產自于中國的蕓香科常綠小喬木或灌木。其產地主要為浙江、廣西、江西、福建、湖南和廣東等省（區）[1-2]。福建省尤溪縣是“中國金柑之鄉”，如今種植的金柑面積約為2 700 hm2。其不斷提升的科學種果方式，標準化生產技術的推廣使用，使得所產金柑色鮮味美，酸甜可口[3]。

金柑成熟后，果皮占全果約22%～28%，在外果皮的近表皮組織中會產生大量油胞，油胞內含有大量的金黃色素和芳香油等，其油質溫和，質量為柑橘類精油之最[3]。在食品工業上的應用相當廣泛，是重要的且受歡迎的天然化工原料和食用香精，亦可用于某些高級日化香精的調劑。日本高知大學農學部次村正義教授的科研小組確認，柑橘類水果中含有的香精油類活性物質對致癌性物質N-硝基二甲胺（NDMA） 的生成具有抑制效果，最高達85%[4-6]。

超臨界CO2萃取技術是利用CO2在臨界點附近的超臨界區域內與待分離的混合區中的溶質具有異常相平衡行為和傳遞性能，以及對溶質的溶解能力能隨壓力和溫度細微的變化卻產生劇烈變化的特性，達到溶質分離的一項技術[7-8]。超臨界CO2萃取技術與傳統提取柑橘果皮精油的方法相比，具有良好的“傳質特性”、 溶解溶質速率快、溶解和攜帶能力大等許多獨特的優點[9]，特別適合于揮發性成分的提取。故近來超臨界CO2流體萃取技術在萃取領域應用廣泛。

劉文玉等[10]通過單因素和響應面優化實驗研究了超臨界CO2萃取葡萄籽原花青素的工藝。結果表明，最佳條件為乙醇體積分數69.22%，CO2流量5 L/h，提取時間62.82 min，液料比1∶1.13 g/mL，提取溫度55℃，提取壓力35 Mpa。在此條件下葡萄籽中原花青素產率理論值為164.916 mg/kg，實測值為（163.60±0.93）mg/kg。黃慧芳[11]等采用超臨界CO2萃取姜黃素，優化分析后得出萃取姜黃素的工藝條件為：萃取釜壓力25 MPa，溫度45℃；夾帶劑食用酒精用量為6倍，CO2流量350 L/h；分離釜I分離壓力6.0 MPa，分離溫度40℃；分離釜II分離壓力5 MPa，分離溫度35℃，在設定的萃取溫度、壓力條件下靜態萃取30 min，再循環萃取4 h，姜黃素提取率達90%以上。李雙石等[12]用超臨界CO2萃取技術提取雞腿菇中的揮發性風味成分，采用正交試驗后得出，最佳提取工藝條件為萃取溫度55℃、萃取壓力 20 MPa、分離溫度 25℃、分離壓力 8 MPa。

本實驗采用超臨界CO2萃取技術提取金柑果皮精油，同時對金柑果皮精油的理化指標、功能團的進行初步鑒定，為柑橘類精油的品質評價研究提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

三明尤溪金柑，九成熟，由尤溪縣農業局提供；CO2（99.5%）購自江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；硝酸鈰銨、醋酸、三氯化鐵、苯酚、2，4-二硝基苯肼、乙醇、四氯化碳、羥胺鹽酸鹽、氫氧化鈉、鹽酸等均為國產分析純；本實驗用水均為雙蒸水。

主要儀器：DJG-9053A型電熱鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司）；HA120-50-01超臨界萃取裝置（江蘇南通華安超臨界萃取有限公司）；DJG-9053A型電熱鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司）；DS-200電動高速組織搗碎機（江蘇省江陰市科研器械廠）；MRO1023-4型反滲透凈水機（佛山市美的清湖凈水設備制造有限公司）；PL602-L電子分析天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；GC-MS聯用儀（Agilent7890A/5973i美國安捷倫科技有限公司）；WZZ-2S數字自動旋光儀（上海精密科學儀器有限公司）；J257全自動折光儀（RUDOLPH公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

新鮮金柑→篩選→清洗→去果肉→清洗果皮→冷凍干燥→金柑果皮。

1.2.2 萃取工藝流程

金柑果皮→粉碎→過篩→超臨界CO2萃取→金柑果皮精油

1.2.3 單因素實驗

以精油得率為考察指標，以萃取時間、萃取壓力、萃取溫度、CO2流量為因素，得到金柑果皮精油萃取的最佳工藝條件。

1.2.3.1 萃取壓力對金柑果皮精油得率的影響

在萃取溫度為34℃、萃取時間為60 min，CO2流量為26 L/h的工藝條件下，在萃取壓力分別為10、14、18、22、26 MPa的條件下萃取，以精油得率為考察指標，研究萃取壓力對得率的影響。

1.2.3.2 萃取溫度對金柑果皮精油得率的影響

在萃取壓力14 MPa，萃取時間60 min、CO2流量26 L/h的工藝條件下，萃取溫度分別為25、28、31、34和37℃的條件下萃取，以精油得率為考察指標，研究萃取溫度對得率的影響。

1.2.3.3 萃取時間對金柑果皮精油得率的影響

在萃取壓力14 MPa，萃取溫度34℃、CO2流量26 L/h的工藝條件下，萃取時間分別為30、60、90、120、150 min的條件下萃取，以精油得率為考察指標，研究萃取時間對得率的影響。

1.2.3.4 CO2流量對金柑果皮精油得率的影響

在萃取壓力14 MPa，萃取時間60 min，萃取溫度34℃的工藝條件下，CO2流量分別為14、18、22、26、30 L/h的條件下萃取，以精油得率為考察指標，研究CO2流量對得率的影響。

1.2.4 正交試驗

以精油得率為考察指標，以萃取時間、萃取壓力、萃取溫度、CO2流量為因素，設計4因素3水平的正交試驗，得到金柑果皮精油萃取的最佳工藝條件。

1.2.5 項目測定

1.2.5.1 金柑精油的得率

精油得率（%）=×100

1.2.5.2 金柑果皮精油理化指標測定

酸值、酯值、密度、折光度、旋光度等物理化學指標參照國標及相關標準進行測定。

1.2.5.3 金柑果皮精油功能團的鑒定

（1）醇類：硝酸鈰銨測定法。

將1 mL醋酸和0.5 mL硝酸鈰銨溶液加入一個潔凈的試管中（如果有沉淀生成，加3～4滴水使之溶解），再加5滴樣品，振搖試管使溶解，觀察反應現象。

（2）酚類：三氯化鐵測定法。

在A試管中加2 mL水和幾滴金柑精油溶液，在B試管中加2 mL水，然后將1～2滴1%的三氯化鐵溶液分別加入到兩支試管中，比較這兩支試管中溶液的顏色的不同。

（3）醛酮類： 2，4-二硝基苯肼檢驗醛和酮。

于A、B兩個試管中各加入10滴2，4-二硝基苯肼試劑和10滴95%乙醇，在A和B試管中各加入2滴樣品，振蕩，觀察實驗現象。

（4）不飽和脂肪酸的測定：溴的四氯化碳測定法。

準備A、B、C三根潔凈的試管，向三支試管中各加入1 mL四氯化碳。將2～3滴樣品加入到試管A和B中，然后分別在A、B兩個試管中滴加入5%的溴的四氯化碳溶液，邊滴加邊搖動，觀察褪色情況。

（5）羧酸衍生物：羥肟酸鐵測定法。

將1滴液體樣品和1 mL羥胺鹽酸鹽乙醇溶液加入一支干凈試管中，混合均勻后，加0.2 mL 6 mol/L氫氧化鈉溶液，將溶液煮沸，稍冷后將2 mL 1 mol/L鹽酸溶液加入，如果溶液變渾，再加2 mL 95%乙醇，然后加1滴5%三氯化鐵溶液，觀察紫色是否出現，當紫色出現后很快消失，繼續滴加5%三氯化鐵溶液，直到溶液顏色穩定為止。紫紅色表示正反應。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 萃取壓力對金柑果皮精油得率的影響

由圖1可知，在CO2流量26 L/h、萃取時間60 min、萃取溫度34℃的條件下進行超臨界CO2流體萃取金柑果皮精油。當萃取壓力小于14 MPa時，精油得率隨著萃取壓力的增加而增加；當萃取壓力大于14 MPa時，精油得率隨著萃取壓力的增加而降低。這可能是因為當固定溫度為34℃時，升高壓力，超臨界CO2的密度增大，CO2分子間的距離隨之減小，溶質與溶劑間的相互作用增強，使得溶質在超臨界CO2的溶解度增大，提高了精油得率。但壓力過高（>14 MPa），傳質阻力增大，不利于溶質的萃出，因此后續試驗采用14 MPa的萃取壓力。

2.1.2 萃取溫度對金柑果皮精油得率的影響

在恒定萃取時間60 min、CO2流量26 L/h、萃取壓力14 MPa的條件下，進行CO2流體萃取，研究不同萃取溫度對金柑果皮精油得率的影響。由圖2可知，當萃取溫度小于34℃時，得率隨萃取溫度的升高而提高，但當提取溫度達到34℃后，得率會隨著溫度的升高逐漸下降。一定量的氣體在恒壓的條件下，隨著溫度的升高，氣體的體積增大，使氣體的密度減小，但是隨著溫度的增大，氣體分子平均動能增大使蒸汽壓提高，因而萃取壓力恒定時，溫度變化使得溶劑的密度和溶質的蒸汽壓變化共同影響精油的得率。因此萃取溫度應為34℃。

2.1.3 萃取時間對金柑果皮精油得率的影響

由圖3可知，在CO2流量26 L/h、萃取壓力14 MPa、萃取溫度34℃條件下進行CO2流體萃取金柑果皮精油，當萃取時間小于60 min時，萃取時間對精油的得率影響很大，隨著時間的增長得率提高，當萃取時間超過60 min后，時間對精油的得率影響不大，可能是因為在60 min內大部分油脂都被萃取出來，接近萃取終點，綜合考慮得率與人耗﹑能耗，故選擇萃取時間為60 min。

2.1.4 CO2流量對金柑果皮精油得率的影響

在萃取壓力14 MPa、萃取溫度34℃、萃取時間60 min的條件下，分別在不同CO2流量下進行金柑果皮精油的萃取。由圖4可知，CO2流量小于26 L/h時，CO2流量對得率的影響比較明顯，幾乎成線性關系。由于當CO2流量增大時， CO2與金柑果皮粉的接觸面積增大，從而萃取速度提高。但是當CO2流量大于26 L/h時，得率曲線趨向平緩。這可能是由于CO2流量小于26 L/h時，加大其流量，傳質推動力加大，傳質速率加快，有利于萃取。但當CO2流量過大（>26 L/h），CO2與被萃取物接觸時間減少，降低了得率，故選擇萃取的CO2流量為26 L/h。

2.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，為了進一步確定各因素對金柑果皮精油得率的影響，選取萃取壓力、萃取溫度、萃取時間和CO2流量4個因素，進行L9（34）正交試驗，考察各因素對金柑果皮精油得率的綜合影響，確定金柑果皮精油超臨界CO2萃取的最佳工藝條件。結果見表1。

由表1進行分析可知，上述4個因素對金柑果皮精油的得率的影響程度依次為：D>A>B>C，即CO2流量>萃取壓力>萃取溫度>萃取時間。最優工藝組合為A1B2C3D3，即萃取壓力14 MPa，萃取溫度31℃，萃取時間120 min，CO2流量26 L/h。

用最佳組合工藝進行了5次試驗，得率分別為5.05%、5.06%、5.10%、5.12%、5.06%，平均得率為（5.08±0.03）%，最大誤差為0.07%。由此可知，結果比較理想，驗證了最佳組合的正確性。

2.3 部分理化性質

金柑果皮精油理化指標測定，酸值：A.V.=0.466 8；酯值：EV=4.245 6；密度：1/d 20℃5 mL=0.838 0 g/mL；折光度：1.470 7；旋光度：1.366 8。

1 mL精油與95%乙醇混溶度：當加入0.1 mL乙醇時開始混濁，當加入2.1 mL乙醇時渾濁度最高，當加入2.6 mL乙醇時開始變澄清，當加入6.1 mL乙醇時完全澄清。結果：精油與95%乙醇的互溶比例為1∶6.1。

2.4 部分功能團鑒定

通過金柑果皮精油功能團鑒定，醇類：通過硝酸鈰銨試驗呈紅色；酚類：通過三氯化鐵試驗無顏色反應；醛酮類：通過2，4-二硝基苯肼檢驗醛和酮呈紅色；不飽和脂肪酸：有輕微退色現象；羧酸衍生物：通過羥肟酸鐵試驗呈黃色乳濁液。

結果表明，金柑果皮精油含有醇類，不含有酚類，含有醛酮類，有不飽和脂肪酸，不含有羧酸衍生物。

3 小結

各因素對金柑果皮精油得率的影響程度順序為：CO2流量>萃取壓力>萃取溫度>萃取時間，金柑果皮精油超臨界CO2流體萃取的最佳工藝條件為：萃取壓力14 MPa、萃取溫度31℃、萃取時間120 min、CO2流量26 L/h。在此最優條件下，金柑果皮精油得率為（5.08±0.03）%。

金柑果皮精油理化性質研究結果表明，在20℃條件下，酸值為0.466 8、酯值為4.245 6、密度為0.838 0 g/mL、折光度為1.470 7、旋光度為1.366 8，精油與95%乙醇的互溶比例為1：6.1。金柑果皮精油功能團鑒定結果表明，金柑果皮精油含有醇類、醛酮類、不飽和脂肪酸，不含酚類、羧酸衍生物。

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