高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)玫瑰精油得率與化學(xué)成分的影響

周亞軍，薛長(zhǎng)美，張?zhí)K蘇，姚光明，張 凌，王淑杰

(1.吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130062;2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130025)

1 前言

玫瑰是花卉栽培行業(yè)中最重要的植物之一。全世界大約有200種玫瑰，而栽培品種超過(guò)18 000種。玫瑰長(zhǎng)期以來(lái)一直被用于食品、藥品、香料、化妝品和芳香療法，而且經(jīng)常被用來(lái)提取玫瑰精油，這些精油被香水制造業(yè)廣泛應(yīng)用。由于玫瑰花中精油含量低和勞動(dòng)密集型生產(chǎn)過(guò)程，玫瑰精油價(jià)格昂貴，因此在國(guó)際市場(chǎng)上被稱(chēng)為“液體黃金”。玫瑰的品種對(duì)精油的質(zhì)量有很大影響，例如大馬士革玫瑰（Rosa damascena Mill.），法國(guó)薔薇（Rosa gallica L.），麝香玫瑰（Rosa moschata Herrm.），百葉薔薇（Rosa centifolia L.）和其它等。大馬士革玫瑰主要種植在土耳其、保加利亞、摩洛哥、伊朗、南俄羅斯、法國(guó)南部、中國(guó)、意大利南部、利比亞和烏克蘭。

精油一般是從植物中提取的油類(lèi)化合物，提取方法有很多，如水蒸氣蒸餾、真空蒸餾、溶劑萃取和超臨界CO2萃取等。產(chǎn)地、收獲季節(jié)和天氣會(huì)影響精油含量和性質(zhì)，提取方法對(duì)精油品質(zhì)起到重要作用。水蒸氣蒸餾是提取精油的一種傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)方法，而且一直延續(xù)至今。盡管這種方法得率低，但是卻容易操作，一些方法已經(jīng)在嘗試使用以用來(lái)提高精油得率和性質(zhì)。溶劑萃取雖然可以提高精油得率，但是存在溶劑殘留問(wèn)題。而超臨界CO2萃取由于成本高受到限制。

近幾年，高壓脈沖電場(chǎng)成為國(guó)際食品研究領(lǐng)域的一種新興技術(shù)。它是基于外部電場(chǎng)使真核細(xì)胞膜電穿孔從而提高溶質(zhì)擴(kuò)散的原理。最近發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電場(chǎng)被廣泛用于天然產(chǎn)品中活性成分的提取，不但不會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量而且會(huì)提高活性成分的提取效率。由于非熱耗、快速、有效、低功率和低污染的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于食品的巴氏滅菌和天然物質(zhì)中有效成分的提取。這是一種提取活性成分的新型潛在的方法。

本研究中，為了利用當(dāng)?shù)孛倒遒Y源和提高精油得率，使用高壓脈沖電場(chǎng)輔助水蒸氣蒸餾的方法提取玫瑰精油。研究了電場(chǎng)強(qiáng)度，脈沖數(shù)和蒸餾時(shí)間對(duì)精油得率的影響。同時(shí)，精油得率和組成與水蒸氣蒸餾得到的精油進(jìn)行對(duì)比分析。

2 材料與方法

2.1 植物材料

大馬士革玫瑰采摘于吉林省長(zhǎng)白山的玫瑰花園，在玫瑰開(kāi)花季（6月～7月）的早上（5：00～7：00am）人工采摘。選擇半開(kāi)花朵采摘并放置過(guò)夜以去除過(guò)多的水分，然后貯藏在-20℃冰箱中備用。Mohamadi 等人報(bào)道花瓣在低溫（-20℃）下凍藏可以保存3周，其精油得率和成分不會(huì)有顯著變化。

2.2 高壓脈沖電場(chǎng)處理系統(tǒng)

本研究應(yīng)用的高壓脈沖電場(chǎng)裝置是由吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院電技術(shù)研究室提供，主要由脈沖電源發(fā)生裝置、示波器、處理室和泵四部分構(gòu)成。

該裝置可以產(chǎn)生以指數(shù)衰減的雙三角脈沖波形，脈沖持續(xù)時(shí)間為2μ s。頻率范圍為1 000Hz～3 000Hz；處理室是由兩個(gè)間隔0.1cm不銹鋼電極組成，長(zhǎng)度為0.15cm，截面直徑為0.1cm。使用過(guò)程中示波器用來(lái)指示脈沖電場(chǎng)的波形、電流和電壓值。

取制備好的樣品，以10mL/min的流速通過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)裝置進(jìn)行電場(chǎng)處理，經(jīng)脈沖電壓處理后收集到容器中，此過(guò)程為連續(xù)處理過(guò)程。工作過(guò)程中的電壓值、電流值及其波形由示波器指示，可通過(guò)調(diào)節(jié)頻率和電壓值來(lái)改變高壓脈沖電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)，處理后立即進(jìn)行水蒸氣蒸餾提取。實(shí)驗(yàn)中，電場(chǎng)強(qiáng)度范圍為10～30kV/cm，脈沖數(shù)范圍為4～12。脈沖數(shù)、電場(chǎng)強(qiáng)度和處理時(shí)間分別用公式（1）（2）（3）表示：

其中，r表示處理室半徑，0.05cm；l表示發(fā)生器兩電極之間的距離，0.1cm；f表示頻率，Hz；q表示流量，10ml/min；E表示電場(chǎng)強(qiáng)度，kV/cm；Vpp表示示波器上顯示的輸入電壓，kV；Q表示樣品體積，630ml；T為63min。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1 PEF輔助水蒸氣蒸餾提取

取100g玫瑰花和600ml蒸餾水混合，用膠體磨打成勻漿，然后用高壓脈沖電場(chǎng)處理，處理后的樣品立即進(jìn)行水蒸氣蒸餾，其中，樣品中加入10%NaCl。Shamspur等報(bào)道稱(chēng)NaCl可以提高精油得率（21%）且不會(huì)明顯改變精油組成。蒸餾溫度為常壓下水的沸點(diǎn)溫度（100℃）。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了電場(chǎng)強(qiáng)度（10，15，20，25和30kV/cm），脈沖數(shù)（4，6，8，10和12）和蒸餾時(shí)間（0.5，1，1.5，2和2.5）對(duì)精油得率的影響，精油得率用百分比表示（w/w）。得到的精油用無(wú)水硫酸鈉干燥并進(jìn)行稱(chēng)重，然后保存在4℃冰箱中備用。

2.3.2 PEF與傳統(tǒng)方法比較

PEF與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾所用的原材料相同。

（1）水蒸氣蒸餾法

100g玫瑰花瓣與600ml蒸餾水混合，用膠體磨打成勻漿，加入10%NaCl，然后進(jìn)行水蒸氣蒸餾，蒸餾時(shí)間分別設(shè)置為2，3，4和5h。

（2）100g玫瑰花瓣與600ml蒸餾水混合，用膠體磨打成勻漿，進(jìn)行高壓脈沖電場(chǎng)處理，然后在最優(yōu)條件下進(jìn)行水蒸氣蒸餾。

2.4 成分分析

用氣象色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC/MS，Shimadzu QP2010）測(cè)定精油成分及相對(duì)含量，其毛細(xì)管填充柱為Rxi-5（30mm×0.25mm，0.25μm）。首先，將2μL玫瑰精油樣品加入到1ml正己烷中，混合均勻后，取1μl液體注入GC-MS儀。實(shí)驗(yàn)條件如下：75℃保持2min，以2.5℃/min升至210℃，再以10℃/min升至240℃，保持5min；進(jìn)樣口溫度260℃，檢測(cè)器溫度250℃。載氣（he）流量1.0ml/min，進(jìn)樣量1μL，分流比5∶1。質(zhì)譜：電子轟擊離子源，電子能量：70eV，離子源溫度200℃，質(zhì)量掃描范圍40～350amu。

通過(guò)GC-MS分析，得到玫瑰精油的總離子圖譜（TIC），對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)NIST，經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢索，結(jié)合化合物保留時(shí)間、峰面積匹配度并參考相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行比較，鑒定出玫瑰精油化學(xué)成分，利用峰面積歸一法計(jì)算各組分的相對(duì)含量。

2.5 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)平行測(cè)定3次，計(jì)算平均值。用SPSS13.0進(jìn)行方差分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)精油得率的影響

通過(guò)改變電壓來(lái)調(diào)節(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖1所示，電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)玫瑰精油得率影響明顯。電場(chǎng)強(qiáng)度在10～20kV/cm之間時(shí)，玫瑰精油得率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而上升，玫瑰精油得率在電場(chǎng)強(qiáng)度為20kV/cm時(shí)達(dá)到最大，此后繼續(xù)增加電場(chǎng)強(qiáng)度，玫瑰精油得率反而下降。可能原因是增加電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)使玫瑰花瓣表面電荷量增加，導(dǎo)致玫瑰花瓣細(xì)胞內(nèi)外電位差增大，當(dāng)其高于細(xì)胞膜的臨界電位時(shí)，細(xì)胞膜被擊穿，細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，有利于揮發(fā)性成分被蒸餾出，增加了提取量。但過(guò)大的電場(chǎng)強(qiáng)度，可能對(duì)玫瑰精油的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，使玫瑰精油得率降低。這與先前的研究有相似的趨勢(shì)。因此，選擇適宜的電場(chǎng)強(qiáng)度為20kV/cm。

圖1 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)玫瑰精油得率的影響

3.2 脈沖數(shù)對(duì)精油得率的影響

脈沖數(shù)通過(guò)改變頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從圖2可以看出精油得率與脈沖數(shù)有相關(guān)性。當(dāng)脈沖數(shù)小于8時(shí)，隨著脈沖數(shù)的增加，玫瑰精油得率明顯增加；當(dāng)脈沖數(shù)大于8時(shí)，玫瑰精油得率隨脈沖數(shù)的增加而減少；在脈沖數(shù)為8時(shí)，玫瑰精油得率最高（0.102%）。根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)，這是由于增加脈沖個(gè)數(shù)，細(xì)胞破壞程度增加，玫瑰精油得率增加；但過(guò)大的脈沖數(shù)反而使玫瑰精油得率降低。因此，選擇適宜脈沖數(shù)為8個(gè)。

圖2 脈沖數(shù)對(duì)玫瑰精油得率的影響

3.3 蒸餾時(shí)間對(duì)玫瑰精油得率的影響

圖3 蒸餾時(shí)間對(duì)玫瑰精油得率的影響

蒸餾時(shí)間對(duì)玫瑰精油得率的影響如圖3所示。蒸餾時(shí)間在0.5～2.0h范圍內(nèi)，玫瑰精油得率隨蒸餾時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加，玫瑰精油得率在蒸餾時(shí)間為2h時(shí)達(dá)到最大值（0.101%），精油得率提高64%。這是因?yàn)檎麴s時(shí)間不足2h時(shí)，仍有部分揮發(fā)性成分存在于玫瑰花瓣組織中。蒸餾時(shí)間大于2h后，增加蒸餾時(shí)間，玫瑰精油得率降低，這可能是由于玫瑰精油發(fā)生了重吸收。可以看出經(jīng)高壓脈沖電場(chǎng)處理后，最適蒸餾時(shí)間為2h。

3.4 PEF與傳統(tǒng)方法比較

圖4 不同方法對(duì)玫瑰精油得率的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取的精油的條件電場(chǎng)強(qiáng)度為20kV/cm，脈沖數(shù)為8，蒸餾時(shí)間為2h。兩種方法（水蒸氣蒸餾和PEF輔助水蒸氣蒸餾）測(cè)得的精油得率如圖4所示，由圖可以看出，蒸餾時(shí)間在2～4h范圍內(nèi)，玫瑰精油得率隨蒸餾時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加，4～5h范圍內(nèi)，得率略有減少，這與Baydar的研究趨勢(shì)相同，他稱(chēng)蒸餾時(shí)間延長(zhǎng)至3h時(shí)精油得率呈上升趨勢(shì)。顯然，蒸餾時(shí)間為4h時(shí)，精油得率達(dá)到最大為0.072%。由圖可以看出，PEF輔助水蒸氣蒸餾過(guò)程中，蒸餾時(shí)間為2h時(shí)，玫瑰精油得率達(dá)到0.105%，比水蒸氣蒸餾2h時(shí)得率提高50%。高溫長(zhǎng)時(shí)間蒸餾會(huì)導(dǎo)致精油成分的化學(xué)性質(zhì)改變和揮發(fā)性成分流失。因此，PEF輔助水蒸氣蒸餾是提取玫瑰精油的一種有效方法，可以提高精油得率并且縮短提取時(shí)間。

3.5 化學(xué)分析

表1列出了兩種方法提取的精油成分，水蒸氣蒸餾和PEF輔助水蒸氣蒸餾得到的玫瑰精油分別有45和50化合物，分別占揮發(fā)油總量77.69%和89.33%，兩種方法得到的精油中有36種相同的成分。如表1所示，兩種方法得到的精油中主要成分為芳樟醇、香茅醇、香葉醛、橙花醛、玫瑰醚、丁香酚、甲基丁香酚和二十烷。玫瑰精油含有高含量的芳香化合物包括芳樟醇、香茅醇、玫瑰醚和丁香酚。兩種方法得到的精油中大多數(shù)化合物相同，其中包括很多主要的呈香成分。因此，可以看出PEF輔助水蒸氣蒸餾提取玫瑰精油沒(méi)有改變精油成分。

表1 水蒸氣蒸餾與PEF輔助提取玫瑰精油的化學(xué)成分（%）對(duì)比結(jié)果

續(xù)表

許多研究者報(bào)道稱(chēng)高含量的單萜醇如香茅醇、橙花醇、香葉醇、芳樟醇和苯乙醇對(duì)精油呈香起到重要作用。本研究中，香茅醇含量相對(duì)較低，而苯乙醇和香茅醛沒(méi)有檢測(cè)到。由于生態(tài)因素或遺傳變異，大馬士革玫瑰中香茅醇和苯乙醇含量較低。

玫瑰精油的總體質(zhì)量受玫瑰氧化物及香茅醇的影響。兩種方法得到的精油中順式玫瑰醚和反式玫瑰醚，以及高呈香成分的含量基本相同（表1）。在化妝品和調(diào)味劑中，甲基丁香酚是一種重要的香味物質(zhì)，然而，其超過(guò)一定濃度后對(duì)人體產(chǎn)生副作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同方法使甲基丁香酚相對(duì)含量增加，而丁香酚含量沒(méi)有改變。

水蒸氣蒸餾得到的精油中含有較多的碳?xì)浠衔铮捎诘秃康奶細(xì)浠衔镉欣谔岣呙倒寰推焚|(zhì)，因此，PEF輔助水蒸氣蒸餾得到的玫瑰精油質(zhì)量較好。PEF輔助提取得到的精油中萜烯類(lèi)化合物含量較高，可能是由于高壓脈沖電場(chǎng)處理有助于揮發(fā)性化合物釋放，所以化合物種類(lèi)增加。除此之外，不同電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)對(duì)玫瑰精油成分的影響需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在電場(chǎng)強(qiáng)度為20kV/cm，脈沖數(shù)為8和蒸餾時(shí)間2h條件下，高壓脈沖電場(chǎng)輔助提取不僅可以提高精油得率而且可以縮短蒸餾時(shí)間。高壓脈沖電場(chǎng)通過(guò)靜電作用力提高揮發(fā)性成分從花瓣組織中釋放。作為一種有希望的技術(shù)，PEF在活性物質(zhì)提取方面具有廣闊的發(fā)展空間。

致謝 感謝吉林大學(xué)對(duì)于本研究的財(cái)務(wù)支持，感謝食品科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室人員的慷慨支持。

（編譯自：International Journal of Agricultural and Biological Engineering，2017，10（3）：295-301，原文篇名：Effects of High Intensity Pulsed Electric Fields on Yield and Chemical Composition of Rose Essential Oil）