柑橘果皮精油提取工藝及成分分析研究

王會全，劉鑫，吳英祥，吳少華，李永裕，*

（1.福建農業職業技術學院，福建福州350119；2.福建農林大學園藝植物天然產物研究所，福建福州350002；3.清遠市農業科技推廣服務中心，廣東清遠511518）

柑橘（Citrus reticulata Banco.），屬蕓香科柑橘亞科植物。柑橘是世界第一大產量水果、第三大國際貿易農產品，我國是柑橘重要原產地之一。柑橘在鮮食和生產加工后會產生大量皮渣，占柑橘總重的30%～50%，僅我國每年就會產生500×104t以上的皮渣，而80%以上的橘皮未經任何處理就被丟棄[1-2]。這不僅造成了極大的資源浪費，更給環境帶來了沉重的負擔。因此，對柑橘皮渣的綜合利用已成為柑橘加工業的重要課題。

柑橘外果皮中富含柑橘精油，柑橘精油無色透明，具有誘人的橘香味，是世界上應用最為廣泛的天然香精香料之一[3-4]。研究表明，柑橘皮精油具有抗菌消炎[5]、抗氧化[6]、殺蟲[7]、殺菌[8]、鎮痛[9]、抗癌[10]、使人體中樞神經鎮靜[11]、促進胃腸蠕動和消化液分泌[12]等作用。同時，柑橘皮精油對于減肥、美容保健[13-14]也有一定的功效。目前，柑橘皮精油的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法[15]、壓榨法[16]、溶劑萃取法[17]、微波輻射法[18]以及超臨界萃取法[19]等。其中，水蒸氣蒸餾法以其設備簡單、成本低、產量高的優勢，可廣泛應用于工業化生產[3]。但傳統的水蒸氣蒸餾法因蒸餾時間長且溫度高，容易使精油發生熱分解、水解、氧化、異構化等反應，導致精油中的有效成分含量下降[17]。而利用超聲波進行輔助提取，則可以彌補傳統水蒸氣蒸餾法的缺點。超聲波是一種頻率高于2×104Hz的聲波，其熱作用、機械作用、空化作用以及它們的結合作用可使組織細胞破壁，從而加速細胞內含物質釋放并溶于提取溶劑中。

本文采用超聲波輔助水蒸汽蒸餾法，通過設計正交試驗優化了柑橘精油的提取工藝，通過單因素和正交試驗研究了蒸餾時間、超聲波處理時間、超聲波功率、NaCl濃度和料液比5個因素對柑橘皮精油出油率的影響，并采用氣相色譜-質譜（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）技術鑒定了柑橘皮精油的化學成分以及抗氧化活性測定。旨在為柑橘皮精油的開發利用提供參考，研究結果可為采用超聲波輔助水蒸氣蒸餾法工業化提取柑橘皮精油提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮柑橘果實：采自福建省泉州市永春縣天馬柑桔場，品種為“永春蘆柑”；NaCl、無水乙醇（分析純）；試驗用水：蒸餾水。

1.2 主要儀器

LGJ-25C型冷凍干燥機：北京四環科學儀器廠有限公司；FW177型中草藥粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司；EL204型電子天平：上海梅特勒-托利多儀器有限公司；ZHWY-2008型全溫度恒溫培養震蕩器：上海智城分析儀器制造有限公司；KQ-700DV型恒溫數控超聲波發生器：昆山超聲波儀器有限公司；N-1001型旋轉蒸發儀：日本EYELA公司；6890N-5973I型氣相色譜-質譜聯用儀、DB-5MS型色譜柱、毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）：美國 Agilent公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 材料預處理

將新鮮的柑橘果實清洗后，取其果皮，置于室溫下陰干后袋裝于冰箱中冰凍，然后用中草藥粉碎機將冰凍后且去除冰塊的柑橘果皮磨成粉末，混勻后裝袋儲存于冰箱中備用。

1.3.2 提取方法

稱取新鮮柑橘皮粉末40.00 g，置于錐形瓶中，按各種試驗條件（NaCl濃度、料液比）準備好所需的溶液，從中取80 mL倒入錐形瓶中，在常溫下進行不同試驗條件（時間、功率）的超聲波處理，之后用剩余的溶液將超聲波處理后的柑橘皮粉末和溶液全部轉移到1 000 mL的圓底燒瓶中，置于水蒸氣蒸餾裝置上根據不同蒸餾時間蒸餾提取柑橘皮精油，最后直接讀取精油體積，并分別收集于玻璃試管中，存放于-20℃的冰箱中，待其中的水分完全凍結后，再將精油倒出分別稱重并收集儲存。

1.3.3 單因素試驗

本試驗考察了蒸餾時間、超聲波處理時間、超聲波功率、NaCl濃度和料液比5個因素對柑橘皮精油出油率的影響。蒸餾時間采用 5、10、15、20、25 min 5 個水平；超聲波處理時間采用 0、5、10、15、20 min 5 個水平；超聲波功率采用 190.0、237.5、285.0、332.5、380.0 W 5個水平；NaCl濃度采用 0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%5 個水平；料液比采用1∶4、1∶6、1∶8、1∶10（g/mL）4個水平。柑橘皮精油的提取采用1.3.2的方法進行，每個試驗3次重復。

1.3.4 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，進一步設計正交試驗，優化得到柑橘皮精油提取工藝的最佳參數。正交試驗采用L16（45）表格，試驗采用表1的組合進行處理，每組處理3次重復。正交試驗因素水平見表1。

1.3.5 柑橘皮精油提油率計算

柑橘皮精油出油率/%=蒸餾所得柑橘皮精油質量（g）/柑橘皮鮮重（g）× 100

1.4 數據分析方法

試驗數據采用DPS v7.05數據處理系統進行分析，方差分析、顯著性測驗采用Tukey法進行，以P＜0.05表示顯著性差異，P＜0.01表示極顯著性差異，采用Excel軟件對數據進行繪圖。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 The factors and levels of orthogonal experiment

1.5 柑橘皮精油成分分析

取柑橘皮樣品5 g，在溫度為50℃、料液比為1∶20（g/mL）、時間為3 h的條件下進行無水乙醇萃取，萃取液經過濾后取出，濾渣再重復萃取一次，合并濾液；濾液經旋轉蒸發除去有機溶劑，得精油。精油經無水二氯甲烷溶解稀釋后供GC-MS分析用。

氣相色譜條件：色譜柱為DB-5MS；毛細管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），載氣為氦氣，流速1.0 mL/min；升溫程序為：柱初溫50℃，保持5 min，以3℃/min升溫至100℃，保持5 min；再以5℃/min升溫至250℃，保持2 min。分流比為5∶1。

質譜條件：電離方式EI，電子能量70 eV，離子源溫度230℃，掃描質量范圍m/z45～550。

2 結果與分析

2.1 超聲波處理時間對精油出油率的影響

在蒸餾時間15 min、超聲波功率285.0 W、NaCl濃度2%、料液比1∶6（g/mL）的條件下，進行超聲波處理時間的單因素試驗，考察不同超聲波處理時間對柑橘皮精油出油率的影響，結果見圖1。

圖1 超聲波處理時間對精油出油率的影響結果Fig.1 The effect of ultrasonic time on essential oil yield from citrus peels

從圖1可以看出，柑橘皮粉末經過超聲波處理后，精油出油率均得到顯著提高，其中最高的提高了21.91%；在0 min～10 min范圍內，隨著超聲波處理時間的延長，細胞壁破碎程度增強，細胞內含物質的釋放速度隨之加快，精油出油率急劇升高；但超聲波處理時間超過10 min后，柑橘皮精油的出油率卻呈下降趨勢，這可能是由于超聲波的對精油有一定的破壞作用和熱效應等引起的。所以，本試驗中超聲波處理時間以10 min最佳。

2.2 超聲波功率對精油出油率的影響

在蒸餾時間15 min、超聲波處理時間10 min、NaCl濃度2%、料液比1∶6（g/mL）的條件下，進行超聲波功率的單因素試驗，考察不同超聲波功率對柑橘皮精油出油率的影響，結果見圖2。

圖2 超聲波功率對精油出油率的影響結果Fig.2 The effect of ultrasonic power on essential oil yield from citrus peels

從圖2可以看出，在190.0 W～285.0 W范圍內，隨著超聲波功率的增加，柑橘皮精油的出油率迅速提高，在285.0 W時達到最高值2.17%，與其他水平差異顯著；但當超聲波功率大于285.0 W時，精油出油率逐漸下降，這可能是因為超聲波功率越大產生的熱效應也越強，從而導致部分精油揮發損失。

2.3 NaCl濃度對精油出油率的影響

在蒸餾時間15 min、超聲波處理時間10 min、超聲波功率 285.0 W、料液比1∶6（g/mL）的條件下，進行NaCl濃度的單因素試驗，考察不同NaCl濃度對柑橘皮精油出油率的影響，結果見圖3。

試驗結果表明：隨著NaCl濃度的升高，液體中柑橘皮細胞的滲透壓增大，加速了細胞的裂解和破碎，柑橘皮精油的出油率也隨之逐漸上升；當NaCl濃度為2%時，精油出油率達到最大值2.17%，與不添加NaCl的處理相比，精油出油率提高了15.43%；隨著NaCl濃度的進一步升高，精油出油率呈下降趨勢。

2.4 料液比對精油出油率的影響

在蒸餾時間15 min、超聲波處理時間10 min、超聲波功率285.0 W、NaCl濃度2%的條件下，進行料液比的單因素試驗，考察不同料液比對柑橘皮精油出油率的影響，結果見圖4。

圖3 NaCL濃度對精油出油率的影響結果Fig.3 The effect of NaCl concentration on essential oil yield from citrus peels

如圖4所示，料液比為1∶4（g/mL）時，柑橘皮精油的出油率顯著低于其他水平；隨著溶劑用量的增加，精油出油率迅速提高到某個峰值后，繼續增加溶劑用量精油的出油率反而下降，但下降趨勢趨于平緩，各水平的出油率差異并不顯著。試驗結果表明：溶劑用量過少或過多均不利于精油的提取；溶劑用量過少時，水散作用不徹底，甚至稍微延長蒸餾時間就會導致柑橘皮粉末焦化；而料液比為1∶6（g/mL）時，其溶劑用量足以使水散作用進行徹底，再增加溶劑用量反而不利于精油的提取。因此，本試驗中料液比以1∶6（g/mL）最為合適。

圖4 料液比對精油出油率的影響結果Fig.4 The effect of solid-liquid radio on essential oil yield from citrus peels

2.5 正交試驗結果分析

本試驗在單因素試驗結果的基礎上，進行蒸餾時間、超聲波處理時間、超聲波功率、NaCl濃度和料液比五因素四水平的正交試驗，優化超聲波輔助提取柑橘皮精油的工藝條件。

2.5.1 正交試驗組合對精油出油率的影響

試驗結果表明，正交試驗的16種組合中，11號試驗A3B3C1D2E4即蒸餾時間20 min、超聲波處理時間15 min、超聲波功率190.0 W、NaCl濃度1.5%和料液比1∶10（g/mL）的條件下，精油出油率最高，達到2.24%，這個組合是本試驗考察范圍內的最佳組合，如表2所示。

表2 不同因素組合對柑橘皮精油出油率的影響Table 2 Effects of different combinations of factors on essential oil yield from citrus peels

續表2 不同因素組合對柑橘皮精油出油率的影響Continue table 2 Effects of different combinations of factors on essential oil yield from citrus peels

2.5.2 5個因素對精油出油率的影響程度

從表 2可以看出，極差值 RA＞RE＞RC＞RB＞RD，由此可知，5個因素對柑橘皮精油出油率影響的先后順序為蒸餾時間＞料液比＞超聲波功率＞超聲波處理時間＞NaCl濃度。通過方差分析可知，正交試驗中的蒸餾時間、超聲波處理時間、超聲波功率和料液比4個因素對柑橘皮精油出油率的影響較大，均達到了極顯著的水平，而NaCl濃度對柑橘皮精油的出油率沒有顯著的影響，如表3所示。

表3 不同因素組合對柑橘皮精油出油率影響的方差分析Table 3 Anova analysis of effects of different combinations of factors on essential oil yield from citrus peels

2.5.3 五因素出油率趨勢分析柑橘皮精油提取的最佳工藝組合

以柑橘皮精油的出油率為指標，繪制5個因素的水平趨勢圖，如圖5～圖9所示。

柑橘皮精油提取的最佳工藝組合可能是A4B2C1D2E2，即蒸餾時間25 min、超聲波處理時間10 min、超聲波功率190.0 W、NaCl濃度1.5%、料液比1 ∶6（g/mL）。

本試驗進一步驗證了A4B2C1D2E2組合，其柑橘皮精油的出油率為2.18%，低于A3B3C1D2E4組合。因此，正交試驗所得的最佳工藝組合A3B3C1D2E4是本試驗考察范圍內柑橘皮精油提取的最佳工藝組合，即蒸餾時間20 min、超聲波處理時間15 min、超聲波功率190.0 W、NaCl濃度1.5%和料液比 1∶10（g/mL）。

圖5 不同蒸餾時間出油率趨勢變化圖Fig.5 The level trend of distillation time on essential oil yield

圖6 超聲波處理時間趨勢變化圖Fig.6 The level trend of ultrasonic time on essential oil yield

圖7 超聲波功率趨勢變化圖Fig.7 The level trend of ultrasonic power on essential oil yield

圖8 NaCl濃度趨勢變化圖Fig.8 The level trend of NaCl concentration on essential oil yield

2.6 超聲波輔助水蒸汽蒸餾法提取柑橘皮精油的成分分析

超聲波輔助水蒸汽蒸餾法提取柑橘皮精油GCMS總離子流圖見圖10，柑橘皮精油揮發物質的化學組成見表4。

圖9 超聲波功率趨勢變化圖Fig.9 The level trend of solid-liquid radio on essential oil yield

圖10 超聲波輔助水蒸汽蒸餾法提取柑橘皮精油GC-MS總離子流圖Fig.10 Total ion current chromatograms of the essential oil from the citrus peel extracted by water steam distillat

表4 超聲波輔助水蒸汽蒸餾法提取柑橘皮精油的化學組成Table 4 Ultrasonic auxiliary steam distillation extraction of citrus peel oil chemical composition

在本試驗柑橘皮精油總共檢測出31種物質，含量占峰面總面積的98.37%，D-檸檬烯是柑橘皮精油含量最高的一種物質，其相對含量達到84.22%，其次為萜品烯（6.55%），月桂烯（1.67%），α-蒎烯（1.13%），芳樟醇（0.87%），其他檢測出的成分相對含量均未達到1%以上。通過成分歸類分析表明，柑橘皮精油成分主要是單萜物質，共11種，占總面積96.07%，其次是為單萜含氧衍生物11種，占1.54%。此外還有少量的脂肪族、倍半萜、倍半萜含氧衍生物等。

續表4 超聲波輔助水蒸汽蒸餾法提取柑橘皮精油的化學組成Continue table 4 Ultrasonic auxiliary steam distillation extraction of citrus peel oil chemical composition

3 結論與討論

本文采用正交試驗方法優化了超聲波輔助水蒸汽蒸餾法提取柑橘皮工藝，柑橘皮精油的最佳提取工藝條件為蒸餾時間20 min、超聲波處理時間15 min、超聲波功率 190.0 W、NaCl濃度 1.5%和料液比1∶10（g/mL），在此條件下的柑橘皮精油出油率為2.24%。精油呈現無色透明，雜質很少，有柑橘皮的芳香、濃郁，油品高。對柑橘皮精油測出31個組分，主要成分為D-檸檬烯，相對含量達到了84.22%，這與林夢雅[23]文中提到的柑橘皮精油中含32%～96%的D-檸檬烯相吻合，其次為萜品烯（6.55%），月桂烯（1.67%），α-蒎烯（1.13%），芳樟醇（0.87%）。其中D-檸檬烯含量最高，相對含量達到84.22%，這與李翔等[22]的研究成果檸檬烯（56.21%）、月桂烯（5.4%）、芫荽醇（6.1%）等萜類化合物為柑橘皮精油的主要成分大體上相吻合。本文采用超聲波輔助水蒸汽蒸餾法提取柑橘皮精油，可有效提取出除D-檸檬烯外的其它精油組分，盡管試驗結果不能與前人發表的文章完全一致[16-18]，從提取的效果上來看優化后的提取檸檬烯的效果較為明顯好于前人，這與試驗的設計和技術提升有密切的關系。

當前柑橘產業正面臨前所未有的災難，其主要是由病害黃龍病和蟲害桔小實蠅造成的，怎樣增加柑橘的深加工水平，增加農民收益是目前柑橘發展一項重要內容。而充分利用柑橘皮，對已經遭受桔小實蠅影響的柑橘進行收購提煉精油，有益于增加柑橘的高附加值。D-檸檬烯在許多植物精油中都存在，據相關報道檸檬烯對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌等具有較好的抑制效果，尤其對啤酒酵母和面包酵母抑制效果更佳，具有廣譜抗菌性。在食品工業中，檸檬烯可作為天然防腐劑；在香料工業中，可用于化妝品、皂用及日用化學品的香精，都具有很好的效果。這些都顯示了柑橘皮精油具有潛在巨大的研究前景和應用價值，值得進一步深入研究。