超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取檸檬精油的工藝優化①

馬 擎 屈巖峰 賀書珍 張彥軍 初 眾

(1黑龍江東方學院食品與環境工程學部 黑龍江哈爾濱 150086;2海南興科熱帶作物工程技術有限公司 海南萬寧571533;

3中國熱帶農業科學院香料飲料研究所 海南萬寧571533)

檸檬（Citrus limon）為蕓香科（Rutaceae）柑橘屬（Citrus）多年生熱帶特色果樹，素有“天然檸檬酸倉庫”之美譽。現在海南主要種植的檸檬品種為海南青檸檬和香水檸檬，主要用于榨汁和烹飪調味料。海南的青檸檬是檸檬中品質最好的，皮薄而多汁，氣味清淡，被稱為“東南亞美人”。香水檸檬的果實形狀細長無核，最大的特點是果皮味道甜美。近年來，海南檸檬種植面積不斷增加，除直接銷售鮮果外，檸檬產品種類也逐漸豐富，如檸檬果茶、果醋、果酒等［1］。檸檬產品在加工時會產生大量皮渣廢棄物，其中含有豐富精油［2］，檸檬精油屬復合有機化合物，通常用作飲料、食品、化妝品和家用產品中的助產品［3］，有調節神經元傷害性和疼痛反應的能力［4］。目前，精油的提取和分離技術主要有蒸餾法、微波輔助法、溶劑法、壓榨法、分子蒸餾法、超臨界流體法等［5-6］。從檸檬皮渣中分離油常見方法主要是冷壓（CP）。蒸餾法被認為最經濟的方法。鄧紅梅等［7］采用超聲波輔助、索氏及同時蒸餾萃取法提取檸檬精油，超聲波輔助和索氏2種方法因其提取過程中溶劑的參與，造成色素等其他雜質析出，顏色較深且黏稠。賀紅宇等［8］發現，有機溶劑法提取檸檬精油中的含氧化合物相對含量較高，且因殘留有機溶劑，產品一般不可為食品所用。因此，本試驗在前人研究成果基礎上，系統開展超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取海南檸檬精油，并通過精油得率對其工藝優化，為海南檸檬的開發利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

2種海南檸檬：香水檸檬和青檸檬；于2018年8月采自海南中國熱帶農業科學院香料飲料研究所檸檬種植園。

水分快速測定儀，美國OHAUS公司；超聲提取儀，寧波新芝生物科技股份有限公司；電子天平YP50001，邢臺慧思科技有限公司；揮發油測定器M5960，北京中西遠大科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 原料預處理

不同前處理方式：新鮮檸檬取皮剪成1 cm2小塊備用；新鮮檸檬取皮放置50℃烘箱內烘干后剪成1 cm2小塊備用。檸檬皮烘干至含水量≤10%。

1.2.2 提取工藝流程

檸檬皮（分為新鮮和烘干2種）→將檸檬皮剪碎（1 cm2左右大小）→浸泡超聲→蒸餾提取→檸檬精油。

1.2.3 檸檬精油得率計算

檸檬精油得率計算方法參考廖玉琴等［9］研究方法：檸檬精油得率計算方法t＝m1∕m×100%。

其中，t—檸檬精油得率（%）；m1—檸檬精油質量（g）；m—在干基條件下稱取的檸檬皮質量（g）。

1.2.4 單因素實驗

（1）料液比的影響：稱取30 g低溫烘干后過的青檸檬皮，在料液比為1∶7，1∶9，1∶11，1∶13，1∶15（m∶V，下同）條件下，超聲40 min，煮沸，蒸餾提取6 h，分析料液比對精油得率的影響。

（2）超聲時間的影響：稱取30 g低溫烘干后過的青檸檬皮，在料液比1∶13的條件下分別超聲20、30、40、50、60 min后，煮沸，蒸餾提取6 h，分析超聲時間對精油得率的影響。

（3）蒸餾時間的影響：稱取30 g低溫烘干后過的青檸檬皮，在料液比1∶13，超聲40 min，煮沸蒸餾，分別提取2、4、6、8、10 h，分析蒸餾時間對精油得率的影響。

1.2.5 響應面法優化提取工藝

選取料液比、超聲時間、蒸餾時間3個因素為單因素，以精油得率為評價指標，進行3因素3水平響應面優化試驗，其因素水平表的設計如表1。

表1 試驗因素水平表

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 精油得率受料液比的影響

一般來說，料液比的增加可以使物料的“水分散”效果更充分，但隨著物料與液體的比例持續增加，“水分散”的程度不會大大提高［10］，而溶劑蒸發所需要的加熱時間在增加，并且在該過程中檸檬精油的分解量不斷增加，導致精油的產率降低。由圖1可知，隨著物料與液體的比例增加，檸檬精油的得率逐漸增加。當物料與液體的比例達到1∶13時，精油的得率最大。此時，物料與液體的比例繼續增加，得率則開始降低。因此，選擇料液比為1∶13更為合適。

2.1.2 精油得率受超聲時間的影響

由圖2可知，由于50 min前超聲提取時間越長，精油溶解越充分，提取率就越高。所以在超聲時間為50 min之前，精油的得率隨著超聲時間的增加而增加，在50 min時達到最大值，50 min后得率隨著超聲時間的增加而減小。當時間超過50 min時，精油中的一些不穩定成分被破壞或成分被揮發。乳化加劇和其他因素的增加，導致產量下降。因此，本實驗選擇50min為最佳超聲提取時間。

圖1 精油得率受料液比的影響

圖2 精油得率受超聲時間的影響

2.1.3 精油得率受蒸餾時間的影響

由圖3可知，隨著蒸餾時間的延長，檸檬精油的得率逐漸增加。蒸餾一段時間后，精油的得率得到平衡。這是因為檸檬中的精油基本上是在蒸餾時間達到6 h后，已經蒸餾完全，即使蒸餾時間延長，獲得的精油量也不會增加。

圖3 精油得率受蒸餾時間的影響

2.2 響應面優化青檸檬精油提取工藝

2.2.1 響應面試驗設計及結果

在以料液比，超聲時間及蒸餾時間為單因素的基礎上，設計的響應面優化試驗設計結果見表2。

表2 試驗設計及試驗結果

應用Design Expert 8.0.6軟件，以料液比、超聲時間和蒸餾時間為單因素，精油得率為評價指標，對表2的數據進行二次多項式擬合，得到以下預測模型：

精油得率＝2.04+0.093A+0.036B+0.16C-0.038AB+0.044AC+0.14BC-0.20A2-0.11B2-0.25C2

由表3可知，p值小于0.01，響應面回歸模型表示達到顯著水平，其失擬項值為0.467 9（p＞0.05），不顯著；相關系數R2=0.968 0，R2Adj=0.926 9，說明該模型與實際實驗擬合性良好，此模型可行。由F值可知，回歸模型中各因素對精油的得率的影響大小順序為C＞A＞B，即：提取時間＞料液比＞超聲時間。模型中A、B、A2、B2的影響顯著（p＜0.05），C、C2對精油得率的影響極顯著（p＜0.01）；此模型的CV為4.09，該模型反映響應值的變化程度較好。

表3 方差分析表

2.2.2 因素交互作用對精油得率的影響

等高線的形狀反映了相互作用的程度，如果它是圓形的，則相互作用不顯著；如果它是橢圓形，則相互作用是顯著的。通過分析等高線和響應曲面來進一步檢查各種因素之間的相互作用。

2.2.2.1 料液比和超聲時間的交互作用

圖4 料液比和超聲時間對檸檬精油得率的影響

料液比和超聲時間對精油得率的影響見圖4。將料液比和超聲時間固定在0水平上，在超聲時間一定時，精油得率隨著料液比提高而上升，料液比1∶12～1∶14時有最大值。在料液比一定時，精油得率受超聲時間的影響不大。兩者之間的相互作用對響應值幾乎沒有影響。從等高線可以看出，料液比對精油得率的影響大于超聲時間，這與方差分析的結果一致。料液比在1∶12～1∶14和超聲時間在45～55 min時，精油得率有最大值。

2.2.2.2 料液比和蒸餾時間的交互作用

將料液比與蒸餾時間在0水平時固定，料液比和蒸餾時間的交互作用對精油得率的影響見圖5。隨著料液比和蒸餾時間的增加，精油的得率緩慢下降，并且響應表面的坡度是平緩的。由等高線來看，兩者之間的相互作用對響應值沒有顯著影響。料液比在1∶12～1∶14和蒸餾時間7～9h時，精油得率有最大值。

圖5 料液比和蒸餾時間對檸檬精油得率的影響

2.2.2.3 超聲時間和蒸餾時間的交互作用

固定超聲時間和蒸餾時間在0水平，超聲時間和蒸餾時間的交互作用對精油得率的影響見圖6，并且兩者之間的相互作用對于對響應值而言并不顯著。從等高線的形狀來看，蒸餾時間對精油得率的影響要更大一些。提取時間在45～55 min，蒸餾時間7～9 h時，精油得率取得最佳值。

圖6 超聲時間和蒸餾時間對檸檬精油得率的影響

2.2.3 驗證試驗

由軟件分析可以得出超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取檸檬精油最佳工藝參數為：料液比為1∶13.78，超聲時間為51.09 min，蒸餾時間為8.64 h，在干基百分含量下精油得率為2.09%，結合驗證試驗可操作性，調整參數為：料液比為1∶14，超聲時間為51 min，蒸餾時間為8 h，以此條件進行驗證試驗，測得精油得率為2.08%，同理論預測值相近，可以利用該模型來優化海南青檸檬精油的提取工藝條件。

2.3 檸檬精油的分析比較

2.3.1 檸檬精油色澤的比較

通過水蒸氣蒸餾法提取4種檸檬精油（青檸檬鮮皮、青檸檬干皮、香水檸檬鮮皮、香水檸檬干皮）。4種精油都呈淺黃色透明油狀液體，但是同種檸檬，由于烘干后檸檬皮顏色變深，新鮮檸檬皮提取出來的精油顏色要比烘干后檸檬皮顏色淺，在原料前處理條件相同時，由于香水檸檬的顏色比青檸檬的顏色偏黃，所以從香水檸檬皮中提取出來的精油顏色要深于從青檸檬皮中提取出來的精油。

2.3.2 檸檬精油得率的比較

在相同的提取條件下，新鮮的海南青檸檬皮的精油得率最高，達到2.13%。新鮮香水檸檬皮的精油得率僅次于新鮮海南青檸檬皮精油得率，也達到了2.08%。由于檸檬皮在烘干的過程中有部分精油損失，所以烘干后檸檬皮精油得率普遍低于新鮮檸檬皮的得率。烘干后海南青檸檬皮和香水檸檬皮的精油得率分別為2.07%和1.94%。

3 討論與結論

在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken中心組合設計3因素3水平的響應面試驗，對海南青檸檬精油的提取工藝條件進行優化。其最佳工藝條件為：料液比為1∶14，超聲時間為51 min，蒸餾時間為8 h。利用此工藝參數得到的精油得率為2.09%，分析結果可為檸檬精油的應用提供借鑒。

侯濱濱等［11］試驗表明，微波輔助水蒸氣蒸餾提取檸檬果皮精油的最佳條件為微波350 W輻射3 min，果皮直徑2 mm，加NaCl比例為3%，每100 g檸檬皮出油率達1.34 mL。王偉等［12］選用石油醚為浸提溶劑，液料比1∶16、超聲時間50 min、超聲功率90%、破碎度20目，得出檸檬皮精油的提取率為2.45%。相比于傳統水蒸氣蒸餾提取，工藝提取時間相似，但提取率明顯提高，而相比于微波輔助水蒸氣蒸餾提取和超聲輔助有機溶劑，在提取相同量的檸檬精油時，所消耗的成本大程度降低。所以，超聲波輔助水蒸汽蒸餾提取檸檬精油是提取精油的有效方法。