離子液體輔助水蒸氣蒸餾法提取檸檬精油的研究

崔麗佼，于有偉，張小敏，賈慧琳，任輝娟

(山西師范大學 食品科學學院，山西 臨汾 041004)

近年來，隨著人們對生態環境的重視，減少食品工業副產物對環境不利影響的呼聲日益提高[1]。檸檬皮渣是檸檬深加工的副產物，富含檸檬苦素、果膠、精油和膳食纖維等[2]。檸檬精油既可以調味，又具有營養功效，在食品行業具有廣泛的應用價值[3-4]。目前關于檸檬精油的提取有超聲波法、微波法和超臨界流體法等[5]。水蒸氣蒸餾法裝置簡便、容易操作，也符合食品安全要求，目前已在多種植物精油的提取中有所應用[6]。離子液體(ionic liquid)是由無機陰離子和有機陽離子構成的離子型化合物，在黏度、沸點、蒸氣壓和熱穩定性等方面有特殊的理化性質，在天然產物提取領域逐漸得到應用[7-8]。目前在精油、黃酮等提取方面已經有所報道[9-11]。本實驗以新鮮的檸檬皮為主要原料，遴選離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽輔助水蒸氣蒸餾法提取精油，采用單因素和正交實驗對提取精油的條件進行了優化，篩選得到提取檸檬精油的最佳條件，以期為檸檬精油的綜合開發利用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

檸檬：品種為黃檸檬，產地是四川省安岳縣；1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([EMIm]BF4)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIm]BF4)、1-辛基-3-甲基咪唑四

氟硼酸鹽([OMIm]BF4)：純度≥98%，中科院蘭州化學物理研究所監制；無水硫酸鈉：分析純，純度≥99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

500 mL揮發油提取器(帶測定裝置) 鄭州東亞玻璃儀器廠；DZTW調溫電熱套 北京市永光明醫療儀器廠；BS-110S電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司。

1.3 檸檬精油的提取過程

將新鮮檸檬去心留皮，然后將檸檬皮切成一定的顆粒大小，裝入500 mL的蒸餾瓶內，加入210 mL的蒸餾水和一定量的離子液體。用電熱套加熱至沸騰，并在常壓下保持微沸，產生揮發油和水的混合蒸汽，冷凝后即可得到檸檬精油。當提取裝置中精油的油量幾乎不再增加時，停止蒸餾。開啟油水分離器下端活塞，將水緩放出至油層下降至0刻度后靜止片刻，收集上層的淡黃色精油液體。用無水硫酸鈉干燥分離得到純檸檬精油，計算檸檬精油的提取率。

1.4 實驗設計

實驗首先遴選合適的離子液體種類，然后采用單因素實驗研究離子液體濃度、料液比、蒸餾時間和檸檬皮顆粒大小對精油提取率的影響。在單因素實驗的基礎上，采用L9(34)正交實驗進行提取工藝參數優化，得到最佳提取條件。

1.5 檸檬精油提取率計算方法

精油提取率=精油質量/原料質量×100%。

1.6 統計分析

各處理重復3次，采用 DPS 7.05進行數據統計分析，多重比較采用Duncan's新復極差法。

2 結果與分析

2.1 離子液體種類的選擇

稱取4份大小為0.8 mm左右的新鮮檸檬皮顆粒，每份為30 g，放入水蒸氣蒸餾裝置內，加入210 mL蒸餾水，然后分別加入[EMIm]BF4、[BMIm]BF4、[OMIm]BF4)和蒸餾水為溶液濃度的1.5%，蒸餾5 h。收集油水分離器上層的精油，計算精油的提取率。由圖1可知，添加離子液體的實驗組在相同條件下檸檬精油的提取率均顯著高于添加蒸餾水的對照組(p<0.05)。離子液體的種類對檸檬精油的提取率也有一定的影響，隨著離子液體鏈烴基的增大，提取率逐漸降低。其中，添加[EMIm]BF4組的檸檬精油的提取率最高，比對照組高33.5%。因此，接下來的單因素實驗中選擇[EMIm]BF4輔助水蒸氣蒸餾法提取檸檬精油。

圖1 不同離子液體對檸檬精油提取率的影響

2.2 離子液體濃度對檸檬提取率的影響

稱取5組質量為30 g且大小為0.8 mm的新鮮檸檬顆粒，分別裝入500 mL蒸餾瓶中，各加入210 mL蒸餾水，取離子液體[EMIm]BF4調配成溶液濃度的0.5%、1.5%、2.5%、3.5%、4.5%進行單因素實驗。持續蒸餾5 h，然后收集精油，計算精油的提取率。由圖2可知，隨著離子液體濃度的升高，檸檬精油的提取率呈現先上升后降低的趨勢，且離子液體濃度為1.5%時，精油的提取率最高。隨著離子液體濃度進一步增大，精油的提取率開始降低，原因可能與離子液體自身的粘度有關。當離子液體濃度較低時，可能有助于精油從物料表面揮發，因此提取率隨著離子液體濃度的增大而提高。但是當離子液體濃度過大時，體系黏度過大，不利于精油的遷移，從而導致提取率降低[12]。

圖2 離子液體濃度對檸檬精油提取率的影響

2.3 料液比對檸檬精油提取率的影響

稱取5組質量為30 g且大小為0.8 mm的新鮮檸檬顆粒，分別裝入500 mL蒸餾瓶中，各加入120，150，180，210，240 g蒸餾水，持續蒸餾5 h，收集檸檬精油并計算提取率。由圖3可知，隨著料液比的增加，檸檬精油的提取率先升高后降低，當料液比為1∶6時，檸檬精油提取率最高?？赡芰弦罕容^小時，由于加水量太少，體系很快達到飽和，不利于物料中精油的傳遞。當料液比達到1∶6時，蒸餾過程中精油充分游離出來，精油提取率達到最佳效果。料液比再增大時，物料被充分稀釋，不利于揮發，導致精油提取率降低[13]。

圖3 不同料液比對檸檬精油提取率的影響

2.4 蒸餾時間對檸檬精油提取率的影響

稱取5組質量為30 g且大小為0.8 mm的新鮮檸檬顆粒，裝入500 mL的蒸餾瓶內，加入210 mL蒸餾水和濃度為1.5%的離子液體[EMIm]BF4，分別蒸餾1，2，3，4，5 h，收集檸檬精油并計算提取率。由圖4可知，隨著蒸餾時間的增加，檸檬精油提取率逐漸升高。當提取4 h后，隨著提取時間的延長，檸檬精油的提取率并無顯著變化(p>0.05)。原因可能是蒸餾時間較短時，檸檬精油不能充分提?。划斦麴s時間達到4 h時，精油幾乎被完全提取，因此，隨著時間的延長，提取率不再增加[14]。

圖4 蒸餾時間對檸檬精油提取率的影響

2.5 檸檬皮顆粒大小對檸檬精油提取率的影響

稱取5組質量為30 g，大小分別為0.1，0.25，0.5，1.0，1.5，2.0 mm的新鮮檸檬顆粒，裝入500 mL的蒸餾燒瓶內，加入210 mL蒸餾水和濃度為1.5%的離子液體[EMIm]BF4，蒸餾5 h，收集檸檬精油并計算提取率。由圖5可知，在0.1～0.5 mm，隨著顆粒粒度的增大，精油的提取率逐漸升高。當顆粒度大小在0.5 mm時，檸檬精油的提取率最高。隨著顆粒度的進一步增大，檸檬精油的提取率開始降低?？赡苁菣幟势ゎw粒度粉碎太小時，會造成一部分精油損失，因此提取量降低；而過大的檸檬皮顆粒度可能不利于精油從檸檬皮中遷移出來，因此會降低提取率[15]。

圖5 檸檬皮顆粒大小對檸檬精油提取率的影響

2.6 正交實驗

根據單因素實驗的初步結果，將離子液體濃度(A)、蒸餾時間(B)、料液比(C)、顆粒度(D)作為因素，采用L9(34)正交實驗優化檸檬精油的提取條件，結果見表1。

表1 正交實驗結果Table 1 The results of orthogonal experiment

極差R的大小反映各因素對檸檬精油提取率的影響程度。本實驗中，RC=RA>RB>RD，表明離子液體濃度(A)和料液比(C)對檸檬精油提取率的影響最大，其次是蒸餾時間(B)，顆粒度(D)的影響最小。從直觀實驗結果來看，4號處理A2B1C2D3檸檬精油的提取率最高，為0.91%；而由K值分析得出最佳因素水平為A2B2C2D2。經過實驗驗證，在最優組合離子液體[EMIm]BF4濃度為1.5%，蒸餾時間為4 h，料液比為1∶6，檸檬皮顆粒大小為0.5 mm的條件下，檸檬精油的提取率為0.93%。

3 結論

采用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽[EMIm]BF4離子液體輔助水蒸氣蒸餾法提取檸檬精油，隨著離子液體濃度的增加、料液比的增大和檸檬皮顆粒度的增大，檸檬精油的提取率先升高后降低；隨著蒸餾時間的延長，檸檬精油的提取率逐漸增大并達到平衡。離子液體輔助水蒸氣蒸餾法提取精油的最佳工藝條件為[EMIm]BF4濃度為1.5%，蒸餾時間為4 h，料液比為1∶6，檸檬皮顆粒大小為0.5 mm。在此優化的條件下，檸檬精油的提取率為0.93%。