超临界CO2脱除大红橙油中萜烯类成分的工艺优化

付复华，潘兆平，谢秋涛，尚雪波，单 杨

（1.湖南省农产品加工研究所，湖南 长沙 410125；2.湖南省食品测试分析中心，湖南 长沙 410125；3. 湖南省农业科学院，湖南 长沙 410125）

超临界CO2脱除大红橙油中萜烯类成分的工艺优化

付复华1，潘兆平1，谢秋涛1，尚雪波2，单 杨3

（1.湖南省农产品加工研究所，湖南 长沙 410125；2.湖南省食品测试分析中心，湖南 长沙 410125；3. 湖南省农业科学院，湖南 长沙 410125）

以大红橙油为研究对象，以采用GC-MS法分析确定的目标萜烯为脱除对象，以萃取压力、温度、时间和CO2流量为单因素，通过正交试验优化超临界CO2技术脱除萜烯类成分的工艺。结果表明：大红橙油中D-柠檬烯等目标萜烯相对含量为91.00 %；当萃取压力12 Mpa，萃取温度60 ℃，萃取时间2.5 h，CO2流量12 L/h时，脱萜效果最佳，萃取相中目标萜烯相对含量达94.87 %；采用超临界CO2萃取技术分离大红橙油中的萜烯类物质，可以将目标萜烯类物质相对含量降低到73.84 %。

橙油；超临界CO2；萜烯；分离

柑橘精油是常用的一种天然香料，在食品、烟草、日化、医药等领域得到广泛应用。其主要成分是萜烯类、倍半萜烯类以及高级醇类、醛类、酮类、酯类、酚类等组成的含氧化合物，其中90%以上是萜烯类和倍半萜烯类化合物。萜烯类物质对热、光敏感，在空气中容易被氧化，很容易由于加工贮存不当导致被氧化，影响精油的品质和应用［1-2］。因此，降低柑橘精油中萜烯类物质的含量对稳定品质具有重要意义。

目前，国内对柑橘精油的研究主要集中在制取工艺［3-4］、成分分析［5］、抑菌保鲜［6］等方面，对柑橘精油脱萜纯化的研究较少，主要采用减压蒸馏［7］和分子蒸馏［8］的方法。超临界CO2萃取技术因选择性强、安全性好、无溶剂残留等特点，近年广泛应用于油脂［9］和功能性成分［10］以及柑橘精油［11］等挥发性成分的提取。国外还有应用于精油成分分离的研究：Mitsuru等［12］采用超临界CO2连续萃取装置半连续操作和连续逆流操作对佛手柑精油进行脱萜研究；Gironi等［13］利用超临界萃取耦合间歇精馏过程研究外回流对柠檬精油中氧化萜类化合物回收率的影响；Chouchi等［14］在利用硅胶对酸橙皮精油进行除杂浓缩的基础上，再用超临界CO2萃取其中的萜烯类化合物。国内虽然也有超临界CO2萃取技术用于萃取柑橘精油的研究，但一般用于以柑橘皮为原料提取富含萜烯类物质的“粗油”［15-17］，用于对柑橘精油进一步分离纯化的较少。由于柑橘皮中精油含量较少［18］，直接以柑橘皮为原料用于超临界CO2萃取，对设备处理能力要求较高，不利于技术的产业化应用。

研究以湖南主产的大红橙冷榨精油为原料，采用GC-MS定性分析确定大红橙油中主要的萜烯类化合物。利用超临界CO2萃取装置分离其中的萜烯类成分，考察各种试验条件对萜烯类化合物萃取效果的影响，探索最佳萃取条件，以期为提高大红橙油品质，推动地方特色资源综合利用提供理论依据，为超临界CO2萃取技术应用于柑橘精油提取纯化的工业化应用提供借鉴参考。

1 材料与方法

1.1原料与试剂

大红橙油：冷榨（湖南鑫洋食品工业有限公司）；石油醚：沸程30～60℃（分析纯，长沙安泰精细化工有限公司）；甲醇（色谱纯，江苏汉邦科技有限公司）；硝酸、高氯酸（优级纯，国药集团化学试剂有限公司）；草酸、铁氢化钾、硼氢化钠、硫脲、三氧化二砷、无水硫酸钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；金属铅（国药集团化学试剂有限公司）；硫酸氢钠（分析纯，广东光华化学厂有限公司）；异辛烷（色谱纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）。

1.2仪器与设备

HA221-50-06型超临界萃取装置（江苏华安科研仪器有限公司）；DS-1型高速组织捣碎机（江苏金城国胜试验仪器厂）；FA1104型上皿电子天平（上海精科天平）；Agilent 7890C-5975A气相色谱-质谱联用仪，配Agilent 7683B自动进样器、NIST08谱库（美国Agilent公司）。

1.3实验方法

1.3.1精油成分分析与目标萜烯选择采用GC-MS进行分析。GC条件：HP-88型色谱柱为100 m×250 µm×0.25 µm；载气为99.999%氦气，柱前压7.069 9 psi（0.049 MPa），载气流速1 mL/min，平均速率36.262 cm/s，滞留时间1.378 9 min；初始柱温40 ℃，以3 ℃/min升温到220 ℃（保持6 min）；分流比30∶1，分流流量30 mL/min。MS条件：EI离子源，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，电子倍增电压1.835 kV，溶剂延迟4.00 min，EMV模式的增益系数1.00，采集模式为全扫描。

根据GC-MS分析结果，选择主要萜烯化合物作为目标萜烯。

1.3.2超临界CO2萃取橙油中萜烯称取橙油250 g，装入萃取罐中，萃取压力8～16 MPa，萃取温度45～65℃，CO2流量6～14 L/h，萃取0.5～2.5 h，从分离釜底部放出萃取液，称重。

1.3.3单因素试验设计试验在GC-MS分析时未采用外标法校正，所得组分的相对含量不能视为该物质的实际含量，因此不能由相对含量直接计算得出萜烯的萃取率。试验将萃取相质量m和目标萜烯相对含量β两项作为评价指标，综合评价萜烯的萃取效果。

分别以萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流量为影响因素，分析不同条件的萃取条件对萜烯超临界CO2萃取效果的影响，检测指标为萃取相质量和目标萜烯相对含量。

（1）萃取压力：固定萃取温度60 ℃、萃取时间2.0 h、CO2流量10 L/h，分别在萃取压力8、10、12、14、16 Mpa的条件下进行试验，考察在萃取压力对萃取相质量和目标萜烯相对含量的影响。

（2）萃取温度：固定萃取压力10 MPa、萃取时间2.0 h、CO2流量10 L/h，分别在萃取温度45、50、55、60、65 ℃的条件下进行试验，考察萃取温度对萃取相质量和目标萜烯相对含量的影响。

（3）萃取时间：固定萃取压力10 MPa、萃取温度60 ℃、CO2流量10 L/h，分别在萃取时间0.5、1.0、1.5、2.0、2.5的条件下进行试验，考察萃取压力对萃取相质量和目标萜烯相对含量的影响。

（4）CO2流量：固定萃取压力10 MPa、萃取温度60 ℃、萃取时间2.0 h条件下，分别在CO2流量6、8、10、12、14 L/h的条件下进行试验，考察不同CO2流量对萃取相质量和目标萜烯相对含量的影响。

1.3.4正交试验优化为全面考察各因素影响，采用L9（34）正交试验方法，以萃取压力（A）、萃取温度（B）、萃取时间（C）、CO2流量（D）为考察因素，设计试验方案。称取9份橙油，每份250 g，分别按试验方案进行超临界CO2萃取。以萃取相质量和目标萜烯相对含量为评价指标进行综合分析，以得到最优条件。

2 结果与分析

2.1大红橙油成分分析

大红橙油GC-MS分析总离子流图见图1。

应用面积归一法分析得出大红橙油组分及相对含量如表1所示。

图1　大红橙油的总离子流图

根据表1，选择为相对含量分别为0.30%以上、合计达91.00%的β-蒎烯、2-崖柏烯、桧烯、β-月桂烯、D -柠檬烯、莰烯、古巴烯、β-荜澄茄油烯、佛术烯为目标萜烯类化合物。

2.2单因素试验

2.2.1萃取压力的影响由图2可知，在8～12 MPa范围内，萃取压力升高，萃取相质量逐渐增长，萃取压力继续增加，萃取相质量逐渐减少；萃取压力低于10 MPa时，目标萜烯含量随压力升高而增加，当萃取压力高于10 MPa时，目标萜烯含量逐渐下降。这是由于萃取压力升高，超临界液体的密度随之增加，溶解能力提高，使得萃取率增大；同时，超临界压力升高，介电常数随之增大［19］，有利于橙油中醇类、醛类等极性相对较强物质的溶解，但对萜烯等极性相对较弱的物质则具有负相关性。但压力增加同时会导致CO2液体的粘度增大，流动性降低，影响其传质性，从而降低萃取率［16］。综合考虑，选择萃取压力10 MPa为较佳萃取压力。

图2　萃取压力对萜烯萃取效果的影响

2.2.2萃取温度的影响由图3可知，在设定范围内（45～65 ℃），萃取温度升高，萃取相质量增加，其增加速率呈递减趋势；当温度低于55 ℃，萃取温度升高，目标萜烯含量增加，温度继续升高（＞55 ℃），目标萜烯含量逐渐减少。这是由于萃取温度对超临界液体萃取率的影响是双重的：一方面，温度升高使流体挥发度增大、传质速度加快，提高物料的扩散系数；另一方面，温度升高导致液体密度下降，使CO2流体的溶剂化效应下降，物料在流体中溶解度下降，从而降低萃取率［20］。结合图3分析，萃取温度升高，对橙油中极性强、沸点高的醇、醛等含氧化合物溶解度的正影响要比对极性弱、沸点低的萜烯类化合物溶解度的正影响要大，同时，温度过高，可能导致低沸点物质分解［21］。综合考虑，选择60 ℃为较佳萃取温度。

图3　萃取温度对萜烯萃取效果的影响

2.2.3萃取时间的影响由图4可知，随着萃取时间的增加，萃取相质量逐渐增加，其增加速度逐渐变缓；萃取时间的增加，目标萜烯含量逐渐下降。这是由于，虽然萃取时间不会改变超临界CO2的选择性，但随时萃取时间的增加，橙油中醇、醛等扩散速度较慢、相对较难萃取的物质也逐渐被萃取出来，导致分离的总体选择性降低，从而增加了萃取相质量，降低了目标萜烯的相对含量。综合考虑，选择2.0 h为较佳萃取时间。

图4　萃取时间对萜烯萃取效果的影响

2.2.4CO2流量的影响由图5可知，随着CO2流量的加大，萃取相质量逐渐增加，目标萜烯含量逐渐下降。这是由于，CO2流量增加，物料在CO2中的扩散速度随之增加，较快地达到溶解度平衡，可以提高萃取能力，使得橙油中溶解度相对低的强极性物质，醇、醛等含氧化合物也被萃取出来，从而增加了萃取相质量，降低了目标萜烯含量。综合考虑，选择10 L/h为较佳CO2流量。

2.3正交试验

根据单因素试验结果，设计正交试验因素与水平见表2。

图5　CO2流量对萜烯萃取效果的影响

表2　正交试验因子水平表

正交设计方案及结果见表3。由表3可知：以萃取相质量为指标，较优工艺条件为A3B2C3D3，即萃取压力12 MPa、萃取温度60 ℃、萃取时间2.5 h、CO2流量12 L/h，对萃取相质量影响主次因素依次为B（萃取温度）＞A（萃取压力）＞D（CO2流量）＞C（萃取时间）；以萃取相中萜烯相对含量为指标，较优工艺条件为A2B1C1D1，即萃取压力10 MPa、萃取温度55℃、萃取时间1.5 h、CO2流量8 L/h，对萜烯相对含量影响主次因素依次为B（萃取温度）＞A（萃取压力）＞D（CO2流量）＞C（萃取时间）。

根据正交试验结果，选择工艺条件A3B2C3D3、A2B1C1D1分别进行3次平行验证试验。A3B2C3D3萃取相质量与萜烯相对含量为（207.84±3.35）g、（94.87±0.37）%，A2B1C1D1萃取相质量与萜烯相对含量为（196.09±3.23）g、（95.59±0.31）%。综合比较，萃取时间与CO2流量对萃取相质量和萜烯含量影响较小，主要考察萃取温度与压力的影响。从萃取温度与压力的R值比较可知，对萃取相的影响大于对萜烯相对含量的影响。因此，考虑选择A3B2C3D3为最佳条件。同时，虽然不能由萃取相质量与萜烯相对含量直接计算出萜烯的实际萃取率，但可以将萃取相质量与萜烯相对含量的乘积作为评价萜烯萃取效果的参考，分析结果见表3。从表3中以萃取相质量与萜烯相对含量的乘积为评价指标时的正交试验结果可知，A3B2C3D3为最佳条件，验证了前文分析。因此，选择A3B2C3D3作为最佳工艺条件。

2.4萃取相、萃余相成分分析

通过GC-MS方法对采用上述最佳工艺条件所得的萃取相、萃余相进行分析，用峰面积归一法进行定量，原料、萃取相、萃余相中目标萜烯相对含量比较见表4。由表4可知，萃取相的目标萜烯相对含量远高于萃余相的目标萜烯相对含量，表明试验较好地实现了脱除萜烯类成分的目标。萃取相中D-柠檬烯相对含量达83.23 %，可作为进一步纯化制取D-柠檬烯的优质原料。

表4　大红橙油原料、萃取相、萃余相主要萜烯含量比较

3 结 论

（1）利用超临界CO2技术萃取橙油中萜烯类物质的最佳工艺条件为：萃取压力12 MPa，萃取温度60℃，萃取时间2.5 h，CO2流速12 L/h。在该工艺条件下萃取相质量与目标萜烯相对含量为（207.84±3.35）g、（94.87±0.37）%。

（2）采用超临界CO2萃取技术分离橙油中的萜烯类物质，可以将D-柠檬烯等主要萜烯类物质相对含量由91.00 %降低到73.84 %，有利于提高和稳定精油品质，所分离的萜烯类物质可作为D-柠檬烯等化合物的优质来源。

［1］ 汪秋安. 柑桔属精油的制取与应用［J］. 香料香精化妆品，1998，（3）：25-29.

［2］ 徐 宁. 椪柑皮精油脱萜与微胶囊制备研究［D］. 长沙：湖南农业大学， 2014.

［3］ 郭 丽，朱 林，杜先锋. 微胶囊双水相提取柑桔精油的工艺优化［J］. 农业工程学报，2007，23（1）：229-233.

［4］ 虞雯娉，张雨倩，钱 菲，等. 柑橘香精油的微胶囊包埋研究［J］.食品工程，2015，（1）：32-34.

［5］ 付复华，李忠海，单 杨，等. GC-MS法分析三种柑橘皮精油成分［J］.食品与机械， 2010， 26（3）：30-34.

［6］ 张文勇，陈瑛瑛，赵润柱. 柑橘精油对致草莓腐烂的菌种的抑菌效果研究［J］. 中国酿造，2015，34（12）：97-100.

［7］ 陈静静. 高纯度柑桔d-苧烯的提取与纯化技术研究［D］. 重庆：西南大学，2009.

［8］ 王文渊，张芸兰，龙红萍，等. 分子蒸馏技术分离纯化橘皮油中

Optimization of Supercritical CO2Removal Technology of Terpenes from Dahong Orange Essential Oil

FU Fu-hua1，PAN Zhao-ping1，XIE Qiu-tao1，SHANG Xue-bo2，SHAN yang3
（1. Hunan Agriculture Product Produce Institute， Changsha 410125， PRC；2. Hunan Food Testing Analysis Center， Changsha 410125， PRC；3. Hunan Academy of Agricultural Science， Changsha 410125， PRC）

In order to determine the optimum conditions for removal of terpenes from Dahong Orange essential oil by supercritical CO2fluid， target terpenes such as D-limonene was determined as moving object by GC-MS， the effect of extraction pressure， extraction temperature， extraction time and CO2flow rate on extraction efficiency of terpenes were studied， used of single factor and orthogonal array experiments. The result showed that the relative contents of target terpenes was 91.00 %. The highest moving efficiency was achieved under the optimum extraction conditions of pressure 12 MPa， temperature 60 ℃， extraction time 2.5 h， and CO2flow rate 12 L/h， and the relative contents of target terpenes in extraction phase was measured to be 94.87 %. The relative contents of target terpenes in Dahong orange essential oil reduced to 73.84 % from 91.00 % by supercritical CO2extraction technology.

orange essential oil； supercritical CO2； terpenes； removal

TS225.1

A

1006-060X（2016）08-0084-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.08.025

2016-06-12

国家科技支撑计划（2012BAD31B02）；公益性行业（农业）科研专项（201303076）

付复华（1978-），男，湖南攸县人，副研究员，主要从事农产品加工与质量安全研究。