高压脉冲电场对玫瑰精油得率与化学成分的影响

周亚军，薛长美，张苏苏，姚光明，张 凌，王淑杰

(1.吉林大学食品科学与工程学院,长春 130062;2.吉林大学生物与农业工程学院,长春 130025)

1 前言

玫瑰是花卉栽培行业中最重要的植物之一。全世界大约有200种玫瑰，而栽培品种超过18 000种。玫瑰长期以来一直被用于食品、药品、香料、化妆品和芳香疗法，而且经常被用来提取玫瑰精油，这些精油被香水制造业广泛应用。由于玫瑰花中精油含量低和劳动密集型生产过程，玫瑰精油价格昂贵，因此在国际市场上被称为“液体黄金”。玫瑰的品种对精油的质量有很大影响，例如大马士革玫瑰（Rosa damascena Mill.），法国蔷薇（Rosa gallica L.），麝香玫瑰（Rosa moschata Herrm.），百叶蔷薇（Rosa centifolia L.）和其它等。大马士革玫瑰主要种植在土耳其、保加利亚、摩洛哥、伊朗、南俄罗斯、法国南部、中国、意大利南部、利比亚和乌克兰。

精油一般是从植物中提取的油类化合物，提取方法有很多，如水蒸气蒸馏、真空蒸馏、溶剂萃取和超临界CO2萃取等。产地、收获季节和天气会影响精油含量和性质，提取方法对精油品质起到重要作用。水蒸气蒸馏是提取精油的一种传统经济方法，而且一直延续至今。尽管这种方法得率低，但是却容易操作，一些方法已经在尝试使用以用来提高精油得率和性质。溶剂萃取虽然可以提高精油得率，但是存在溶剂残留问题。而超临界CO2萃取由于成本高受到限制。

近几年，高压脉冲电场成为国际食品研究领域的一种新兴技术。它是基于外部电场使真核细胞膜电穿孔从而提高溶质扩散的原理。最近发现高压脉冲电场被广泛用于天然产品中活性成分的提取，不但不会影响产品质量而且会提高活性成分的提取效率。由于非热耗、快速、有效、低功率和低污染的优点，被广泛用于食品的巴氏灭菌和天然物质中有效成分的提取。这是一种提取活性成分的新型潜在的方法。

本研究中，为了利用当地玫瑰资源和提高精油得率，使用高压脉冲电场辅助水蒸气蒸馏的方法提取玫瑰精油。研究了电场强度，脉冲数和蒸馏时间对精油得率的影响。同时，精油得率和组成与水蒸气蒸馏得到的精油进行对比分析。

2 材料与方法

2.1 植物材料

大马士革玫瑰采摘于吉林省长白山的玫瑰花园，在玫瑰开花季（6月～7月）的早上（5：00～7：00am）人工采摘。选择半开花朵采摘并放置过夜以去除过多的水分，然后贮藏在-20℃冰箱中备用。Mohamadi 等人报道花瓣在低温（-20℃）下冻藏可以保存3周，其精油得率和成分不会有显著变化。

2.2 高压脉冲电场处理系统

本研究应用的高压脉冲电场装置是由吉林大学食品科学与工程学院电技术研究室提供，主要由脉冲电源发生装置、示波器、处理室和泵四部分构成。

该装置可以产生以指数衰减的双三角脉冲波形，脉冲持续时间为2μ s。频率范围为1 000Hz～3 000Hz；处理室是由两个间隔0.1cm不锈钢电极组成，长度为0.15cm，截面直径为0.1cm。使用过程中示波器用来指示脉冲电场的波形、电流和电压值。

取制备好的样品，以10mL/min的流速通过高压脉冲电场装置进行电场处理，经脉冲电压处理后收集到容器中，此过程为连续处理过程。工作过程中的电压值、电流值及其波形由示波器指示，可通过调节频率和电压值来改变高压脉冲电场的电场强度和脉冲数，处理后立即进行水蒸气蒸馏提取。实验中，电场强度范围为10～30kV/cm，脉冲数范围为4～12。脉冲数、电场强度和处理时间分别用公式（1）（2）（3）表示：

其中，r表示处理室半径，0.05cm；l表示发生器两电极之间的距离，0.1cm；f表示频率，Hz；q表示流量，10ml/min；E表示电场强度，kV/cm；Vpp表示示波器上显示的输入电压，kV；Q表示样品体积，630ml；T为63min。

2.3 实验步骤

2.3.1 PEF辅助水蒸气蒸馏提取

取100g玫瑰花和600ml蒸馏水混合，用胶体磨打成匀浆，然后用高压脉冲电场处理，处理后的样品立即进行水蒸气蒸馏，其中，样品中加入10%NaCl。Shamspur等报道称NaCl可以提高精油得率（21%）且不会明显改变精油组成。蒸馏温度为常压下水的沸点温度（100℃）。

实验测定了电场强度（10，15，20，25和30kV/cm），脉冲数（4，6，8，10和12）和蒸馏时间（0.5，1，1.5，2和2.5）对精油得率的影响，精油得率用百分比表示（w/w）。得到的精油用无水硫酸钠干燥并进行称重，然后保存在4℃冰箱中备用。

2.3.2 PEF与传统方法比较

PEF与传统水蒸气蒸馏所用的原材料相同。

（1）水蒸气蒸馏法

100g玫瑰花瓣与600ml蒸馏水混合，用胶体磨打成匀浆，加入10%NaCl，然后进行水蒸气蒸馏，蒸馏时间分别设置为2，3，4和5h。

（2）100g玫瑰花瓣与600ml蒸馏水混合，用胶体磨打成匀浆，进行高压脉冲电场处理，然后在最优条件下进行水蒸气蒸馏。

2.4 成分分析

用气象色谱-质谱联用仪（GC/MS，Shimadzu QP2010）测定精油成分及相对含量，其毛细管填充柱为Rxi-5（30mm×0.25mm，0.25μm）。首先，将2μL玫瑰精油样品加入到1ml正己烷中，混合均匀后，取1μl液体注入GC-MS仪。实验条件如下：75℃保持2min，以2.5℃/min升至210℃，再以10℃/min升至240℃，保持5min；进样口温度260℃，检测器温度250℃。载气（he）流量1.0ml/min，进样量1μL，分流比5∶1。质谱：电子轰击离子源，电子能量：70eV，离子源温度200℃，质量扫描范围40～350amu。

通过GC-MS分析，得到玫瑰精油的总离子图谱（TIC），对比标准谱库NIST，经数据处理系统进行自动检索，结合化合物保留时间、峰面积匹配度并参考相关文献进行比较，鉴定出玫瑰精油化学成分，利用峰面积归一法计算各组分的相对含量。

2.5 数据分析

所有实验平行测定3次，计算平均值。用SPSS13.0进行方差分析。

3 结果与讨论

3.1 电场强度对精油得率的影响

通过改变电压来调节电场强度，如图1所示，电场强度对玫瑰精油得率影响明显。电场强度在10～20kV/cm之间时，玫瑰精油得率随电场强度的增加而上升，玫瑰精油得率在电场强度为20kV/cm时达到最大，此后继续增加电场强度，玫瑰精油得率反而下降。可能原因是增加电场强度会使玫瑰花瓣表面电荷量增加，导致玫瑰花瓣细胞内外电位差增大，当其高于细胞膜的临界电位时，细胞膜被击穿，细胞结构被破坏，有利于挥发性成分被蒸馏出，增加了提取量。但过大的电场强度，可能对玫瑰精油的结构产生不利影响，使玫瑰精油得率降低。这与先前的研究有相似的趋势。因此，选择适宜的电场强度为20kV/cm。

图1 电场强度对玫瑰精油得率的影响

3.2 脉冲数对精油得率的影响

脉冲数通过改变频率进行调节，从图2可以看出精油得率与脉冲数有相关性。当脉冲数小于8时，随着脉冲数的增加，玫瑰精油得率明显增加；当脉冲数大于8时，玫瑰精油得率随脉冲数的增加而减少；在脉冲数为8时，玫瑰精油得率最高（0.102%）。根据前人的研究发现，这是由于增加脉冲个数，细胞破坏程度增加，玫瑰精油得率增加；但过大的脉冲数反而使玫瑰精油得率降低。因此，选择适宜脉冲数为8个。

图2 脉冲数对玫瑰精油得率的影响

3.3 蒸馏时间对玫瑰精油得率的影响

图3 蒸馏时间对玫瑰精油得率的影响

蒸馏时间对玫瑰精油得率的影响如图3所示。蒸馏时间在0.5～2.0h范围内，玫瑰精油得率随蒸馏时间的延长而不断增加，玫瑰精油得率在蒸馏时间为2h时达到最大值（0.101%），精油得率提高64%。这是因为蒸馏时间不足2h时，仍有部分挥发性成分存在于玫瑰花瓣组织中。蒸馏时间大于2h后，增加蒸馏时间，玫瑰精油得率降低，这可能是由于玫瑰精油发生了重吸收。可以看出经高压脉冲电场处理后，最适蒸馏时间为2h。

3.4 PEF与传统方法比较

图4 不同方法对玫瑰精油得率的影响

根据实验结果，高压脉冲电场辅助提取的精油的条件电场强度为20kV/cm，脉冲数为8，蒸馏时间为2h。两种方法（水蒸气蒸馏和PEF辅助水蒸气蒸馏）测得的精油得率如图4所示，由图可以看出，蒸馏时间在2～4h范围内，玫瑰精油得率随蒸馏时间的延长而不断增加，4～5h范围内，得率略有减少，这与Baydar的研究趋势相同，他称蒸馏时间延长至3h时精油得率呈上升趋势。显然，蒸馏时间为4h时，精油得率达到最大为0.072%。由图可以看出，PEF辅助水蒸气蒸馏过程中，蒸馏时间为2h时，玫瑰精油得率达到0.105%，比水蒸气蒸馏2h时得率提高50%。高温长时间蒸馏会导致精油成分的化学性质改变和挥发性成分流失。因此，PEF辅助水蒸气蒸馏是提取玫瑰精油的一种有效方法，可以提高精油得率并且缩短提取时间。

3.5 化学分析

表1列出了两种方法提取的精油成分，水蒸气蒸馏和PEF辅助水蒸气蒸馏得到的玫瑰精油分别有45和50化合物，分别占挥发油总量77.69%和89.33%，两种方法得到的精油中有36种相同的成分。如表1所示，两种方法得到的精油中主要成分为芳樟醇、香茅醇、香叶醛、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。两种方法得到的精油中大多数化合物相同，其中包括很多主要的呈香成分。因此，可以看出PEF辅助水蒸气蒸馏提取玫瑰精油没有改变精油成分。

表1 水蒸气蒸馏与PEF辅助提取玫瑰精油的化学成分（%）对比结果

续表

许多研究者报道称高含量的单萜醇如香茅醇、橙花醇、香叶醇、芳樟醇和苯乙醇对精油呈香起到重要作用。本研究中，香茅醇含量相对较低，而苯乙醇和香茅醛没有检测到。由于生态因素或遗传变异，大马士革玫瑰中香茅醇和苯乙醇含量较低。

玫瑰精油的总体质量受玫瑰氧化物及香茅醇的影响。两种方法得到的精油中顺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）。在化妆品和调味剂中，甲基丁香酚是一种重要的香味物质，然而，其超过一定浓度后对人体产生副作用。实验发现不同方法使甲基丁香酚相对含量增加，而丁香酚含量没有改变。

水蒸气蒸馏得到的精油中含有较多的碳氢化合物，由于低含量的碳氢化合物有利于提高玫瑰精油品质，因此，PEF辅助水蒸气蒸馏得到的玫瑰精油质量较好。PEF辅助提取得到的精油中萜烯类化合物含量较高，可能是由于高压脉冲电场处理有助于挥发性化合物释放，所以化合物种类增加。除此之外，不同电场强度和脉冲数对玫瑰精油成分的影响需要进一步研究。

4 结论

根据实验结果，在电场强度为20kV/cm，脉冲数为8和蒸馏时间2h条件下，高压脉冲电场辅助提取不仅可以提高精油得率而且可以缩短蒸馏时间。高压脉冲电场通过静电作用力提高挥发性成分从花瓣组织中释放。作为一种有希望的技术，PEF在活性物质提取方面具有广阔的发展空间。

致谢 感谢吉林大学对于本研究的财务支持，感谢食品科学与工程实验室人员的慷慨支持。

（编译自：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）