沙田柚皮精油分子蒸馏分离及成分分析

郭畅，傅曼琴，徐玉娟，余元善，唐道邦，王治同

（1.吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林长春 130118）（2.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，农业部功能食品重点实验室，广东省农产品加工重点实验室，广东广州 510610）

沙田柚(Citrus grandis L. Osbeck cv. Shatian)，在我国分布广泛，广东、广西、湖南和重庆等地都有栽培，素有“柚中之王”的美称。柚皮中含有多种活性成分，如：果胶、色素、柚皮甙和精油等，具有一定的药用价值[1]。精油存在于植物果核、果皮中，是常温下能挥发的油状液体物质，是植物中具有芳香气味的重要次生代谢产物[2]。精油具有杀菌、消炎的功效，通常由烯烃、烷烃和醇类等物质组成。柚皮精油因其独特的清香味被人们喜爱，逐渐成为日用品、化妆品中常见的添加剂。精油所含化学成分与很多因素有关，同一种植物的精油由于提取方式不同，其化学成分会有一定差别[3]。植物精油常见的提取方法主要有：水蒸气蒸馏法、冷磨法、冷榨法、超临界CO2流体萃取法、微波辅助萃取法和超声波萃取法等[4]。本研究采用水蒸气蒸馏法与冷磨法提取沙田柚精油。

冷磨油是采用机械方法破坏柚子油胞，同时用喷淋水把油冲洗出来，再通过离心分离而得。由于未经化学处理和热处理，故冷磨油质量最好，价值最高，但操作复杂，提油率低。水蒸气蒸馏法是一种传统提取精油的方法，具有设备简单、易操作和高效等特点[5]，由于精油具有低沸点、密度低于水等特点，使其在加热时可随着水蒸气的挥发出来，与水分层，便于分离。宋平等[6]采用冷压法、水蒸气蒸馏法和CO2超临界萃取法三种方法提取沙田柚柚皮精油，发现水蒸气蒸馏法在提取会导致部分精油成分会挥发或分解，冷压法可以保持沙田柚柚皮精油成分。

分子蒸馏技术是近几年新型的一种用于液-液分离的技术手段[7]，又称为短程蒸馏。是一种常用的高效、无污染的分离及浓缩技术，在高真空度下进行，受热时间较短，能够保证热敏性物质不在分离过程中被破坏，是分离和纯化天然产物的常用方法[8]。杨颖等以分子蒸馏技术对葡萄柚进行脱烯萜类物质精制，发现分子蒸馏对葡萄柚精油具有良好脱萜效果[9]。

本试验分别采用冷磨法与水蒸气蒸馏法提取沙田柚柚皮精油，再通过分子蒸馏对原油进行分馏，将精油中含量高的烯烃分离，使其他组分浓度增高，以便检测。对所得馏分及原油成分进行分析，找出冷、热两种精油的差异成分。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

沙田柚采于广东省梅州市嘉丰果园，挑选颜色、大小、成熟度一致，且表皮无损伤的果实。削皮，去果肉、白色内皮，黄色果皮部分用于精油挥发性成分的提取和分析。

甲醇（色谱纯），美国TEDIA公司；无水硫酸钠、氯化钠（分析纯），天津市大茂化学试剂厂；正构烷烃标准品（C6～C20），美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

GC-MS 6980N/5975B气质联用仪，美国Agilent公司；ME204分析天平，瑞士METTLER公司；YH系列电热器，江苏近湖镇教学仪器厂；柚子磨皮机，新乡市领先轻工机械有限公司；DHY400蝶式分离机，辽阳天兴离心机有限公司；RY-JYTQ-20隔水蒸馏提取植物精油设备，上海锐元机械设备有限公司；MDS-80分子蒸馏装置，广州市浩立生物科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 冷磨油和水蒸气蒸馏油的制备

冷磨油的制备：选取成熟度一致的新鲜沙田柚，放入柚子磨皮机内磨皮，经水流冲洗后得油水混合液，蝶式分离机离心去除水分，进一步加无水硫酸钠脱水得到冷磨油。水蒸气蒸馏油的制备：选取成熟度一致的新鲜沙田柚，取黄色果皮部分，适当剪碎，放入热蒸馏设备中，加热提取精油，待冷却后收集精油，无水硫酸钠脱水得水蒸气蒸馏油。本实验用冷磨油和水蒸气蒸馏油均为广东安田天然精油科技有限公司提供。

1.3.2 分子蒸馏

取100 g冷磨油和水蒸气蒸馏油分别进行分子蒸馏。进料速度0.2～0.3 L/h，真空度为200 MPa，加热温度为35～45 ℃，冷却温度为20～25 ℃，刮磨转速为300 r/min。分别收集轻组分和重组分，备用。以上操作重复三次。

馏分得率按下式计算：

式中：质量单位：g。

1.3.3 精油的气质联用（GC-MS）分析

冷磨原油、水蒸气蒸馏原油、冷磨油的轻组分、冷磨油重组分、水蒸气蒸馏油的轻组分、水蒸气蒸馏油重组分通过甲醇（色谱纯）稀释 20倍后分别在GC-MS联用仪上进行分析。

色谱条件：色谱柱为安捷伦DB-5MS石英毛细柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；升温程序：起始柱温40 ℃，以 10 ℃/min的升温到 70 ℃，保持 3 min，然后以3 ℃/min的升温到190 ℃，保持2 min，再以10 ℃/min的速率升温到250 ℃，保持3 min；载气(He)流速1.0 mL/min，压力2.5 kPa；分流比：20:1；进样量1.0 μL。

质谱条件。电子轰击电子源；电子能量70 eV；传输线温度275 ℃；离子源温度230 ℃；激活电压1.5 V；质量扫描范围m/z50～500。

1.4 精油定性定量分析

定性分析：应用GC-MS联用仪进行鉴定，并利用 C6～C20正构烷烃的保留时间计算各个色谱峰的保留指数。运用计算机谱库（NIST06/WILEY7.0）进行初步检索及资料分析，同时结合文献的保留指数进行比对，确认挥发性物质的各个化学组成。

定量分析：采用总离子流图峰面积归一化法求取各成分相对含量。

1.5 数据统计分析

参考文献[2～14]，使用Origin8.5.1进行绘图，使用SPSS Statistics 20（IBM）进行精油挥发性物质分类及计算。

2 结果与分析

2.1 不同方法的精油提取率

分别采用冷磨法和水蒸气蒸馏法提取沙田柚皮精油，提取率分别为0.82%和 1.68%，冷磨法提取率显著低于水蒸气蒸馏法（p＜0.01），但是所得的冷磨油气味清香、芳香，接近柚皮香味，而水蒸气蒸馏油气味稍辛涩，并伴有煮熟柚皮味。可能是由于水蒸气蒸馏时，温度较高导致异味产生。

2.2 分子蒸馏各馏分得率

图1 分子蒸馏各馏分得率Fig.1 The yields of various fractions by molecular distillation

沙田柚精油分子蒸馏得率如图1所示，冷磨油轻组分为52.79 g，其得率为52.79%、重组分为40.00 g，其得率为40.00%，损失率为7.21%；水蒸气蒸馏油轻组分71.20 g，其得率为71.20%、重组分为22.00 g，得率为22.00%，损失率为6.80%。造成损失可能是由于精油在分馏过程中有少量挥发和部分精油残留在仪器中。

2.3 精油可挥发性成分鉴定结果

图2 正构烷烃总分子流图Fig.2 Total ion flow chart of n-alkanes

在冷磨油、冷磨油轻组分、冷磨油重组分、水蒸气蒸馏油、水蒸气蒸馏油轻组分、水蒸气蒸馏油重组分中分别分离出27、9、27、24、11、24个主要色谱峰，采用Nist06谱库分别对各色谱峰进行检索比较，选择较高匹配度的结果，用面积归一法计算相对含量，根据正构烷烃（见图 2）计算各物质保留指数。其挥发性成分及含量见表 1。查阅相关文献[10～13]，结合数据库信息搜索，对冷磨油和水蒸气蒸馏油及其轻重组分进行对比评价，共鉴定出33种挥发性成分（见表1），共有18种为烯烃类化合物，7种醇类，2种醛类，3种酯类，3种酮类。

沙田柚精油成分的种类与相对含量百分比见表1，结果显示沙田柚精油中主要化合物类型为烯烃类，各组烯烃类化合物含量均大于90%；其中两组轻组分的烯烃类化合物的相对含量均大于99%，说明分子蒸馏的方式能有效的将精油中烯烃类化合物分离。

表1 柚皮精油可挥发性成分及相对含量Table 1 Volatile components and relative content of pomelo peel essential oil

注：“-”为不存在或未检出。

2.4 冷磨油与水蒸气蒸馏油挥发性成分对比分析

由图3可知，两种方法提取的柚皮精油挥发性成分总离子流色谱图大致相同，最高峰均为D-柠檬烯。结合表1的数据对其进行分析，冷磨油共含27种挥发性物质，水蒸气蒸馏油共含24种挥发性物质。冷磨油中检出烯烃16种（占总挥发性成分的97.76%）、醇类4种（0.30%）、酯类3种（0.97%）、醛类2种（0.20%）、酮类 2种（0.70%）；水蒸气蒸馏油检出烯烃 13种（93.55%）、醇类6种（2.26%）、酯类2种（0.46%）、醛类1种（0.28%）、酮类2种（1.43%）。对比两种精油的成分发现，冷、热两种提取方法的共有挥发性成分为14种，占中挥发物质的98%以上，D-柠檬烯是含量最多的物质，其次是β-月桂烯（含量大于2%），与臧燕燕等[14]的分析结果一致。冷磨油特有成分有8种，分别为α-水芹烯、β-罗勒烯、丁香烯、γ-榄香烯、α-松油醇、香茅醛、(1,1’-联环戊基)-2-酮、橙皮内酯，占冷磨油总挥发性成分的 1.50%以上；水蒸气蒸馏油特有成分有6种，分别为4-蒈烯、反式-对-薄荷-2,8-二烯醇、顺式-对-薄荷-2,8-二烯-1-醇、异蒲勒醇、右旋香芹酮，占水蒸气蒸馏油总挥发性成分的 2.74%以上。

图3 冷磨油与水蒸气蒸馏油挥发性成分的总离子流图Fig.3 Total ion flow chart of volatile components in cold grinding oil and steam distilled oil

2.5 冷磨原油与轻重组分对比分析

图4 冷磨油与轻重组分挥发性成分的总离子流图Fig.4 Total ion current diagram of volatile components in cold grinding oil as well as light and heavy components

结合表1的数据对冷磨原油与其轻重组分进行对比分析，冷磨油轻组分中挥发性成分共9种，其中8种为烯烃类（99.08%），1种为醇类（0.03%）。冷磨油重组分中含挥发性成分27种，烯烃16种（占总挥发性成分的 90.97%）、醇类 4种（1.12%）、酯类 3种（6.09%）、醛类2种（0.15%）、酮类2种（1.43%）。冷磨原油、轻组分、重组分共有的成分为蒎烯、β-半水芹烯、β-月桂烯、α-水芹烯、D-柠檬烯、β-罗勒烯、石竹烯、α-松油烯，这9种挥发性成分也为轻组分的全部成分。通过分子蒸馏，将原油中含量较高的轻组分拆分出来，使原油中含量较少的重组分物质浓缩。

2.6 水蒸气蒸馏油与轻重组分对比分析

图5 水蒸气蒸馏油与轻重组分挥发性成分的总离子流图Fig.5 Total ion flow chart of volatile components in steam distilled oil as well as light and heavy components

结合表1的数据对水蒸气蒸馏油与其轻重组分进行分析，水蒸气蒸馏油轻组分中可挥发性成分共 11种，其中6种为烯烃类(99.21%)、3种醇类(0.35%)、1种酯类(0.04%)、1种醛类(0.20%)。重组分中可挥发性成分共24种，其中烯烃类13种(94.17%)、5种醇类(1.84%)、2 种酯类(0.47%)、1 种醛类(0.09%)、2 种酮类(2.86%)。水蒸气蒸馏油原油、轻组分、重组分共有成分为蒎烯、β-半水芹烯、β-月桂烯、α-水芹烯、D-柠檬烯、β-罗勒烯、石竹烯、α-松油烯。

从冷、热两种精油及4部分分馏物的总离子流图可以看出，各部分成分的数量和含量存在一定的差异，轻组分的数量明显小于原油及重组分，轻组分总体由烯烃类化合物组成，而重组分总体组成成分与原油相似，说明通过分子蒸馏手段可以将含量较多的烯烃类物质有效分离出来。

3 讨论

柠檬烯、β-月桂烯是柚子香气成分的主要来源[15]，为柚子果皮提供爽快香气。冷磨油中柠檬烯、β-月桂烯的相对含量均高于水蒸气蒸馏油。冷磨油中未检测出香芹酮，而水蒸气蒸馏油中则含有0.25%的右旋香芹酮，可能是由于柠檬烯在加热条件下，易氧化成具有异味的香芹酮[16]；醛类物质是柑橘类水果的重要香气成分[17]，香茅醛与柠檬醛共同形成清甜的柠檬果香味[18]，由于醛类物质阈值较低，所以即使含量很低，也可以表现出强烈的气味[19]，冷榨油中含有香茅醛、柠檬醛两种醛类，而水蒸气蒸馏油只含有柠檬醛一种，但水蒸气蒸馏油中醛类物质含量为0.28%，冷榨油仅含有0.01%。

沉香醇具有花香味[20]，沉香醇在冷磨油中含量为0.14%，水蒸气蒸馏油中含量为0.13%。酮类化合物在精油中具有辛辣、凉的气味，有研究表明圆柚酮也是柚子精油中重要的特征香味成分[21]，酮类物质在水蒸气蒸馏油中的含量为1.43%，是冷磨油的两倍多。乙酸香叶酯有薄荷的味道，水蒸气蒸馏油比冷榨油中含量高出0.14%。α-松油醇、α-水芹烯、β-罗勒烯是冷磨油中特有的挥发性成分，在常压下蒸馏易分解，α-松油醇带有松油味[22]；α-水芹烯具有新鲜的柑橘-胡椒香气[23]。冷磨油与水蒸气蒸馏油组成成分及相对含量比例存在差异的主要原因为提取温度不同，水蒸气蒸馏油的特有成分可能是精油成分经过加热而转化的产物，也有可能为某些成分化学键裂解所得[24]。

经分子蒸馏分离纯化后，原油中的大部分分子量小、挥发性强的烯烃类物质被分离为轻组分，而一些含量极低的、分子量较大的含氧化合物重组分中得以浓缩，其相对含量增加，更有利于检测分析。因此原油的部分挥发性物质由于其含量较低而被忽略，难以检测，但在重组分中可检测到。冷磨油中松油烯的相对含量由原油中的0.01%增加到0.04%；坎烯由0.07%增加到 0.40%；双环[3.2.1]辛-2-烯，3-甲基-4-亚甲基由 0.01%增加到 0.35%；D-香茅醇由 0.03%增加到0.19%；香茅醛由0.01%增加到0.07%；柠檬醛由0.01%增加到0.08%；橙皮内酯由0.65%增加到5.16%，水蒸气蒸馏油中香橙烯由0.07%增加到0.25%；乙酸香芹酯由0.05%增加到0.15%。这些成分的浓度增加，有利于进一步的定性定量分析，更全面的分析了解柚子精油的挥发性成分。

4 结论

4.1 通过GC-MS结果发现，冷磨法与水蒸气蒸馏法提取的沙田柚皮精油挥发性成分有一定区别。冷磨油的柠檬烯和β-月桂烯比水蒸气蒸馏油中相对含量更高，所以会呈现出更加明显的柚子果皮清香、爽快的气味；由于含有香茅醛，会多一些柠檬的香气；同时冷磨油的特有成分α-水芹烯、β-罗勒烯又为其增添了柑橘、花草的香气，水蒸气蒸馏油则缺少这些香气。水蒸气蒸馏油含有气味不愉快的香芹酮成分，和薄荷味道的乙酸香叶酯。冷磨油可以保留沙田柚柚皮中更多的柚子特有的香气成分，但提取过程相对于水蒸气蒸馏法更繁复，且得率比较低。水蒸气蒸馏法作为传统的提取精油的方法，会在加热过程中失去一部分香气成分，甚至产生刺鼻异味。因此，冷磨法更有利于柚子精油的产业化提取应用。

4.2 本研究采用自动控制低温蒸发的分子蒸馏技术分离沙田柚精油，可快速有效的将沙田柚精油分为轻、重两个组分，轻组分呈澄清透明且99%以上都为烯烃类；重组分呈浅黄色，组成成分与原油基本一致，其醇类、酯类和酮类等含氧化合物含量均有了显著增加。说明利用分子蒸馏方法能有效对沙田柚精油进行分离，将原油中含量较高的烯烃类化合物分离，使含氧化合物得以浓缩，分离出的不同成分按功效用途可应用于不同风味食品、保健食品、化状品和医药等产品中，扩展了柚子精油精深加工的途径。