超声辅助水蒸气蒸馏法提取柠檬精油的工艺优化①

马 擎 屈岩峰 贺书珍 张彦军 初 众

(1黑龙江东方学院食品与环境工程学部 黑龙江哈尔滨 150086;2海南兴科热带作物工程技术有限公司 海南万宁571533;

3中国热带农业科学院香料饮料研究所 海南万宁571533)

柠檬（Citrus limon）为芸香科（Rutaceae）柑橘属（Citrus）多年生热带特色果树，素有“天然柠檬酸仓库”之美誉。现在海南主要种植的柠檬品种为海南青柠檬和香水柠檬，主要用于榨汁和烹饪调味料。海南的青柠檬是柠檬中品质最好的，皮薄而多汁，气味清淡，被称为“东南亚美人”。香水柠檬的果实形状细长无核，最大的特点是果皮味道甜美。近年来，海南柠檬种植面积不断增加，除直接销售鲜果外，柠檬产品种类也逐渐丰富，如柠檬果茶、果醋、果酒等［1］。柠檬产品在加工时会产生大量皮渣废弃物，其中含有丰富精油［2］，柠檬精油属复合有机化合物，通常用作饮料、食品、化妆品和家用产品中的助产品［3］，有调节神经元伤害性和疼痛反应的能力［4］。目前，精油的提取和分离技术主要有蒸馏法、微波辅助法、溶剂法、压榨法、分子蒸馏法、超临界流体法等［5-6］。从柠檬皮渣中分离油常见方法主要是冷压（CP）。蒸馏法被认为最经济的方法。邓红梅等［7］采用超声波辅助、索氏及同时蒸馏萃取法提取柠檬精油，超声波辅助和索氏2种方法因其提取过程中溶剂的参与，造成色素等其他杂质析出，颜色较深且黏稠。贺红宇等［8］发现，有机溶剂法提取柠檬精油中的含氧化合物相对含量较高，且因残留有机溶剂，产品一般不可为食品所用。因此，本试验在前人研究成果基础上，系统开展超声辅助水蒸气蒸馏法提取海南柠檬精油，并通过精油得率对其工艺优化，为海南柠檬的开发利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

2种海南柠檬：香水柠檬和青柠檬；于2018年8月采自海南中国热带农业科学院香料饮料研究所柠檬种植园。

水分快速测定仪，美国OHAUS公司；超声提取仪，宁波新芝生物科技股份有限公司；电子天平YP50001，邢台慧思科技有限公司；挥发油测定器M5960，北京中西远大科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 原料预处理

不同前处理方式：新鲜柠檬取皮剪成1 cm2小块备用；新鲜柠檬取皮放置50℃烘箱内烘干后剪成1 cm2小块备用。柠檬皮烘干至含水量≤10%。

1.2.2 提取工艺流程

柠檬皮（分为新鲜和烘干2种）→将柠檬皮剪碎（1 cm2左右大小）→浸泡超声→蒸馏提取→柠檬精油。

1.2.3 柠檬精油得率计算

柠檬精油得率计算方法参考廖玉琴等［9］研究方法：柠檬精油得率计算方法t＝m1∕m×100%。

其中，t—柠檬精油得率（%）；m1—柠檬精油质量（g）；m—在干基条件下称取的柠檬皮质量（g）。

1.2.4 单因素实验

（1）料液比的影响：称取30 g低温烘干后过的青柠檬皮，在料液比为1∶7，1∶9，1∶11，1∶13，1∶15（m∶V，下同）条件下，超声40 min，煮沸，蒸馏提取6 h，分析料液比对精油得率的影响。

（2）超声时间的影响：称取30 g低温烘干后过的青柠檬皮，在料液比1∶13的条件下分别超声20、30、40、50、60 min后，煮沸，蒸馏提取6 h，分析超声时间对精油得率的影响。

（3）蒸馏时间的影响：称取30 g低温烘干后过的青柠檬皮，在料液比1∶13，超声40 min，煮沸蒸馏，分别提取2、4、6、8、10 h，分析蒸馏时间对精油得率的影响。

1.2.5 响应面法优化提取工艺

选取料液比、超声时间、蒸馏时间3个因素为单因素，以精油得率为评价指标，进行3因素3水平响应面优化试验，其因素水平表的设计如表1。

表1 试验因素水平表

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 精油得率受料液比的影响

一般来说，料液比的增加可以使物料的“水分散”效果更充分，但随着物料与液体的比例持续增加，“水分散”的程度不会大大提高［10］，而溶剂蒸发所需要的加热时间在增加，并且在该过程中柠檬精油的分解量不断增加，导致精油的产率降低。由图1可知，随着物料与液体的比例增加，柠檬精油的得率逐渐增加。当物料与液体的比例达到1∶13时，精油的得率最大。此时，物料与液体的比例继续增加，得率则开始降低。因此，选择料液比为1∶13更为合适。

2.1.2 精油得率受超声时间的影响

由图2可知，由于50 min前超声提取时间越长，精油溶解越充分，提取率就越高。所以在超声时间为50 min之前，精油的得率随着超声时间的增加而增加，在50 min时达到最大值，50 min后得率随着超声时间的增加而减小。当时间超过50 min时，精油中的一些不稳定成分被破坏或成分被挥发。乳化加剧和其他因素的增加，导致产量下降。因此，本实验选择50min为最佳超声提取时间。

图1 精油得率受料液比的影响

图2 精油得率受超声时间的影响

2.1.3 精油得率受蒸馏时间的影响

由图3可知，随着蒸馏时间的延长，柠檬精油的得率逐渐增加。蒸馏一段时间后，精油的得率得到平衡。这是因为柠檬中的精油基本上是在蒸馏时间达到6 h后，已经蒸馏完全，即使蒸馏时间延长，获得的精油量也不会增加。

图3 精油得率受蒸馏时间的影响

2.2 响应面优化青柠檬精油提取工艺

2.2.1 响应面试验设计及结果

在以料液比，超声时间及蒸馏时间为单因素的基础上，设计的响应面优化试验设计结果见表2。

表2 试验设计及试验结果

应用Design Expert 8.0.6软件，以料液比、超声时间和蒸馏时间为单因素，精油得率为评价指标，对表2的数据进行二次多项式拟合，得到以下预测模型：

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，响应面回归模型表示达到显著水平，其失拟项值为0.467 9（p＞0.05），不显著；相关系数R2=0.968 0，R2Adj=0.926 9，说明该模型与实际实验拟合性良好，此模型可行。由F值可知，回归模型中各因素对精油的得率的影响大小顺序为C＞A＞B，即：提取时间＞料液比＞超声时间。模型中A、B、A2、B2的影响显著（p＜0.05），C、C2对精油得率的影响极显著（p＜0.01）；此模型的CV为4.09，该模型反映响应值的变化程度较好。

表3 方差分析表

2.2.2 因素交互作用对精油得率的影响

等高线的形状反映了相互作用的程度，如果它是圆形的，则相互作用不显著；如果它是椭圆形，则相互作用是显著的。通过分析等高线和响应曲面来进一步检查各种因素之间的相互作用。

2.2.2.1 料液比和超声时间的交互作用

图4 料液比和超声时间对柠檬精油得率的影响

料液比和超声时间对精油得率的影响见图4。将料液比和超声时间固定在0水平上，在超声时间一定时，精油得率随着料液比提高而上升，料液比1∶12～1∶14时有最大值。在料液比一定时，精油得率受超声时间的影响不大。两者之间的相互作用对响应值几乎没有影响。从等高线可以看出，料液比对精油得率的影响大于超声时间，这与方差分析的结果一致。料液比在1∶12～1∶14和超声时间在45～55 min时，精油得率有最大值。

2.2.2.2 料液比和蒸馏时间的交互作用

将料液比与蒸馏时间在0水平时固定，料液比和蒸馏时间的交互作用对精油得率的影响见图5。随着料液比和蒸馏时间的增加，精油的得率缓慢下降，并且响应表面的坡度是平缓的。由等高线来看，两者之间的相互作用对响应值没有显著影响。料液比在1∶12～1∶14和蒸馏时间7～9h时，精油得率有最大值。

图5 料液比和蒸馏时间对柠檬精油得率的影响

2.2.2.3 超声时间和蒸馏时间的交互作用

固定超声时间和蒸馏时间在0水平，超声时间和蒸馏时间的交互作用对精油得率的影响见图6，并且两者之间的相互作用对于对响应值而言并不显著。从等高线的形状来看，蒸馏时间对精油得率的影响要更大一些。提取时间在45～55 min，蒸馏时间7～9 h时，精油得率取得最佳值。

图6 超声时间和蒸馏时间对柠檬精油得率的影响

2.2.3 验证试验

由软件分析可以得出超声辅助水蒸气蒸馏法提取柠檬精油最佳工艺参数为：料液比为1∶13.78，超声时间为51.09 min，蒸馏时间为8.64 h，在干基百分含量下精油得率为2.09%，结合验证试验可操作性，调整参数为：料液比为1∶14，超声时间为51 min，蒸馏时间为8 h，以此条件进行验证试验，测得精油得率为2.08%，同理论预测值相近，可以利用该模型来优化海南青柠檬精油的提取工艺条件。

2.3 柠檬精油的分析比较

2.3.1 柠檬精油色泽的比较

通过水蒸气蒸馏法提取4种柠檬精油（青柠檬鲜皮、青柠檬干皮、香水柠檬鲜皮、香水柠檬干皮）。4种精油都呈浅黄色透明油状液体，但是同种柠檬，由于烘干后柠檬皮颜色变深，新鲜柠檬皮提取出来的精油颜色要比烘干后柠檬皮颜色浅，在原料前处理条件相同时，由于香水柠檬的颜色比青柠檬的颜色偏黄，所以从香水柠檬皮中提取出来的精油颜色要深于从青柠檬皮中提取出来的精油。

2.3.2 柠檬精油得率的比较

在相同的提取条件下，新鲜的海南青柠檬皮的精油得率最高，达到2.13%。新鲜香水柠檬皮的精油得率仅次于新鲜海南青柠檬皮精油得率，也达到了2.08%。由于柠檬皮在烘干的过程中有部分精油损失，所以烘干后柠檬皮精油得率普遍低于新鲜柠檬皮的得率。烘干后海南青柠檬皮和香水柠檬皮的精油得率分别为2.07%和1.94%。

3 讨论与结论

在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken中心组合设计3因素3水平的响应面试验，对海南青柠檬精油的提取工艺条件进行优化。其最佳工艺条件为：料液比为1∶14，超声时间为51 min，蒸馏时间为8 h。利用此工艺参数得到的精油得率为2.09%，分析结果可为柠檬精油的应用提供借鉴。

侯滨滨等［11］试验表明，微波辅助水蒸气蒸馏提取柠檬果皮精油的最佳条件为微波350 W辐射3 min，果皮直径2 mm，加NaCl比例为3%，每100 g柠檬皮出油率达1.34 mL。王伟等［12］选用石油醚为浸提溶剂，液料比1∶16、超声时间50 min、超声功率90%、破碎度20目，得出柠檬皮精油的提取率为2.45%。相比于传统水蒸气蒸馏提取，工艺提取时间相似，但提取率明显提高，而相比于微波辅助水蒸气蒸馏提取和超声辅助有机溶剂，在提取相同量的柠檬精油时，所消耗的成本大程度降低。所以，超声波辅助水蒸汽蒸馏提取柠檬精油是提取精油的有效方法。