柑橘精油的提取及在食品保鲜中的应用

田梦瑶，张映曈，胡花丽

（1.江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏南京 210014；2.沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110866）

精油是果皮油囊或油腺中大量存在的芳香化合物，主要分布于果皮的外皮，可溶于醇、醚和天然油，但不溶于水。柑橘类精油主要来源于柑橘类水果的果皮，是大约400 个化合物的复杂混合物，具体含量和组成取决于柑橘的品种、栽培方式、提取手段和分离方法[1]。研究表明，柑橘精油具有抗氧化和抑菌活性，是BHA、BHT、亚硝酸盐、硝酸盐或苯甲酸盐等合成抗氧化剂的天然替代品，近年来作为天然抗菌剂在食品和包装行业受到了极大的关注[2]。本文主要概述了柑橘精油的主要成分、提取方法、抑菌作用及其在食品保鲜中的应用研究，以期为柑橘果皮的资源化利用提供新的思路。

1 柑橘精油的主要成分

柑橘精油含有85%～99%的挥发性成分和1%～15%的非挥发性成分[3]。挥发性成分是由单萜和倍半萜烯及其氧合衍生物的混合物如醇类（香叶醇、-没药醇）、酮类（薄荷酮、p-香根草酮）、醛类（-香茅醛、甜橙醛）、酯类（乙酸松油酯、乙酸柏木酯）、酚类（百里香酚）组成[5]。根据异戊二烯结构单元的数量，萜烯分为半萜（C5）、单萜（C10）、倍半萜（C15）、二萜（C20）、二倍半萜（C25）、三萜（C30）、四萜（C40）和多聚萜（(C5)n，n＞8）。柠檬烯是柑橘果实最主要的化学成分，含量为32%～98%[6-7]。非挥发性部分包括长链烃、脂肪酸、甾醇、类胡萝卜素和含氧杂环化合物[4]。

不同种类的柑橘精油成分有所差异。吴洪梅等[8]从北培447 锦橙、开县锦橙、蓬安100 号锦橙和铜水72-1 锦橙果皮中测出14 种共有成分，包括D-柠檬烯、-月桂烯、-水芹烯、-松油烯等，其中含有的一些特有成分如正己醇、辛醛、橙花醇等构成了柑橘独特的香气。

2 柑橘精油常见的提取方法

不同提取方法对柑橘精油的成分也有影响。朱岳麟等[9]采用水蒸气蒸馏法与溶剂萃取法分别提取金柚果皮的精油成分并进行分析比较，发现精油的成分及相对含量都存在一定的差异。柑橘精油的提取方法主要有水蒸气蒸馏法、有机溶剂萃取法、超临界流体萃取法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法、生物酶制剂辅助提取法等。

2.1 水蒸气蒸馏法

水蒸气蒸馏法是一种较常见的提取方法。在蒸馏过程中，柑橘皮置于沸水或蒸汽中，油被释放到水中，然后通过蒸馏收集。这种方法设备简单，操作方便，但是存在能耗高、耗时长、精油品质不佳等缺点。赵静等[10]通过水蒸气蒸馏法提取市售龙安柚果皮精油，通过单因素和正交实验，确定了最佳工艺条件为提取时间60 min、NaCl 质量分数为2%、料液比1:15，此条件下精油得率为1.37%。

2.2 有机溶剂萃取法

有机溶剂萃取法的原理是选取甲醇、乙醇、丙酮、石油醚、正己烷等有机溶剂，利用其易挥发的特点，将提取液经过蒸馏后去除有机溶剂，得到精油。该方法成本低、精油提取率高，但是有机溶剂沸点较低，易燃易爆，危险系数较大，对设备要求高。薛山等[11]用超声波辅助有机溶剂萃取法提取柠檬皮精油，通过单因素正交实验确定了提取柠檬精油的最佳工艺：有机试剂为丙酮、料液比1:15、超声时间50 min、超声温度50 ℃，此条件下柠檬皮精油的提取率为2.83%。

2.3 超临界CO2流体萃取法

超临界CO2流体萃取法是用超临界流体为萃取剂，提取植物中的有效成分，当恢复到常温常压时，溶解在超临界流体中的精油即刻与其分开。CO2的临界温度和压力都比较低，是一种比较理想的萃取剂。这种方法工艺简单、选择性好、萃取率高，没有溶剂残留，应用前景好。但这种方法提取的精油质量差，风味也有较大的差异[12-14]。赵令江等[14]以市售柑橘皮为原料，用超临界CO2流体萃取法提取精油，先通过单因素实验探究了萃取时间、萃取压力、萃取温度、投料量对提取率的影响，再通过正交实验得到萃取的最佳工艺条件：萃取时间90 min、萃取压力15 MPa、萃取温度36 ℃、投料量120 g，在此条件下柑橘皮精油提取率为3.62%。

2.4 微波辅助提取法

微波辅助提取法是利用微波加热提取植物中的目标成分，并将目标成分分离提取出来的一种方法[15]。该方法利于提高精油的提取率和质量，具有有机溶剂残留低、高效快速的优点，但该方法单独使用时效率较低，需与其它方法联合。张静等[16]以微波辅助法提取柚皮精油，通过单因素和正交实验确定了最佳工艺条件：以石油醚为提取剂、料液比1:8、微波功率400W、提取时间3min、索氏抽提温度55℃、抽提时间30 min，柚皮精油的提取率为2.02%。

2.5 超声波辅助提取方法

超声波辅助方法是利用超声波的空化作用，加速了植物组织中有效成分的溶出。该方法提取时间短、提取率高、经济性好、适用广泛，但也只是一种辅助手段，需要与其他提取方法联合使用[13]。刘玉珍等[17]用超声波辅助方法提取橙皮香精油，确定最佳提取工艺为料液比1:20 (g:mL)，石油醚体积分数99.16%，静置时间15 min，超声温度40 ℃，超声时间15.77 min，在此条件下橙皮香精油的提取率为2.56%。

2.6 酶辅助法

酶辅助法的原理是利用酶解反应会破坏植物组织细胞壁结构，溶出细胞内的有效成分，从而达到提取目的。该工艺与水蒸气蒸馏法相比，提取时间大幅缩短。但是由于生物酶成本高，目前还不能大规模地应用于工业生产中[18]。

3 柑橘精油的抑菌作用及其应用

3.1 抑菌作用

柑橘精油是一种安全的天然抗菌剂，具有良好的抑菌作用，在防止食品腐败变质、提高食品品质、延长食品贮藏期方面有重要的研究意义。关于柑橘精油的抑菌原理目前主要有两种理论：一是通过影响菌体的生长周期，使菌体的生长期缩短，加快衰亡期；二是通过改变细胞膜通透性来破坏细胞膜的结构和功能，使细胞内渗透压增大，细胞内含物溶出，细胞裂解死亡，最终起到抑菌的作用[22]。陈林林等[19]研究发现，柑橘皮精油对大肠杆菌、白色葡萄球菌和青霉均具有良好的抑制作用，且对大肠杆菌的抑制效率最高。岳静等[20]研究表明，不同浓度的柑橘皮精油对金黄色葡萄球菌、藤黄微球菌和大肠杆菌均有抑制作用，且与抑制浓度呈正相关，但对青霉无抑制作用，这与陈林林的研究结果不一致，可能是由于柑橘品种的差异产生的；李巧巧等[21]发现，商品柠檬油、柚油、橙油及D-柠檬烯对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、酵母、黑曲霉等均有抑制作用，其中D-柠檬烯的抑制效果最好。

3.2 在果蔬保鲜中的应用

近年来，精油被广泛应用于食品行业各个方面，包括果蔬病虫害控制、食用抗菌包装薄膜包装材料、碳酸可乐和汽水中的调味剂以及果蔬、肉类、海鲜的保鲜等。但是柑橘精油成分易被氧化分解而影响其功效，因而常通过于包装材料结合或通过其他处理手段提高其效率和保护活性成分，具体使用模式主要有制作成食用抗菌包装薄膜、柑橘精油微胶囊、柑橘精油纳米乳剂等。

3.2.1 制成柑橘精油食用抗菌包装薄膜

目前，天然高分子环保材料越来越受到重视，开发可降解包装材料以减少环境污染成为一种趋势。这种材料环保、无毒，与合成的材料相比理化性质更佳，是替代石化产品合成包装材料的有效途径。目前在食品领域最常用的凝胶膜是壳聚糖/明胶-精油聚合物。壳聚糖膜对水蒸汽具有较高的渗透率，可提供充分的屏障避免果蔬在贮藏过程中脱水，加入精油可以改善膜的防潮性能。明胶具有良好的成膜性，对气体有一定的阻隔性，明胶薄膜具有良好的机械性能、抗菌活性以及抗氧化性能，这些理化性质使其成为一种适宜的精油合成材料。

壳聚糖-精油复合食用涂料已被证明可以有效延长果蔬的货架期，Xing 等[23]研究发现，在8 ℃贮藏35 d 后，经壳聚糖-精油处理的辣椒样品受侵染率较低；Sanchez-Gonzalez 等[24]发现，添加佛手柑油会增强纯CH涂层的抗菌活性，使鲜食葡萄的贮藏期延长。张文勇等[25]用1%质量浓度的壳聚糖溶液和不同浓度柑橘精油的复合液对新采摘的草莓进行处理，发现1%质量浓度的壳聚糖与1%体积分数的柑橘精油复合液浸泡处理能减缓草莓的失重率，并降低草莓的腐烂速率。

3.2.2 制成柑橘精油微胶囊

微胶囊化是指以微小的固体或液体液滴为核心，对精油活性组分用多孔或穿孔的连续薄膜进行包裹，被包裹的核心液滴叫芯材，包裹物质称为壁材。芯材的直径大小在3～800 滋m，包含10%～90%的核心材料，可在胶囊内停留一段时间并具有控制释放的功能。壁材一般选用生物可降解材料，如壳聚糖、明胶、海藻酸盐等材料。微胶囊化可以通过两种方法来实现，分别是水溶性芯材在水相中凝聚，以及水不溶性或疏水性芯材在有机相中凝聚。微胶囊技术是重点研发的高新技术之一，应用到柑橘精油方面具有广阔的发展前景。研究发现，柑橘精油微胶囊化有以下优点：（1）保护芯材；（2）隔离不相容的组分；（3）控制芯材的释放；（4）改变芯材的物理和化学性质；（5）屏蔽味道和气味，掩盖芯材的异味；（6）增加美观效果等[26]。耿敬章等[27]研究了利用壳聚糖包裹柑橘精油来制备微胶囊，选取单甘酯和Tween-60（质量比1:1）为乳化剂，通过正交实验得到最佳工艺条件为乳化剂用量为1.6%、壁材质量比4:1、搅拌速度500 r/min、包埋温度50 ℃，在此条件下，柑橘精油微胶囊的包埋率为92.0%。姚洁玉等[28]研究发现，在4 ℃冷藏条件下，壳聚糖-柑橘精油微胶囊能够有效地抑制蛋白质的变性、脂肪的酸败和微生物的生长，从而延缓凡纳滨对虾的腐败变质，延长对虾货架期3～4d。

柑橘精油微胶囊在使用中也存在一些问题，如微胶囊壁材成本高，并不适用于大批量的工业化生产；需对微胶囊精油的控制释放的机理进行深入的研究，从而控制精油的释放速率；将微胶囊技术同超临界流体技术等其它高新技术结合，进一步优化制备工艺，大力开拓精油微胶囊的应用领域。这些现象的存在阻碍了柑橘精油微胶囊的进一步推广。

3.2.3 柑橘精油纳米乳剂

在纳米乳化过程中，需要通过外界能量将大液滴粉碎成粒径为20～200 nm 的小液滴。根据外界能量的不同，可将纳米乳化分为低能乳化和高能乳化两种方法，通过化学制剂结构潜能提供能量的是低能乳化法，通过机械设备提供能量的是高能乳化法。

（1）低能乳化

低能乳化技术是一种非破坏性的方法，需要高浓度的表面活性剂，通过改变乳化液的组成或环境来自发形成乳化液滴。低能乳化方法包括相转变温度（PIT）、相转变组分（PIC）、乳剂转换点（EIP）和自发乳化方法[30]。

PIT 是根据表面活性剂在连续相中的溶解度随温度的变化而建立的。表面活性剂对水和油的亲和力随温度的升高而变化，溶解度也随之改变。表面活性剂在低温时是亲水的，在温度升高时变成疏水的。这是由于非离子表面活性剂中存在的聚氧乙烯链脱水造成的。在优化的亲疏水平衡温度下，通过PIT 快速冷却或加热得到的纳米乳在动力学上是稳定的。PIC 是通过改变表面活性剂的浓度而改变乳液的组成。乳化液是通过表面活性剂上的阴离子电荷来稳定，盐添加到乳化液中将油-水乳化液体系转化为水-油乳化液体系，经水稀释后可再次转化为油-水乳状液，降低了表面活性剂的离子强度。在EIP 方法中，通过对乳状液进行粉碎，一种乳状液体系转化为另一种乳状液体系。这种乳状体系是通过增加对表面活性剂具有高亲和力的分散相来实现的。在乳液形成过程中加入另一种表面活性剂，可以得到更稳定的纳米乳液[30]。自发乳化是指由分散相和连续相混合过程中产生的化学能的作用下自发乳化形成乳液的过程。通常自发形成的内向液滴是不稳定的，需要表面活性剂和外界能量协助稳定。其乳化过程主要分为三步：水相和油相的制备；在外界能量的作用下，油相加入水相中，内相油滴形成；负压下除去有机溶剂，形成纳米乳液。任婧楠等[29]利用PIT 法制得甜橙精油纳米乳液和D-柠檬烯纳米乳液，均具有良好的抑菌作用。其中甜橙精油纳米乳液抑制枯草芽孢杆菌的最低浓度（MIC）为7.7%，而D-柠檬烯纳米乳液的MIC 则为4%，表明D-柠檬烯纳米乳液的抑菌性更佳。

（2）高能乳化

高能乳化是利用强大的破坏性机械力，如微流化、高压均质化、超声等将大的乳状液滴粉碎成微小的液滴。微流化技术将精油-基质混合物通过狭窄的孔口流出微通道，利用碰撞来实现理想的精油-基质的乳化。该方法制备的乳化液液滴粒径非常小，适合食品级乳化液的生产；但是这种方法生产成本高，操作难度大。高压均质化是指适当组成的粗乳状液受到非常高的压力，并通过非常严格的阀孔推进，形成非常细的亚微米乳状液。这种方法具有不含有机溶剂加工时间短的优点，但是存在生产成本高、易降解的缺陷。超声波技术利用高强度的声波将钛合金探头尖端置于精油与基体/溶剂的均质混合物中，产生强烈的机械振动。这种方法操作简单，但形成的纳米乳液液滴尺寸分布不均匀，成分受高能量输出的影响。

纳米乳液具有比微米乳更大的表面积，表现出更有效的抗菌作用。为了获得具有理想稠度和性能的动态稳定纳米乳，必须对原料组成和合成方法进行优化[29]。

洪耿德等[30]通过高能乳化获得D-柠檬烯纳米乳，并且发现不同浓度的D-柠檬烯纳米乳对食源性致病菌均有抑菌活性，对乙型副伤寒杆菌来说，10 mg/mL 浓度时，抑菌率最大为65.02%。

4 小结

近年来人们的食品安全意识日渐增强，高效无毒的天然防腐剂取代常规化学防腐剂成为必然趋势。柑橘精油来源丰富，抑菌作用显著，是食品保鲜的理想天然防腐剂。但目前柑橘精油的应用还存在一些问题，例如在某些情况下，会引起皮肤刺激和过敏。解决这一问题的一个可能的解决方案是将精油封装在合适的可生物降解的外壳中，能够控制活性化合物的释放。这不仅降低了精油的不稳定性，对底物蛋白的反应性，同时通过控释保证了抗菌性能。另一个问题是加入精油可能会消灭目标微生物群，但反过来可能会产生有利于有害微生物生长的条件，导致更严重的腐败。因此，我们还需要解决柑橘精油在使用时的剂量问题。此外，单独和混合使用精油时化合物的物理化学稳定性和生物活性问题；在蛋白食品中使用精油时两者之间的相互作用问题；柑橘精油的致敏性；防止食品变质和质量、味道和香味恶化的最佳剂量限制；精油的封装方法及控制释药性能等问题,也需要进行长期广泛的研究和论证，以确保在食品保鲜中更加高效、安全地利用柑橘精油。