分子蒸餾技術(shù)精制檸檬精油工藝

劉文龍，全小梅，雷英杰，劉達(dá)玉，曾曉丹*，張崟

1. 成都大學(xué)肉類加工四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都 610106）；2. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所（成都 610066）

檸檬精油具有氧化抗癌、抗過敏、抗病毒、消炎殺菌、降血壓、血脂等功效，可用于洗面薰身、保健護(hù)膚、抗菌防腐、促成新陳代謝等方面[1-6]。目前，能夠獲得檸檬精油的方法已有酶提取法[7]、壓榨法[8]、微波輔助提取法[9,11]、超聲輔助提取法[10-11]、吸收法、溶劑萃取、熱磨和冷磨水蒸氣蒸餾[13]、真空蒸餾等報(bào)道。但是壓榨法提取率較低；超聲波、微波提取只是一種輔助手段，需與其他提取方法聯(lián)用才能獲得理想的提取效果；酶提取法價(jià)格成本較高，難以大規(guī)模地用于工業(yè)生產(chǎn)中；吸收法工序復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，吸附劑再生困難；溶劑萃取易造成有機(jī)溶劑殘留；吸收法加工溫度低，產(chǎn)品獲得率低；水蒸氣蒸餾法提取溫度高、時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)品獲得率低。因此，為了提高檸檬精油的純度并降低生產(chǎn)成本，開發(fā)一種新型的分離提取方法十分必要。

分子蒸餾具有蒸餾溫度低、分離效率高、物料受熱時(shí)間短、高真空度下不易氧化等優(yōu)點(diǎn)[14]，所收集產(chǎn)品的質(zhì)量和回收率高于真空蒸餾，很好地克服了傳統(tǒng)分離提純方法的缺點(diǎn)。試驗(yàn)采用分子蒸餾技術(shù)對(duì)企業(yè)壓榨法所得檸檬粗油進(jìn)行濃縮精制，通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究檸檬精油最佳分子蒸餾工藝條件，以期在檸檬精油最佳分子蒸餾工藝條件下得到高品質(zhì)檸檬精油產(chǎn)品，以便為檸檬精油的綜合開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器

電子天平（CP214，上海奧豪斯儀器有限公司）；刮膜式分子蒸餾儀（2INCHWFS，美國(guó)Pope公司）；氣相色譜儀（GC2010，日本島津公司）。

1.2 材料與試劑

檸檬粗油（檸檬醛質(zhì)量濃度為1.41 mg/mL，采用壓榨法所得），四川安岳縣某廠生產(chǎn)；檸檬醛（分析純，規(guī)格98.0%），成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司；正己烷（分析純，規(guī)格97.0%），成都科龍化工試劑廠。

1.3 方法

1.3.1 精油分子蒸餾的單因素試驗(yàn)

1.3.1.1 分子蒸餾溫度對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響

準(zhǔn)確量取100 mL檸檬粗油，在壓力為60 Pa，刮膜轉(zhuǎn)速為240 r/min，進(jìn)料速度為1 mL/min，溫度分別為30，35，40，45和50 ℃的條件下，得到餾出物，以餾出物重組分中檸檬醛濃度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察不同蒸餾溫度對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響。

1.3.1.2 刮膜轉(zhuǎn)速對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響

準(zhǔn)確量取100 mL檸檬粗油，在溫度為45 ℃，壓力為60 Pa，進(jìn)料速度為1 mL/min，刮膜轉(zhuǎn)速分別為120，180，240，300和360 r/min的條件下，得到餾出物，以餾出物重組分中檸檬醛濃度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察不同刮膜轉(zhuǎn)速對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響。

1.3.1.3 蒸餾壓力對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響

準(zhǔn)確量取100 mL檸檬粗油，在刮膜轉(zhuǎn)速為240 r/min，進(jìn)料速度為1 mL/min，蒸餾溫度為45 ℃，壓力分別為20，40，60，80和100 Pa的條件下，得到餾出物以餾出物重組分中檸檬醛濃度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察不同蒸餾壓力對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響。

1.3.2 精油分子蒸餾的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在以上蒸餾溫度、刮膜轉(zhuǎn)速和蒸餾壓力3個(gè)單因素試驗(yàn)對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響的基礎(chǔ)上，分別以蒸餾溫度、刮膜轉(zhuǎn)速和蒸餾壓力為試驗(yàn)因素，以餾出物重組分中檸檬醛濃度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)表，見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

1.3.3 精油的GC分析

GC條件：石英毛細(xì)管柱（OV-1），（50 m×0.25 mm×0.5 μm）；載氣為氮?dú)猓兌取?9.999%）柱前壓60 kPa，流速1.0 mL/min；進(jìn)樣口溫度230 ℃；FID檢測(cè)器（FID，全稱為flame ionization detector，翻譯為火焰離子化檢測(cè)儀），檢測(cè)器溫度250 ℃，內(nèi)標(biāo)物萘，進(jìn)樣量1.0 μL；程序升溫：50 ℃（保持2 min）→5℃/min 70 ℃（保持5 min）→3 ℃/min 100 ℃（保持5 min）→3 ℃/min 160 ℃（保持5 min）→20 ℃/min 230℃（保持8 min）；分流進(jìn)樣，分流比10∶1。

1.3.4 檸檬醛標(biāo)準(zhǔn)曲線制作

配制不同濃度的檸檬醛標(biāo)準(zhǔn)溶液（利用98%檸檬醛分析純標(biāo)準(zhǔn)溶液），進(jìn)行氣相色譜分析。以檸檬醛濃度為縱坐標(biāo)作標(biāo)準(zhǔn)曲線，以氣相色譜法得出的檸檬醛面積與內(nèi)標(biāo)萘面積的比值為橫坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)回歸方程為：y=0.320 9x+0.001 2，R2=0.999 9，如圖1所示。

1.3.5 濃縮倍數(shù)計(jì)算

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Origin 8.0軟件進(jìn)行作圖，用SPSS 18.0軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和差異顯著性分析。

圖1 檸檬醛濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸餾溫度

在蒸餾壓力為40 Pa，刮膜轉(zhuǎn)速為240 r/min，進(jìn)料速度為1 mL/min條件下，改變蒸餾溫度進(jìn)行試驗(yàn)，探究不同蒸餾溫度對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響。由圖2可知，當(dāng)蒸餾溫度低于45 ℃時(shí)，餾出物重組分中檸檬醛濃度與蒸餾溫度呈正相關(guān)，在蒸餾溫度為45 ℃時(shí)，餾出物重組分中檸檬醛濃度最大，為11.12 mg/mL。當(dāng)蒸餾溫度大于45 ℃時(shí)，餾出物重組分中檸檬醛濃度隨著蒸餾溫度的升高反而降低。這可能是由于在一定溫度范圍內(nèi)，精油中有效成分是隨著溫度的升高而分離得更好，但超過某一溫度時(shí)，精油內(nèi)的有效成分在真空的腔體內(nèi)擴(kuò)散較快，未能冷凝就被真空泵抽走而損失掉。因此，確定分子蒸餾溫度為35～45 ℃為最適溫度進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

圖2 蒸餾溫度對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響

2.2 刮膜轉(zhuǎn)速

在蒸餾溫度為45 ℃，蒸餾壓力為40 Pa，進(jìn)料速度為1 mL/min條件下，改變刮膜轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)。從圖3可以看出，當(dāng)刮膜轉(zhuǎn)速低于240 r/min時(shí)，餾出物重組分中檸檬醛濃度隨著刮膜轉(zhuǎn)速的升高而增加，在刮膜轉(zhuǎn)速240 r/min時(shí)，餾出物重組分中檸檬醛質(zhì)量濃度最大，為4.82 mg/mL。當(dāng)刮膜轉(zhuǎn)速大于240 r/min 時(shí)，餾出物重組分中檸檬醛濃度隨著蒸餾溫度的升高而緩慢降低。因此，確定采用刮膜轉(zhuǎn)速為180～300 r/min的范圍進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

圖3 蒸餾壓力對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響

2.3 蒸餾壓力

在刮膜轉(zhuǎn)速為240 r/min，溫度為45 ℃，進(jìn)料速度為1 mL/min條件下，改變蒸餾壓力進(jìn)行試驗(yàn)。由圖4可知，檸檬醛濃度隨著蒸餾壓力的升高呈先增加后降低趨勢(shì)。當(dāng)蒸餾壓力為40 Pa時(shí)，餾出物重組分中檸檬醛質(zhì)量濃度最大，為7.08 mg/mL。因?yàn)楫?dāng)蒸餾壓力小于40 Pa時(shí)，分子平均自由程較大，使得其他餾余物同檸檬醛一并蒸發(fā)。而操作壓力在40 Pa時(shí)，檸檬醛被蒸發(fā)并冷凝下來，故濃度有一定提高。當(dāng)蒸餾壓力繼續(xù)變大，分子平均自由程變小，使得化合物不能充分蒸發(fā)，因此檸檬醛含量進(jìn)一步下降。確定分子蒸餾壓力為30～50 Pa，以此開展后續(xù)正交試驗(yàn)。

圖4 蒸餾壓力對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表2的極差分析可知，在進(jìn)料速度為1 mL/min條件下，各因素對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響大小為：蒸餾溫度（A）＞蒸餾壓力（C）＞刮膜轉(zhuǎn)速（B）。由k值可得，分子蒸餾檸檬粗油最佳工藝參數(shù)為A2B2C2，即蒸餾溫度為45 ℃，刮膜轉(zhuǎn)速為240 r/min，蒸餾壓力為40 Pa。對(duì)優(yōu)選工藝進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)3次，在此條件下餾出物重組分中檸檬醛質(zhì)量濃度為11.17 mg/mL，濃縮倍數(shù)達(dá)7.9。

由表3方差分析結(jié)果可見，蒸餾溫度（A）和蒸餾壓力（C）對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度的影響顯著（p＜0.05），刮膜轉(zhuǎn)速（B）影響不顯著，在試驗(yàn)選擇的水平范圍內(nèi)，溫度的影響最大，壓力的影響次之。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)方差分析

2.5 檸檬粗油及濃縮后精油的外觀及香氣特征

由表4可知，檸檬粗油呈淺棕色液體，半透明，具有清爽、略刺鼻的氣味。經(jīng)過分子蒸餾處理后，輕組分精油呈現(xiàn)無色透明液體狀態(tài)，質(zhì)地清亮，有較刺鼻的淡香味；重組精油分呈現(xiàn)深棕色液體狀態(tài)，質(zhì)地濃稠且不透明，氣味上濃郁、醇厚。

表4 檸檬粗油及濃縮后精油的外觀及香氣特征

3 結(jié)論與展望

試驗(yàn)中采用2INCHWFS刮膜式分子蒸餾儀濃縮精制檸檬粗油，蒸餾溫度條件要求低，容易控制，且濃縮效率高，易工業(yè)化生產(chǎn)。對(duì)檸檬粗油進(jìn)行分子蒸餾過程中發(fā)現(xiàn)，蒸餾的溫度、刮膜轉(zhuǎn)速和蒸餾壓力3個(gè)因素都對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度有一定程度的影響。而在采用正交優(yōu)化試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：蒸餾溫度對(duì)餾出物重組分中檸檬醛濃度也就是對(duì)檸檬精油的提純影響最大，蒸餾壓力影響次之，刮膜轉(zhuǎn)速影響最小。該試驗(yàn)相對(duì)以前的生產(chǎn)工藝有更好的改進(jìn)，為進(jìn)一步提高檸檬精油的純度做出貢獻(xiàn)。在一些高端產(chǎn)品中要求檸檬精油的純度達(dá)到一定限度才能應(yīng)用，本試驗(yàn)也為未來的檸檬精油提取屆提供了一定的參考。

未來一定還會(huì)有更加好的工藝條件來純化檸檬精油，在接下來的研究中可以找尋更佳的純化方法。檸檬加工過程中副產(chǎn)物也較多，如檸檬渣等，可以進(jìn)一步研究下副產(chǎn)物的利用前景，以增加產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟(jì)效益。該方法提純中除去的對(duì)香味貢獻(xiàn)不大的萜烯類物質(zhì)可以進(jìn)行研究如何更好的方法收集，以及有什么作用可以利用起來