柑橘精油的提取及在食品保鮮中的應用

田夢瑤，張映曈，胡花麗

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇南京 210014；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院，遼寧沈陽 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。柑橘類精油主要來源于柑橘類水果的果皮，是大約400 個化合物的復雜混合物，具體含量和組成取決于柑橘的品種、栽培方式、提取手段和分離方法[1]。研究表明，柑橘精油具有抗氧化和抑菌活性，是BHA、BHT、亞硝酸鹽、硝酸鹽或苯甲酸鹽等合成抗氧化劑的天然替代品，近年來作為天然抗菌劑在食品和包裝行業(yè)受到了極大的關注[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鮮中的應用研究，以期為柑橘果皮的資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%的揮發(fā)性成分和1%～15%的非揮發(fā)性成分[3]。揮發(fā)性成分是由單萜和倍半萜烯及其氧合衍生物的混合物如醇類（香葉醇、-沒藥醇）、酮類（薄荷酮、p-香根草酮）、醛類（-香茅醛、甜橙醛）、酯類（乙酸松油酯、乙酸柏木酯）、酚類（百里香酚）組成[5]。根據(jù)異戊二烯結構單元的數(shù)量，萜烯分為半萜（C5）、單萜（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）。檸檬烯是柑橘果實最主要的化學成分，含量為32%～98%[6-7]。非揮發(fā)性部分包括長鏈烴、脂肪酸、甾醇、類胡蘿卜素和含氧雜環(huán)化合物[4]。

不同種類的柑橘精油成分有所差異。吳洪梅等[8]從北培447 錦橙、開縣錦橙、蓬安100 號錦橙和銅水72-1 錦橙果皮中測出14 種共有成分，包括D-檸檬烯、-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、橙花醇等構成了柑橘獨特的香氣。

2 柑橘精油常見的提取方法

不同提取方法對柑橘精油的成分也有影響。朱岳麟等[9]采用水蒸氣蒸餾法與溶劑萃取法分別提取金柚果皮的精油成分并進行分析比較，發(fā)現(xiàn)精油的成分及相對含量都存在一定的差異。柑橘精油的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、有機溶劑萃取法、超臨界流體萃取法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法、生物酶制劑輔助提取法等。

2.1 水蒸氣蒸餾法

水蒸氣蒸餾法是一種較常見的提取方法。在蒸餾過程中，柑橘皮置于沸水或蒸汽中，油被釋放到水中，然后通過蒸餾收集。這種方法設備簡單，操作方便，但是存在能耗高、耗時長、精油品質(zhì)不佳等缺點。趙靜等[10]通過水蒸氣蒸餾法提取市售龍安柚果皮精油，通過單因素和正交實驗，確定了最佳工藝條件為提取時間60 min、NaCl 質(zhì)量分數(shù)為2%、料液比1:15，此條件下精油得率為1.37%。

2.2 有機溶劑萃取法

有機溶劑萃取法的原理是選取甲醇、乙醇、丙酮、石油醚、正己烷等有機溶劑，利用其易揮發(fā)的特點，將提取液經(jīng)過蒸餾后去除有機溶劑，得到精油。該方法成本低、精油提取率高，但是有機溶劑沸點較低，易燃易爆，危險系數(shù)較大，對設備要求高。薛山等[11]用超聲波輔助有機溶劑萃取法提取檸檬皮精油，通過單因素正交實驗確定了提取檸檬精油的最佳工藝：有機試劑為丙酮、料液比1:15、超聲時間50 min、超聲溫度50 ℃，此條件下檸檬皮精油的提取率為2.83%。

2.3 超臨界CO2流體萃取法

超臨界CO2流體萃取法是用超臨界流體為萃取劑，提取植物中的有效成分，當恢復到常溫常壓時，溶解在超臨界流體中的精油即刻與其分開。CO2的臨界溫度和壓力都比較低，是一種比較理想的萃取劑。這種方法工藝簡單、選擇性好、萃取率高，沒有溶劑殘留，應用前景好。但這種方法提取的精油質(zhì)量差，風味也有較大的差異[12-14]。趙令江等[14]以市售柑橘皮為原料，用超臨界CO2流體萃取法提取精油，先通過單因素實驗探究了萃取時間、萃取壓力、萃取溫度、投料量對提取率的影響，再通過正交實驗得到萃取的最佳工藝條件：萃取時間90 min、萃取壓力15 MPa、萃取溫度36 ℃、投料量120 g，在此條件下柑橘皮精油提取率為3.62%。

2.4 微波輔助提取法

微波輔助提取法是利用微波加熱提取植物中的目標成分，并將目標成分分離提取出來的一種方法[15]。該方法利于提高精油的提取率和質(zhì)量，具有有機溶劑殘留低、高效快速的優(yōu)點，但該方法單獨使用時效率較低，需與其它方法聯(lián)合。張靜等[16]以微波輔助法提取柚皮精油，通過單因素和正交實驗確定了最佳工藝條件：以石油醚為提取劑、料液比1:8、微波功率400W、提取時間3min、索氏抽提溫度55℃、抽提時間30 min，柚皮精油的提取率為2.02%。

2.5 超聲波輔助提取方法

超聲波輔助方法是利用超聲波的空化作用，加速了植物組織中有效成分的溶出。該方法提取時間短、提取率高、經(jīng)濟性好、適用廣泛，但也只是一種輔助手段，需要與其他提取方法聯(lián)合使用[13]。劉玉珍等[17]用超聲波輔助方法提取橙皮香精油，確定最佳提取工藝為料液比1:20 (g:mL)，石油醚體積分數(shù)99.16%，靜置時間15 min，超聲溫度40 ℃，超聲時間15.77 min，在此條件下橙皮香精油的提取率為2.56%。

2.6 酶輔助法

酶輔助法的原理是利用酶解反應會破壞植物組織細胞壁結構，溶出細胞內(nèi)的有效成分，從而達到提取目的。該工藝與水蒸氣蒸餾法相比，提取時間大幅縮短。但是由于生物酶成本高，目前還不能大規(guī)模地應用于工業(yè)生產(chǎn)中[18]。

3 柑橘精油的抑菌作用及其應用

3.1 抑菌作用

柑橘精油是一種安全的天然抗菌劑，具有良好的抑菌作用，在防止食品腐敗變質(zhì)、提高食品品質(zhì)、延長食品貯藏期方面有重要的研究意義。關于柑橘精油的抑菌原理目前主要有兩種理論：一是通過影響菌體的生長周期，使菌體的生長期縮短，加快衰亡期；二是通過改變細胞膜通透性來破壞細胞膜的結構和功能，使細胞內(nèi)滲透壓增大，細胞內(nèi)含物溶出，細胞裂解死亡，最終起到抑菌的作用[22]。陳林林等[19]研究發(fā)現(xiàn)，柑橘皮精油對大腸桿菌、白色葡萄球菌和青霉均具有良好的抑制作用，且對大腸桿菌的抑制效率最高。岳靜等[20]研究表明，不同濃度的柑橘皮精油對金黃色葡萄球菌、藤黃微球菌和大腸桿菌均有抑制作用，且與抑制濃度呈正相關，但對青霉無抑制作用，這與陳林林的研究結果不一致，可能是由于柑橘品種的差異產(chǎn)生的；李巧巧等[21]發(fā)現(xiàn)，商品檸檬油、柚油、橙油及D-檸檬烯對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、酵母、黑曲霉等均有抑制作用，其中D-檸檬烯的抑制效果最好。

3.2 在果蔬保鮮中的應用

近年來，精油被廣泛應用于食品行業(yè)各個方面，包括果蔬病蟲害控制、食用抗菌包裝薄膜包裝材料、碳酸可樂和汽水中的調(diào)味劑以及果蔬、肉類、海鮮的保鮮等。但是柑橘精油成分易被氧化分解而影響其功效，因而常通過于包裝材料結合或通過其他處理手段提高其效率和保護活性成分，具體使用模式主要有制作成食用抗菌包裝薄膜、柑橘精油微膠囊、柑橘精油納米乳劑等。

3.2.1 制成柑橘精油食用抗菌包裝薄膜

目前，天然高分子環(huán)保材料越來越受到重視，開發(fā)可降解包裝材料以減少環(huán)境污染成為一種趨勢。這種材料環(huán)保、無毒，與合成的材料相比理化性質(zhì)更佳，是替代石化產(chǎn)品合成包裝材料的有效途徑。目前在食品領域最常用的凝膠膜是殼聚糖/明膠-精油聚合物。殼聚糖膜對水蒸汽具有較高的滲透率，可提供充分的屏障避免果蔬在貯藏過程中脫水，加入精油可以改善膜的防潮性能。明膠具有良好的成膜性，對氣體有一定的阻隔性，明膠薄膜具有良好的機械性能、抗菌活性以及抗氧化性能，這些理化性質(zhì)使其成為一種適宜的精油合成材料。

殼聚糖-精油復合食用涂料已被證明可以有效延長果蔬的貨架期，Xing 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在8 ℃貯藏35 d 后，經(jīng)殼聚糖-精油處理的辣椒樣品受侵染率較低；Sanchez-Gonzalez 等[24]發(fā)現(xiàn)，添加佛手柑油會增強純CH涂層的抗菌活性，使鮮食葡萄的貯藏期延長。張文勇等[25]用1%質(zhì)量濃度的殼聚糖溶液和不同濃度柑橘精油的復合液對新采摘的草莓進行處理，發(fā)現(xiàn)1%質(zhì)量濃度的殼聚糖與1%體積分數(shù)的柑橘精油復合液浸泡處理能減緩草莓的失重率，并降低草莓的腐爛速率。

3.2.2 制成柑橘精油微膠囊

微膠囊化是指以微小的固體或液體液滴為核心，對精油活性組分用多孔或穿孔的連續(xù)薄膜進行包裹，被包裹的核心液滴叫芯材，包裹物質(zhì)稱為壁材。芯材的直徑大小在3～800 滋m，包含10%～90%的核心材料，可在膠囊內(nèi)停留一段時間并具有控制釋放的功能。壁材一般選用生物可降解材料，如殼聚糖、明膠、海藻酸鹽等材料。微膠囊化可以通過兩種方法來實現(xiàn)，分別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機相中凝聚。微膠囊技術是重點研發(fā)的高新技術之一，應用到柑橘精油方面具有廣闊的發(fā)展前景。研究發(fā)現(xiàn)，柑橘精油微膠囊化有以下優(yōu)點：（1）保護芯材；（2）隔離不相容的組分；（3）控制芯材的釋放；（4）改變芯材的物理和化學性質(zhì)；（5）屏蔽味道和氣味，掩蓋芯材的異味；（6）增加美觀效果等[26]。耿敬章等[27]研究了利用殼聚糖包裹柑橘精油來制備微膠囊，選取單甘酯和Tween-60（質(zhì)量比1:1）為乳化劑，通過正交實驗得到最佳工藝條件為乳化劑用量為1.6%、壁材質(zhì)量比4:1、攪拌速度500 r/min、包埋溫度50 ℃，在此條件下，柑橘精油微膠囊的包埋率為92.0%。姚潔玉等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在4 ℃冷藏條件下，殼聚糖-柑橘精油微膠囊能夠有效地抑制蛋白質(zhì)的變性、脂肪的酸敗和微生物的生長，從而延緩凡納濱對蝦的腐敗變質(zhì)，延長對蝦貨架期3～4d。

柑橘精油微膠囊在使用中也存在一些問題，如微膠囊壁材成本高，并不適用于大批量的工業(yè)化生產(chǎn)；需對微膠囊精油的控制釋放的機理進行深入的研究，從而控制精油的釋放速率；將微膠囊技術同超臨界流體技術等其它高新技術結合，進一步優(yōu)化制備工藝，大力開拓精油微膠囊的應用領域。這些現(xiàn)象的存在阻礙了柑橘精油微膠囊的進一步推廣。

3.2.3 柑橘精油納米乳劑

在納米乳化過程中，需要通過外界能量將大液滴粉碎成粒徑為20～200 nm 的小液滴。根據(jù)外界能量的不同，可將納米乳化分為低能乳化和高能乳化兩種方法，通過化學制劑結構潛能提供能量的是低能乳化法，通過機械設備提供能量的是高能乳化法。

（1）低能乳化

低能乳化技術是一種非破壞性的方法，需要高濃度的表面活性劑，通過改變?nèi)榛旱慕M成或環(huán)境來自發(fā)形成乳化液滴。低能乳化方法包括相轉變溫度（PIT）、相轉變組分（PIC）、乳劑轉換點（EIP）和自發(fā)乳化方法[30]。

PIT 是根據(jù)表面活性劑在連續(xù)相中的溶解度隨溫度的變化而建立的。表面活性劑對水和油的親和力隨溫度的升高而變化，溶解度也隨之改變。表面活性劑在低溫時是親水的，在溫度升高時變成疏水的。這是由于非離子表面活性劑中存在的聚氧乙烯鏈脫水造成的。在優(yōu)化的親疏水平衡溫度下，通過PIT 快速冷卻或加熱得到的納米乳在動力學上是穩(wěn)定的。PIC 是通過改變表面活性劑的濃度而改變?nèi)橐旱慕M成。乳化液是通過表面活性劑上的陰離子電荷來穩(wěn)定，鹽添加到乳化液中將油-水乳化液體系轉化為水-油乳化液體系，經(jīng)水稀釋后可再次轉化為油-水乳狀液，降低了表面活性劑的離子強度。在EIP 方法中，通過對乳狀液進行粉碎，一種乳狀液體系轉化為另一種乳狀液體系。這種乳狀體系是通過增加對表面活性劑具有高親和力的分散相來實現(xiàn)的。在乳液形成過程中加入另一種表面活性劑，可以得到更穩(wěn)定的納米乳液[30]。自發(fā)乳化是指由分散相和連續(xù)相混合過程中產(chǎn)生的化學能的作用下自發(fā)乳化形成乳液的過程。通常自發(fā)形成的內(nèi)向液滴是不穩(wěn)定的，需要表面活性劑和外界能量協(xié)助穩(wěn)定。其乳化過程主要分為三步：水相和油相的制備；在外界能量的作用下，油相加入水相中，內(nèi)相油滴形成；負壓下除去有機溶劑，形成納米乳液。任婧楠等[29]利用PIT 法制得甜橙精油納米乳液和D-檸檬烯納米乳液，均具有良好的抑菌作用。其中甜橙精油納米乳液抑制枯草芽孢桿菌的最低濃度（MIC）為7.7%，而D-檸檬烯納米乳液的MIC 則為4%，表明D-檸檬烯納米乳液的抑菌性更佳。

（2）高能乳化

高能乳化是利用強大的破壞性機械力，如微流化、高壓均質(zhì)化、超聲等將大的乳狀液滴粉碎成微小的液滴。微流化技術將精油-基質(zhì)混合物通過狹窄的孔口流出微通道，利用碰撞來實現(xiàn)理想的精油-基質(zhì)的乳化。該方法制備的乳化液液滴粒徑非常小，適合食品級乳化液的生產(chǎn)；但是這種方法生產(chǎn)成本高，操作難度大。高壓均質(zhì)化是指適當組成的粗乳狀液受到非常高的壓力，并通過非常嚴格的閥孔推進，形成非常細的亞微米乳狀液。這種方法具有不含有機溶劑加工時間短的優(yōu)點，但是存在生產(chǎn)成本高、易降解的缺陷。超聲波技術利用高強度的聲波將鈦合金探頭尖端置于精油與基體/溶劑的均質(zhì)混合物中，產(chǎn)生強烈的機械振動。這種方法操作簡單，但形成的納米乳液液滴尺寸分布不均勻，成分受高能量輸出的影響。

納米乳液具有比微米乳更大的表面積，表現(xiàn)出更有效的抗菌作用。為了獲得具有理想稠度和性能的動態(tài)穩(wěn)定納米乳，必須對原料組成和合成方法進行優(yōu)化[29]。

洪耿德等[30]通過高能乳化獲得D-檸檬烯納米乳，并且發(fā)現(xiàn)不同濃度的D-檸檬烯納米乳對食源性致病菌均有抑菌活性，對乙型副傷寒桿菌來說，10 mg/mL 濃度時，抑菌率最大為65.02%。

4 小結

近年來人們的食品安全意識日漸增強，高效無毒的天然防腐劑取代常規(guī)化學防腐劑成為必然趨勢。柑橘精油來源豐富，抑菌作用顯著，是食品保鮮的理想天然防腐劑。但目前柑橘精油的應用還存在一些問題，例如在某些情況下，會引起皮膚刺激和過敏。解決這一問題的一個可能的解決方案是將精油封裝在合適的可生物降解的外殼中，能夠控制活性化合物的釋放。這不僅降低了精油的不穩(wěn)定性，對底物蛋白的反應性，同時通過控釋保證了抗菌性能。另一個問題是加入精油可能會消滅目標微生物群，但反過來可能會產(chǎn)生有利于有害微生物生長的條件，導致更嚴重的腐敗。因此，我們還需要解決柑橘精油在使用時的劑量問題。此外，單獨和混合使用精油時化合物的物理化學穩(wěn)定性和生物活性問題；在蛋白食品中使用精油時兩者之間的相互作用問題；柑橘精油的致敏性；防止食品變質(zhì)和質(zhì)量、味道和香味惡化的最佳劑量限制；精油的封裝方法及控制釋藥性能等問題,也需要進行長期廣泛的研究和論證，以確保在食品保鮮中更加高效、安全地利用柑橘精油。