三種方法制備的柚皮精油的分子蒸餾及GCMS揮發性成分測定

劉昊澄,安可婧,傅曼琴,余元善,吳繼軍,徐玉娟

(廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所,廣東省農產品加工公共實驗室,廣東廣州 510610)

柚子(Cirtusmaxima)屬于亞熱帶常綠喬木果樹,為柑橘四大類(甜橙類、寬皮柑桔類、檸檬類、葡萄柚和柚類)之一,廣泛種植于我國廣東、廣西、福建等地[1-2]。在柚子加工過程中,會形成大量的副產物,包括柚子皮、囊衣、柚子籽等,其中占鮮果重量的40%的柚皮是主要的副產物。因此,柚皮的綜合利用已成為國內外研究的熱點[3-4]。

柚皮精油是柚子外果皮油胞層中含有的一類令人喜愛的芳香氣味化合物,可以作為食品和日用品的增香劑,具有廣泛的應用空間[5-6]。目前柚皮精油常見的傳統工業制備方法主要有:水蒸氣蒸餾、冷壓榨和機械磨皮法等[7-8],具有工藝操作簡單、成本低、香氣品質高等特點。相關研究表明,柚皮精油的主要成分是萜烯類、倍半萜烯類、醇類、醛類、酮類、酯類等物質,其中95%以上是萜烯類和倍半萜烯類化合物[9-10],但萜烯類化合物很容易因加工(如蒸餾、貯存等)不當而導致氧化及酶促反應,產生香芹酮、香芹醇等不良氣味成分,從而使精油品質下降。因此,生產上如何需要進一步濃縮精油,是提高柚皮精油品質的關鍵[11-12]。

分子蒸餾(Molecular distillation)又叫短程蒸餾(Short-path distillation),是一種特殊的液-液分離技術。該技術通過極高真空度下,依據混合物分子運動平均自由程的差別,在遠低于其沸點的溫度下將其分離,是一種常用的高效、無污染的分離及濃縮技術[13]。與普通真空蒸餾相比,分子蒸餾能更好避免熱分解,可以使精餾更精確,避免其他重要香味成分的損失[14]。楊穎等[15]以分子蒸餾技術對葡萄柚進行脫烯萜類物質精制,發現分子蒸餾對葡萄柚精油具有良好脫萜效果;劉克海等采用分子蒸餾技術對甜橙精油進行優化處理,發現分子蒸餾能對甜橙精油中的特征香氣成分高效富集[16];因此,分子蒸餾技術對柑橘類精油具良好的脫萜以及濃縮精制的效果。

本研究以沙田柚為研究對象,采用冷壓榨、水蒸汽蒸餾及機械磨皮三種方法制備柚皮精油,再通過分子蒸餾對原油進行分餾濃縮,結合氣相色譜-質譜(GC-MS)技術分析,明確分子蒸餾對柚皮精油中萜烯類化合物的分離效果,并確定原油與分離輕、重組分揮發性成分的區別,為后續精油工業化生產和分析鑒定提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

熱蒸油、冷榨油以及磨皮油 廣東安田天然精油科技有限公司;沙田柚 廣東梅州嘉豐果園,4 ℃條件下挑選成熟度一致(強烈的柚皮甜香氣味,表皮成黃色或橙黃色),大小均一,表皮無損傷的果實進行精油揮發性成分的提取;C5-C20正構烷烴 美國Accustandard公司;無水氯化鈉、無水乙醇、無水硫酸鈉 分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司。

SSYZ12/12螺旋冷榨機 武漢梁龍機械制造有限公司;RY-TQ-10L型蒸餾罐 上海銳元機械設備有限公司;柚子磨皮機 新鄉市領先輕工機械有限公司;GC-MS 6980N/5975B氣質聯用儀 美國Agilent公司;ME204分析天平 瑞士METTLER公司;YH系列電熱器 江蘇近湖鎮教學儀器廠;RY-JYTQ-20隔水蒸餾提取植物精油設備 上海銳元機械設備有限公司;MDS-80分子蒸餾裝置 廣州市浩立生物科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 柚皮精油樣品制備 選取成熟度一致的新鮮沙田柚,清洗干凈,過蒸餾水,室溫下晾干,切取柚皮,保留黃色外皮部分作為提取柚皮精油的材料。

水蒸氣蒸餾(熱蒸油)制備方法:將柚皮適當剪碎,放入蒸餾罐中,加熱至沸騰,從沸騰起計時2 h(直到無精油流出)后,待冷卻后收集精油,無水硫酸鈉脫水后得熱蒸油,4 ℃備用。

冷壓榨(冷榨油)制備方法:將柚皮在-15 ℃條件下冷凍15 min后,取出放入螺旋壓榨機中壓榨,用分液漏斗收集流出的初油。初油靜置30 min,取上層油放入冷凍離心機中,4 ℃、4000 r/min條件下離心15 min,所得冷榨油4 ℃保存備用。

機械磨皮(磨皮油)制備方法:將柚皮放入機械磨皮機中,同時噴淋高壓水,得到油、水及顆粒狀碎屑的混合物,靜置去除碎屑,所得油水混合物以12000 r/min離心,取上層油層于-18 ℃靜置,待蠟質沉淀后過濾,濾液即為磨皮油,4 ℃備用。

1.2.2 分子蒸餾實驗 取100 g熱蒸油、冷榨油以及磨皮油分別進行分子蒸餾。進料速度0.2～0.3 L/h,真空度為200 MPa,加熱溫度為35～45 ℃,冷卻溫度為20～25 ℃,刮磨轉速為300 r/min。在高真空條件下,物料中的輕組分以氣體狀態進入中間的冷凝器并冷凝成液體,進入輕組分收集器中,而重組分未揮發直接進入重組分收集器中,備用。以上操作重復三次[17]。

1.2.3 指標的測定

1.2.3.1 精油得率的測定 精油得率計算公式:

式中:R1:精油得率,%;m1:精油質量,g;m2:柚皮質量,g。

1.2.3.2 餾分得率的測定 餾分得率按下式計算:

式中:R2:餾分得率,%;m3:餾分質量,g;m4:原油質量,g。

1.2.3.3 精油損失率的測定 損失率按下式計算:

W(%)=R1-R2

式中:W:精油損失率,%;R1:精油得率,%;R2:餾分得率,%。

1.2.4 精油的氣質聯用(GC-MS)分析

1.2.4.1 精油樣品的處理 采取直接液體進樣法,用無水乙醇對待測柚皮精油按1∶400進行稀釋,進樣量:1 μL。

1.2.4.2 GC條件 色譜柱:DB-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);進樣口溫度250 ℃;升溫程序:起始溫度為40 ℃,以3 ℃/min升溫到250 ℃,保持5 min;載氣:He,流速1.0 mL/min;分流比:4∶1。

1.2.4.3 MS條件 電子電離源;離子源溫度200 ℃;電子能量70 eV;溶劑延遲3min;質量掃描范圍40～50 u[18]。

1.2.4.4 定性定量分析 定性:與標準信息庫NIST14進行比對;采用正構系列烷烴混合標樣C5～C20計算揮發性成分的保留指數;保留指數(LRI)計算公式如下:

LRI=100N+100n(TRa-tRN)/(tR(N+n)-tRN)

式中:N:目標物質左側正構烷烴的碳原子數;n:位于目標物質兩側的正構烷烴的碳分子數之差;tRa、tRN和tR(N+n)分別是待測物質、待測物質左側和右側正構烷烴的保留時間。

定量分析:采用峰面積歸一化法計算各種成分的相對含量。

1.3 數據處理

采用Excel、Origin軟件對GC-MS數據進行統計分析;所有實驗均重復3次。

2 結果與分析

2.1 三種柚皮精油得率及分子蒸餾各餾分得率

由表1可以看出,三種方法得到的柚皮精油得率范圍均在0.61%～1.68%,該結果與洪鵬等[19]精油得率結果相一致;進一步分析發現,精油的原油、輕組分和重組分得率均存在顯著性差異(P<0.05),其中水蒸氣蒸餾法的得率最高,達到1.68%,機械磨皮法得率最低,為0.61%;分子蒸餾處理后,冷榨油輕組分得率為51.67%,重組分得率為43.00%,損失率為5.33%;熱蒸油輕組分得率為71.20%、重組分得率為22.00%,損失率為6.80%,磨皮油輕組分得率為44.32%、重組分得率為49.06%,損失率為6.61%。

表1 三種柚皮精油及分子蒸餾得率

進一步比較分析,三種方法得到的精油的輕重組分的得率不同,可能是由于其揮發性物質的種類和含量的不同所產生的。熱蒸油輕組分得率最高,可能是熱蒸油中的萜烯類物質含量高于冷榨油和磨皮油;磨皮油重組分得率最高,則說明磨皮柚子萜烯類之外的揮發性物質種類及含量可能高于其他兩種精油,結果需要通過GC-MS對精油進一步分析,而大部分精油的損失可能是由于精油在分餾過程中有少量精油揮發以及殘留在儀器中。

2.2 三種方法的柚皮精油原油的GC-MS分析

由表2、表3分析可知,對精油全組分進行定性定量分析,三種原油中共分離鑒定出萜烯類、醇類、醛類、酸類、酯類、酮類以及酚類共62種物質,其中冷榨油41種,熱蒸油43種及磨皮油51種,共有物質為25種。萜烯類化合物是精油中最主要的揮發性成分,在冷榨油、熱蒸油以及磨皮油中的相對含量分別為94.87%、96.98%以及92.48%,D-檸檬烯的相對含量均超過82%。三種精油有11種共有的萜烯類物質,其中D-檸檬烯、α-蒎烯、β-月桂烯、β-蒎烯,羅勒烯、α-水芹烯為香氣貢獻成分[19-20]。酮類物質相對含量僅次于萜烯類物質,在冷榨油、熱蒸油以及磨皮油中的相對含量分別為2.11%、1.42%、2.34%,共有物質為圓柚酮,具有強烈的柚子[21]、橙子果香味[22];酯類在三種精油中有5種相同成分,其中乙酸香葉酯具有特殊的水果香氣[19,23],醛類物質在精油中有香茅醛、癸醛、檸檬醛3種共有成分,具有甜味、柚皮味等愉悅香氣[19,24],醇類物質中芳樟醇和α-松油醇,具有花香、松油等香韻[19,21]。

表2 柚皮精油原油與重組分揮發性物質

續表

表3 柚皮精油原油揮發性成分及相對含量

進一步對各精油成分對比發現,冷榨油中的圓柚酮(2.50%)、乙酸香葉酯(0.46%)、三種醛類(0.28%)以及兩種醇類(0.44%)等香氣物質的相對含量均大于其他兩種精油。此外,在熱蒸油7種特有揮發性成分中含有氧化檸檬烯[25](0.68%)和右旋香芹酮[26](0.22%)兩種具有刺激性不良氣味的揮發性成分[25-26],可能是由于水蒸汽蒸餾過程使烯烴類物質發生氧化反應導致異味成分的產生。由表3可知,磨皮精油中保留指數大于2000的物質含量較高(3.08%),遠高于冷榨油(0.83%)和磨皮油(0.35%),保留指數大于2000的揮發性成分在常溫下難以揮發,雖然對香味幾乎沒有影響,但會降低精油的澄清度[27],這可能是由于磨皮工藝過程中一些果膠和蠟質類成分混入于精油中導致其澄清度較差。

綜合以上分析:三種精油都能貢獻出柚皮中主要的香氣成分,但相比熱蒸油,冷榨油與磨皮油無異味物質生成,對柚皮精油的呈香成分保留率更高,此外,冷榨油比磨皮油具有更好澄清度和穩定性,因此冷榨油的精油品質最好。

但三種精油中萜烯類物質相對含量過高(92%以上),容易因加工、貯存不當而氧化變質,產生不良氣味從而導致精油品質下降。因此,本文采用分子蒸餾技術對三種精油進行濃縮,脫除大量D-檸檬烯,增加精油的穩定性。

2.3 熱蒸原油與輕、重組分對比分析

結合表4,熱蒸油經分子蒸餾技術處理后,輕組分鑒定出21種物質,其中烯烴類物質有14種,相對含量占整個輕組分的99.72%;重組分共鑒定出41種物質,包括15種萜烯類(92.02%)、8種醇類(1.02%)、9種酯類(1.69%)、3種醛類(0.26%)、3種酮類(4.19%)、2種酚類(0.66%)以及1種酸類(0.16%)。輕組分總體由烯烴類化合物組成,與劉克海等[16]的結果相一致。而重組分總體組成成分與原油相似,重組分中萜烯類物質從原油的96.98%降至92.02%,其他種類成分相較與原油,百分含量均有所提升,其中酮類物質提高了2.76%,酯類物質提高了1.16%、醇類提升了0.65%。

表4 熱蒸原油與輕、重組分揮發性成分

2.4 磨皮原油與輕、重組分對比分析

結合表5,磨皮油經過分子蒸餾優化處理后鑒定出輕組分中可揮發性成分為26種,其中烯烴類物質有16種,相對含量占整個輕組分的99.01%;重組分中可揮發性成分45種,包括18種烯烴類物質(84.92%)、10種醇類(1.09%)、8種酯類(2.12%)、4種醛類(1.09%)、1種酮類(5.22%)、3種酚類(4.49%)以及1種酸類(0.36%)。

表5 磨皮原油與輕重組分揮發性成分表

從整體上分析,磨皮油輕組分總體由烯烴類化合物組成;重組分總體物質數量與原油相似,但萜烯類物質相對含量從92.47%降低到84.92%,下降了7.55%,其他種類的物質百分含量均增高,其中酮類物質含量增長最明顯,增高了2.88%。其次為酚類和酯類物質,相對含量分別增長了1.94%以及1.85%;其醇類、醛類物質以及酸類物質相對含量提升了0.91%、0.77%和0.20%。

2.5 冷榨原油與輕、重組分對比分析

結合表6,冷榨油經過分子蒸餾優化處理后共分離鑒定出41物質;輕組分有20種物質,其中烯烴類物質有13種,相對含量占整個輕組分的99.78%;重組分中可揮發性成分38種,包括11種烯烴類(83.19%)、6種醇類(2.60%)、10種酯類(4.45%)、6種醛類(1.45%)、2種酮類(6.74%)、1種酚類(1.25%)以及2種酸類(0.32%)。

表6 冷榨原油與輕、重組分揮發性成分

冷榨油輕組分中物質的數量總體由烯烴類化合物組成,主要為D-檸檬烯(90.43%)、β-月桂烯(5.88%)、α-蒎烯(1.48%)以及羅勒烯(1.11%)。萜烯類物質相對含量降低了11.68%,重組分其他種類中酮類物質相對含量提升最大,提升了4.63%;酯類物質相對含量增長了3.88%;醇類和醛類物質相對含量提升了1.97%和1.05%;酚類和酸類物質分別提升了0.93%和0.02%。

2.6 三種方法柚皮精油的重組分的對比分析

對比表4、表5、表6可知,熱蒸油重組分、磨皮油重組分以及冷榨油重組分中萜烯類物質含量分別下降了4.96%、7.55%以及11.68%,冷榨油重組分含量下降最大,其主要的萜烯類物質的D-檸檬烯、β-月桂烯以及α-蒎烯的相對含量的下降程度也要高于磨皮油重組分和熱蒸油重組分,分別減少了10.88%、1.21%和0.34%,有效的分離了萜烯類物質。因此,冷榨油的脫萜效果最好。

如表3所示,三種重組分油中同樣分離鑒定出萜烯類、醇類、醛類、酯類、酮類、酸類以及酚類共61種物質,物質組成種類及數量與原油相一致。三種重組分油中,酯類物質共有15種,乙酸香葉酯為典型的呈香成分,冷榨重組分中乙酸香葉酯的相對含量為1.50%,高于熱蒸重組分(1.03%)和磨皮重組分(1.08%);其次為醇類物質,共有12物質,其呈香成分為芳樟醇和α-松油醇,冷榨油重組分的芳樟醇相對含量最高,為0.98%,而磨皮重組分中α-松油醇含量最高,為0.97%;醛類物質(6種)中呈香物質為香茅醛、癸醛和檸檬醛,冷榨油重組分的相對含量為1.21%,均高于其他兩種重組分;酮類物質僅有兩種,但相對含量僅次于萜烯類物質,其中圓柚酮是酮類中的典型呈香物質,冷榨油重組分中圓柚酮相對含量(6.73%)高于熱蒸重組分(3.93%)和磨皮重組分(6.22%)。

相比熱蒸原油,熱蒸重組分中不良香氣萜烯成分氧化檸檬烯的相對含量由0.68%降至0.22%,有效減少異味的產生,但異味成分并不能完全去除;磨皮重組分中保留指數大于2000的物質的相對含量(5.92%)遠大于其它兩個重組分,澄清度下降;綜合以上分析,冷榨油重組分中呈香物質的相對含量基本高于其他兩種重組分,且精油澄清度好,無異味成分,濃縮精制效果最優。

3 結論

采用GC-MS對冷榨油、熱蒸油以及磨皮油中的揮發性成分進行分析鑒定,發現冷榨油中的酮類(2.50%)、酯類(0.46%)、醛類(0.28%)以及醇類(0.44%)揮發性成分的相對含量均大于其他兩種精油,并且冷榨油無氧化檸檬烯、右旋香芹酮等異味物質產生,保留指數大于2000的物質含量較低,不會對澄清度造成負面影響,因此,冷榨油具有更好的品質。

經過分子蒸餾處理后,精油能分為輕、重兩個組分,輕組分99%以上都為烯烴類;重組分組成成分與原油基本一致,但醇類、酯類、酸類、酮類等中的呈香物質相對含量均有了顯著增加。說明利用分子蒸餾方法可以對柚皮精油進行有效精制,并且達到脫萜的效果。熱蒸油中的異味成分(氧化檸檬烯)的相對含量也有效降低,但不能完全去除。磨皮油經過分子蒸餾處理后會增加保留指數大于2000的物質的相對含量,澄清度下降。冷榨油總組分中萜烯類物質的相對含量下降最大(11.68%),脫萜效果最好,同時其他物質的呈香成分的相對含量提高最多,濃縮精制效果最好。綜上說明利用分子蒸餾方法能有效對柚皮精油進行分離,將原油中含量較高的烯烴類化合物分離,具有良好的脫萜和濃縮精制效果,分離出的不同成分按功效用途可應用于不同風味食品、保健食品、化狀品和醫藥等產品中,擴展了柚子精油精深加工的途徑。