辜雪冬肖 娟周 康胡 濱蘇 趙
(1. 西藏農(nóng)牧學院食品科學學院, 西藏 林芝 860000;2. 四川農(nóng)業(yè)大學食品學院,四川 雅安 625014)
精油又稱揮發(fā)油,是一類具有芳香味油狀液體的總稱。精油在植物界分布很廣,主要存在于蕓香科、菊科等芳香植物中[1]。檸檬又稱檸果、益母果等,屬于蕓香科柑橘屬植物,果實為淡黃色柑橘類水果,原產(chǎn)于馬來西亞、印度、北非等國家,目前在全世界廣泛種植。近年來,中國檸檬種植面積不斷增加,產(chǎn)量逐漸增加,尤其四川安岳作為中國最大的檸檬主產(chǎn)區(qū),2015年安岳檸檬總產(chǎn)量已達到6.0×105t[2]。檸檬除直接作為鮮果銷售外,還可以加工成檸檬產(chǎn)品,如檸檬果酒、檸檬果醋、檸檬果汁飲料等。由此在檸檬加工過程中產(chǎn)生了大量皮渣等副產(chǎn)物,尤其檸檬皮中含有豐富的精油[3]。檸檬精油具有廣泛的生物活性,在食品、化工和醫(yī)學領(lǐng)域有大量應(yīng)用[4]。
目前,檸檬精油提取的方法有壓榨法、有機溶劑提取法、水蒸氣蒸餾法、超臨界流體萃取法等[5-6]。但是直接壓榨法提取率通常較低;有機溶劑提取法在去除溶劑時容易導(dǎo)致?lián)]發(fā)性成分的散失;超臨界流體萃取法耗時雖短,但儀器設(shè)備成本較高,在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用還有一定局限性;水蒸氣蒸餾法是《中國藥典》的推薦方法,但耗時較長。因此,探索操作簡單、提取率高、成本低廉的檸檬精油提取方法,依然是檸檬產(chǎn)品綜合利用的關(guān)鍵,而采用酶法輔助水蒸氣蒸餾提取檸檬精油的工藝還未見報道。該方法是根據(jù)植物原料細胞壁的構(gòu)成特點,利用酶反應(yīng)的高度專一性,選擇相應(yīng)的酶在水蒸氣蒸餾提取前將細胞壁的組分進行降解,使被束縛在細胞內(nèi)的有效成分溶出,從而達到快速提取的目的[7]。
本試驗擬以四川安岳的尤力克檸檬果皮為原料,通過單因素和響應(yīng)面試驗研究纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取檸檬精油的最佳工藝條件,并采用氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)對其化學成分進行分析,再利用掃描電鏡對檸檬果皮的微觀結(jié)構(gòu)變化進行觀察,為檸檬精油的綜合開發(fā)利用提供參考。
新鮮檸檬:尤力克,采集于四川省安岳縣農(nóng)貿(mào)市場,取果皮,切片,真空干燥至質(zhì)量恒定,備用;
纖維素酶:酶活≥40 000 U/mg,最適酶解溫度40~60 ℃,pH 4.0~5.5,上海如吉生物科技發(fā)展有限公司;
果膠酶:酶活≥30 000 U/mg,最適酶解溫度30~55 ℃,pH 3.5~5.5,上海如吉生物科技發(fā)展有限公司;
半纖維素酶:酶活≥10 000 U/mg,最適酶解溫度30~55 ℃,pH 4.0~5.5,上海如吉生物科技發(fā)展有限公司;
氫氧化鈉、鹽酸等:分析純,成都科龍化工試劑廠。
揮發(fā)油測定器:上海臻潯金屬制品有限公司;
電子天平:20002型,諸暨市超澤衡器設(shè)備有限公司;
真空干燥箱:DZF-6020型,上海齊欣科學儀器有限公司;
pH計:PHS-25型:天津市華儀盛達實驗儀器有限公司;
水浴恒溫振蕩器:DSHZ-300型,太倉市科學儀器有限公司;
電熱套:PTHW型,上海貝侖儀器設(shè)備有限公司;
氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀:7890A-5975C型,安捷倫科技有限公司;
掃描電子顯微鏡:JSM-7500F型,日本電子株式會社。
1.3.1 水蒸氣蒸餾提取 根據(jù)《中國藥典》I部(2010年)附錄XD中測定法進行提取。取50 g經(jīng)真空干燥后的檸檬果皮置于圓底燒瓶中,加一定體積水與數(shù)粒玻璃珠,振搖混合后,連接揮發(fā)油測定器和回流冷凝管,從冷凝管上端加水至揮發(fā)油測定器的刻度部分,并溢流入燒瓶為止。再將提取裝置于電熱套中加熱至微沸,并保持微沸5 h,至揮發(fā)油測定器中油量不再增加時,停止加熱,放置片刻,開啟揮發(fā)油測定器下端活塞,將水緩慢放出,使油層下降到其上端與0刻度線齊平,讀取出油量,按式(1)計算精油提取率;其中檸檬精油相對密度測定按GB/T 11540—2008《香料 相對密度的測定》進行。按式(1)計算提取率。
(1)
式中:
c——提取率,%;
m1——精油體積,mL;
ρ——精油密度,g/mL;
m2——檸檬皮質(zhì)量,g。
1.3.2 酶輔助水蒸氣蒸餾提取 稱取一定質(zhì)量經(jīng)真空干燥后的檸檬果皮置于圓底燒瓶中,加入一定體積蒸餾水,再加入一定量的酶,蓋塞,調(diào)節(jié)pH和溫度,在水浴恒溫振蕩器中進行酶解;酶解處理完成后,再連接揮發(fā)油測定器和冷凝管,采用電熱套加熱至微沸,進行水蒸氣蒸餾提取。精油提取率按式(1)計算。
1.3.3 單因素試驗
(1) 酶的種類:為了確定最優(yōu)的水解酶,參考廠家提供纖維素酶、果膠酶和半纖維素酶的最適酶解條件,分別研究其對提取率的影響。具體酶解條件分別為:纖維素酶添加量1%(以檸檬果皮質(zhì)量計),pH 5.0,溫度45 ℃,液料比13∶1 (mL/g),酶解時間60 min,蒸餾時間180 min;果膠酶添加量1%,pH 4.0,溫度50 ℃,液料比13∶1 (mL/g),酶解時間60 min,蒸餾時間180 min;半纖維素添加量1%,pH 4.5,溫度40 ℃,液料比13∶1 (mL/g),酶解時間60 min,蒸餾時間180 min。
(2) 纖維素酶的添加量:將試驗條件設(shè)置為pH 5.0,溫度45 ℃,液料比13∶1 (mL/g),酶解時間60 min,蒸餾時間180 min,以確定適宜酶添加量。
(3) 酶解溫度:將試驗條件設(shè)置為酶添加量1.2%,pH 5.0,液料比13∶1 (mL/g),酶解時間60 min,蒸餾時間180 min,以確定適宜的酶解溫度。
(4) pH值:將試驗條件設(shè)置為酶添加量1.2%,溫度50 ℃,液料比13∶1 (mL/g),酶解時間60 min,蒸餾時間180 min,以確定適宜的pH值。
(5) 液料比:將試驗條件設(shè)置為酶添加量1.2%,溫度50 ℃,pH 5.0,酶解時間60 min,蒸餾時間180 min,以確定適宜的液料比。
(6) 酶解時間:將試驗條件設(shè)置為酶添加量1.2%,溫度50 ℃,pH 5.0,液料比為16∶1 (mL/g),蒸餾時間180 min,以確定適宜的酶解時間。
(7) 蒸餾時間:將試驗條件設(shè)置為酶添加量1.2%,溫度50 ℃,pH 5.0,液料比為16∶1 (mL/g),酶解時間70 min,以確定適宜的蒸餾時間。
1.3.4 響應(yīng)面試驗 在單因素試驗基礎(chǔ)上,選擇對提取率影響較大的酶添加量、液料比、酶解時間和蒸餾時間4個因素為自變量,以提取率為響應(yīng)值,按照響應(yīng)面(Response surface methodology,RSM)試驗中的Box-Behnken Design(BBD)原理設(shè)計試驗。根據(jù)試驗結(jié)果進行優(yōu)化分析,以得到最優(yōu)提取工藝條件。
采用GC-MS法對檸檬精油的化學成分進行分析。其中GC條件:HP-5MS彈性石英毛細管柱(柱長:30 m,膜厚:0.25 μm,內(nèi)徑:0.25 mm);載氣為氦氣,流速為1 mL/min。進樣量0.5 μL,進樣口溫度250 ℃,不分流進樣,解析時間5 min;升溫程序:起始溫度50 ℃,3 ℃/min升溫至220 ℃,保持2 min[8-9]。
MS條件:電子轟擊離子源(EI),電子能量70 eV,GC與MS接口溫度280 ℃;離子源溫度230 ℃;電子檢測器檢測電壓350 V;質(zhì)量掃描范圍10~450 amu。
將未經(jīng)處理、水蒸氣蒸餾提取和酶輔助水蒸氣蒸餾提取后的檸檬果皮作為原材料,經(jīng)冷凍干燥后再作噴金處理,在放大倍數(shù)500倍,工作距離8 mm,分辨率>20 nm條件下,利用掃描電鏡觀察其表面微觀結(jié)構(gòu)的變化。
2.1.1 酶的種類對提取率的影響 由圖1可知,在酶添加量相同的情況下,纖維素酶的提取率最高。這主要是由于植物細胞壁是以纖維素為骨架結(jié)構(gòu),當纖維素被水解后,細胞中的精油成分能夠快速游離出來,增加提取率。孟利娜等[10]在研究酶法輔助提取北蒼術(shù)揮發(fā)油的工藝時,比較了纖維素酶、果膠酶和半纖維素酶對揮發(fā)油提取率的影響,結(jié)果表明纖維素酶的提取率明顯高于果膠酶和半纖維素酶。因此本試驗選用纖維素酶輔助提取檸檬精油。
圖1 酶的種類對提取率的影響Figure 1 Effect of enzyme type on extraction rate
2.1.2 酶添加量對提取率的影響 由圖2可知,酶添加量由0.3%增加至1.2%時,提取率明顯增加;當酶添加量超過1.2% 后,提取率增幅不顯著。這是由于隨著纖維素酶量的增加,細胞壁被充分降解,精油提取率快速增加;但當纖維素酶增加到一定濃度后,與底物的結(jié)合已經(jīng)飽和,繼續(xù)增加酶量,已沒有多余的底物與其結(jié)合,提取率不再增加。張辰露等[11]在采用纖維素酶提取紫蘇葉揮發(fā)油時也證實,隨著纖維素酶用量增加,提取率先增加,然后增幅不明顯。因此,綜合考慮生產(chǎn)成本和提取率等因素,本試驗適宜的纖維素酶添加量為1.2%。
2.1.3 酶解溫度對提取率的影響 由圖3可知,當酶解溫度從40 ℃上升到50 ℃時,提取率明顯增加;在50~55 ℃時,提取率增幅不明顯;超過55 ℃后,提取率降低。這是由于在酶促反應(yīng)過程中,溫度增加能夠促進反應(yīng)進行。但溫度過高會導(dǎo)致纖維素酶失活,從而降低酶促反應(yīng)速度。而在50~55 ℃時,提取率較高,這是由于酶都有最適的溫度范圍,當纖維素酶保持在此溫度范圍時,溫度對其活性沒有影響。呂曉玲等[12]在采用纖維素酶提取迷迭香揮發(fā)油時也發(fā)現(xiàn),溫度過高或過低提取率都相應(yīng)下降,可能是低溫抑制酶的活性,而高溫導(dǎo)致酶失活。因此,本試驗適宜酶解溫度為50~55 ℃。
圖2 酶添加量對提取率的影響Figure 2 Effect of enzyme dosage on extraction rate
圖3 酶解溫度對提取率的影響Figure 3 Effect of enzyme temperature on extraction rate
2.1.4 pH對提取率的影響 由圖4可知,當pH從3.5上升到5.0時,提取率明顯增加;pH在5.0~5.5時,提取率增幅不顯著;當pH超過5.5后,提取率降低。通常酶都有其適宜的pH范圍,pH值過高或過低都影響酶的活性,導(dǎo)致酶促反應(yīng)速率降低。這與回瑞華等[13]在采用纖維素酶輔助提取卷柏揮發(fā)油時得出的結(jié)論相似。因此,本試驗適宜的酶解pH為5.0~5.5。
圖4 酶解pH對提取率的影響Figure 4 Effect of enzyme pH on extraction rate
2.1.5 液料比對提取率的影響 由圖5可知,液料比在7∶1~16∶1 (mL/g)時,提取率隨著液料比上升而增加;當液料比超過16∶1 (mL/g)時,提取率逐漸下降。這是因為一定體積的水作為反應(yīng)介質(zhì),對酶解反應(yīng)具有促進作用。若液料比較低,酶解液的黏度較大,影響了酶的流動性,不利于酶解反應(yīng)進行;而液料比過大,酶濃度和底物濃度均下降,降低了酶與底物的碰撞機率,導(dǎo)致酶的作用效果降低,提取率下降。冷進松等[14]在研究酶法輔助提取啤酒花精油時,也證實精油提取率隨著液料比增加而上升,當液料比增加至一定程度后,提取率隨著液料比增加而下降。因此,本試驗選擇適宜液料比為16∶1 (mL/g)。
圖5 液料比對提取率的影響Figure 5 Effect of solvent to material on extraction rate
2.1.6 酶解時間對提取率的影響 由圖6可知,當酶解時間從25 min延長到70 min時,提取率明顯增加;當酶解時間超過70 min后,提取率不再增加。這是由于隨著酶解時間的延長,酶與底物結(jié)合后充分進行反應(yīng),提取率相應(yīng)增加。但是酶解反應(yīng)進行一定時間后,由于底物濃度減少,酶解反應(yīng)已經(jīng)基本完成,提取率不會進一步增加。此外,如果酶解反應(yīng)時間過長,還會增加能耗。丁興紅等[15]在采用纖維素酶輔助提取溫莪術(shù)揮發(fā)油時也得出了類似的結(jié)論。因此,本試驗選擇適宜的酶解時間為70 min。
2.1.7 蒸餾時間對提取率的影響 由圖7可知,當蒸餾時間從60 min延長到150 min時,提取率明顯上升;當蒸餾時間超過150 min后,提取率不再增加。這可能是隨著蒸餾時間延長,檸檬果皮細胞中的精油不斷游離出來,使提取率上升;當蒸餾時間超過150 min后,精油已經(jīng)基本溶出,提取率不再增加,繼續(xù)延長蒸餾時間對提取率影響不大。而且蒸餾時間過長也會增加能耗。這與包怡紅等[16]研究蒸餾時間對艾葉精油提取率影響的結(jié)果一致。因此,本試驗較適宜蒸餾時間為150 min。
圖6 酶解時間對提取率的影響Figure 6 Effect of enzymolysis time on extraction rate
圖7 蒸餾時間對提取率的影響Figure 7 Effect of distillation time on extraction rate
2.2.1 響應(yīng)面模型的建立 單因素試驗結(jié)果表明,酶解溫度和pH值分別保持在50~55 ℃和5.0~5.5時,對提取率影響不顯著。因此,響應(yīng)面試驗選擇對精油提取率影響較顯著的酶添加量、液料比、酶解時間和蒸餾時間4個因素為自變量,以提取率為響應(yīng)值,按照Design-expert 11.0軟件中Box-Behnken Design(BBD)設(shè)計響應(yīng)面試驗(response surface methodology,RSM),各因素的具體取值見表1,RSM的結(jié)果見表2。
采用Design-expert 11.0軟件對表2的試驗結(jié)果進行優(yōu)化分析,得出了提取率與酶添加量、液料比、酶解時間和蒸餾時間的二次回歸方程模型:
Y=1.82+0.14A+0.08B+0.14C+0.06D+0.04AB+0.08AC+0.05AD+0.03BC+0.06BD+0.02CD-0.13A2-0.08B2-0.09C2-0.09D2。
(2)
2.2.2 響應(yīng)面模型的顯著性檢驗 將二次回歸方程模型進行方差分析,對模型系數(shù)進行顯著性檢驗,結(jié)果見表3。
表1 BBD設(shè)計因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of BBD
表2 BBD設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experiment design and results of BBD
2.2.3 各因子間交互作用的響應(yīng)面分析 各因子間交互作用的響應(yīng)面分析見圖8。
由圖8可知,將酶添加量、液料比、酶解時間和蒸餾時間中的任意2個因素固定在中心點位置時,其他2因素對提取率均存在顯著或極顯著交互作用。
2.2.4 驗證實驗 采用Design-expert 11.0軟件對回歸方程模型進行預(yù)測,得出理想的提取工藝為:酶添加量1.13%,液料比15.78∶1 (mL/g),酶解時間62.47 min,蒸餾時間139.67 min,理論提取率2.23%??紤]到實際操作的可行性,將提取工藝參數(shù)修正為酶添加量1.1%,液料比16∶1 (mL/g),酶解時間63 min,蒸餾時間140 min。按照上述修正條件下進行3次驗證實驗,實際提取率的平均值為2.12%,與理論預(yù)測值基本吻合。表明該模型可以預(yù)測試驗結(jié)果,具有較好的應(yīng)用價值。
表3 回歸方程的方差分析?Table 3 Variance analysis of regression equation
? *表示差異顯著,P<0.05;**表示差異極顯著,P<0.01。
水蒸氣蒸餾和纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取檸檬精油的總離子流圖見圖9。
采用GC-MS對提取的檸檬精油進行定性定量分析,利用NIST11質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫進行對照解析,取匹配度85%以上數(shù)據(jù),相對質(zhì)量分數(shù)在0.1%以上的化合物27種列于表4。
由表4可知,2種不同方法提取的檸檬精油化學成分基本相同,表明纖維素酶在輔助提取檸檬精油的過程中,沒有對檸檬精油的化學組成產(chǎn)生影響,保留了其原有成分。纖維素酶輔助提取的檸檬精油共鑒定出27種化學成分,占總成分的97.05%。其中烯類化合物15種,醛類化合物5種,酯類化合物3種,萜類化合物2種和醇類化合物2種,尤其檸檬烯含量較高。Al-Jabri等[18]采用GC-MS對水蒸氣蒸餾提取的檸檬果皮精油進行檢測,證實檸檬烯、β-蒎烯、月桂烯等是其主要特征組分。Vaio等[17]和秦軼等[4]分別以乙醇提取和壓榨提取得到的檸檬果皮精油,經(jīng)GC-MS檢測也得到了類似結(jié)論。
檸檬精油2種提取方法測定結(jié)果見表5。
圖8 兩因子交互作用對提取率影響的響應(yīng)面圖Figure 8 Response surface of mutual-influence of two factors on extraction rate
圖9 水蒸氣蒸餾和纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取檸檬精油的總離子流圖Figure 9 Total ion current of essential oil of lemon fromhydrodistillation and cellulase-assisted hydrodistillation extraction表4 2種不同方法提取檸檬精油的化學成分分析
序號化合物名稱水蒸氣蒸餾提取保留時間/min相似度/%含量/%纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取保留時間/min相似度/%含量/%1α-蒎烯10.96943.2310.96952.492樟腦萜11.68900.1011.68890.123β-蒎烯12.97989.2512.979710.134月桂烯13.95955.2213.96934.785檸檬烯16.159861.8116.159863.526羅勒烯16.93890.1916.93900.167萜品烯17.35903.3117.36923.428異松油烯18.52880.5518.53870.419芳樟醇19.32891.0919.33900.9510樟腦未檢出20.23890.1811(R)-氧化檸檬烯未檢出20.92870.4512香茅醛21.67870.2221.68850.3113a-松油醇90未檢出23.53880.5214癸醛24.16930.6224.17920.7115(Z)-3,7-二甲基-2,6-辛二烯醛25.84941.8625.85931.6716檸檬醛27.23921.8327.24921.91173,7-二甲基-1,6-辛二烯-3-醇甲酸酯25.57850.1025.58870.1118十一醛28.73860.1228.74860.1319α-蓽澄茄油烯30.46850.1130.47870.1320乙酸橙花酯31.26920.9431.27901.05212-莰烯31.87870.1031.88860.1022乙酸香葉酯32.09900.6432.10890.73231-石竹烯33.43930.5433.44950.5924α-法尼烯34.16941.2834.17921.3225(E)-β-金合歡烯35.87870.1238.88900.1926巴倫西亞橘烯36.45880.5836.46930.6227氧化石竹烯40.02920.2740.03930.35合計94.0897.05
表5 2種提取方法提取率的比較Table 5 Comparisons of extraction rate of two extraction methods
由表5可見,纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取的檸檬精油提取率不僅略高于水蒸氣蒸餾提取率,而且纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取法明顯減少了提取時間。這是由于在水蒸氣蒸餾前采用纖維素酶對檸檬果皮進行預(yù)處理,使得檸檬果皮的細胞結(jié)構(gòu)被有效水解,促進了精油成分能夠在水蒸氣蒸餾時快速溶出,從而縮短了提取時間。Sowbhagya等[19]在提取孜然精油時證實,采用酶預(yù)處理后進行水蒸氣蒸餾提取,不僅提高提取率,還明顯縮短水蒸氣蒸餾時間。Hosni等[20]在采用酶預(yù)處理后進行水蒸氣蒸餾提取百里香精油和迷迪香精油時,也得出了類似結(jié)論。由此可見,纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取法的提取率不僅與水蒸氣蒸餾提取法相類似,而且還能縮短提取時間而減少能耗。
采用掃描電鏡對未經(jīng)處理、水蒸氣蒸餾、纖維素酶輔助提取后的檸檬果皮超微結(jié)構(gòu)進行觀察,結(jié)果見圖10。
由圖10可以觀察到,未經(jīng)處理的檸檬果皮表面結(jié)構(gòu)與水蒸氣蒸餾和纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取的檸檬果皮有明顯差異。未經(jīng)處理的檸檬果皮表面結(jié)構(gòu)平滑和完整;水蒸氣蒸餾提取后的檸檬果皮表面部分結(jié)構(gòu)遭到破壞,出現(xiàn)了部分空洞和間隙;纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取后的檸檬果皮表面結(jié)構(gòu)破壞嚴重,出現(xiàn)了大量不規(guī)則的脆片、裂痕和間隙。通常植物原料中有效成分的提取,與原料細胞結(jié)構(gòu)的破壞程度密切相關(guān)[21]。在纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取過程中,纖維素酶對檸檬果皮細胞進行了水解,使得細胞表面結(jié)構(gòu)被嚴重破壞,但是這促進了細胞中精油成分的快速溶出。Baby等[22]在提取豆蔻精油和茴香精油時證實,經(jīng)酶預(yù)處理后的原料表面結(jié)構(gòu)破壞嚴重,促進了精油的快速提取。李明月等[23]在采用酶輔助提取沉香精油時,也得出了類似結(jié)論。
圖10 未經(jīng)處理、水蒸氣蒸餾、纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取后的檸檬皮掃描電鏡觀察
Figure 10 Scanning electron micrographs of lemon peel: lemon peel without treatment, lemon peel byhydrodistillation, lemon peel by cellulase-assisted hydrodistillation extraction
本試驗通過單因素和響應(yīng)面試驗確定了纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取檸檬果皮精油的最佳工藝條件為:酶解溫度50 ℃,酶解pH 5.0,酶添加量1.1%,液料比16∶1 (mL/g),酶解時間63 min,蒸餾時間140 min,提取率為2.12%,所得精油為淡黃色液體,其香氣接近鮮檸檬果香。該檸檬精油共鑒定出27種化學成分,占總成分的97.05%,其主要成分為檸檬烯、β-蒎烯和月桂烯。此外,掃描電鏡觀察表明,纖維素酶通過對原料細胞結(jié)構(gòu)的水解,促進了精油的快速釋放。本工藝與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾提取相比,提取率相近,但明顯減少了提取時間,降低了能耗。所以,纖維素酶輔助水蒸氣蒸餾提取檸檬精油是一種有效的精油提取方法。