程海梅 ，章柯，李緯博，丁誠，余漢謀

1.廣州工業(yè)智能研究院（廣州 511458）；2.深圳昱朋科技有限公司（深圳 518110）

精油作為植物中一類重要的天然產(chǎn)物，因其具特征香氣、抗氧化和抗菌特性等多種功效而受到廣泛關注，并在香料、食品、醫(yī)藥和化妝品等行業(yè)得到應用。

就其組成而言，精油[1-2]是由萜烯、含氧萜類化合物和一些小分子有機物及少量非揮發(fā)性殘基組成的復雜芳香烴混合物。精油的感官特性主要是由含氧萜類化合物和其他含氧化合物（醇類、醛類、酮類、酯類）產(chǎn)生的[3]，但其所占精油總質量比例較小（＜5%）。與之相對，萜烯屬不飽和烴，對精油的風味和香氣貢獻很小，且容易在光、熱、空氣的影響下發(fā)生水解反應，但卻占精油總質量的95%以上，同時萜烯的存在可能會使精油在水溶液或醇溶液中溶解度下降，或使精油變得更加易于氧化，這兩種問題都導致精油品質劣化。因此，精油在商業(yè)化前的下游加工過程中需要將萜烯從精油中分離出來，濃縮含氧萜類化合物，即精油脫萜烯過程，對于提高市場應用最終產(chǎn)品的質量至關重要，也是大幅提高精油整體商業(yè)價值的一種較為理想的方法。

精油脫萜烯的應用方法主要有減壓蒸餾[5]、微波輔助萃取[6-7]、超臨界流體萃取[8]、膜分離[9-10]、亞臨界法等，然而這些方法都存在產(chǎn)率低、副產(chǎn)物不良、能耗大等缺點。液-液萃取[11-12]具有條件溫和、成本較低、維護方便等優(yōu)點，重要的是避免精油成分的降解，能耗低，不會顯著影響精油的感官特性[13]，是一種廣泛應用的分離技術。

低共熔溶劑（DES）[14]作為一種新型綠色溶劑，具有廉價易得、綠色環(huán)保、穩(wěn)定性好及可設計性等優(yōu)點，對無機物和有機物溶解度較高，吸引了分離領域的廣泛關注[15-16]，為精油脫萜烯提供可能，但相關報道并不多[17-18]。試驗以芳樟醇/檸檬烯配制精油模型油為原料，選擇安全性及適用范圍廣的丙二醇為氫鍵供體，乙酰丙酸、乳酸、甜菜堿和氯化膽堿為氫鍵受體，制備DES為萃取劑，對精油進行脫萜烯試驗研究，并與市場上成熟的溶劑（70%乙醇）進行對比，對提高精油品質提供技術基礎和新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

根據(jù)天然甜橙油的組成，主要的萜烯是檸檬烯，而典型的萜類是芳樟醇。因此，采用芳樟醇（5%）和檸檬烯（95%）的混合物作為模型甜橙精油，用以快速檢測DES的脫萜烯性能。其中：檸檬烯，萃特貿(mào)易（上海）有限公司；芳樟醇、乙醇、丙二醇、乙酰丙酸，上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

磁力攪拌器（上海泰坦科技股份有限公司）；恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義市予華儀器設備有限公司）；氣相色譜儀[安捷倫8860型，安捷倫科技（中國）有限公司]。

1.3 方法

1.3.1 DES制備工藝

按照不同DES組分（表1），分別準確稱取一定質量的試劑于50 mL圓底燒瓶中，在60 ℃條件下反應0.5～1 h，得到的無色透明液體即為DES，冷卻至室溫待用。

表1 低共熔溶劑的組成

1.3.2 溶劑萃取精油脫萜烯工藝

以5%芳樟醇和95%檸檬烯分別作為含氧萜類和萜烯類的代表物，混合成為甜橙精油模型油，考察DES和對比溶劑在室溫下的萃取脫萜烯性能。

精確稱取精油和萃取劑→室溫攪拌30 min→靜置分離→脫萜烯精油

1.3.3 液液萃取試驗分析方法測定

氣相色譜的檢測條件及升溫程序：氣相色譜采用自動進樣器，進樣量1.0 μL、氣體流速1.2 mL/min、進樣室分流比40∶1。氣相色譜的前進樣器溫度設置為250 ℃，前檢測器溫度被設定為300 ℃。柱溫箱升溫程序以10 ℃/min的速率從80 ℃快速升溫至150 ℃，并在150 ℃下保持3 min，以10 ℃/min的速率從150 ℃快速升溫至200 ℃。低共熔溶劑含量通過歸一化的方式獲得（使用1減去其他2種物質的質量分數(shù)）。進樣后，每個樣品被測量4次來保證結果的準確性和重復性。

通過溶質分配系數(shù)（β）和選擇性（S）的計算研究DES萃取性能，其計算公式定義見式（1）～（3）。

1.3.4 單因素試驗設計

1.3.4.1 不同HBA結構對精油脫萜烯性能的影響

以丙二醇為HBD，乙酰丙酸、乳酸、甜菜堿和氯化膽堿為HBA，按照摩爾比2∶1合成系列DES，研究HBA結構對精油脫萜烯性能的影響，并與丙二醇/乙醇混合醇對比精油脫萜烯效果。制備過程中發(fā)現(xiàn)摩爾比2∶1的丙二醇和甜菜堿制備的混合物，降至室溫時呈固體狀，不能形成澄清均勻的液體，因此考察其他HBA與丙二醇合成DES對精油脫萜烯的影響，將DES1、DES2和DES3分別與模型油按照劑油質量比2∶1添加到容器中密封，在室溫下攪拌0.5 h，使模型油和溶劑充分接觸，靜置分相2 h。檢測兩相中芳樟醇和檸檬烯的含量。

1.3.4.2 劑油質量比對精油脫萜烯性能的影響

選定DES1為萃取劑，按照劑油質量比1∶1，2∶1，3∶1，4∶1和5∶1將萃取劑和模型油混合攪拌一定時間，靜置分相24 h。檢測兩相中芳樟醇和檸檬烯的含量。

1.3.4.3 DES組成摩爾比對精油脫萜烯性能的影響

以丙二醇為HBD，乙酰丙酸為HBA，按照HBD/HBA摩爾比1∶1，2∶1，3∶1，4∶1和5∶1合成DESs，將DESs和模型油按照劑油質量比4∶1混合攪拌30 min，靜置分相24 h。檢測兩相中芳樟醇和檸檬烯的含量。

1.3.4.4 DES含水量對精油脫萜烯性能的影響

選定DES1為萃取劑，萃取體系含水量分別為0，10%，20%和30%，相同條件下精油脫萜烯，檢測兩相中芳樟醇和檸檬烯的含量。

1.3.5 Box-Behnken試驗設計

在單因素試驗的基礎上，確定各因素的最佳水平范圍，采用響應面中心組合試驗設計，研究各參數(shù)對考察指標的影響規(guī)律，并得到DES萃取精油脫萜烯工藝最佳條件。選取HBD/HBA摩爾比（A）、劑油質量比（B）、DES含水量（C）為自變量，以脫萜烯性能主要指標芳樟醇分配系數(shù)β為響應值，進行響應面試驗設計，因素與水平見表2。

表2 響應面試驗因子水平及編碼

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 HBA結構對DES萃取精油脫萜烯性能的影響

DES是通過氫鍵供體（HBD）和氫鍵受體（HBA）之間的氫鍵作用形成的低熔點混合物。比傳統(tǒng)溶劑溶解度大，能夠與溶質間形成較強的分子間氫鍵，使其萃取能力遠高于傳統(tǒng)溶劑，且綠色環(huán)保[19-20]。

從圖1看出，DES的選擇性值S均大于1，由此可見DES對芳樟醇的選擇性均比檸檬烯的選擇性好，DES1對芳樟醇和檸檬烯的萃取能力均比較大，但選擇性值相對較小，分離性能一般，對于精油脫萜烯而言，首先要保證溶劑對含氧萜類化合物的溶解度，其次盡量減少倍半萜烯和蠟質。與DES1相比，芳樟醇和檸檬烯在DES2和DES3中的分配系數(shù)均變小，但選擇性值S增加。此外，與70%乙醇相比，無論是從分配系數(shù)還是選擇性值，DES1脫萜烯效果均較佳，選定丙二醇/乙酰丙酸組成的DES為萃取劑。

圖1 不同HBA對精油脫萜烯性能的影響

2.1.2 劑油質量比對精油脫萜烯性能的影響

由圖2可以看出，隨著劑油質量比的增加，芳樟醇在溶劑中的β和S均上升。這是因為萃取同樣質量的精油，隨著溶劑的用量增加，芳樟醇在萃取相中的溶解度增加，故芳樟醇在萃余相中作為少量組分越來越少，因此芳樟醇的分配系數(shù)βlin變化相對較大。而檸檬烯作為萃余相的主要成分含量變化較小，表現(xiàn)為檸檬烯的分配系數(shù)βlim變化較小，這導致了芳樟醇選擇性值S隨著劑油質量比增加而急劇增加。

圖2 不同劑油質量比對精油脫萜烯性能的影響

綜上所述，在開展的5組試驗中，劑油質量比4∶1時具有更好的提取效果。這意味著溶劑量增大會提高最終的脫萜效果，但溶劑量的提高會提高生產(chǎn)成本，因此在實際生產(chǎn)中需要根據(jù)實際要求選擇具體萃取劑的劑油質量比。

2.1.3 HBD/HBA摩爾比對精油脫萜烯性能的影響

從圖3可以看出，隨著HBD/HBA摩爾比的增加，芳樟醇分配系數(shù)β均在1.1～1.2之間，變化不大。這表明該體系下摩爾比對精油脫萜烯的影響不大。

圖3 不同HBD/HBA摩爾比對精油脫萜烯性能的影響

2.1.4 DES含水量對精油脫萜烯性能的影響

從圖4可以看出，隨著DES含水量增加，芳樟醇分配系數(shù)β減小，這是因為水的加入可能影響DES和芳樟醇之間的相互作用，可能有利于DES和水之間的氫鍵相互作用，同時限制DES與芳樟醇（含氧萜類化合物）的相互作用，從而降低DES的提取能力。此外，水的加入會破壞DES，單個組分丙二醇、乙酰丙酸和水離解并試圖與芳樟醇相互作用，形成復雜的相互作用，并削弱DES中形成強氫鍵網(wǎng)絡的簇。丙二醇和水之間可能有很強的氫鍵相互作用，這可能會阻礙稀釋的DES和芳樟醇之間的相互作用，減小混溶性區(qū)域，而芳樟醇從富含萜烯的相向富含DES的相的遷移隨之減少。

圖4 DES不同含水量對精油脫萜烯性能的影響

而選擇性值S則隨著DES含水量的增加呈現(xiàn)近似線性增加，這是因為水的加入，溶劑的極性增加，溶解脂溶性萜烯的量減小，增加溶劑對極性萜類化合物的親和力。

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 模型建立與數(shù)據(jù)分析

基于單因素試驗分析，根據(jù)Box-Behnken中心組合設計三因子三水平的響應面分析試驗，試驗方案根據(jù)表2的因子與水平設計，所得回歸方程系數(shù)顯著性檢驗結果見表3。

表3 響應面試驗設計及結果

采用Design-Expert 8.0軟件，對表3所得的試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，結果如表4所示。

表4 回歸方程模型的方差分析表（分配系數(shù)）

各因素回歸擬合，得到回歸方程。以芳樟醇分配系數(shù)（β）為響應值的三元二次回歸方程：分配系數(shù)（β）=0.43-6.934×10-3A+0.055B-0.51C-0.018AB-0.016AC-0.041BC-3.678×10-3A2+8.889×10-3B2+0.25C2。回歸模型方差分析見表4。

由表4可知，所建立的芳樟醇分配系數(shù)（β）回歸模型P=0.000 6，達到極顯著水平，校正系數(shù)R2=0.891 0，Radj2=0.868 6，說明模型能夠較好反映響應值的變化，失擬項（P=0.998 8）不顯著，說明回歸模型和預測值之間有較好的擬合度。模型的一次項C（P＜0.000 1）影響極顯著，A、B（P＞0.05）影響不顯著；從單因素試驗也可以看出，HBD/HBA對精油脫萜烯效果影響不大，二次項A2、B2（P＞0.05）影響均不顯著、C2（P＜0.01）影響極顯著；交互項AB、AC、BC（P＞0.05）影響均不顯著。由此可知3個因素對精油脫萜烯性能影響的順序為C＞B＞A，即DES含水量＞劑油質量比＞HBD/HBA摩爾比。

2.2.2 響應面分析

通過Box-Behnken試驗得到多元二次回歸模型所作的響應面圖如圖5所示，圖5能夠較為直觀地反映HBD/HBA摩爾比、劑油質量比和DES含水量之間的相互作用對芳樟醇分配系數(shù)（β）的影響，即對精油脫萜烯的影響。可以看出，HBD與/HBA摩爾比、劑油質量比及DES含水量兩兩交互曲面均比較平緩，表明對精油脫萜烯交互作用不明顯。

圖5 2個因素交互作用對精油脫萜烯性能影響的響應面曲線圖

利用響應面試驗優(yōu)化所得的以芳樟醇分配系數(shù)β為指標的最優(yōu)工藝參數(shù)為HBD/HBA摩爾比2.54、劑油質量比3.89、DES含水量0.00，在此條件下芳樟醇分配系數(shù)β為1.298。

2.2.3 驗證試驗

根據(jù)實際情況，將響應面試驗優(yōu)化的甜橙精油最佳脫萜烯工藝條件調(diào)整為HBD/HBA摩爾比2.5、劑油質量比4、DES含水量0.00，進行3次平行試驗驗證，通過驗證試驗，此條件下精油脫萜烯試驗中芳樟醇的分配系數(shù)實際值為1.196，選擇性值為29.436，與試驗預測結果誤差較小，說明響應面優(yōu)化所得的甜橙精油脫萜烯工藝條件是可行的，并且具有可預測性。

萃取物溶解在甘油和丙二醇中澄清且香氣干凈馥郁，無雜氣。

3 結論

通過單因素試驗，確定HBA結構、HBD/HBA摩爾比、劑油質量比和DES含水量各因素在單一因素變化的情況下的最優(yōu)值。以單因素試驗的結果為基礎，用響應面法對精油脫萜烯進行優(yōu)化，建立HBD/HBA摩爾比、劑油質量比和DES含水量對芳樟醇分配系數(shù)的二次回歸方程模型。經(jīng)驗證，該數(shù)學模型可靠，可用于精油脫萜烯工藝優(yōu)化參數(shù)的預測。結合單因素試驗、響應面試驗和驗證試驗確定精油脫萜烯最優(yōu)工藝參數(shù)：HBD/HBA摩爾比2.5、劑油質量比4、DES含水量0.00，在此最優(yōu)工藝參數(shù)下芳樟醇的分配系數(shù)為1.196，選擇性為29.436。萃取物溶解在甘油和丙二醇中澄清且香氣干凈馥郁，無雜氣。