周亞軍，薛長美，張?zhí)K蘇，姚光明，張 凌，王淑杰

(1.吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130062;2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,長春 130025)

1 前言

玫瑰是花卉栽培行業(yè)中最重要的植物之一。全世界大約有200種玫瑰，而栽培品種超過18 000種。玫瑰長期以來一直被用于食品、藥品、香料、化妝品和芳香療法，而且經(jīng)常被用來提取玫瑰精油，這些精油被香水制造業(yè)廣泛應(yīng)用。由于玫瑰花中精油含量低和勞動密集型生產(chǎn)過程，玫瑰精油價格昂貴，因此在國際市場上被稱為“液體黃金”。玫瑰的品種對精油的質(zhì)量有很大影響，例如大馬士革玫瑰（Rosa damascena Mill.），法國薔薇（Rosa gallica L.），麝香玫瑰（Rosa moschata Herrm.），百葉薔薇（Rosa centifolia L.）和其它等。大馬士革玫瑰主要種植在土耳其、保加利亞、摩洛哥、伊朗、南俄羅斯、法國南部、中國、意大利南部、利比亞和烏克蘭。

精油一般是從植物中提取的油類化合物，提取方法有很多，如水蒸氣蒸餾、真空蒸餾、溶劑萃取和超臨界CO2萃取等。產(chǎn)地、收獲季節(jié)和天氣會影響精油含量和性質(zhì)，提取方法對精油品質(zhì)起到重要作用。水蒸氣蒸餾是提取精油的一種傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)方法，而且一直延續(xù)至今。盡管這種方法得率低，但是卻容易操作，一些方法已經(jīng)在嘗試使用以用來提高精油得率和性質(zhì)。溶劑萃取雖然可以提高精油得率，但是存在溶劑殘留問題。而超臨界CO2萃取由于成本高受到限制。

近幾年，高壓脈沖電場成為國際食品研究領(lǐng)域的一種新興技術(shù)。它是基于外部電場使真核細(xì)胞膜電穿孔從而提高溶質(zhì)擴(kuò)散的原理。最近發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電場被廣泛用于天然產(chǎn)品中活性成分的提取，不但不會影響產(chǎn)品質(zhì)量而且會提高活性成分的提取效率。由于非熱耗、快速、有效、低功率和低污染的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于食品的巴氏滅菌和天然物質(zhì)中有效成分的提取。這是一種提取活性成分的新型潛在的方法。

本研究中，為了利用當(dāng)?shù)孛倒遒Y源和提高精油得率，使用高壓脈沖電場輔助水蒸氣蒸餾的方法提取玫瑰精油。研究了電場強(qiáng)度，脈沖數(shù)和蒸餾時間對精油得率的影響。同時，精油得率和組成與水蒸氣蒸餾得到的精油進(jìn)行對比分析。

2 材料與方法

2.1 植物材料

大馬士革玫瑰采摘于吉林省長白山的玫瑰花園，在玫瑰開花季（6月～7月）的早上（5：00～7：00am）人工采摘。選擇半開花朵采摘并放置過夜以去除過多的水分，然后貯藏在-20℃冰箱中備用。Mohamadi 等人報道花瓣在低溫（-20℃）下凍藏可以保存3周，其精油得率和成分不會有顯著變化。

2.2 高壓脈沖電場處理系統(tǒng)

本研究應(yīng)用的高壓脈沖電場裝置是由吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院電技術(shù)研究室提供，主要由脈沖電源發(fā)生裝置、示波器、處理室和泵四部分構(gòu)成。

該裝置可以產(chǎn)生以指數(shù)衰減的雙三角脈沖波形，脈沖持續(xù)時間為2μ s。頻率范圍為1 000Hz～3 000Hz；處理室是由兩個間隔0.1cm不銹鋼電極組成，長度為0.15cm，截面直徑為0.1cm。使用過程中示波器用來指示脈沖電場的波形、電流和電壓值。

取制備好的樣品，以10mL/min的流速通過高壓脈沖電場裝置進(jìn)行電場處理，經(jīng)脈沖電壓處理后收集到容器中，此過程為連續(xù)處理過程。工作過程中的電壓值、電流值及其波形由示波器指示，可通過調(diào)節(jié)頻率和電壓值來改變高壓脈沖電場的電場強(qiáng)度和脈沖數(shù)，處理后立即進(jìn)行水蒸氣蒸餾提取。實(shí)驗(yàn)中，電場強(qiáng)度范圍為10～30kV/cm，脈沖數(shù)范圍為4～12。脈沖數(shù)、電場強(qiáng)度和處理時間分別用公式（1）（2）（3）表示：

其中，r表示處理室半徑，0.05cm；l表示發(fā)生器兩電極之間的距離，0.1cm；f表示頻率，Hz；q表示流量，10ml/min；E表示電場強(qiáng)度，kV/cm；Vpp表示示波器上顯示的輸入電壓，kV；Q表示樣品體積，630ml；T為63min。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1 PEF輔助水蒸氣蒸餾提取

取100g玫瑰花和600ml蒸餾水混合，用膠體磨打成勻漿，然后用高壓脈沖電場處理，處理后的樣品立即進(jìn)行水蒸氣蒸餾，其中，樣品中加入10%NaCl。Shamspur等報道稱NaCl可以提高精油得率（21%）且不會明顯改變精油組成。蒸餾溫度為常壓下水的沸點(diǎn)溫度（100℃）。

實(shí)驗(yàn)測定了電場強(qiáng)度（10，15，20，25和30kV/cm），脈沖數(shù)（4，6，8，10和12）和蒸餾時間（0.5，1，1.5，2和2.5）對精油得率的影響，精油得率用百分比表示（w/w）。得到的精油用無水硫酸鈉干燥并進(jìn)行稱重，然后保存在4℃冰箱中備用。

2.3.2 PEF與傳統(tǒng)方法比較

PEF與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾所用的原材料相同。

（1）水蒸氣蒸餾法

100g玫瑰花瓣與600ml蒸餾水混合，用膠體磨打成勻漿，加入10%NaCl，然后進(jìn)行水蒸氣蒸餾，蒸餾時間分別設(shè)置為2，3，4和5h。

（2）100g玫瑰花瓣與600ml蒸餾水混合，用膠體磨打成勻漿，進(jìn)行高壓脈沖電場處理，然后在最優(yōu)條件下進(jìn)行水蒸氣蒸餾。

2.4 成分分析

用氣象色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC/MS，Shimadzu QP2010）測定精油成分及相對含量，其毛細(xì)管填充柱為Rxi-5（30mm×0.25mm，0.25μm）。首先，將2μL玫瑰精油樣品加入到1ml正己烷中，混合均勻后，取1μl液體注入GC-MS儀。實(shí)驗(yàn)條件如下：75℃保持2min，以2.5℃/min升至210℃，再以10℃/min升至240℃，保持5min；進(jìn)樣口溫度260℃，檢測器溫度250℃。載氣（he）流量1.0ml/min，進(jìn)樣量1μL，分流比5∶1。質(zhì)譜：電子轟擊離子源，電子能量：70eV，離子源溫度200℃，質(zhì)量掃描范圍40～350amu。

通過GC-MS分析，得到玫瑰精油的總離子圖譜（TIC），對比標(biāo)準(zhǔn)譜庫NIST，經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行自動檢索，結(jié)合化合物保留時間、峰面積匹配度并參考相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行比較，鑒定出玫瑰精油化學(xué)成分，利用峰面積歸一法計算各組分的相對含量。

2.5 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)平行測定3次，計算平均值。用SPSS13.0進(jìn)行方差分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 電場強(qiáng)度對精油得率的影響

通過改變電壓來調(diào)節(jié)電場強(qiáng)度，如圖1所示，電場強(qiáng)度對玫瑰精油得率影響明顯。電場強(qiáng)度在10～20kV/cm之間時，玫瑰精油得率隨電場強(qiáng)度的增加而上升，玫瑰精油得率在電場強(qiáng)度為20kV/cm時達(dá)到最大，此后繼續(xù)增加電場強(qiáng)度，玫瑰精油得率反而下降?？赡茉蚴窃黾与妶鰪?qiáng)度會使玫瑰花瓣表面電荷量增加，導(dǎo)致玫瑰花瓣細(xì)胞內(nèi)外電位差增大，當(dāng)其高于細(xì)胞膜的臨界電位時，細(xì)胞膜被擊穿，細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，有利于揮發(fā)性成分被蒸餾出，增加了提取量。但過大的電場強(qiáng)度，可能對玫瑰精油的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，使玫瑰精油得率降低。這與先前的研究有相似的趨勢。因此，選擇適宜的電場強(qiáng)度為20kV/cm。

圖1 電場強(qiáng)度對玫瑰精油得率的影響

3.2 脈沖數(shù)對精油得率的影響

脈沖數(shù)通過改變頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從圖2可以看出精油得率與脈沖數(shù)有相關(guān)性。當(dāng)脈沖數(shù)小于8時，隨著脈沖數(shù)的增加，玫瑰精油得率明顯增加；當(dāng)脈沖數(shù)大于8時，玫瑰精油得率隨脈沖數(shù)的增加而減少；在脈沖數(shù)為8時，玫瑰精油得率最高（0.102%）。根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)，這是由于增加脈沖個數(shù)，細(xì)胞破壞程度增加，玫瑰精油得率增加；但過大的脈沖數(shù)反而使玫瑰精油得率降低。因此，選擇適宜脈沖數(shù)為8個。

圖2 脈沖數(shù)對玫瑰精油得率的影響

3.3 蒸餾時間對玫瑰精油得率的影響

圖3 蒸餾時間對玫瑰精油得率的影響

蒸餾時間對玫瑰精油得率的影響如圖3所示。蒸餾時間在0.5～2.0h范圍內(nèi)，玫瑰精油得率隨蒸餾時間的延長而不斷增加，玫瑰精油得率在蒸餾時間為2h時達(dá)到最大值（0.101%），精油得率提高64%。這是因?yàn)檎麴s時間不足2h時，仍有部分揮發(fā)性成分存在于玫瑰花瓣組織中。蒸餾時間大于2h后，增加蒸餾時間，玫瑰精油得率降低，這可能是由于玫瑰精油發(fā)生了重吸收?？梢钥闯鼋?jīng)高壓脈沖電場處理后，最適蒸餾時間為2h。

3.4 PEF與傳統(tǒng)方法比較

圖4 不同方法對玫瑰精油得率的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，高壓脈沖電場輔助提取的精油的條件電場強(qiáng)度為20kV/cm，脈沖數(shù)為8，蒸餾時間為2h。兩種方法（水蒸氣蒸餾和PEF輔助水蒸氣蒸餾）測得的精油得率如圖4所示，由圖可以看出，蒸餾時間在2～4h范圍內(nèi)，玫瑰精油得率隨蒸餾時間的延長而不斷增加，4～5h范圍內(nèi)，得率略有減少，這與Baydar的研究趨勢相同，他稱蒸餾時間延長至3h時精油得率呈上升趨勢。顯然，蒸餾時間為4h時，精油得率達(dá)到最大為0.072%。由圖可以看出，PEF輔助水蒸氣蒸餾過程中，蒸餾時間為2h時，玫瑰精油得率達(dá)到0.105%，比水蒸氣蒸餾2h時得率提高50%。高溫長時間蒸餾會導(dǎo)致精油成分的化學(xué)性質(zhì)改變和揮發(fā)性成分流失。因此，PEF輔助水蒸氣蒸餾是提取玫瑰精油的一種有效方法，可以提高精油得率并且縮短提取時間。

3.5 化學(xué)分析

表1列出了兩種方法提取的精油成分，水蒸氣蒸餾和PEF輔助水蒸氣蒸餾得到的玫瑰精油分別有45和50化合物，分別占揮發(fā)油總量77.69%和89.33%，兩種方法得到的精油中有36種相同的成分。如表1所示，兩種方法得到的精油中主要成分為芳樟醇、香茅醇、香葉醛、橙花醛、玫瑰醚、丁香酚、甲基丁香酚和二十烷。玫瑰精油含有高含量的芳香化合物包括芳樟醇、香茅醇、玫瑰醚和丁香酚。兩種方法得到的精油中大多數(shù)化合物相同，其中包括很多主要的呈香成分。因此，可以看出PEF輔助水蒸氣蒸餾提取玫瑰精油沒有改變精油成分。

表1 水蒸氣蒸餾與PEF輔助提取玫瑰精油的化學(xué)成分（%）對比結(jié)果

續(xù)表

許多研究者報道稱高含量的單萜醇如香茅醇、橙花醇、香葉醇、芳樟醇和苯乙醇對精油呈香起到重要作用。本研究中，香茅醇含量相對較低，而苯乙醇和香茅醛沒有檢測到。由于生態(tài)因素或遺傳變異，大馬士革玫瑰中香茅醇和苯乙醇含量較低。

玫瑰精油的總體質(zhì)量受玫瑰氧化物及香茅醇的影響。兩種方法得到的精油中順式玫瑰醚和反式玫瑰醚，以及高呈香成分的含量基本相同（表1）。在化妝品和調(diào)味劑中，甲基丁香酚是一種重要的香味物質(zhì)，然而，其超過一定濃度后對人體產(chǎn)生副作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同方法使甲基丁香酚相對含量增加，而丁香酚含量沒有改變。

水蒸氣蒸餾得到的精油中含有較多的碳?xì)浠衔?，由于低含量的碳?xì)浠衔镉欣谔岣呙倒寰推焚|(zhì)，因此，PEF輔助水蒸氣蒸餾得到的玫瑰精油質(zhì)量較好。PEF輔助提取得到的精油中萜烯類化合物含量較高，可能是由于高壓脈沖電場處理有助于揮發(fā)性化合物釋放，所以化合物種類增加。除此之外，不同電場強(qiáng)度和脈沖數(shù)對玫瑰精油成分的影響需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在電場強(qiáng)度為20kV/cm，脈沖數(shù)為8和蒸餾時間2h條件下，高壓脈沖電場輔助提取不僅可以提高精油得率而且可以縮短蒸餾時間。高壓脈沖電場通過靜電作用力提高揮發(fā)性成分從花瓣組織中釋放。作為一種有希望的技術(shù)，PEF在活性物質(zhì)提取方面具有廣闊的發(fā)展空間。

致謝 感謝吉林大學(xué)對于本研究的財務(wù)支持，感謝食品科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室人員的慷慨支持。

（編譯自：International Journal of Agricultural and Biological Engineering，2017，10（3）：295-301，原文篇名：Effects of High Intensity Pulsed Electric Fields on Yield and Chemical Composition of Rose Essential Oil）