利用超临界流体萃取法提取天然香蕉香精

麻少莹，杨昌鹏，韦璐，黄杰，孙钦菊

广西农业职业技术学院（南宁 530007）

香蕉是中国重要的亚热带、热带水果之一，在20世纪90年代之后，香蕉种植与加工逐渐发展成为产业，是南方地区最大的水果产业。2018年，中国香蕉收获面积331.90×103hm2（33.19万 hm2），居世界第5位，产量1 122.17万 t，占世界香蕉产量的12.63%，居世界第2位[1]。在其产地进行深加工，形成产业规模化。香蕉皮是香蕉果实的重要组成部分，约占果实的30%，香蕉皮中的K、Ca、Mg、S、Fe、Zn等微量元素含量较大[2]，还含有多酚、抗坏血酸、果胶、低聚糖等多种活性物质[3]。广西是香蕉的主产区，年产量达323.19万 t，居全国第2位。近年来，香蕉的加工工艺种类不断增加，在香蕉食品生产的同时，产生大量的香蕉皮（为果重的40%左右），大量香蕉皮不能得到及时处理，对环境造成污染，也造成资源浪费[4-5]。如何高效合理利用香蕉皮是香蕉产业的重大研究课题。香蕉果肉和果皮中含有令人愉悦的香气物质，如能从中提取天然香蕉香精用于食品工业，对促进香蕉产业的发展和香蕉的综合利用将具有重大现实意义。

近年来，国内外对香蕉香气研究的重点在于不同品种、产地、成熟度、加工过程等果肉香气物质[6-8]，而果皮香气成分的研究鲜有报道。研究者大多采用固相微萃取（SPME）法从香蕉果实、香蕉汁中提取香气物质并对其定性和定量分析。试验以超临界CO2萃取技术为手段，开展从香蕉果肉、香蕉皮、香蕉渣中提取香蕉香精的研究，确定最合适的香蕉香精提取原料，结合单因素试验进行香蕉皮粉香精萃取正交试验，确定最佳萃取工艺；对香蕉香精成分进行定性与定量分析。

1 材料与方法

1.1 材料

黄熟香蕉（市购）；乙酸乙酯、无水乙醇、丙三醇（分析纯，西安天茂化工有限公司）。

1.2 主要仪器与设备

PL203 电子天平（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）；DHG-9203A电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；DZF-6020真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；小太阳TM-767Ⅲ搅拌机（中山市海盘电器有限公司）；HA220-50-06超临界CO2萃取装置（江苏华安超临界萃取有限公司）；SCION SQ 456-GC气相色谱质谱联用仪（美国BRUKER公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 香蕉皮粉的制备

选购黄熟的香蕉，将香蕉切头切尾后剥皮，皮切成厚度3～4 mm的小块，将切好的香蕉皮装盘放入电热鼓风干燥箱中烘干（设置温度40 ℃、时间15～20 h）；采用粉碎机将烘干的香蕉皮粉碎即得香蕉皮粉，香蕉皮粉粒度为0.250 mm。

1.3.2 香蕉渣粉的制备

制备香蕉酒过程中香蕉浆酶解离心后的渣即为香蕉渣。将香蕉渣置于电热鼓风干燥箱中烘干（设置温度40 ℃、时间15～20 h）；将烘干好后的香蕉渣放入粉碎机粉粹即得香蕉渣粉，香蕉渣粉粒度为0.250 mm。

1.3.3 香蕉肉粉的制备

选购黄熟香蕉，剥皮后将香蕉肉切成厚度3～4 mm的香蕉片，将切好的香蕉肉片装盘放入真空干燥箱中烘干，将烘干好后的香蕉片放入粉碎机，粉碎得到香蕉肉粉，香蕉肉粉粒度为0.250 mm。

1.3.4 超临界CO2提取香蕉香精

1.3.4.1 不同原料来源提取香蕉香精

采用超临界CO2萃取法从香蕉果肉粉、香蕉皮粉、香蕉渣粉中提取香蕉香精，对比其得率，从萃取率、原料来源等方面综合考虑确定最合适的香蕉香精提取原料。萃取条件为原料质量各200 g、萃取压力25 MPa、萃取温度30 ℃、分离压力8 MPa、萃取时间2.5 h、CO2流量20 L/h。

1.3.4.2 单因素试验

采用超临界CO2萃取法从香蕉皮粉中提取香蕉香精。萃取条件为原料质量200 g、萃取压力15～40 MPa、萃取温度20～40 ℃、分离压力6～16 MPa、萃取时间1.0～3.0 h、CO2流量20 L/h。

1.3.4.3 正交试验法优化香蕉皮粉香精提取工艺

在单因素试验基础上，选择萃取压力（A）、萃取温度（B）、分离压力（C）及萃取时间（D）4个因素，设计L9(34)正交表进行四因素三水平的试验。正交试验因素水平见表1。

表1 正交试验法优化香蕉皮粉香精因素水平表

1.3.4.4 不同携带剂萃取香蕉香精

采用乙酸乙酯、无水乙醇、丙三醇分别作为携带剂，在萃取压力30 MPa、萃取温度30 ℃、分离压力16 MPa、萃取时间1.5 h条件下萃取，比较萃取率与萃取物挥发性成分含量，确定最佳的萃取携带剂。

1.3.5 萃取物香气成分分析

采用固相微萃取法进行样品处理。取2 g样品置于20 mL顶空瓶中，将老化后的50/30 μm CAR/PDMS/DVB萃取头插入样品瓶顶空部分，于60 ℃吸附30 min，吸附后的萃取头取出后插入气相色谱进样口，于250℃解吸3 min，同时启动仪器采集数据。

2 结果与分析

2.1 不同原料提取香蕉香精结果

采用超临界CO2萃取法从香蕉果肉粉、香蕉皮粉、香蕉渣粉中提取香蕉香精，3种原料提取出来的香蕉香精量如表2所示。

由表2可知，香蕉果肉粉、香蕉皮粉、香蕉渣粉提取的香气物质得率分别为3.6%，2.65%和1.35%，香蕉果肉分提取的香气物质最高，香蕉香味最浓，香蕉渣粉提取的香气物质萃取率最低，香蕉香味最淡。这与张文灿等[9]对香蕉全果实果汁香气成分分析得出的结论一致。从原料来源及资源的综合利用等方面考虑，确定香蕉皮为最合适的香蕉香精提取原料。

表2 不同原料萃取香蕉香精结果

2.2 超临界萃取单因素试验

2.2.1 萃取压力对香蕉皮粉香气物质萃取率的影响

由图1可知，萃取压力30 MPa时，萃取率最高，为1.52%。萃取压力从15 MPa升高至35 MPa时，萃取率逐渐提高，压力升高至35 MPa萃取率达到1.63%，相较于30 MPa时萃取率1.52%，增幅不大。萃取率提高是由于萃取压力增大，CO2流体密度增加，溶解能力增强，有利于酯类物质、醛类物质、醇类物质的萃取。萃取压力超过35 MPa时，萃取压力对萃取率影响不明显，反而有略微下降。这是由于CO2流体的可压缩性减小，萃取压力对CO2流体溶解性的增加有限[10]；另外，萃取压力增大的同时会增加香蕉皮粉的堆密度，降低其扩散能力，从而降低萃取率；同时萃取压力过高会降低设备的使用寿命[11]。故最佳萃取压力30 MPa为佳。

图1 萃取压力对香蕉皮粉香气物质萃取率的影响

2.2.2 萃取温度对萃取率的影响

在萃取压力30 MPa、分离压力12 MPa、萃取时间1.5 h条件下，考察萃取温度对香蕉皮粉香气物质萃取率的影响，结果如图2所示。

温度对CO2流体的溶解性具有双重作用：一方面，温度升高，CO2流体的分子热运动加快，扩散速度和挥发性增加，其溶解性增加；另一方面，温度升高，CO2流体的密度降低，其溶解性降低。由图2可知，萃取温度从20 ℃升高至50 ℃时，萃取率先升高后降低，萃取温度30 ℃时萃取率最高。这是由于随着温度升高，分子的热运动占主导因素，萃取率逐渐提高[12]。萃取温度高于30 ℃，CO2流体的密度降低为主导因素，且温度过高香蕉皮粉中的酯类物质分解为醇类与酸类物质，导致萃取得到的香蕉香精品质下降，故试验选择最佳萃取温度为30 ℃。

图2 萃取温度对香蕉皮粉香气物质萃取率的影响

2.2.3 分离压力对萃取率的影响

在萃取压力30 MPa、萃取温度30 ℃、提取时间1.5 h条件下，考察分离压力对香蕉皮粉香气物质萃取率的影响，结果见图3。

由图3可知，随着分离压力增大，萃取率先逐渐提高而后降低，分离压力12 MPa时，萃取率达到最大，为1.36%。这是因为压力减低时，萃取物溶解度也较低，随着压力升高，溶解度也增大[13]。

图3 分离压力对香蕉皮粉香气物质萃取率的影响

2.2.4 萃取时间对萃取率的影响

在萃取压力30 MPa、萃取温度30 ℃、分离压力12 MPa条件下，考察萃取时间对香蕉皮粉香气物质萃取率的影响，结果如图4所示。

由图4可知，随着萃取时间增加，萃取率越大，但随着萃取时间增加，萃取率增加幅度逐渐减缓。原因在于延长萃取时间，萃取过程更充分，但随着萃取时间延长，传质达到顶点[14]，萃取物逐步被完全提取出来。考虑到工艺成本、时间效益等因素，选择萃取时间1.5 h。

图4 萃取时间对香蕉皮粉香气物质萃取率的影响

2.3 正交试验法优化香蕉皮粉香精提取工艺

正交试验结果与分析见表3与表4。

由表3可知，4个因素对提取率的影响大小依次为A（萃取压力）＞D（萃取时间）＞C（分离压力）＞B（萃取温度），萃取压力和萃取时间对萃取率的大小影响较为显著。由均值k分析知最优萃取工艺为A3D2C3B1，即萃取压力30 MPa、萃取温度25 ℃、分离压力16 MPa、萃取时间1.5 h。按A3D2C3B1条件进行3次平行试验，萃取率分别为2.51%，2.75%和2.60%。

表3 正交试验法优化香蕉皮粉香精萃取工艺试验安排表

由表4可知，萃取压力与萃取率有显著性影响，在试验中应该严格控制。

表4 正交结果的方差表

2.4 不同携带剂萃取香蕉皮粉香精的成分分析

不同携带剂萃取香蕉皮粉香精结果见表5，GC-MS成分分析结果见图5～图8。

图5 无携带剂时萃取物成分分析

图8 乙酸乙酯为携带剂时萃取物成分分析

由表5可知，采用乙酸乙酯作为携带剂时萃取率最高，萃取物香气最浓，萃取物中酯类物质含量最大，这是因为香蕉皮中的挥发性成分主要是酯类、酸类、醛类、醇类等[15]。无携带剂萃取香蕉香精时，挥发性物质中的酯类、酸类、醛类、醇类总含量仅17.255%，采用无水乙醇、丙三醇与乙酸乙酯为携带剂时，香气成分总含量分别为67.069%，79.615%和79.418%，明显高于无携带剂萃取时香气物质含量，由此可知采用携带剂可有效萃取香蕉皮粉中的香气物质。因香蕉皮中主要的香气物质为酯类、醇类、醛类、酸类、苯酚类化合物[15]，采用乙酸乙酯为携带剂能更显著提高酯类物质的萃取率，无水乙醇与丙三醇为携带剂时能显著提高醇类与酸类物质的萃取率。试验鉴定出香蕉果皮中主要香气成分46种，占总挥发性成分的85%以上。其中，酯类25种，主要为异丁酸异戊酯、异戊酸异戊酯、乙酸异戊酯、己酸甲酯等；醇类10种，主要为乙醇；酸类4种，分别为乙酸、甲酸、丁酸、己酸。主要的挥发性物质（含量超过1%）为异丁酸异戊酯、异戊酸异戊酯、乙酸异戊酯、乙酸、己酸甲酯、乙醇、甲酸等。

表5 不同携带剂对萃取效果的影响

图6 丙三醇为携带剂时萃取物成分分析

图7 无水乙醇为携带剂时萃取物成分分析

3 结论

采用超临界CO2萃取香蕉皮中香蕉香精，通过单因素试验与正交试验优化萃取工艺，得到最佳工艺条件：萃取压力30 MPa、萃取温度25 ℃、分离压力16 MPa、提取时间1.5 h。此条件下萃取率最多，萃取压力对萃取率有显著影响，在试验中要严格控制。在制备香蕉皮粉时，烘干温度不能超过40 ℃，否则香蕉皮粉中的酯类物质会分解，降低萃取物中香气物质的含量。试验鉴定出香蕉果皮中主要香气成分46种，占总挥发性成分的85%以上。其中酯类25种，主要为异丁酸异戊酯、异戊酸异戊酯、乙酸异戊酯、己酸甲酯等；醇类10种，主要为乙醇；酸类4种，分别为乙酸、甲酸、丁酸、己酸。主要的挥发性物质（含量超过1%）为异丁酸异戊酯、异戊酸异戊酯、乙酸异戊酯、乙酸、己酸甲酯、乙醇、甲酸等。