植物精油提取技術(shù)研究進展綜述

王德靖 唐湘湘 羅 海

（江西農(nóng)業(yè)大學林學院 國家林業(yè)草原木本香料〔華東〕工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 330045）

精油在各個行業(yè)領(lǐng)域都有著很好的用處，特別是植物精油。植物精油在植物體內(nèi)的分布范圍及含量因精油種類不同而不同，有的整株分布，有的則主要分布在花、葉、根、果、莖等某個或某幾個部位，需要通過相應(yīng)的方式或方法從植物體內(nèi)提取出來。近年來，隨著化工分離技術(shù)研究的不斷深入，許多精密提取與分離方法得到發(fā)展，為確保精油提取效率、得率、純度，還需要根據(jù)精油的特性及用途進一步地發(fā)展植物精油提取技術(shù)。

目前，由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，植物精油提取技術(shù)成為了研究植物精油的熱點之一。本文就傳統(tǒng)及新興的植物精油提取技術(shù)進行綜述，介紹其原理、特點及用途，以期為植物精油提取的實際研究和生產(chǎn)提供參考。

1 植物精油概述

1.1 植物精油的概念

植物精油在日常生活中常被稱作“精油”，在其他領(lǐng)域也被稱作芳香油、揮發(fā)性成分或揮發(fā)油，來源于芳香植物，常溫常壓狀態(tài)下為油狀液體，具有揮發(fā)性，為植物的次生代謝物，屬于小分子化合物，揮發(fā)性較強，可蒸餾而出，多存在于植物果實、葉片、花和根中，對植物的芳香氣味起到?jīng)Q定性作用。植物精油含有上百種成分，其中主要包括萜類、脂肪族類、芳香族類等化合物和少量含氮含硫化合物[1]，在其中某一單獨成分或某些成分的協(xié)同作用下，植物精油具有不同的功能，如濕度調(diào)節(jié)、疾病預(yù)防與治療、抑菌殺菌、緩解情緒調(diào)節(jié)心理、消炎鎮(zhèn)痛、保護植物免受病害。

1.2 植物精油的理化性質(zhì)

植物精油具有自然芳香氣息，為無色或淡黃色油狀液體，在常溫下易揮發(fā)，通常情況下比水輕，密度為0.85～1.065 g/mL，不溶于水，但易溶于乙醚、石油醚等低極性的有機溶劑，能與濃度較高的乙醇相溶，暴露在空氣中易因接觸氧氣而變質(zhì)，因此需要特殊保存。大多植物精油具有較高的折光率和一定的旋光度，對空氣、日光及溫度比較敏感，且易分解變質(zhì)。

1.3 植物精油的應(yīng)用

植物精油常具有令人愉悅的香氣，還有著抗菌、抗病毒等特性，被廣泛應(yīng)用于日化、醫(yī)藥、化妝品和食品等行業(yè)。多數(shù)精油對人體有著較大益處，也容易被人吸收，如肉桂精油、檸檬精油等多用于護膚產(chǎn)品及藥用按摩中[2]。有些精油因具有抗菌、抗氧化等性質(zhì)被用于食品保鮮[3]，在食品行業(yè)中，部分精油還被用作食品添加劑，以優(yōu)化食品的味道。植物精油在不同領(lǐng)域的應(yīng)用效果良好，且隨著研究的不斷深入，植物精油有望被應(yīng)用于更多的行業(yè)。

2 植物精油提取技術(shù)

目前，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人們對生活質(zhì)量追求的提升，健康安全的植物精油越來越受到關(guān)注，其提取分離技術(shù)亦成為當前研究的熱點之一。植物精油的提取方法較多，包括傳統(tǒng)的提取方法和新型的提取方法。其中，傳統(tǒng)的提取方法包括壓榨法、水蒸氣蒸餾法、有機溶劑萃取法和吸附法等；新型提取技術(shù)則有超臨界流體萃取法、固相微萃取法、酶提取法、無溶劑微波提取法、超聲輔助提取技術(shù)和分子蒸餾法等。不同提取方法獲得的植物精油，其化學組成與結(jié)構(gòu)、組分得率、組分活性等都有較大差異，因此，需根據(jù)精油的特性及用途選擇合適的提取方法。

2.1 傳統(tǒng)提取方法

2.1.1 壓榨法

壓榨法是一種常用的精油提取方法，一般分為人工壓榨法和機械壓榨法，兩者都是直接通過外部壓力將貯存在植物組織內(nèi)的精油提取出來，適用于精油含量高的植物組織，如柑橘類的果實[4]。工業(yè)上多采用機械壓榨法，工藝流程主要包括原料采集、清洗，裝入機器進行壓榨，分離出粗產(chǎn)品，精油精制，最后加工成產(chǎn)品。該方法的特點是生產(chǎn)過程可在室溫下進行，原理簡單，不會破壞精油的性質(zhì)，仍保持精油的天然芳香氣味，保證了精油的品質(zhì)[5]，但壓榨法出油率低，局限性大，適用于家庭或小作坊等小規(guī)模提取植物精油。

已有研究中，申曉蕾（2018）采用手動壓榨法來獲取橘皮精油[6]；白雨佳等（2015）優(yōu)化了甜橙精油壓榨法提取的最佳工藝條件，結(jié)果表明：壓榨法制取甜橙精油可較好地保持甜橙香氣成分，去除果膠后，在最佳工藝的壓榨條件下，甜橙精油的得率僅為0.53%；若不去除果膠，精油得率隨果皮質(zhì)量增加而增加[7]。

2.1.2 水蒸氣蒸餾法

水蒸氣蒸餾法也是一種常用的精油提取方法，其利用植物精油各組分蒸汽壓力不同的特性，通過水蒸氣將植物中的精油成分置換出來，最后冷凝進行收集。該方法主要分為水中蒸餾、水上蒸餾和水汽蒸餾三類。其中，水中蒸餾是將提取原料放入篩板或蒸餾釜，加水沒過提取原料，通過在蒸餾釜底部加熱的方式進行提取，是最簡便的方法。此法因原料直接與水混合，可能導致提取物的部分組分發(fā)生化學變化而溶于水，最終造成無法完全提取。水上蒸餾是提前將原料放置于篩板上，蒸餾釜內(nèi)加足量但不超過篩板的水，加熱后產(chǎn)生足夠的飽和蒸汽。此法為傳統(tǒng)的土窯提取植物精油的常用方法，但需注意蒸餾釜內(nèi)的水量。水汽蒸餾是在篩板下安裝帶孔環(huán)行管，將外部蒸汽噴出達到對提取原料加熱的效果，此法蒸餾快，且易改為加壓蒸餾。水中蒸餾適用于玫瑰精油提取[8]；對于薰衣草精油的提取，水上蒸餾比水中蒸餾出油率高，品質(zhì)較好[9]；對于芫荽籽精油的提取，采用水汽蒸餾得到的主要產(chǎn)物芳樟醇含量可達90%以上[10]。

水蒸氣蒸餾法的主要工藝流程包括植物原料加入蒸餾器、加熱蒸餾、冷凝、油水分離、精制等，適用于揮發(fā)性強、不與水反應(yīng)、難溶或不溶于水，且成分不會因水蒸氣影響而破壞的精油。該方法采用水作為溶劑，對人無害，不會污染環(huán)境，所需設(shè)備簡單，投資門檻低，工藝簡單，操作容易，技術(shù)成熟，成本低而產(chǎn)量大，適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)，在國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中有較高的地位。

已有研究中，嚴漢彬等（2021）采用水蒸氣蒸餾法提取山蒼子精油，研究料液比、氯化鈉濃度及蒸餾時間對山蒼子精油提取率的影響[11]；邱珊蓮等（2020）通過研究不同因素對水蒸氣蒸餾提取檸檬香茅精油的影響，明確了香茅的最佳采收時間、干燥方式及提取時間[12]；劉紅霞等（2021）通過水蒸氣蒸餾法提取姜的揮發(fā)性組分——姜精油[13]；周艷平（2021）對實際生產(chǎn)中的香樟水蒸氣蒸餾法提取精油工藝優(yōu)化進行了研究[14]。

2.1.3 有機溶劑萃取法

有機溶劑萃取法是指利用石油醚、四氯甲烷等揮發(fā)性有機溶劑，通過連續(xù)回流或冷浸提取，將植物體內(nèi)的精油轉(zhuǎn)移到溶劑中，后通過減壓蒸餾等方式回收有機溶劑，得到固體狀態(tài)精油粗產(chǎn)品，俗稱“浸膏”。溶劑萃取法主要是液固萃取過程，具有設(shè)備簡單、操作方便，可根據(jù)所需提取的目標成分選擇溶劑，精油提取率高等優(yōu)點。但一方面，此法在提取精油過程中所使用的溶劑為有機溶劑，使用量大，易造成污染，且所獲精油中殘余的溶劑難以完全去除；另一方面，此法所提取的精油中含有脂類，需要進一步處理，耗費成本較高。除此之外，有機溶劑萃取法通常生產(chǎn)周期長、設(shè)備要求較高，溶劑的損耗也增加了生產(chǎn)成本。

已有研究中，毋敏（2021）通過溶劑法提取薰衣草精油，研究發(fā)現(xiàn)此方法操作簡單且精油得率高[15]；黎凌楠等（2011）采用索氏提取法，對比了3種不同溶劑對新疆塔城紅花揮發(fā)油提取的效果，結(jié)果表明不同溶劑提取所得的新疆塔城紅花揮發(fā)油相對含量和化學成分種類差異較大[16]。

2.1.4 吸收法

吸收法主要是利用一些吸附材料的強吸附性將植物的“香氣”吸收，再通過低沸點的有機溶劑將被吸收的成分提取出來。吸收法多用于芳香成分易釋放、香氣強的花朵，且生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)效率低，很少用于工業(yè)生產(chǎn)中，常用于名貴花朵的精油提取，如茉莉花、蘭花和水仙花等。

2.2 新型提取方法

2.2.1 超臨界流體萃取法

超臨界流體萃取法是利用超臨界溫度和超臨界壓力的流體作為萃取劑，從固體或液體中萃取目標成分后再分離的技術(shù)，是近幾十年快速發(fā)展起來的一種新技術(shù)。此法的工作原理為通過調(diào)控溫度和壓力來改變超臨界流體的溶解能力，從而有選擇地萃取目標成分，待溫度和壓力恢復(fù)至常溫常壓后，目標成分即可與超臨界流體分開，從而達到提取目的。最常用的超臨界流體為CO2，CO2便于回收且容易除盡。超臨界CO2萃取技術(shù)有著很多優(yōu)點，如可在低溫環(huán)境下進行、簡單快速、精油提取率高、目標成分不會被破壞、無溶劑殘留、環(huán)境友好等[17]。然而，超臨界流體萃取技術(shù)是近期發(fā)展起來的新型技術(shù)，技術(shù)成熟度不足，工業(yè)應(yīng)用尚不是很成熟，加之此法要求高壓工作條件，對設(shè)備和工作人員的技術(shù)要求均較高，投資門檻高。在精油提取方面，國內(nèi)市場工業(yè)上使用不多，該方法在國內(nèi)主要偏向于傳統(tǒng)中藥的有效成分提?。辉趪?，該方法主要集中在天然精油和天然色素等的提取方面。

已有研究中，SHRIRAME BHUSHAN等（2022）研究超臨界CO2萃取法提取香菜籽精油，考察了壓力、溫度及CO2流量對精油得率的影響，并對其工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得到了環(huán)境友好、出油率高的參數(shù)[18]。Liu等（2021）將超臨界CO2萃取法與水蒸氣蒸餾法、壓榨法、萃取法進行比較，從植物中提取天然揮發(fā)油和萜類化合物，得到了提取高效、無毒無味、不含雜質(zhì)的精油，說明超臨界CO2萃取技術(shù)在精油生產(chǎn)工業(yè)中有著較大的潛力[19]。

2.2.2 固相微萃取法

固相微萃取通常以熔融石英光導纖維為基體支持物，依據(jù)“相似相溶”的原理，在其表面涂漬不同性質(zhì)的高分子固定相薄層，通過直接或頂空方式，對待測物進行提取、富集、進樣和解析。該技術(shù)操作方便，耗時短，無須添加任何有機溶劑，避免了對環(huán)境的二次污染，但無法高效徹底分離一些極性差異不明顯的物質(zhì)，且裝置價格昂貴，目前普適性不高。

2.2.3 酶提取法

酶提取法是一種生物提取方法，利用細菌和酵母菌等微生物合成纖維素酶和果膠酶，在酶的作用下，降解植物原料中的纖維素和果膠，破壞植物細胞壁，使細胞內(nèi)成分溶解于溶劑中。其特點是基于酶催化的高效專一性，有效提高了精油的提取率[20]。

酶提取法在精油提取方面的研究較少，CHANDRAN等（2021）在實驗室使用一種含有纖維素酶、β-葡聚糖酶、果膠酶和木聚糖酶的混合酶對黑胡椒和豆蔻進行預(yù)處理，與空白組對照，結(jié)果表明經(jīng)過預(yù)處理后得到的黑胡椒精油和豆蔻精油成分產(chǎn)率提高了10%左右[21]。

在工業(yè)生產(chǎn)中，酶提取法成本較高，需要購買、接種微生物，并培育出大量微生物，培養(yǎng)過程中需要嚴格的無菌環(huán)境和微生物培養(yǎng)技術(shù)人才。在有大量微生物菌種的基礎(chǔ)上，才能大規(guī)模進行工業(yè)化生產(chǎn)，主要用于石油開采及環(huán)境工程等[22]。

2.2.4 無溶劑微波提取法

無溶劑微波提取法是一種將微波加熱和常壓干餾相結(jié)合的新技術(shù)。在微波的作用下，通過植物體內(nèi)的原位水變成水蒸氣后與精油一起餾出，再通過分離得到精油。此法與水蒸氣蒸餾法相比，減少了用水量，有助于減少能源使用和后續(xù)油水分離，目前也常用于精油提取。該方法是一種新型、綠色的精油提取技術(shù)，主要優(yōu)點是無須添加水或溶劑、提取速度快、精油損失少及清潔環(huán)保。

已有研究中，滕云等（2021）采用無溶劑微波萃取的方法提取野菊花精油[23]，結(jié)果表明：野菊花鮮花精油的最佳提取條件為提取時間50 min，微波功率540 W，精油得率為鮮花重的0.1129%；干花精油的最佳提取條件為料液比1 : 5（g/mL），浸泡時間3 h，提取時間60 min，微波功率540 W，精油得率為干花重的0.1926%；寧洪良等（2008）采用無溶劑微波萃取法提取花椒精油[24]；李嘉欣等（2019）采用無溶劑微波萃取法提取樟樹葉精油，將該方法與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法進行對比，結(jié)果表明在最佳提取功率500 W下，使用無溶劑微波萃取法提取35 min與使用水蒸氣蒸餾法提取5 h得到的精油得油率和芳香分布均較為相似，最終得油率分別為0.98%和0.96%，但前者在高效、節(jié)能和清潔方面優(yōu)于后者[25]。

2.2.5 超聲輔助提取技術(shù)

超聲輔助提取技術(shù)是在植物精油提取中采用超聲波進行輔助，一方面，在超聲波空化作用的影響下，提高精油的溶出速度；另一方面，利用超聲波的機械振動、乳化、化學效應(yīng)等次級效應(yīng)，提升精油與溶劑的混合效果，加快精油溶入溶劑的速度。常見的超聲輔助提取技術(shù)有超聲輔助水蒸氣提取和超聲輔助萃取兩種。其中，超聲輔助水蒸氣提取是利用超聲波使溶劑快速進入植物細胞中，將其所含的精油等有機成分快速溶出，強化提取作用，可有效提高提取率，縮短提取時間，如使用該方法對龍腦樟干葉進行處理可快速提取得到龍腦精油。超聲輔助萃取是利用超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)等作用，破壞植物細胞，加強溶劑的滲透力，使精油成分迅速溶于溶劑中。該方法在輔助萃取過程中，可以大幅縮短萃取過程所需時間，減少溶劑的使用量，同時還避免了高溫對熱敏性成分的破壞，但在大規(guī)模生產(chǎn)上，生產(chǎn)設(shè)備制造難度較大，投資成本高，且生產(chǎn)過程會產(chǎn)生噪聲污染，不利于周圍人體健康。

超聲輔助提取技術(shù)因其提取效率高、提取時間短、工作溫度低、節(jié)能、環(huán)保、植物精油出油率高等特點，被行業(yè)稱為“綠色技術(shù)”。因?qū)ぷ鳒囟纫蟛桓撸曒o助提取技術(shù)在提取溫敏物質(zhì)或熱不穩(wěn)定物質(zhì)，以及要求低溫加工的食品領(lǐng)域具有良好效果和廣闊發(fā)展前景，是研究熱點，在植物精油提取領(lǐng)域也得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。

已有研究中，王利利等（2021）對超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取野香花精油的過程進行探究，通過實驗數(shù)據(jù)，得到一組超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取野香花精油產(chǎn)率最高的工藝參數(shù)[26]；夏朝輝等（2020）采用超聲輔助蒸餾法提取野菊花揮發(fā)油，得到野菊花揮發(fā)油的提取工藝最佳條件為料液比1 : 8（g/mL）、超聲時間30 min、提取時間8 h、提取溫度130 ℃，此時野菊花揮發(fā)油的最大得率為0.411%[27]；潘紅亮等（2011）對水蒸氣蒸餾法和超聲輔助蒸餾法提取華細辛揮發(fā)油進行比較，結(jié)果表明超聲輔助提取法對華細辛揮發(fā)油中熱不穩(wěn)定和非揮發(fā)性化合物有更好的提取效果[28]；馬學峰等（2021）利用超聲輔助溶劑萃取法提取獅頭柑精油，并優(yōu)化了提取工藝，結(jié)果表明優(yōu)化后的工藝可用于獅頭柑精油的提取[29]；張東峰（2020）采用超聲輔助萃取法提取洋蔥精油，并對提取工藝進行了響應(yīng)面優(yōu)化，結(jié)果表明，洋蔥精油最佳提取工藝為液固比16.8 : 1（mL/g）、超聲功率58.5 W、提取溫度50 ℃、超聲時間68 min，該工藝條件下洋蔥精油的提取率達到0.462%[30]。

2.2.6 分子蒸餾法

分子蒸餾亦稱短程蒸餾，是在高真空條件下，基于不同物質(zhì)分子運動的平均自由程不同，即各組分蒸發(fā)速率差異，實現(xiàn)液液分離的一項高新技術(shù)。分子蒸餾優(yōu)點明顯，無須在沸點溫度下分離，只要冷熱兩面溫度差合適，理論上分子蒸餾可在任何溫度下達到分離目的，操作溫度低、物料加熱時間短、不破壞目標產(chǎn)物，同時工藝簡單、溶劑污染少，且可有選擇性地蒸出目標產(chǎn)物。但此方法對設(shè)備和技術(shù)要求較高，初期投入大，且生產(chǎn)能力有限，更重要的是此方法為單純的分離技術(shù)，不具備提取功能。

3 結(jié)語

對于植物精油的各種提取技術(shù)，目前在工業(yè)應(yīng)用中仍以傳統(tǒng)提取方法為主，其中水蒸氣蒸餾法以原理簡單、投資門檻低、技術(shù)成熟的優(yōu)勢，在國內(nèi)植物精油提取產(chǎn)業(yè)中被應(yīng)用最多，但傳統(tǒng)植物精油提取方法存在內(nèi)耗大、效率低、提取率低、環(huán)境污染嚴重、提取物成分變化等問題。新型的植物精油提取技術(shù)中，以超臨界流體萃取法在植物精油工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍；超聲輔助提取雖然在提取熱不穩(wěn)定活性物質(zhì)和有低溫加工要求的食品領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，但由于設(shè)備裝置的缺乏，其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用略顯滯后；無溶劑微波萃取法雖然有從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的提取設(shè)備，但并未得到大規(guī)模推廣；而其他新型植物精油提取技術(shù)仍主要應(yīng)用于實驗室研究中，難以實現(xiàn)真正的工業(yè)化生產(chǎn)。隨著我國工業(yè)化朝著安全、高產(chǎn)、高效、環(huán)保、低能耗的方向發(fā)展，植物精油提取方法中高效、高得率、低能耗、環(huán)保的新型方法有著較大的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景，必將成為行業(yè)趨勢。未來如何將各提取技術(shù)聯(lián)用，集成高效、高科技的新型提取技術(shù)，以及將各種新型提取技術(shù)有效地運用于實際生產(chǎn)中，仍是科學工作者和相關(guān)從業(yè)者需進一步解決的問題。