[00316291]柑桔d-苧烯、柠檬苦素及其类似物的提取加工技术

d-苧烯是50年来稳定的柑橘副产品，最早称柑橘汽提油，d-苧烯从压榨液、废气和皮油悬浮液中蒸馏，从浓缩柑橘油中回收，它是食用柑橘果皮油的主要组分，生产中可从橘油浓缩的副产物中得到，世界产量约50000～75000t，大部分产于巴西和美国佛罗里达州，其中巴西占一半产量，其主要用途是作为树脂、风味剂、溶剂和脱油剂等等。 表4 巴西近年来的苧烯出口量 生产年度 出口量/t 生产年度 出口量/t 1996/1997 41 044 2000/2001 43 274 1997/1998 34 314 2001/2002 30 335 1998/1999 33 929 2002/2003 40 864 1999/2000 35 560 2003/2004 34 445 1．理化特性 （1）命名 苧烯（limonene）为1-甲基-4-异丙烯基-1-环己烯，它具有环状的萜类结构，分子式C10H16。它是除蒎烯以外在天然精油中存在最广泛的一种单环单萜烯，是柠檬油、橙油和香柠檬油及红橘油的主要组分。d-苧烯是精油中自然存在主要异构体。其化学名称为（4R）－（＋）―4―异丙烯基―1―甲基环己烯。《化学文摘》的登记号为5989―27―5。L-苧烯在柑橘精油中存在较少，但可从其他的芳香化合物转化而来。

（2）理化特性常数 在风味剂、工业溶剂、热交换剂和化学合成原料中需有大量的化学常数，除了列于表5的外，表6亦为不同文献中的关于d-苧烯化学常数。 表5 柑橘加工废热蒸发器回收的粗d-苧烯 相对密度（20℃） 0.84 月桂烯含量/% 1.8 折射率（20℃） 1.471 α-蒎烯含量/% 0.6 旋光度（20℃） +96.7 桧烯含量/% 0.4 闪点/℃ 46 醛类含量/% 0.4 沸点/℃ 165 低沸点物（辛醛）/% 0.1 d-苧烯（GC）/% 94.6 色泽 无色至浅黄色 高沸点物含量/% 2.3 表6 d-苧烯的理化特性值 商品纯度/% 94(粗)～99.6(高) 碘值 79 色泽 无色 酸价 0.03～0.4 气味 柑橘味,高纯时无味 贝壳杉脂丁醇值 59～63 相对分子质量 136.23 过氧化值 2～5 沸点/℃ 178(高纯度) 旋光度(α,25℃) +96粗,+126(纯) 冰点/℃ －96.9 溶度参数(δ) 8.2H 蒸汽压(kPa)/kPa 0.055,0.280 偶极距(D) 0.61 蒸发热(25℃)/(J/g) 290.98 溶解度(25℃)/(mg/L) 比热容/(J/g·℃) 1.83 水中 13.8 生成热(25℃)/(kJ/mol) 54.43 20%蔗糖中 13.5 燃烧热/(kJ/mol) 6163.5 黏度/(mPa·s)-50,0,25,50,178℃ 3.5,1.5,0.9,0.7,25 自然燃温度/℃ 237 表面张力/(dyn/cm) 低爆点(150℃,体积分数)/% 0.7 11,25,90℃ 28.5,27.0,21.2 高爆点(262℃,体积分数)/% 6.1 蒸汽密度/(g/L) 闪点/℃ 46粗-49纯 20,178℃ 0.015,3.7 绝缘常数(20℃,10MHz) 2.37

2．回收与利用

d-苧烯性质较稳定，可以从柑橘加工废物中回收，可在常压下蒸馏而不分解，柑橘油除萜工艺亦可得到d-苧烯，因此来源较丰富。d-苧烯的回收与冷榨皮油的回收紧密相连，某些柑橘果汁加工者不回收橘油或苧烯，这样对苧烯的产量影响很大。但从另一个方面来说，世界市场上冷榨油的销售量有时大于需求量，低醛的冷榨橙油的价格接近于d-苧烯，所以尽管冷榨油的回收价格较高，但有时作为d-苧烯销售。

（1）压榨液

在柑橘汁加工厂并联的压榨渣饲料加工厂内，送至饲料厂的果皮压榨渣含有没有压榨尽的残留油，用石灰处理和压榨后，得到的压榨液是生产柑橘糖蜜时在废热浓缩机中的浓缩糖蜜，即回收d-苧烯的原料。其中的d-苧烯含量随不同的工艺有所不同，大致在0.1%～0.5%（体积分数），压榨液的水分在第一蒸发管中蒸发使d-苧烯的含量增加，冷凝后进入蒸发器底部的容器。此容器中可装有缓冲剂来增加表面积，防止d-苧烯与冷凝液乳化的物质。这样可形成一连续的过程，可使d-苧烯上浮，用倾析法回收。接着送到贮藏容器中，产品中主要为d-苧烯。旧名称为汽提油，因为它是在72°Bx的糖蜜加工中应用蒸汽汽提的。 容器下部液体常作为废液弃之或洒向田间，这可能会产生一些问题。首先，由于处理时间的关系，可能会发酵成酒精，在液体的倾析液中乙醇的含量可能会增加；第二，当乙醇的含量达到2%或3%时，可能会增加d-苧烯的溶解度，使产量下降。当这种液体作为废液送去处理时，亦会有其他的问题，因为它对用于处理水的微生物有毒。20世纪80年代有人研究用反渗透法从废液和蒸馏冷凝水中回收d-苧烯，发现d-苧烯与某些膜有反应，聚砜纤维膜不适合于在d-苧烯生产中应用。然而，聚四氟乙烯（Teflon）膜能将d-苧烯在膜中的吸附浓度降至0.003%，可以用于回收d-苧烯。

（2）油乳浊液

当冷榨液不用离心回收时，d-苧烯可用蒸馏法从油水乳浊液中回收。此时d-苧烯不溶于水，在较低的温度下由蒸汽蒸馏，这不是典型的分馏，是一种挥发性成分在冷凝蒸汽中的分离。应用于d-苧烯时，水的分压（Pw）和d-苧烯分压（P1）与水（Mw）和苧烯（M1）的摩尔浓度成正比，即P1/Pw=M1/Mw，据拉马尔定律，在一定的系统中，能达到的d-苧烯和水的最小质量或体积比。由于d-苧烯的水溶解性不好，水/d-苧烯的系统是饱和的，d-苧烯的蒸汽浓度在平衡时是恒定的，这可使d-苧烯得以全部回收。

（3）浓缩油

d-苧烯亦是不同的冷榨油和精油的浓缩时的副产物，因此采用蒸馏的办法浓缩精油，即可得到苧烯，因为温度会降解油的成分，故蒸馏常在减压下进行，一些非常高效的蒸馏釜中可以分馏得到纯度大于99%的d-苧烯，这些蒸馏通常从低真空时开始回收一些低沸点的成分，增加真空度开始回收d-苧烯。蒸馏釜必须小心操作，以回收d-苧烯及其他沸点相近的杂质如月桂烯和辛醇，若需要特殊的统一纯度，可以在稀的NaOH或者羰基加成剂（如盐酸胲）中蒸馏以除去醛，生产纯度达99.5%的商品。活化的硅可用作吸附剂除去羰基和氧化产生的杂质。用氧化剂水溶液如次氯酸冲洗d-苧烯可以除去还原性物质。纯化之后，d-苧烯会快速地与空气中的氧反应，如不加以保护，会进一步转化成粗d-苧烯，纯度约95%～96%。

（4）健康与安全

对d-苧烯的资料研究表明，它低毒，在大小白鼠和兔子的口服半致死剂量（LD50）为5g/kg。但对人体皮肤有一定的刺激性。二年的连续试验表明，大于500mg/kg体重的苧烯剂量对雄性大白鼠的肝脏有影响，大于600mg/kg，对雌性小白鼠的寿命有影响。对于雄性大白鼠的肾脏曾观察到高剂量时有致癌性。但以250～300mg/kg范围内对肝脏没有影响。对狗的研究表明，在100～1000mg/kg口服可影响到肾脏重量，但对显微结构无影响。基于目前的研究结果，美国国家环保署（EPA）认为可以加入到各种配方中，不需单独声明。美国工业卫生协会制订的工作环境暴露剂量为8h内30mg/kg。 近几年有证据证明，d-苧烯有抗癌作用，某些肿瘤的生化途径可被植物精油中的d-苧烯和其他成分抑制，大白鼠实验表明，化学诱导的肿瘤的细胞的生长在哺乳动物中可被d-苧烯抑制。 综上所述，d-苧烯对人类低毒，可以应用于目前应用的配方中，甚至食品添加剂中。 柑橘果实中柠檬苦素类化合物种类较多，而且不同的生长季节、不同的组织其种类和含量有所不同。所以针对不同目的、不同的对象要选择适合的方法和条件（酸碱性等）进行提取，如：成熟果实中以柠檬苦素配糖体为主，发育前期果实中以苷元为主，柠檬苦素配糖体在pH约7.5的环境稳定存在，过酸或过碱都可能发生水解。 常用的经典提取方法就是根据所要提取的成分的极性选用适合的溶剂进行提取（极性梯度提取或萃取）。常用的提取方法有以下几种。 a. 综合提取工艺 目前的提取工艺较多，所用溶剂主要有乙酸乙酯、丙酮、热水、丙酮—甲醇混合液等。 b. 二氯甲烷提取 此法1kg干种子约可得到10g粗提物。用二氯甲烷可以进行精制。 c. 超临界二氧化碳提取法 作为一种现代提取工艺有其独特的优点：首先，它解决了溶剂对环境的污染；其次，CO2安全不发生反应；再次，CO2防止氧化，保持提取物质稳定不被氧化。但是，采用超临界二氧化碳提取法的操作过程中要注意选择合适的提取压强（P）、提取温度（T）、提取时间（t）和适量的夹带剂。 新近开发成功的一种超临界CO2微泡法可以有效地提取柠檬苦素配糖体或纯化柠檬苦素糖苷。 柠檬苦素及其类似物（柠檬苦素类物质）在柑橘果实中，特别是在果皮、种子中含量丰富（葡萄柚种子中柠檬苦素占种子鲜重的1.5%），由于这类物质具有抗癌与保健的生物活性，以及高效的除虫作用，因此越来越受到人们的重视。利用柑橘果实皮渣废弃物提取柠檬苦素类化合物，原料廉价，提取效率高，具有广阔的商业生产前景。 1．柠檬苦素类似物的种类、结构及其在果实中的分布 柠檬苦素(Limonin)及其类似物是一类三萜类的物质，是植物次生代谢的产物，它们主要存在于芸香料和楝科的多种植物中，柑橘中的柠檬苦素类物质是柑橘产生苦味的主要原因之一。

（1）种类与结构 至今已从柑橘属植物中分离出37种柠檬苦素化合物的苷元和17种配糖体。柠檬苦素类似物的苷元又可以分为中性和酸性（柠檬苦素A环内酯和D环内酯）两种类型，在完整的果实中含有大量的柠檬苦素A环内酯（简称LARL），此物质在酸性条件下会很快转变成柠檬苦素，此反应由于柑橘中存在柠檬苦素D环内酯水解酶而得以加速，此为柑橘果汁发生后苦的原因。 柠檬苦素类似物的配糖体（LG）并不构成柑橘果实的苦味，是一类无苦味的柠檬苦素类似物。它是由柠檬苦素类似物苷元分子D环开环后在C-17的位置上以糖苷键的形式结合一个五碳糖而构成的，配糖体在植物的体内是经过一系列相当复杂的生化过程才合成的。 一般情况下，有多少种柠檬苦素类化合物，应该有相同数量的配糖体与其对应，但目前从柑橘中只得到了71种配糖体。

（2）在柑橘果实中的含量与分布 柠檬苦素广泛分布于柑橘属的多种植物中，在果实中的总含量与种类比例因品种、发育阶段等不同而有差别。在脐橙幼果中，柠檬苦素类化合物以苷元等形式存在，随着果实不断发育，苷元也逐步转化成配糖体，在成熟果实中配糖体（苷）成为一种贮存形式。柠檬苦素类化合物总含量（LARL+LG）随着果实发育，上升到一定水平后趋于稳定。 在果实中不同部位的柠檬苦素类化合物含量以种子最高，依次为果皮和果肉。如：葡萄柚种子是柠檬苦素类物质的主要仓库，其含量为种子鲜重的1.5%，在这些柠檬苦素类化合物中，77%是中性，2%是酸性，主要的柠檬苦素类化合物的含量比例如表7所示，以柠檬苦素最高。但在Citrus Hanaju果实种子中，脱乙酰诺米林配糖体的含量居首位（见表8），而柠檬苦素的含量却很低。在枸橼（Citrus medrca L.）种子以外的所有组织中都是以诺米林含量最高，其次为柠檬苦素。从舟山香柚果实的中果皮（海绵层）和瓤衣（果肉夹层）中均得到较高含量的柠檬苦素（limonin）和诺米林（nomilin），但二者在瓤衣中的含量远远大于中果皮。可见，不同柑橘种类和不同组织中的柠檬苦素类化合物种类比例差异很大。 表7 香橙种子中的柠檬苦素类似物含量 柠檬苦素类似物limonoids 含量/μg/g鲜重 相对浓度/% 柠檬苦素limonin 469 31.8 诺米林Nomilin 247 16.8 宜昌根辛Ichangensin 229 15.6 脱乙酰诺米林Deacetylnomilin 220 14.9 宜昌根Ichangin 41 2.8 奥巴叩酮Obacunone 0.0 诺米林酸Nomilinic acid 105 7.1 脱乙酰诺米林酸Decuetrlnomilinic acid 59 4.0 异柠檬苦酸Isolimonic acid 53 3.6 异奥巴叩酸Isoobacunonic acid 50 3.4 所有中性柠檬苦素类似物 1206 81.9 所有酸性柠檬苦素类似物 267 18.1 所有柠檬苦素类似物 1473 100 表8 Citrus hanaju种子中柠檬苦素类似物及配糖体含量 柠檬苦素类似物(Limonoids) 含量(mg/kg) 柠檬苦素limonin 54 诺米林Nomilin 12 脱乙酰诺米林Deacetylnomilin 86 奥巴叩酮Obacunone 7.3 宜昌根配糖体Ichangin 17-β-D-glucopyranoside 75 异柠檬苦酸Isolimonic acid 17-β-D-glucopyranoside 45 脱乙酰诺米林配糖体Deacetylnomilin 17-β-D-glucopyranoside 620 脱乙酰诺米林酸配糖体Deacetyllnomilin acid 17-β-D-glucopyranoside 470 诺米林Nomilin 17-β-D-glucopyranoside 130 奥巴叩酮Obacunone 17-β-D-glucopyranoside 140 诺米林酸Nomilinic acid 17-β-D-glucopyranoside 110 如表7和表8所示，无论在哪种果实中奥巴叩酮的含量很少，甚至为零，这是因为它是合成柠檬苦素的中间物质，并不是一种贮藏的形式。

（3）柠檬苦素的生物学活性及药理方面的作用、疗效 有关柑橘果实柠檬苦素类化合物作用的研究始于20世纪70年代，但在我国直到20世纪90年代才有报道。虽然很早以前含有柠檬苦素的中草药已用于中医治疗，如含有柠檬苦素及其降解产物的狭叶白鲜皮的根，在中医上认为有清热燥湿、祛风止痒的作用，但人们并不知道起作用的成分是哪些物质。近年来，柠檬苦素在药理、除虫等方面的研究进展，使得这类物质的疗效和保健功能越来越受到人们的重视。柠檬苦素类物质的作用包括以下几种。

a. 作为化学分类学上的特征化合物 可以利用特征性的柠檬苦素类似物作为化学分类学上的特征化合物，这在柑橘育种方面有重要意义，这是由于不同属或种柑橘所含的柠檬苦素类似物的种类不同，并成为特定品种的一种特征性化合物。

b. 抗癌作用 把柠檬苦素、诺米林等柠檬苦素类化合物经口径给予豚鼠的实验发现，此类物质可增强小肠黏膜和肝脏中谷胱甘肽转移酶（GST）的活性，尤其诺米林的作用显著，这是由于柠檬苦素、诺米林可以激活GST活性，从而抑制化学致癌物质的致癌作用。在仓鼠实验方面的研究也呈现类似结果，采用二甲基苯丙蒽（DMBA）诱导仓鼠口腔癌形成过程中，柠檬苦素（2.5%矿物油溶液）处理可以使肿瘤形成抑制率达60%；此外在饮食中加入诺米林还可抑制苯丙芘（BP）诱导的肺癌发生，其作用机理可能是抑制BP-DNA加合物的形成；外用柠檬苦素类化合物，也能抑制小鼠皮肤癌的启动和促发阶段，诺米林在启动阶段的抗癌作用较强，柠檬苦素在促发阶段的抗癌作用较强。有些实验还发现含有柠檬苦素类似物的葡萄柚汁能诱导鼠科动物产生抗癌类酶——醌还原酶的生成。

c. 镇痛、抗炎作用 实验发现，从疏毛吴茱萸（芸香科）Evodia rutaearpa var Bodinieri中分离出的柠檬苦素具有明显的镇痛、抗炎作用。通过甲醛（动物模型实验，给小鼠的足部注射一定量的甲醛。甲醛是一种原生毒质，能够引起急性皮炎和湿疹等病痛）实验发现，对小鼠口径给予30mg/kg或100mg/kg含量的柠檬苦素，可明显减少小鼠舔后足的次数。

d. 抗焦虑和镇静作用 实验发现，柠檬苦素、诺米林、奥巴叩酮、7-奥巴叩酮、7-α-柠檬苦醇等柠檬苦素类化合物均能延长α-氯醛糖和乌拉坦引起的小鼠睡眠时间（动物模型实验，给予小鼠注射一定量的α-氯醛糖或乌拉坦，α-氯醛糖或乌拉坦能够引起小鼠焦虑不安），其中化合物诺米林的作用较强，表明诺米林具有显著的镇静作用。

e. 除虫和杀虫作用 柠檬苦素在除虫和杀虫方面具有理想的效果。世界上绝大部分化学杀虫剂或对人畜有很高的毒性或破坏生态平衡造成环境的污染或缺乏长期的杀虫能力，世界各国科学家正在努力寻找高效、低浓度、无残留、无污染、廉价的天然杀虫剂取代化学杀虫剂，而利用柠檬苦素类化合物配成的一定浓度的杀虫剂是一种天然的杀虫物质，对人、畜无毒害，杀虫效果好，是一种理想的生物农药，对绿色农业和生态平衡有重大意义。如：有人以Indian neemtree分离出柠檬苦素类物质进行实验发现可以对60多种昆虫发生抗虫活性。柠檬苦素类化合物在生物农药的研究与应用上可能具有良好的前景。 f. 其他作用 柠檬苦素类化合物还能增强抗氧化性、抗菌活性；柠檬苦素能够调节体内胆固醇的水平，防止动脉粥样硬化，具有很好的保健作用。