植物来源的精油因其丰富的生物活性成分，在食品、个人护理产品、化妆品、芳香疗法、医药和农业杀菌剂等多种产品和应用中得到了广泛应用[[1], [2], [3], [4]]。通常，植物精油是由多种挥发性萜类化合物组成的复杂混合物。例如，茶树油（Melaleuca alternifolia）常用于个人护理产品，含有超过100种不同的萜类化合物[5,6]。同样，柠檬精油在化妆品和食品中也广泛使用，气相色谱分析显示其含有21种以上的萜类成分[7]。
柠檬（Citrus x limon）及其多种品种是全球重要的经济作物[7,8]。其中，尤里卡柠檬（Citrus x limon Eureka）尤为受欢迎。在台湾，柠檬旺季（通常为6/7月至9月）产量较大，需在食品加工厂进行榨汁以防止市场价格波动，因此会产生大量柠檬皮废弃物。对这些柑橘残渣进行有效利用的一种方法是提取其中的柠檬精油（LO）。柠檬精油因其优异的生物活性（如抗菌和抗氧化作用）而备受重视[1,3,8,9]，常用于化妆品、防腐剂、清洁剂和洗涤剂等产品中。
已开发出多种方法从柠檬植物材料中提取精油和生物活性化合物[1,9,10]，包括冷压、超声辅助提取、微波辅助提取、超临界流体提取、溶剂提取、蒸汽蒸馏和水蒸气蒸馏等[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。其中，水蒸气蒸馏和蒸汽蒸馏因操作简便、设备成本低而历史悠久[1,11,13,17,18]。然而，这些传统方法的提取效率较低、能耗较高且提取时间较长。因此，本研究的主要目标是通过改进水蒸气蒸馏工艺来提高柠檬精油的提取效率。
水蒸气蒸馏提取植物精油的过程涉及两个竞争过程：精油通过水扩散释放到萃取剂中[17,18]，以及精油在萃取剂中的水解和热分解[17,18]。前者是提高产量的关键步骤，后者则会导致精油损失。
在水扩散过程中，精油分子从油囊和腺体中释放出来，溶解并溶解在植物组织和细胞壁中的液体萃取剂中，随后扩散到外部。含有精油的液体萃取剂被蒸发和冷凝，从而实现精油的分离。尽管已有相关动力学模型[13,18,19]，但水蒸气蒸馏的精油提取过程通常可以用一级传质模型很好地描述[13,18]。鉴于某些精油成分对热和水解敏感[6]，本研究在传质模型中加入了负动力学项，以考虑提取过程中的精油损失。
基于水蒸气蒸馏的原理，建议在萃取剂中添加适量的表面活性剂以提高柠檬精油的提取效率。这一策略基于表面活性剂能显著增加柠檬精油在水中的溶解度，从而增加可溶解于液体萃取剂中的精油分子浓度[20,21]，从而加快精油从植物腺体释放到萃取剂中的速度，提高最终提取效率。使用表面活性剂时需注意避免萃取剂起泡，因为泡沫可能堵塞蒸馏器并影响提取过程。由于离子型表面活性剂比非离子型更容易起泡[21,22]，因此本研究选择了低泡性的非离子型表面活性剂。
表面活性剂增强水蒸气蒸馏效果的另一个关键因素是它们对精油的溶解能力。本研究选用了食品级表面活性剂，以确保即使存在微量残留表面活性剂，提取的精油仍适合用于化妆品和食品领域。初步实验中筛选了几种食品级Tween表面活性剂，发现HLB值在13至15之间的混合物具有更好的提取效果。基于这些结果，系统研究了Tween 40/Tween 85混合物中对柠檬精油的平衡溶解行为，并通过质量溶解比（WSR）[20,21]量化了不同表面活性剂浓度下的溶解能力。初步的2小时水蒸气蒸馏试验表明，在3:1的质量比下，含有2 wt% Tween 40/Tween 85混合物的萃取剂具有最高的提取效率。因此，本研究选择了这种表面活性剂配方。同时，还监测了含有表面活性剂和柠檬精油的微乳液及胶体聚集体的稳定性，分析了精油在表面活性剂溶液中的表观溶解度。
较高的表面活性剂浓度可增强溶解效果，加快精油从植物油囊和腺体中的释放速度。然而，过量的表面活性剂可能导致精油在液体萃取剂中乳化，降低提取效率。尽管选择了低泡性非离子型表面活性剂，但在剧烈沸腾条件下仍不可避免会产生泡沫。除了表面活性剂用量外，提取时间和液体萃取剂与固体果皮的比例也会显著影响精油产量。因此，采用实验设计（DoE）方法优化了表面活性剂增强水蒸气蒸馏过程，具体使用了中心复合设计（FCCD）和响应面方法（RSM），并采用二次模型进行分析。
简而言之，本研究主要关注使用Tween 40和Tween 85混合表面活性剂优化水蒸气蒸馏工艺，以提高柠檬精油的提取效率。建立了包含两个竞争因素的精油提取动力学模型：精油从柠檬皮释放到萃取剂中的过程，以及精油在萃取剂中的水解和热分解。同时分析了不同提取方法下柠檬精油的组成差异，主要使用气相色谱（GC）进行检测。
