響應面法優化超臨界CO2萃取北五味子藤莖油工藝

李 斌，孟憲軍*，李元甦，汪艷群，傅俊范，薛 雪，王 棟

(沈陽農業大學食品學院，遼寧省農產品深加工重點實驗室，遼寧 沈陽 110161)

響應面法優化超臨界CO2萃取北五味子藤莖油工藝

李 斌，孟憲軍*，李元甦，汪艷群，傅俊范，薛 雪，王 棟

(沈陽農業大學食品學院，遼寧省農產品深加工重點實驗室，遼寧 沈陽 110161)

利用超臨界CO2萃取技術，在單因素試驗的基礎上，采用中心組合響應面法，建立北五味子藤莖揮發油超臨界CO2萃取的回歸模型。研究結果表明，萃取壓力、萃取溫度、CO2流速對萃取率的影響顯著，萃取壓力和CO2流速以及萃取溫度和CO2流速的交互效應影響顯著，解析矩陣可知，在萃取壓力36.32MPa，萃取溫度42.27℃、CO2流速17.01L/h，預測最大萃取率為0.432%，驗證實驗證實該方程有很好的擬合度。該方法具有萃取率高、污染小、節約能源的特點。

北五味子；藤莖；油；超臨界CO2萃取；響應面法

北五味子藤莖為木蘭科植物五味子(Schisandra chinensis(Turcz.)Baill)的干燥藤莖，習稱“山花椒藤”，民間用其作為調味品。《中華人民共和國藥典》中規定其果實、種子、藤莖均可入藥[1]。目前關于北五味子的研究主要集中在果實和種子中木脂素[2]、揮發油、多糖[3]等成分的研究上，而關于藤莖研究較少。北五味子豐富的藤莖資源還未引起人們足夠的重視，資源優勢并未轉化為產品優勢和經濟優勢。北五味子藤莖中油脂含量達0.38%～0.45%，是一種優質的功能油脂，具有較好的開發利用前景。

超臨界流體萃取是近30年來發展較快的新一代化工分離技術。處于臨界點附近的超臨界流體對溶質具有極高的溶解能力，而且溫度或壓力的微小變化就可極大的改變超臨界流體對溶質的溶解度，從而達到選擇性地萃取、分離化合物的目的。因此，通過變化溫度或壓力，超臨界流體充當著多種溶劑的角色[4]。因二氧化碳臨界溫度和臨界壓力低(31.06℃，7.39MPa)，對中、低分子質量和非極性的天然產物有較強的親和力，而且具有環境友好的特點[5]，超臨界二氧化碳技術已被廣泛用于功能性油脂如核桃油[6]、芹菜籽油[7]、南瓜籽油[8]、橙皮油[9]、沙棘油[10]、杏仁油[11]、大蒜油[12]等油脂的提取過程中。超臨界二氧化碳萃取北五味子藤莖油具有操作溫度低、選擇性好、分離一步完成、萃取無殘留等特點。

本實驗擬以超臨界CO2流體萃取為手段，選擇Central Composite設計和響應曲面(RSM)分析方法，研究萃取壓力、萃取溫度、CO2流速等因素對藤莖油萃取率的影響以及它們之間的交互作用，從而確定超臨界CO2萃取北五味子藤莖油的適宜工藝，以期為北五味子藤莖資源的深加工利用提供基礎研究。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

北五味子藤莖由撫順青松藥業有限公司提供，經真空干燥箱50℃條件下干燥至平均含水量6%，粉碎過篩備用。

食用級CO2(純度99.9%) 沈陽氣體制造廠。HA121-50-2型超臨界萃取裝置 華安超臨界萃取有限公司；DXF-6009型真空干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

北五味子藤莖→除雜→干燥→粉碎→過篩→裝料→超臨界萃取→減壓分離→粗提物→離心分離、精濾→萃取油脂

1.2.2 藤莖油萃取率的計算

1.3 中心組合試驗設計

根據相關參考文獻實驗結果，采用Design Expert軟件(Vision 7.0.0.1, stat-Ease.Inc., Minneapolis, MN.USA)設計[13-15]，以中心組合試驗設計實驗法優化最佳提取方法，選取3個主要的因素萃取壓力、萃取溫度、CO2流速作為自變量，以萃取率作為響應函數，采用響應曲面分析法，通過回歸得出自變量與響應函數之間的統計模型，確定提取北五味子藤莖揮發油最佳工藝參數。

本試驗按照方程xi=(Xi－X0)/ΔX對自變量進行編碼，其中xi為自變量的編碼值，Xi為自變量的真實值，ΔX為自變量的變化，本試驗因素編碼及水平見表1。

表1 試驗因素水平及編碼表Table1 Factors and levels in the orthogonal array design

北五味子藤莖揮發油的萃取率作為評價指標(響應值)的預測模型由最小二乘法擬合的二次多項式方程為：

式中：Y為預測響應值；β0為常數值；βi為線性系數；βii為二次項系數；βij為交互項系數。

2 結果與分析

2.1 模型的建立與顯著性分析

表2 萃取率試驗值與模型預測值Table2 Comparison between experimental and model predicted value of oil extraction yield

根據RSM設計，選取20個試驗點，以萃取壓力、萃取溫度、CO2流速3個因素作為自變量，以萃取率作為RSM響應值。表2為萃取率試驗值與模型預測值。結果進行二次多項回歸擬和，獲得了預測相應值(Y)與萃取壓力、萃取溫度、CO2流速的二次回歸方程：

Y= 0.42＋0.026x1＋0.023x2＋0.034x3－0.00125x1x2－0.019x1x3－0.016x2x3－0.041x12－0.041x22－0.049x32

表3 回歸模型方差分析Table3 Variance analysis for the developed quadratic polynomial model

對模型方程進行方差分析表明，該方程顯著，結果見表3。通過校正決定系數(R2Adj)和相關系數(R)來驗證。此處R2Adj=0.9564，表明大約有95%的萃取率變異分布在所研究的3個相關因素中，其總變異度僅有5%不能由該模型來解釋；相關系數R為0.9884，表明提取率的實測值和預測值間有很好的擬合度；失擬項P=0.1566＞0.05，表明方程的擬合不足檢驗不顯著，二次響應曲面回歸方程能夠很好的擬合本實驗所得的結果，自變量與響應值之間線性關系顯著，該模型可以用于萃取率試驗的理論預測。

表4 回歸方程系數顯著性檢驗Table4 Significance test for regression coefficients of the developed quadratic polynomial model

由表4可知，因素x1、x2、x3都對提取效果的線性效應顯著；因素x12、x22、x32對提取效果的曲面效應顯著；x1x3、x2x3對提取效果的交互影響顯著，x1x2對提取效果的交互影響不顯著。

2.2 超臨界CO2萃取北五味子藤莖揮發油的等高線圖和響應面分析與優化

圖1表明在萃取時間90min、原料粒度60目條件下，萃取溫度和萃取壓力對萃取率影響的響應面圖和等高線圖。從等高線可以看出，萃取壓力和萃取溫度的交互作用不顯著，因為等高線的形狀反映交互效應的大小，橢圓表示兩因素交互作用顯著。當萃取壓力不變時，隨著溫度的上升，萃取率先遞增后遞減，當處理萃取壓力在中間水平條件下，萃取率變化較大，并且在萃取溫度為中間水平時，萃取率相對較大。在萃取溫度不變時，萃取壓力同樣有上述規律。從響應面圖可以看出，當處理萃取壓力處于中間水平，處理萃取溫度處于中間水平，可以獲得較高的萃取率。

圖1 溫度和壓力交互影響萃取率的響應面圖及等高線圖Fig.1 Response surface and contour plots depicting the interactive effects of extraction temperature and extraction pressure on oil extraction yield

圖2 壓力和CO2流速交互影響提取率的響應面圖及等高線圖Fig.2 Response surface and contour plots depicting the interactive effects of extraction pressure and CO2 flow rate on oil extraction yield

圖2表明在萃取時間90min、原料粒度60目條件下，萃取壓力和CO2流速對萃取率的響應面圖和等高線圖。萃取溫度對超臨界流體溶解能力的影響是比較復雜的。在不同壓力范圍內，溫度對流體溶解度有所不同。在高壓區(大于25MPa)，超臨界CO2流體密度高，可壓縮性小，溫度升高對流體密度改變小，但可明顯提高溶質的蒸汽壓和擴散系數，流體溶解能力大大提高。在低壓區，溫度升高可使流體密度急劇降低，溶解能力的下降程度遠大于升溫對溶質的蒸汽壓和擴散系數的提高幅度，從而使萃取降低。從等高線可以看出，其交互作用顯著。當萃取壓力一定時，隨著CO2流速的上升，萃取率變化不大。當CO2流速一定時，隨著壓力的上升，萃取率先遞增后遞減；當CO2流速為低水平時，萃取率變化不大，在高水平條件下，萃取率變化較大。從響應面圖可以看出，當萃取壓力處于較高水平，CO2流速處于較高水平時，可以獲得較高的萃取率。可以推測最大提取率在高壓高CO2流速區。

圖3 溫度和CO2流速交互影響提取率的響應面圖及等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots depicting the interactive effects of extraction temperature and CO2flow rate on oil extraction yield

圖3 表明在萃取時間90min、原料粒度60目條件下，萃取溫度和CO2流速對萃取率的響應面圖和等高線圖。從等高線可以看出，可以看出其交互作用顯著。當萃取溫度一定時，隨著CO2流速的上升，萃取率變化不大；當CO2流速一定時，隨著溫度的上升，萃取率先遞增后遞減。當CO2流速在較高水平時，萃取率變化較大，并且在萃取溫度為中間水平時，萃取率相對較大。從響應面圖可以看出，當處理萃取溫度處于中間水平，CO2流速處于較高水平時，可以獲得較高的萃取率，推測最大萃取率在中溫高流速區。

2.3 模型驗證及最佳萃取條件的確定

對前面所獲得的第一個模型方程系數進行顯著性檢驗，x1x2項不顯著，舍去該項優化模型，可以得到優化后的回歸方程為：

去掉x1x2項后方程中=0.9620，表明調整后的模型比調整前的模型對提取率變異的描述準確程度提升；而R2=0.9770，表明調整后的模型和調整前的模型在實測值和預測值擬合度基本一致。利用優化后的模型，通過對二次多項式數學模型的解逆矩陣，求出最大萃取率的工藝條件：萃取壓力36.32MPa、萃取溫度42.27℃、CO2流速17.01L/h，預測100g原料能萃取油0.432g。

為了驗證回歸模型的有效性，根據推斷的最佳工藝參數和實際操作過程中的可行性進行驗證實驗，在萃取壓力36MPa、萃取溫度42℃、CO2流速17L/h，分別進料300g，萃取90min的條件下進行3組實驗。結果表明實際測量值接近預測值，說明該模型是合理有效的，具有一定的實際指導意義。

表5 驗證實驗結果Table5 Results of validation of optimal extraction conditions

3 結 論

利用統計學方法建立了超臨界CO2萃取北五味子藤莖揮發油的二次多項數學模型。通過對模型響應面圖及等高線圖進行分析，獲得影響萃取率的最佳萃取條件，并利用模型方程對萃取率進行預測。由二次多項回歸系數顯著性檢驗表明：萃取壓力、萃取溫度、CO2流速都對提取效果的線性效應顯著；萃取壓力與CO2流速、萃取溫度與CO2流速對提取效果的交互影響顯著，萃取壓力與萃取溫度對提取效果的交互影響不顯著。由萃取率的二次多項式回歸方程可知，在萃取壓力36.32MPa，萃取溫度42.27℃、CO2流速17.01L/h，預測100g原料能萃取油0.432g。驗證實驗證明了實際測量值與預測值之間具有良好的擬合度，說明該模型是合理有效的具有一定的參考價值。

參考文獻：

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Optimization of Supercritical Fluid Carbon Dioxide Extraction of Oil from Caculis of Schisandra chinensis (Turcz.) Baill by Response Surface Methodology

LI Bin， MENG Xian-jun*，LI Yuan-su，WANG Yan-qun，FU Jun-fan，XUE Xue，WANG Dong
(Liaoning Provincial Key Laboratory of Further Processing of Food, College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China)

Based on the single factor experimental results, response surface methodology (RSM) was employed to optimize the process conditions for extracting essential oil form the caculis of Schisandra chinensis (Turcz.) Baill with supercritical fluid carbon dioxide (SF-CO2). A three-factor, five-level central composite design (CCD) was used to provide experimental data for establishing a regression model describing the SF-CO2extraction. Extraction pressure, extraction temperature, CO2flow rate and cross-interaction between extraction pressure or temperature and CO2 flow rate exhibited a significant effect on oil extraction yield. The optimal extraction conditions were found to be: extraction pressure, 36.32 MPa; extraction temperature, 42.27 ℃; and CO2flow rate,17.01 L/h. The extraction yield of oil was 0.432% under these optimal extraction conditions, which was in good agreement with the value predicted by the regression model. This method is characterized by low energy consumption and pollution as well as high efficiency.

Schisandra chinensis (Turcz.) Baill；caculis；oil；supercritical fluid CO2extraction；response surface methodology

TS224.4

A

1002-6630(2010)20-0132-05

2010-01-26

李斌(1979—)，男，講師，博士研究生，研究方向為天然產物提取及功能性食品開發。E-mail：libinsyau@163.com

*通信作者：孟憲軍(1960—)，男，教授，博士，研究方向為食品深加工及綜合利用。E-mail：mengxjsy@126.com