超臨界CO2萃取生姜油的模型方程和條件優化

徐偉 ，石海英 ，徐曉艷 ，彭向前 ，馬力

（1.聊城大學生命科學學院，山東 聊城 252059；2.聊城市人民醫院，山東 聊城 252000；3.西華大學生物工程學院，四川 成都 610039）

超臨界CO2萃取生姜油的模型方程和條件優化

徐偉1，石海英1，徐曉艷2，彭向前1，馬力3

（1.聊城大學生命科學學院，山東 聊城 252059；2.聊城市人民醫院，山東 聊城 252000；3.西華大學生物工程學院，四川 成都 610039）

優化超臨界CO2萃取生姜油的工藝條件，提高生姜油的萃取率。以生姜油萃取率為響應值，利用單因素試驗、正交試驗、回歸分析和響應面分析法對超臨界CO2萃取生姜油的工藝條件進行系統研究。建立對萃取率可以進行較好預測的數學模型方程，證明影響萃取率的各主要因素間存在不同大小的交互作用，得到了生姜油超臨界CO2萃取的最佳工藝條件：萃取壓力29 MPa；萃取溫度50℃；萃取時間180 min；解析壓力5.6 MPa；解析溫度36℃。最佳工藝條件下生姜油萃取率為：7.461%。

超臨界流體萃取；生姜油；正交試驗；模型方程

姜（Zinger Officinale Roscoe）作為一種歷史悠久的藥食兼用植物，廣泛用作香辛調味料和中藥材[1-2]。中國是姜的發源地及主要出產國之一，年出口量占世界總出口量的40%，姜的貿易主體主要是干姜和姜粉[3]。隨著萃取加工技術的進步，應用高新技術提取生姜制成的生姜油等產品越來越受到推崇[4-5]。超臨界流體萃?。⊿upercritical fluid extraction,SFE）是一種較新型高效的綠色萃取分離技術[6]。由于生姜的超臨界CO2萃取物具有特殊的芳香，作為天然香料被食品和化妝品行業所急需[7]。目前，盡管部分學者對生姜油提取及其提取物成分的分析、抗菌作用進行了相關的研究[8-11]，取得了一些進展。但對于超臨界CO2萃取生姜油的數學模型方程和各因素交互作用的研究鮮見報道。

選用生姜為原料，以萃取率為響應值，利用單因素試驗、正交試驗、回歸分析和響應面分析法對超臨界CO2萃取生姜油的工藝條件進行了系統深入的研究，以得到超臨界CO2萃取生姜油的數學模型方程和最佳工藝條件，為進一步開發以主姜為原料的保健食品提供數據與參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

鮮老姜：購于成都市麥德龍超市；食品級二氧化碳（純度≥99.5%）：四川化工有限公司；XDHM125B型白馬牌遠紅外干燥箱；HA121-50-01型超臨界CO2萃取裝置；6FJP-150磨粉磨漿機。

1.2 內容與方法

1.2.1 姜粉的制備

將鮮老姜洗凈，去除霉爛部分，切片后置于遠紅外干燥箱于50℃進行干燥72 h，中間進行翻拌，使之干燥均勻。干姜片用粉碎機進行粉碎處理后過40目篩[12-13]，得到生姜粉（含水量為3.79%）。然后將姜粉密封保存備用。

1.2.2 生姜油萃取率的計算方法

式中：姜粉樣品的干重指姜粉在60℃的恒溫干燥箱中干燥至恒重。

1.2.3 試驗設計

選擇生姜油萃取率為響應值，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、解析壓力、解析溫度5個因素進行單因素試驗，在單因素試驗結果的基礎上選取萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、解析溫度4個因素進行L9（34）正交試驗，因素水平見表1。對正交試驗結果進行正交、方差和回歸分析，建立數學模型方程，通過數學模型方程作響應面圖，最后通過響應面模型確定最優試驗條件，并進行驗證。試驗重復3次，試驗結果為測定結果的平均值。

表1 正交試驗因素水平表Table1 Factors and levels in orthogonal experiment

1.2.4 統計分析

試驗數據處理及作圖均采用Origin7.0和matlab7.0統計分析軟件。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果與討論

萃取壓力是影響超臨界流體CO2萃取效率的重要因素之一。在萃取溫度48℃、時間180 min、解析壓力5.6 MPa、解析溫度34℃的條件下，萃取壓力的變化對萃取率的影響結果見圖1。

由圖1可見：在一定條件下，隨著壓力升高，姜油樹脂的萃取率增加，當壓力增加到大于31 MPa后增加的趨勢開始變緩，原因是超臨界流體萃取中，壓力變化過程存在一個轉變壓力，當壓力小于轉變壓力時，隨著壓力的升高，不但會增加CO2的密度，還會減小分子間的傳質距離，增加溶質與溶劑之間的傳質效率，溶解能力提高，當壓力增加到一定程度后，密度隨壓力升高的增加比較緩慢，溶解能力的增加較小[14]。

萃取溫度對萃取率的影響是比較復雜，在一定的壓力下，不同萃取溫度對萃取率有截然相反的影響。在萃取壓力31 MPa、時間180 min、解析壓力5.6 MPa、解析溫度34℃的條件下，不同萃取溫度對萃取率的影響結果見圖2。

從圖2可以看出，當萃取溫度低于48℃時，隨著溫度的升高姜油樹脂的萃取率增加，當溫度高于48℃時萃取率隨著溫度的升高反而下降。在所研究的溫度范圍內，48℃為溫度轉折點。原因是由于一方面提高溫度可增大溶質蒸氣壓(或升華壓)，增加了物質的擴散系數，并提供待萃溶質克服其解離的動能勢壘所必需的熱能；另一方面，提高溫度也會降低超臨界流體密度，導致CO2流體的溶劑化效應下降，攜帶物質的能力降低，物質在其中的溶解度下降，從而減小其萃取能力不利于萃取[14]。

在超臨界流體萃取中，萃取溶劑流量一定時，萃取時間越長，其萃取率越高。在萃取壓力31 MPa、萃取溫度48℃、解析壓力5.6 MPa、解析溫度34℃的條件下。不同萃取時間對萃取率的影響結果見圖3。

由圖3可以看出，隨著萃取時間的延長，姜油樹脂的萃取率不斷增加，當萃取時間小于210 min時，隨萃取時間的增加萃取率增加較快；隨著時間大于210 min后的進一步延長，萃取率的增加變得非常緩慢，原因是開始階段由于姜粉中的姜油樹脂含量較大，萃取速率及效率較高，但是隨著萃取的不斷進行，物料中的油樹脂含量逐漸降低，傳質動力降低而使萃取速率降低[15]。

超臨界CO2流體萃取的分離過程可以通過改變壓力，從而改變它的溶解能力使萃取物分離析出。在萃取壓力31 MPa、萃取溫度48℃、時間180 min、解析溫度34℃的條件下，不同解析壓力對萃取率的影響結果見圖4。

由圖4可以看出，當解析壓力小于5.6 MPa時，隨著壓力的升高萃取率增加，當大于5.6 MPa時，隨著壓力的升高萃取率降低，原因是CO2的超臨界點溫度是31.1℃，壓力是7.28 MPa，在解析溫度為34℃時，隨著解析壓力的升高，CO2流體密度增加，攜帶能力增強，尤其高于臨界壓力7.28 MPa時，攜帶能力急劇增加，使萃取出的姜油樹脂不能完全分離，使萃取率降低；但是對于分離壓力5.0 MPa時的萃取率比5.6 MPa的低，原因可能是由于生姜油樹脂的成分復雜，組分的物理性質（如沸點等）不同所致。

解析溫度影響解析釜中流體的密度，進而影響其溶解性。在萃取壓力31MPa、萃取溫度48℃、時間180min、解析壓力5.6 MPa的條件下，不同解析溫度對萃取率的影響結果見圖5。

由圖5可以看出，在解析溫度30℃～44℃范圍內，存在一個明顯的高萃取率解析溫度34℃，高于或低于34℃的解析溫度，萃取率均有所降低。原因可能是溫度對二氧化碳的密度及溶解能力的影響造成的，提高溫度會使液體溶質的蒸汽壓或固體溶質升華壓增大從而使溶質在超臨界流體中的溶解度也提高；但提高溫度也同時使超臨界流體的密度下降從而會降低溶質在超臨界流體中的溶解度，二者相互作用使得解析溫度有個轉折點。

2.2 正交試驗的結果與討論

正交試驗的結果見表2，方差分析見表3。

從表2極差R可以看出，所選的4個因素對姜油萃取率的影響大小依次為：B（萃取溫度）>A（萃取壓力）>C（萃取時間）>D（解析溫度）。對于試驗結果中的萃取溫度的影響大于萃取壓力，原因是由于一般在臨界點附近，壓力對CO2流體的密度影響特別明顯，增加壓力將提高臨界點CO2流體的密度和溶解能力；超過此范圍，壓力對密度增加的影響變小，對臨界點CO2流體的溶解能力的增加的影響變緩[4]。

表2 正交試驗結果表Table2 Results of orthogonal test

表3 方差分析結果Table3 Result of analysis of variance in orthogonal experiment

從表3的方差分析結果可以看出：萃取溫度和萃取壓力對萃取率的影響較顯著，萃取時間的影響顯著，解析溫度的影響不顯著。

2.3 數學模型方程和響應面分析

2.3.1 數學模型方程

根據試驗回歸設計的原理，用最小二乘法對正交試驗數據進行數學回歸，所建立的數學模型方程為：

式中：x1為萃取壓力，MPa；x2為萃取溫度，℃；x3為萃取時間，min；x4為解析溫度，℃。

對模型采用“降維法”，將其他兩個變量固定在零水平，可得到在特定條件下任一因子決策變量的子回歸模型，求導得邊際產量模型，可求出響應值萃取率Y極大值時各單獨要素的最佳值，即超臨界CO2萃取生姜油的最佳條件為：萃取壓力29 MPa；萃取溫度50℃；萃取時間180 min；解析溫度36℃。生姜油萃取率的理論最大值為7.849%。最佳工藝條件的試驗驗證結果為生姜油的萃取率為7.461%，和所建立回歸方程的預測值7.849%相差4.93%（P＜0.05)，有較好的擬和性。證明所建的模型方程能較好的預測萃取率與萃取溫度、萃取壓力、萃取時間和解析溫度之間的關系。

2.3.2 響應面分析

響應面分析見圖6～圖11。

由回歸方程繪制響應面圖6～圖11，由圖6可以看出，萃取率隨解析溫度的升高在不同的萃取時間內不同的變化趨勢；在萃取時間短時逐漸增加，但隨著萃取時間的延長又出現逐漸降低的變化，表明解析溫度和萃取時間兩因素對響應值萃取率的影響存在交互作用。由圖7可以看出，萃取率隨萃取溫度和解析溫度的升高均呈現逐漸增加的趨勢，和單因素試驗結果相比，表明萃取溫度和解析溫度兩因素對響應值萃取率的影響存在交互作用。由圖8可以看出，萃取率隨萃取時間的延長逐漸增加，但是增加的速率越來越小，萃取率隨萃取溫度的升高逐漸增加，同時和單因素的試驗結果相比表明萃取溫度和萃取時間兩因素對響應值萃取率的影響存在交互作用。由圖9可以看出，萃取率隨萃取壓力的增加呈現先增加而后降低的變化，而隨解析溫度的升高而逐漸增加，和單因素試驗結果相比可得出萃取壓力和解析溫度兩個因素對萃取率的影響存在交互作用。由圖10可以看出，萃取率在較短的萃取時間段隨萃取壓力的增加逐漸降低，但是在較長的萃取時間段隨萃取壓力的增加逐漸增加，表明萃取壓力和萃取時間兩個因素對萃取率的影響存在明顯的交互作用。由圖11可以看出，萃取率隨萃取溫度的增加緩慢增加，隨萃取壓力的增加而增加，但是在低壓段增加的速率大于高壓段增加的速率，同時結合單因素試驗結果分析表明萃取溫度和萃取壓力兩因素對萃取率的影響存在較小的交互作用。

3 結論

1）通過對生姜油超臨界CO2萃取條件的單因素、正交試驗和回歸分析研究，得到了各萃取影響因素對萃取率的影響顯著性規律：萃取溫度>萃取壓力>萃取時間>解析溫度；萃取最佳工藝條件為：萃取壓力29MPa；萃取溫度50℃；萃取時間180 min；解析壓力5.6 MPa；解析溫度36℃。最佳工藝條件下的生姜油的萃取率為：7.461%。

2）建立了生姜油超臨界CO2萃取的數學模型方程，對生姜油超臨界CO2萃取的萃取率可以進行較好的預測；根據響應面分析，得到了生姜油超臨界CO2萃取工藝中影響萃取率的各主要因素間存在不同大小的交互作用。

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Model Equation and Optimizing of Conditions in Supercritical CO2Fluid Extraction for Ginger Oil

XU Wei1,SHI Hai-ying1,XU Xiao-yan2,PENG Xiang-qian1,MA Li3
（1.School of Life Science,Liaocheng University,Liaocheng 252059,Shandong,China;2.Liaocheng People's Hospital,Liaocheng 252000,Shandong,China;3.School of Bioengineering,Xihua University,Chengdu 610039,Sichuan,China）

The conditions were optimized in supercritical CO2fluid extraction for ginger oil.The extraction rate was improved for ginger oil.The extraction rate was used as response value.The conditions were investigated by the methods of single factor experiment,orthogonal test,regression analysis,response surface analysis.The mathematical model equation was established and the relationship could be predicted well between the extraction rate and the conditions.There was different interaction among main factors.The optimum condition of the supercritical CO2fluid extraction for ginger oil was as follows:extraction pressure 29 MPa,extraction temperature 50℃,extraction time 180 min,releasing pressure 5.6 MPa,releasing temperature 36℃.The maximum extraction rate was 7.461%for ginger oil at optimum conditions.

supercritical fluid extraction;ginger oil;orthogonal test;model equation

四川省教育廳重點項目（0125841）

徐偉(1972—)，男（漢），講師，博士，研究方向：食品生物技術、天然產物提取。

2009-08-05