響應面法優化柚皮精油的超臨界CO2萃取工藝

張　嬙，楊　馨（北方民族大學生命科學與工程學院，寧夏銀川750021）

響應面法優化柚皮精油的超臨界CO2萃取工藝

張嬙，楊馨
（北方民族大學生命科學與工程學院，寧夏銀川750021）

摘要：以平和琯溪蜜柚柚皮為原材料，運用響應面法優化超臨界CO2萃取技術提取柚皮精油。根據BOX（Box-Benhnken）試驗設計原理，確定萃取壓力、萃取溫度、萃取時間及二氧化碳流量對精油萃取率的影響。結果表明：超臨界二氧化碳萃取柚皮精油的最佳工藝條件為萃取溫度為59.97℃、萃取壓力為25 MPa、萃取時間為150 min、二氧化碳流量為15 L/h，在此萃取條件下，柚皮香精油的萃取出油率為5.62%。

關鍵詞：柚皮精油；超臨界流體萃取；響應面分析

平和琯溪蜜柚是蕓香科雙子葉植物，是福建省平和縣著名的地方傳統水果。蜜柚果大，果皮占總重的45%左右，柚皮中除了含有水分、維生素、礦物質等人體必需營養素之外，同時還含有如黃酮類化合物、類檸檬苦素、香精油、天然色素等，具有較高的保健和藥用價值[1]。其中柚皮精油可以滋養組織細胞，舒緩支氣管炎，改善肥胖、水腫及淋巴腺系統疾病，增加體力，利尿，抗感染等，有些柚皮精油還能抗憂郁，是季節性精神失調的調節劑[2-3]。

由于柚皮香精油的特殊芳香，使得無法化學合成，同時也不能使用其他柑橘類代替。柚皮占到了柚子總重量的45%左右，但在實際生活中，柚皮一般都是作為垃圾處理，這不僅是對資源的極大浪費，也造成了環境污染。為此，本文以柚皮精油為對象，研究了響應面超臨界流體對精油提取的影響。

1　材料與方法

1.1材料與設備

柚皮：平和琯溪蜜柚果皮；乙醇（分析純）：寧夏億利源工貿有限公司；CO2氣體（99.99%）：銀川偉麗氣體工貿公司；FW100高速萬能粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋：國華電器有限公司；超臨界CO2萃取設備（HA120-05-02）：江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；電子天平YP2001N：上海精密科學儀器有限公司。

1.2方法

1.2.1樣品預處理

柚皮切成2 cm～3 cm小塊，烘箱低溫烘干，粉碎機粉碎后過40目篩，制成粉末樣品備用。

1.2.2單因素試驗

稱取一定量的柚皮粉末，裝入萃取罐中進行超臨界CO2萃取。分別對萃取溫度、萃取時間、萃取壓力、CO2流量進行單因素試驗，探討其對萃取效果的影響。

1.2.3響應面設計

在單因素試驗的基礎上，應用Box-Behnken中心組合進行四因素三水平的試驗設計，以柚皮精油提取率為響應值，采用響應面法進行分析[4]，試驗設計見表1。

表1　因素水平表Table 1　Vairables and levels in Box-Benhnken experimental design

2　結果與分析

2.1萃取壓力對柚皮精油萃取率的影響

改變萃取壓力，通過測定不同壓力下的柚皮精油得率，可知壓力對出油率的影響如圖1所示。

圖1　萃取壓力對柚皮精油得率的影響Fig.1　The effect of extraction pressure

由圖1可知，精油萃取率隨著萃取壓力的升高而增大，當萃取壓力超過18 MPa時，出現了較大幅度的升高，而在25 MPa之后得率開始下降。究其原因是在壓力相對較低時，增大壓力會在一定程度上增加流體的密度，并且減少了分子間的傳質阻力與傳質距離，從而增加溶質和溶劑之間的傳質效率，提高了萃取率。在高壓下流體密度較大，其可壓縮性較小，溶解能力就會受到限制，因此隨著壓力的增大，萃取的選擇性就會下降，從而使得精油得率降低。

2.2萃取溫度對柚皮精油萃取率的影響

在萃取過程中，其他條件不變，只改變萃取溫度，通過測定不同溫度下的柚皮精油得率，可知萃取溫度對出油率的影響如圖2所示。

由圖2可知，當溫度在30℃即低于超臨界溫度時，柚皮精油的萃取率幾乎為0，當溫度高于超臨界溫度后，萃取率較明顯。當溫度超過45℃后，隨著溫度的升高，萃取率逐漸的增大，當大于55℃時，萃取率下降，因此萃取溫度在55℃時為最佳。這可能是CO2的黏度隨著萃取溫度的升高在下降，使得其傳質系數增加，有利于提高溶質的擴散系數，并且溶質的蒸汽壓升高使溶解度增大，有利于提高萃取得率。但是隨著溫度的越來越高，CO2流體的密度減小，導致溶解度下降，從而使萃取得率降低。

2.3萃取時間的影響

保持萃取壓力和萃取溫度不變，改變不同的萃取時間，通過測定不同時間下的柚皮精油得率，可知萃取時間對出油率的影響如圖3所示。

圖2　萃取溫度對柚皮精油得率的影響Fig.2　The effect of extraction temprerature

圖3　萃取時間對柚皮精油得率的影響Fig.3　The effect of extraction time

由圖3可知，提取率隨時間的延長呈逐漸上升的趨勢，萃取時間在120 min后，柚皮精油萃取率已趨于穩定，時間的延長萃取率變化很小，從經濟效益方面考慮，選擇萃取時間為120 min。

2.4CO2流量對柚皮精油出油率的影響

保持萃取壓力、萃取溫度及萃取時間不變，改變不同的CO2流量，通過測定不同CO2流量下的柚皮精油得率，可知CO2流量對出油率的影響如圖4所示。

圖4　CO2流量對柚皮精油得率的影響Fig.4　The effect of CO2flow

由圖4可知，隨著流量的增大柚皮出油率也會隨著增加，其增加幅度較大。當CO2流量在20 L/h左右時萃取率最大，隨著流量的增大，萃取得率出現了下降，表明CO2流量在20 L/h是最佳的。

2.5響應面法優化柚皮精油超臨界提取的條件

響應面法優化柚皮精油超臨界提取的條件及結果分別見表2和表3。

表2　響應面試驗設計及結果Table 2　Box-Behnken experimental design matrix and corresponding experimental values

表3　響應面方差分析Table 3　Analysis of variance for pomelo skin oil yield with extraction conditions

從表2和表3中可看出，在模型項中F值等于27.96時意味著該模型是顯著模型，P值<0.000 1，說明因變量（萃取得率）與自變量z1，z2，z3，z4間的回歸方程關系是極顯著的，因此方程可用。采用Design-Expert8.0軟件對所得數據進行ANOVA分析，結果見表3。4個因素經過擬合得到的二次多元回歸方程為：

2.6等高線圖和響應面分析

等高線圖和響應面分析見圖5～圖8。

圖5　萃取溫度與萃取時間對萃取率影響的響應面和等高線圖Fig.5　Reponses surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction temperature and time on pomelo skin oil yield

RSM圖形是特定的響應面Y對應的因素A、B、C、D構成的一個三維空間在二維平面的等高圖，可以直觀反映各因素對響應值的影響。從以上響應面和等高圖可知，萃取溫度和時間，萃取溫度和萃取壓力的交互作用較顯著，萃取壓力和時間，萃取時間和CO2流量的交互性較弱。

2.7驗證試驗

為驗證回歸模型的有效性，利用最佳工藝條件進行驗證試驗。由回歸方程得最佳為萃取溫度59.97℃，萃取壓力為25 MPa，萃取時間為150 min，CO2流量為15 L/h，在最佳的條件下萃取率為5.631 19%。為了驗證該參數，設計了5組平行試驗，得到的精油萃取率為5.62%，與理論值5.63%相差不大。由此證明試驗模型合理，試驗結果理想。

圖6　萃取壓力與萃取時間對萃取率影響的響應面和等高線圖Fig.6　Reponses surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction pressure and time on pomelo skin oil yield

圖7　萃取壓力與萃取溫度對萃取率影響的響應面和等高線圖Fig.7　Reponses surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction pressure and temperature on pomelo skin oil yield

3　結論

響應面分析法是通過中心組合試驗研究幾種試驗因素間交互作用的一種回歸分析方法，具有試驗次數少、周期短，得到的回歸方程精確度高等優點。本研究將響應面優化和超臨界萃取結合，模擬得到多項式回歸方程，直觀的掌握各因素對柚皮精油萃取率的影響程度：萃取溫度>萃取時間>萃取壓力>CO2流量。經過分析得到最佳工藝參數為萃取溫度59.97℃，萃取壓力為25MPa，萃取時間為150min，CO2流量為15L/h，精油萃取率為5.62%。與傳統提取方法相比，萃取時間短，無溶劑污染，操作工藝簡單，為進一步開發高附加值的柚皮精油提供科學參考。

參考文獻：

[1]司輝清,沈強,龐曉莉,等．國內外天然香精油提取及檢測技術最新研究進展[J]．食品工業科技,2010,31(2):374-377

[2]王丹,周才瓊．植物精油在可食性抗菌膜中的應用[J]．食品工業科技,2014,35(1):349-352

[3]Xiaodong Ma,Ouyang Feng.Adsorption properties of biomass-based activated carbon prepared with spent coffee grounds and pomelo skin by phosphoric acid activation[J].Applied Surface Science,2013 (268):566-570

[4]徐向宏,何明珠．實驗設計與Design-Expert、SPSS應用[M]．北京:科學出版社,2010:147-154

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.20.026

收稿日期：2014-12-05

作者簡介：張嬙（1980—），女（漢），講師，碩士研究生，研究方向：天然產物的結構與功效研究。

Optimization of Supercritical CO2Fluid Extraction of Pomelo Peel Oil Using Response Surface Methodology

ZHANG Qiang，YANG Xin
（Life Sciences&Engineering College，BeiFang University of Nationalities，Yinchuan 750021，Ningxia，China）

Abstract：The production of naringin of Guanxi honey pomelo，used carbon dioxide as a medium by supercritical fluid extraction technology to pomelo peel essential oil from pomelo skin，response surface methodology（RSM）was employed to optimize the extraction.According to the principle of Box-Behnken central composite design，extraction pressure，extraction temperature，extraction time and carbon dioxide flow rate were chosen as response factors，extraction mass as response value，and a four-factor and three levels central composite design was adopted to determine the influence of various technological conditions.The results showed that better extraction conditions were 59.97℃of temperature，25 MPa of extracting pressure，150min of period，15 L/h of CO2flow rate.Under these conditions，the yield of pomelo skin oil was 5.62%.

Key words：pomelo skin oil；supercritical fluid extraction；response surface methodology