響應面法優化綠薄荷精油的超臨界CO2萃取工藝

賀東亮，張恒慧，李靜舒，劉青業，*

（1.太原工業學院環境與安全工程系，山西太原030008；2.中北大學化學工程與技術學院，山西太原030051；3.山西廣播電視大學農醫學院，山西太原030001）

綠薄荷（Mentha canadensis L.）系唇形科薄荷屬，為多年生宿根性草本植物[1]，其莖葉中提取的精油具有濃烈的清涼香味，是一種重要的天然香料，其用途廣泛，經濟價值高。現代研究表明薄荷精油是一類植物次生代謝物，其主要成分是薄荷醇、薄荷酮和薄荷呋喃，具有增香、殺菌、抗氧化和抗病毒等生物活性[2]，可用于高級化妝品、高檔保健食品、醫藥等領域。目前，薄荷精油的提取主要采用水蒸氣蒸餾法和溶劑萃取法，兩者均存在一定的不足。水蒸氣蒸餾法操作溫度偏高，易使一些低沸點的精油成分損失，從而影響產品的得率和產品的品質[3-4]；溶劑萃取法會產生少量的溶劑殘留。超臨界流體萃取技術（Supercritical fluid extraction,SFE）是近20年來發展起來的一項新型分離技術，具有萃取溫度低、操作方便、提取率高、產品無污染等優點[5-6]，非常適合于提取高附加值的植物精油，可最大程度地保持植物精油的天然本色[7-8]。響應面分析法（Response surface methodology,RSM）是將多因素試驗中因素與指標之間的關系用多元二次回歸方程進行近似擬合，研究因素與響應值之間、因素與因素之間的相互關系，能夠縮短試驗周期，提高試驗效率[9]。本研究以綠薄荷葉為原料，應用超臨界CO2萃取技術提取薄荷精油，并采用響應面法對萃取工藝參數進行優化，為薄荷精油大規模提取提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

綠薄荷葉：2017年9月采收于太原市南寨公園中草藥園，在恒溫鼓風干燥箱內100℃殺青10 min，60℃干燥4 h，粉碎后過20目篩備用；CO2（CO2≥99.9%）：沈陽市信利盛興氣體公司。

1.2 儀器與設備

SFE230-50-06型超臨界CO2萃取裝置：海安華達石油儀器有限公司；FW400A高速萬能能粉碎機：常州市偉嘉儀器制造有限公司；SC-400振動篩：新鄉市高新區山川機械有限公司；BS224S電子天平：北京賽多利斯天平有限公司。

1.3 方法

1.3.1 萃取工藝流程

薄荷葉粉→稱重→裝入萃取罐→設定萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、CO2流量→在超臨界狀態下萃取→由分離罐獲得薄荷精油

1.3.2 萃取操作要點

準確稱取5 kg經預處理的薄荷葉原料裝入萃取罐中，設定各個參數，待系統溫度和壓力達到設定值時開始計時，萃取結束后從分離罐中取出精油，按公式（1）計算提取率。

1.3.3 單因素試驗

分別考察了萃取壓力、萃取溫度、萃取時間以及CO2流量4個因素對精油的影響，單因素試驗因素水平如表1所示。

表1 單因素試驗因素水平表Table 1 Factors and levers

1.3.4 響應面優化試驗

在單因素試驗的基礎上，采用Design-Expert 8.0.1軟件，選取萃取壓力、萃取溫度、萃取時間3個主要影響因素為自變量，以精油得率為響應值，依據Box-Behnken的中心組合設計原理，設計三因素三水平的響應面試驗優化工藝參數[10-11]，試驗因素水平設計見表2。

表2 Box-Behnken試驗因素水平編碼表Table 2 Factors and levers in the Box-Behnken experimental design

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 萃取壓力對薄荷精油得率的影響

萃取溫度為45℃，萃取時間為2 h，CO2流量為30 L/h，萃取壓力分別為 10、15、20、25、30 MPa，研究萃取壓力對薄荷精油得率的影響，結果如圖1所示。

圖1 萃取壓力對薄荷精油得率的影響Fig.1 Effect of extraction pressure on the yield of mint essential oil

隨著萃取壓力的升高，精油得率增大，當壓力為15 MPa時，得率達到最大值，隨著壓力的進一步增大，得率逐漸降低。萃取壓力主要是通過影響超臨界流體的密度來影響油精的得率[12]，壓力升高，CO2流體密度增大，有利于萃取過程；當壓力超過一定數值后，CO2流量密度和黏度過大，傳質效率變差，不利于萃取[13]，并且高壓會在實際的生產中造成一定的安全隱患，因此，萃取壓力選15 MPa為宜。

2.1.2 萃取溫度對薄荷精油得率的影響

萃取壓力為15 MPa，萃取時間為2 h，CO2流量為30 L/h，萃取溫度分別為 35、40、45、50、55 ℃，研究萃取溫度對薄荷精油得率的影響，結果如圖2所示。

當溫度在45℃以下時，精油得率隨溫度的升高而增加，主要是由于溫度升高加快了分子熱運動，提高了溶質的傳質系數和擴散速度，從而對溶質萃取有利[14]；當溫度從45℃升至50℃時，精油得率幾乎沒有增加，隨著溫度的進一步增加，精油得率呈下降趨勢，主要是由于溫度升高，CO2流體密度就會降低，溶解能力也下降，從而導致萃取得率降低，因此選擇萃取溫度45℃～50℃為宜。

圖2 萃取溫度對薄荷精油得率的影響Fig.2 The effect of extraction temperature on the yield of mint essential oil

2.1.3 萃取時間對薄荷精油得率的影響

萃取壓力為15 MPa，萃取溫度為45℃，CO2流量為 30 L/h，萃取時間分別為 1、1.5、2、2.5、3 h，研究萃取時間對薄荷精油得率的影響，結果如圖3所示。

圖3 萃取時間對薄荷精油得率的影響Fig.3 The effect of extraction time on the yield of mint essential oil

隨著萃取時間的增加，精油得率不斷升高，當萃取時間達到2.5 h后精油得率增長緩慢，曲線趨于水平；隨著萃取時間的進一步延長，被萃取物的含量逐漸降低，導致單位時間、單位能耗內獲得的精油量減少，同時，萃取時間過長會使一些重質成分和色素溶出[15]，精油品質變差，因此，萃取時間選2.5 h為宜。

2.1.4 CO2流量對薄荷精油得率的影響

萃取壓力為15 MPa，萃取溫度為45℃萃取時間為 2.5 h，CO2流量分別為 20、25、30、35、40 L/h，研究CO2流量對薄荷精油得率的影響，結果如圖4所示。

CO2流量對精油提取率的影響是雙重的，一方面，流量增加能增大溶質的濃度差，有利于萃取；另一方面，流量的增加減少了流體與物料之間的接觸時間，不利于提高精油的得率[14]。由圖4可見，CO2流量在20 L/h～40 L/h范圍內，精油得率無明顯變化，因此，選擇CO2流量為20 L/h即可滿足要求。

圖4 二氧化碳流量對薄荷精油得率的影響Fig.4 The effect of carbon dioxide flow on the yield of mint essential oil

2.2 響應面優化試驗結果

2.2.1 響應面試驗結果

依據Box-Behnken的中心組合設計原理，以萃取壓力（X1）、萃取溫度（X2）和萃取時間（X3）為考察因素，以精油得率為響應值，設計三因素三水平實驗方案，共設計了17組試驗，其中包括5組中心點重復試驗，每組試驗重復3次取平均值，數據結果如表3所示。

表3 響應面試驗結果Table 3 Results of response surface experiments

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗

采用Design Expert 8.0.1軟件對表3中的實驗數據進行方差分析和多元回歸擬合，建立多元二次回歸方程：Y=3.24-0.052X1+0.058X2-0.06X3-0.16X1X2-0.2X1X3+0.12X2X3-0.19X12-0.31X22-0.36X32，其方差分析結果如表4所示。

表4 各因素方差分析表Table 4 Analysis of variance for each factor

由表4數據可見，模型的顯著水平p＜0.000 1，表明所建立的二次多項模型極顯著，本試驗的方法是可靠的。模型的相關系數R2為0.990 8，說明響應值的變化有99.08%來源于所選變量，表明模型能很好地反映試驗條件的變化；校正決定系數R2Adj為0.979 0，表明僅有總變異的2.1%不能由該模型來解釋；失擬項（p=0.834 7＞0.05）在α=0.05水平上不顯著，表明數學模型和試驗結果擬合良好，可以用該模型預測試驗結果，殘差均由誤差引起。在模型各參數中，X2、X3影響較顯著，X1影響顯著，說明試驗所選因素對精油得率均有顯著影響，各影響因素主次順序為X3（萃取時間）X2＞（萃取溫度）＞X1（萃取壓力）。

2.2.3 各因素交互作用的響應面分析

通過二次多項回歸方程擬合得出響應面分析的曲面圖，對任意兩因素交互作用影響精油得率的效應進行分析。等高線圖的形狀可以反映出交互效應的強弱，圓形表示兩因素的交互作用影響不顯著，橢圓表示兩因素的交互作用影響顯著[16]。

圖5表示萃取壓力和萃取溫度的交互作用對薄荷精油得率的影響效應。

由圖5等高線可以看出，萃取壓力和萃取溫度的交互作用顯著。萃取時間固定在0水平時，精油得率隨著萃取壓力和萃取溫度的增加而先增加后降低，其中萃取溫度對得率的曲線較為陡峭，說明在萃取過程中溫度對得率的影響大于壓力。圖6表示萃取壓力和萃取時間的交互作用對薄荷精油得率的影響效應。

圖5 壓力與溫度對精油得率影響的響應面與等高線圖Fig.5 Response surface and contour line of the pressure and temperature for extraction rate

圖6 壓力與時間對精油得率影響的響應面與等高線圖Fig.6 Response surface and contour line of the pressure and time for extraction rate

由等高線圖可知，萃取壓力和萃取時間的交互作用影響顯著。當把萃取溫度固定在0水平時，隨著萃取壓力和時間的增加精油得率呈先增大后降低的趨勢，當溫度一定時，壓力增加會使CO2流體的密度增加，流體的溶劑化效應增強，萃取率上升，當壓力達到一定值后，流體的粘度升高，不利于溶質擴散，對萃取不利。圖7表示萃取溫度和萃取時間的交互作用對薄荷精油得率的影響效應。

圖7 溫度與時間對精油得率影響的響應面與等高線圖Fig.7 Response surface and contour line of the temperature and time for extraction rate

由等高線呈橢圓形可知，萃取溫度和萃取時間的交互效應顯著。

2.2.4 最優工藝條件的確定及驗證試驗結果

由Design Expert 8.0.1軟件分析，得出最優工藝條件為：萃取壓力14.02 MPa、萃取溫度40.72℃、萃取時間1.5 h，精油得率預測值為3.25%。考慮到試驗實際操作的局限性，將驗證性試驗條件設置為：萃取壓力14 MPa、萃取溫度41℃、萃取時間1.5 h，在此條件下進行3次重復試驗，薄荷精油的平均得率為3.21%，與預測值基本相同，說明采用響應面法優化的工藝條件可靠性好，具有使用價值。

3 結論

采用超臨界CO2萃取技術提取薄荷精油，在單因素試驗的基礎上通過響應面法分析了萃取壓力、萃取溫度、萃取時間3個因素對精油得率的影響，建立了二次多項式回歸模型，方差分析顯著性檢驗表明薄荷精油萃取率的影響因素依次為：萃取時間＞萃取溫度＞萃取壓力。優化后確定的最佳工藝條件為：萃取壓力14 MPa、萃取溫度41℃、萃取時間1.5 h，在該條件下，薄荷精油的得率為3.21%，本研究結果為超臨界CO2萃取薄荷精油的規模化生產提供了理論基礎和參考。

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