響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取花椒油的工藝

孫 婧，吳建華，甘 笛

(陜西中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，陜西 咸陽 712046)

花椒屬于蕓香科花椒屬植物，是一種常見的調(diào)味料[1]。花椒還是一種珍貴的藥材，在治療嘔吐、抗炎、鎮(zhèn)靜等方面有著獨(dú)特的功效[2-3]。其中花椒提取物在醫(yī)療、保健等行業(yè)[4-5]有著廣泛的用途。

花椒油的提取主要有溶劑法[6]、超聲波輔助提取法[7]、水酶法等[8]。超臨界CO2萃取作為一種綠色的提取技術(shù)被廣泛用于食品與醫(yī)藥行業(yè)的物質(zhì)分離過程[9-10]。該技術(shù)不采用有機(jī)溶劑，保證了萃取物無溶劑殘留；操作溫度適宜，防止目標(biāo)物質(zhì)的氧化和逸散；以CO2為萃取劑，保證了操作的安全性和經(jīng)濟(jì)性[9-10]。由于目前對(duì)超臨界CO2萃取花椒油及其工藝優(yōu)化的研究較少，所以本文基于花椒油在超臨界CO2中有良好的溶解度與擴(kuò)散性，采用多元二次回歸尋優(yōu)的Box-Behnken Design響應(yīng)面法對(duì)其萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化[11]，以期為后續(xù)中試放大萃取花椒油提供一定的基礎(chǔ)與方向，同時(shí)也為研究花椒油的藥理與活性提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

含籽未開裂花椒，由四川某采購(gòu)站所購(gòu)；CO2，食用級(jí)。

HA 220-50-06型超臨界萃取儀，江蘇南通華安超臨界萃取公司；FA1004B型電子分析天平；粉碎機(jī)；恒溫干燥箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 花椒預(yù)處理

將未開裂的含籽花椒置于50℃恒溫干燥箱中烘干3 h，按照GB/T 5009.3—2016測(cè)定烘干后花椒含水量為2.28%，最后采用粉碎機(jī)對(duì)顆粒較為飽滿的花椒粉碎，過40目篩。

1.2.2 超臨界CO2萃取花椒油

準(zhǔn)確稱取20 g花椒粉置于萃取釜中，然后通入CO2進(jìn)行連續(xù)萃取，通過改變萃取溫度(35、40、45、50、55℃)、萃取壓力(16、18、20、22、24 MPa)、萃取時(shí)間(60、75、90、105、120 min)進(jìn)行超臨界CO2萃取實(shí)驗(yàn)，最后分離出超臨界CO2流體以獲得花椒油。對(duì)萃取物精確稱量，計(jì)算花椒油的萃取率(Y)。

Y=m1/m0×100%

式中：m1為花椒萃取物的質(zhì)量，g；m0為花椒總質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 萃取溫度的影響

固定萃取壓力20 MPa、萃取時(shí)間60 min，研究不同萃取溫度對(duì)花椒油萃取率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 萃取溫度對(duì)花椒油萃取率的影響

由圖1可知，花椒油的萃取率隨著萃取溫度的升高呈先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)闇囟壬咴黾恿朔肿拥臄U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致花椒油容易被萃取出來，使萃取率增大。但萃取溫度過高時(shí)，一方面可能發(fā)生氧化破壞了花椒油的結(jié)構(gòu)，或者發(fā)生聚合導(dǎo)致萃取率下降，另一方面降低了CO2流體的密度，降低了花椒油的溶解效果，因此萃取率下降。當(dāng)萃取溫度為45℃時(shí)，花椒油的萃取率最高，為14.5%。綜上，適宜的萃取溫度為45℃。

2.1.2 萃取壓力的影響

固定萃取溫度45℃、萃取時(shí)間60 min，研究不同萃取壓力對(duì)花椒油萃取率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 萃取壓力對(duì)花椒油萃取率的影響

由圖2可知，花椒油萃取率隨萃取壓力的增大基本呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)閴毫ι撸黾恿嘶ń酚驮贑O2中的溶解度，使萃取率升高。但萃取壓力超過20 MPa后，萃取率不再增加，此時(shí)因?yàn)榛ń分械挠椭呀?jīng)基本萃取完，若繼續(xù)增加壓力，對(duì)萃取率基本無影響，同時(shí)過高的壓力也會(huì)增加投資費(fèi)用，而且實(shí)驗(yàn)操作較為危險(xiǎn)，此外還有可能萃取花椒中色素等成分[12]。綜上，適宜的萃取壓力為20 MPa。

2.1.3 萃取時(shí)間的影響

固定萃取溫度45℃、萃取壓力20 MPa，研究不同萃取時(shí)間對(duì)花椒油萃取率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 萃取時(shí)間對(duì)花椒油萃取率的影響

由圖3可知，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，花椒油萃取率呈先增大后略減小的趨勢(shì)。當(dāng)萃取時(shí)間為90 min時(shí)，花椒油萃取基本完全，萃取率達(dá)到最大，為15.2%。這是因?yàn)槿糨腿r(shí)間較短，花椒中的油脂在CO2中溶解不完全，導(dǎo)致萃取率較小，而萃取時(shí)間過長(zhǎng)，花椒油容易發(fā)生聚合現(xiàn)象，使得萃取率略有降低。綜上，適宜的萃取時(shí)間為90 min。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以萃取溫度(A)、萃取壓力(B)、萃取時(shí)間(C)為因素，萃取率(Y)為指標(biāo)，采用Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平見表1，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，方差分析見表3。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平

對(duì)萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間3個(gè)因素回歸擬合后，所得的回歸方程如下。

Y=15.88-1.12A-0.21B-0.11C-0.15AC-0.025BC-0.93A2-1.1B2-0.65C2

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 方差分析

由表3可知，模型的P<0.000 1，極顯著，失擬項(xiàng)的P為0.600 2，大于0.05，說明沒有失擬因素。根據(jù)F可知，影響花椒油萃取率的因素主次順序依次為萃取溫度>萃取壓力>萃取時(shí)間。

采用響應(yīng)面軟件中的Optimization對(duì)影響花椒油萃取率的3個(gè)因素進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的萃取工藝條件為：萃取溫度41.97℃，萃取壓力19.81 MPa，萃取時(shí)間89.53 min。預(yù)測(cè)花椒油萃取率最大為16.23%。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況，微調(diào)并圓整了最優(yōu)的萃取條件，在萃取溫度42℃、萃取壓力19.8 MPa、萃取時(shí)間90 min條件下進(jìn)行3組重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

序號(hào)萃取率與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差116.10.80215.82.65316.20.18

由表4可知，3組重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到的花椒油平均萃取率為16%，誤差均在5%的合理誤差范圍內(nèi)，這與響應(yīng)面預(yù)測(cè)值吻合度較高，證明響應(yīng)面分析設(shè)計(jì)結(jié)果是合理可靠的。

3 結(jié) 論

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到了花椒油最優(yōu)的萃取工藝條件為：萃取溫度42℃，萃取壓力19.8 MPa，萃取時(shí)間90 min。在最優(yōu)條件下，花椒油平均萃取率為16%，與預(yù)測(cè)值較為吻合，同時(shí)證明響應(yīng)面分析設(shè)計(jì)結(jié)果合理可靠。