響應面法優化超臨界CO2萃取花椒油的工藝

孫 婧，吳建華，甘 笛

(陜西中醫藥大學 藥學院，陜西 咸陽 712046)

花椒屬于蕓香科花椒屬植物，是一種常見的調味料[1]。花椒還是一種珍貴的藥材，在治療嘔吐、抗炎、鎮靜等方面有著獨特的功效[2-3]。其中花椒提取物在醫療、保健等行業[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被廣泛用于食品與醫藥行業的物質分離過程[9-10]。該技術不采用有機溶劑，保證了萃取物無溶劑殘留；操作溫度適宜，防止目標物質的氧化和逸散；以CO2為萃取劑，保證了操作的安全性和經濟性[9-10]。由于目前對超臨界CO2萃取花椒油及其工藝優化的研究較少，所以本文基于花椒油在超臨界CO2中有良好的溶解度與擴散性，采用多元二次回歸尋優的Box-Behnken Design響應面法對其萃取工藝進行優化[11]，以期為后續中試放大萃取花椒油提供一定的基礎與方向，同時也為研究花椒油的藥理與活性提供基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

含籽未開裂花椒，由四川某采購站所購；CO2，食用級。

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；恒溫干燥箱。

1.2 實驗方法

1.2.1 花椒預處理

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測定烘干后花椒含水量為2.28%，最后采用粉碎機對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

準確稱取20 g花椒粉置于萃取釜中，然后通入CO2進行連續萃取，通過改變萃取溫度(35、40、45、50、55℃)、萃取壓力(16、18、20、22、24 MPa)、萃取時間(60、75、90、105、120 min)進行超臨界CO2萃取實驗，最后分離出超臨界CO2流體以獲得花椒油。對萃取物精確稱量，計算花椒油的萃取率(Y)。

Y=m1/m0×100%

式中：m1為花椒萃取物的質量，g；m0為花椒總質量，g。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 萃取溫度的影響

固定萃取壓力20 MPa、萃取時間60 min，研究不同萃取溫度對花椒油萃取率的影響，結果如圖1所示。

圖1 萃取溫度對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。這是因為溫度升高增加了分子的擴散運動，導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，一方面可能發生氧化破壞了花椒油的結構，或者發生聚合導致萃取率下降，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。當萃取溫度為45℃時，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℃、萃取時間60 min，研究不同萃取壓力對花椒油萃取率的影響，結果如圖2所示。

圖2 萃取壓力對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。這是因為壓力升高，增加了花椒油在CO2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，此時因為花椒中的油脂已經基本萃取完，若繼續增加壓力，對萃取率基本無影響，同時過高的壓力也會增加投資費用，而且實驗操作較為危險，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 萃取時間的影響

固定萃取溫度45℃、萃取壓力20 MPa，研究不同萃取時間對花椒油萃取率的影響，結果如圖3所示。

圖3 萃取時間對花椒油萃取率的影響

由圖3可知，隨著萃取時間的延長，花椒油萃取率呈先增大后略減小的趨勢。當萃取時間為90 min時，花椒油萃取基本完全，萃取率達到最大，為15.2%。這是因為若萃取時間較短，花椒中的油脂在CO2中溶解不完全，導致萃取率較小，而萃取時間過長，花椒油容易發生聚合現象，使得萃取率略有降低。綜上，適宜的萃取時間為90 min。

2.2 響應面優化實驗

在單因素實驗基礎上，以萃取溫度(A)、萃取壓力(B)、萃取時間(C)為因素，萃取率(Y)為指標，采用Box-Behnken響應面實驗進行優化。響應面實驗因素水平見表1，響應面實驗設計及結果見表2，方差分析見表3。

表1 響應面實驗因素水平

對萃取溫度、萃取壓力、萃取時間3個因素回歸擬合后，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 響應面實驗設計及結果

表3 方差分析

由表3可知，模型的P<0.000 1，極顯著，失擬項的P為0.600 2，大于0.05，說明沒有失擬因素。根據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>萃取時間。

采用響應面軟件中的Optimization對影響花椒油萃取率的3個因素進一步進行優化，得到最優的萃取工藝條件為：萃取溫度41.97℃，萃取壓力19.81 MPa，萃取時間89.53 min。預測花椒油萃取率最大為16.23%。

2.3 驗證實驗

根據實驗實際情況，微調并圓整了最優的萃取條件，在萃取溫度42℃、萃取壓力19.8 MPa、萃取時間90 min條件下進行3組重復性驗證實驗，結果見表4。

表4 重復性驗證實驗結果 %

序號萃取率與預測值相對誤差116.10.80215.82.65316.20.18

由表4可知，3組重復性驗證實驗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，這與響應面預測值吻合度較高，證明響應面分析設計結果是合理可靠的。

3 結 論

在單因素實驗基礎上，采用響應面法優化得到了花椒油最優的萃取工藝條件為：萃取溫度42℃，萃取壓力19.8 MPa，萃取時間90 min。在最優條件下，花椒油平均萃取率為16%，與預測值較為吻合，同時證明響應面分析設計結果合理可靠。