響應面法優化微波輔助提取香茅精油工藝研究

孫毅　張峻松　羅海濤　劉思奎

摘要 [目的]研究微波輔助提取香茅精油的工藝條件。[方法]采用微波輔助法提取香茅草，在單因素試驗的基礎上，選取提取時間、微波功率、液固比3個主要因素，采用響應面法分析這3個因素對精油提取得率的影響，并擬合二次多項式回歸方程的預測模型。[結果]微波輔助提取香茅精油的最佳工藝條件為提取時間128 min，微波功率472 W，液固比為12.5∶1，在此條件下香茅精油平均得率為1.40%，與模型的理論預測值（1.406%）基本吻合。[結論]該研究確定了微波輔助提取香茅精油的最佳工藝條件。

關鍵詞 香茅精油;微波輔助提取;響應面法;優化

中圖分類號 TS201.1文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）17-0190-04

Abstract [Objective] To study the the extraction technology of citronella oil from Cymbopogon by microwaveassisted extraction.[Method] The citronella oil was extracted from Cymbopogon by using microwaveassisted extraction. Based on the results of single factor experiment， three factors of extraction time， microwave extraction power and liquidsolid ratio as independent variables， the effects of these three factors on the yield of citronella oil were analyzed by using response surface methodology（RSM） and the prediction model of quadratic polynomial regression equation was simulated. [Result]The optimum? conditions of citronella oil by using microwaveassisted extraction were extraction time of 128 min， microwave extraction power of 472 W， liquidsolid ratio of 12.5∶1. Under these conditions，the yield of citronella oil reached 1.40%，which was close to the theoretical predicted value （1.406%） of this model. [Conclusion]This study identified the optimum microwaveassisted extraction of citronella oil from Cymbopogon.

Key words Citronella oil;Microwaveassisted extraction;Response surface method;Optimization

香茅屬（Cymbopogon）隸屬禾本科（Gramineae），為多年生草本植物，主要分布于東半球的熱帶及亞熱帶地區，我國各地共有野生及人工栽培品種20余種[1]，主要在云南、廣西和廣東等地區大面積種植，具有一定的經濟價值，主要用于香料和藥物前體物的提取和制備，也是西南地區少數民族傳統使用的食用香料。從香茅中提取的香茅油已被國家衛生健康委員會發布標準作為一種許可使用的食品添加劑，具有抗菌作用[2-6]、抗氧化活性[7-10]、抗瘧作用[11]、免疫調節和腫瘤抑制作用[12-14]和抗炎等作用[15-17]。

微波輔助提取（microwaveassisted extraction，MAE），又稱為微波萃取，作為20世紀后期發展起來的一種高效提取技術，其原理是使用食品工業中常用的2 450 MHz的高頻電磁波穿透提取容器，容器內材料的分子間隨之產生的高頻運動使微波能迅速轉化為熱能，加速了材料自身的細胞破裂，同時高頻電磁波形成的磁場加速材料中有效組分分子由內部向固液界面擴散，因此具有萃取速度快、加熱均勻性好、高效節能、易于控制、無污染等優點。目前，微波輔助提取已被廣泛應用于油脂加工、天然藥物提取、天然香料提取等領域。筆者在單因素試驗的基礎上采用中心組合設計（BBD）試驗和響應面法（RSM）研究微波輔助提取香茅精油的最佳工藝條件[18-19]，以期為微波輔助提取香茅精油的規模化工業應用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料。香茅草（Cymbopogon winterianus Jowitt），產地為云南省德宏州盈江弄璋鎮種植農戶，經鑒定為禾本科植物香茅干燥全草。

1.1.2 主要儀器。 Milestone NEOS-GR微波快速無溶劑萃取系統（意大利 Milestone公司，頻率2 450 MHz）;AR2130 電子天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）。

1.2 香茅精油的提取方法

將曬干的香茅草剪短至約2 cm長后混勻，稱取100 g干草放入微波萃取系統玻璃容器中，加入不同量常溫蒸餾水進行微波萃取，萃取結束待精油冷卻至常溫后分液計量。將提取到的香茅精油用無水硫酸鈉干燥24 h后過濾，置于4 ℃環境中避光冷藏。按以下公式計算精油得率：

精油得率=精油體積量（mL）/香茅草質量（g）×100%。

1.3 單因素試驗

1.3.1 提取時間。按照“1.2”的方法，在加入800 g水（液固比為8∶1）、微波功率450 W的條件下，提取時間分別設置為60、75、90、105、120、135、150 min，提取香茅精油。

1.3.2 微波功率。按照“1.2”的方法，在加入800 g水[液固比為8∶1（mL∶g）]、提取時間為120 min條件下，微波功率分別設置為300、375、450、525、600、675、750 W，提取香茅精油。

1.3.3 液固比。按照“1.2”的方法，在香茅草分別加入8、9、10、11、12、13、14倍重量的水（液固比），在微波功率450 W、提取時間120 min的條件下進行香茅精油提取。

1.4 響應面試驗

在單因素試驗結果的基礎上，以對香茅精油得率有明顯影響的提取時間、微波功率和液固比這3個因素為自變量，以精油得率（Y）為響應值，采用Box-Behnken中心組合設計，使用Design-Expert 11.1.2軟件設計3因素3水平的響應面試驗，具體因素與水平設計見表1。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 提取時間。香茅精油在不同提取時間的得率如圖1所示。 從圖1可看出，當提取時間少于105 min時，精油得率隨提取時間的增加而大幅提升;當提取時間超過120 min后，精油得率隨著提取時間的增加呈緩慢下降趨勢，其主要原因是精油在提取后期不再餾出，而不斷蒸餾出的冷凝水在循環過程中會將少量的精油帶回至提取容器中后繼續被加熱分解，造成精油的損失。因此，后續響應面試驗中提取時間選用90、120、150 min 3個水平進行分析。

2.1.2 微波功率。不同微波功率提取的香茅精油得率如圖2所示。從圖2可以看出，當提取功率低于450 W時，精油得率隨微波功率的增加而大幅提升;當微波功率超出525 W后，精油得率隨著時間的增加呈下降趨勢，當微波功率達到600 W后精油得率趨于穩定后不再降低。微波的主要作用就是微波擾動，使提取體系中的物質傳遞得到加強，當微波功率相對較低時，微波能不足以使香茅草細胞壁充分破裂，其中的脂溶性成分未能得到充分有效釋放。當微波功率逐漸升高后，體系內會產生較高的壓力使細胞壁破裂程度加強，進而使得細胞內的油脂得到充分釋放，因此精油得率快速上升。當微波功率超過525 W 后，體系內的大部分揮發性精油已經被提取出來，過高的功率反而會使提取體系內活性成分遭到破壞。因此，后續響應面優化試驗中微波功率選用300、450、600 W 3個水平進行分析。

2.1.3 液固比。不同液固比提取的香茅精油得率如圖3所示。從圖3可以看出，在保證物料被水充分浸潤的前提條件下，當液固比逐漸增加時，香茅精油得率隨所用水量的增加呈上升趨勢，當液固比為12∶1時達到最高值，此后呈現降低趨勢。究其原因，是因為香茅精油隨提取所用水量的增加更充分地被水蒸氣帶餾出來，但其在水中有一定的溶解性，較多的水會導致精油更多地溶解其中，從而導致精油得率降低。因此，后續響應面試驗中液固比選用10∶1、12∶1、14∶1 3個水平進行分析。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗結果。對試驗數據進行二次多項式回歸擬合分析，以香茅精油得率為響應值，得到自變量與因變量的二次多項式回歸模型如下： Y=1.39+0.087 5A+0.056 3B+0.008 8C-0.01AB+0.03AC+0.017 5BC-0.173 8A 2-0.191 3B 2-0.056 2C 2。

式中，Y為香茅精油得率（%）;A為提取時間（min）;B為微波功率（W）;C為液固比。該二次多項式回歸模型的因變量與自變量間的相關性達到極顯著水平（P=0.000 2<0.01），失擬項不顯著（P=0.062 4>0.05），說明所得到的自變量與因變量的二次多項式回歸模型可靠，并可用于香茅精油提取工藝的優化分析。響應面試驗設計與結果見表2。

方差分析表明，該模型的F值為23.37，P為0.000 2（P<0.01），說明該模型顯著性極高;R 2為0.967 8，說明該模型因變量變化有96.78%來自所對應的自變量，模型中Adeq Precision為15.247，大于4，說明模型的回歸方程可信度高，誤差小。根據各因子F值A（31.13）、B（12.86）、C（0.311 3）、AB（0.203 3）、AC（1.83）、BC（0.622 5）、A 2（64.59）、B 2（78.26）、C 2（6.77）的大小，可知各因子對香茅精油得率的影響從大到小依次為B 2、A 2、A、B、C 2、AC、BC、C、AB，所選各因素對香茅精油得率的影響從大到小依次為提取時間、微波功率、液固比。因素A、B、A 2、B 2對香茅精油得率的影響極顯著（P<0.01），因素C 2對其影響達到顯著水平（0.01

對模型進行優化后得到最佳工藝條件如下：提取時間127.861 min，微波功率472.189 W，液固比12.341∶1，在此條件下香茅精油得率的模型預測值為1.406%。

2.2.2 最佳工藝條件驗證。為了驗證最佳工藝條件，同時考慮工藝實際操作的可行性，將最佳工藝條件設置為提取時間128 min，微波功率472 W，液固比為12.5∶1，在此條件下驗證所得到的香茅精油平均得率為1.40%，為預測值的99.57%，說明經過優化后的二次多項式回歸方程對香茅精油得率的預測是可靠的，該試驗條件可用于微波輔助香茅精油的提取優化。

2.2.3 各因素交互作用分析。響應曲面圖可直觀地反映各試驗因素對香茅精油得率的影響，響應曲面越陡峭說明該圖中的2因素交叉影響越大，響應曲面越平緩說明該圖中的2因素交叉影響越小。圖4中提取時間和微波功率的等高線接近圓形，說明這2個因素的交叉影響較小;從圖5和圖6可以看出，提取時間和液固比、微波功率和液固比的等高線呈現明顯的橢圓形，表明這2個因素的交叉影響較大。這與上述方差分析結果相一致。

3 結論

通過微波輔助提取香茅精油，在單因素試驗和響應面法的基礎上，根據回歸模型方差分析和最佳條件驗證，再考慮到實際可行的操作條件，確定了微波輔助提取香茅精油的最優工藝條件為提取時間128 min，微波功率472 W，液固比為12.5∶1，在此條件下驗證所得到的香茅精油得率為1.40%，為預測值的99.57%。微波輔助提取香茅精油技術提取設備簡單、效率高、節能無污染、生產可控性好。通過對此提取方法的研究，為目前香茅精油提取方法的改進和工業經濟效益的提升提供一定的理論依據和技術支持。

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