Box-Behnken響應曲面法優化大蒜精油萃取工藝

李 禎

(咸陽職業技術學院 醫藥化工學院，陜西 咸陽 712000)

大蒜精油主要成分為含硫化合物[1]的多種珍貴天然物質的混合物，除具有殺毒、殺菌的作用外[2]，還可提高機體免疫功能，降低血壓、血脂，阻止癌細胞擴散，對糖尿病、冠心病有一定作用[3]。目前已廣泛應用于食品、保健品、臨床、及畜牧養殖業。

目前，對大蒜精油的提取技術研究較為廣泛，主要采用溶劑浸提[4]和水蒸氣蒸餾[5]等方法，但均存在一定的局限。將超臨界流體作為溶劑萃取天然產物的研究越來越深入，其具有操作溫度和操作壓力較低的特點，較低的操作溫度能夠防止天然產物中熱敏性物質的分解，且萃取得到的產物易于分離無溶劑殘留，由于操作、分離簡單易控制，因此能夠實現連續化工業生產，特別適用于天然產物的提取[6～8]。筆者采用Box-Behnken響應曲面法對SC-CO2萃取大蒜精油進行工藝優化[9～10]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮大蒜，市場購買；二氧化碳氣體，純度99.99%，食品級。

SC-CO2萃取裝置，型號HA221-50-06；電子分析天平，型號FA1004B。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品預處理 選取新鮮大蒜，去皮，洗凈，粉碎至3 mm左右粒度后待用。

1.2.2 萃取試驗 稱取100 g大蒜(mL)置于料筒中密封，放入1L萃取釜中，CO2氣體經過加壓液化并換熱進入萃取釜內，待達到試驗設定溫度及壓力后，開始連續萃取，最后分離、收集并精確稱量所得精油質量(m2)。其收率(Y)計算公式如下：

選取對收率影響較為顯著的萃取壓力(A)、萃取溫度(B)、萃取時間(C)三個因素，設計試驗，考察其對收率的影響。在此基礎上，再利用Design Expert 11軟件設計了15組試驗，以獲得精油的最優萃取條件。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 壓力對收率的影響 設定SC-CO2萃取體系溫度45 ℃、時間80 min，考察壓力為20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa時精油的收率(圖1)。

結果表明，收率隨著壓力升高增幅較快，當壓力增加至30 MPa后收率平緩上升。這主要是由于初始試驗時壓力較小，隨著試驗的進行，壓力升高SC-CO2的密度增大，傳質速率增大，溶劑溶解度增大，因此升高壓力有利于提高溶解度。但壓力過高時對設備的耐壓要求較高，導致設備投資費用以及操作維護費用升高，并且壓力過高安全隱患較大。因此綜合考慮，選擇30 MPa作為最佳萃取壓力。

2.1.2 溫度對收率的影響 設定SC-CO2萃取體系壓力30 MPa、時間80 min，考察溫度為35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃時精油的收率(圖2)。

圖2溫度對收率的影響

結果表明，收率隨著溫度的升高呈現先上升再降低的趨勢，當溫度為45 ℃時，收率最高。這主要是由于高溫會使SC-CO2的黏度降低，從而使其傳質能力增強，因此溶質溶解度增加；當溫度繼續升高SC-CO2密度降低，溶劑化能力降低，溶質溶解度下降。因此綜合考慮，選擇45 ℃為最佳萃取溫度。

2.1.3 時間對收率的影響 設定SC-CO2萃取體系壓力30 MPa、萃取溫度45 ℃，考察時間為20 min、40 min、60 min、80 min、100 min時精油的收率(圖3)。

圖3時間對收率的影響

結果表明，收率隨著時間增加逐漸上升，80 min后趨于平緩。這是主要是由于初始試驗時，溶質在SC-CO2中還未能充分溶解，導致收率較低；隨著時間延長，溶質逐漸達到充分溶解，因此80 min后收率趨于穩定，而時間繼續延長對收率增加作用不大，因此，選擇80 min為最佳萃取時間。

2.2 Box-Behnken響應曲面法優化試驗

2.2.1 Box-Behnken響應曲面法試驗結果 以上述試驗結果作為依據，將壓力、溫度和時間作為萃取工藝優化的三個主要因素，收率作為萃取工藝優化的指標，采用Box-Behnken響應曲面法對萃取工藝條件進行優化(表1、表2、表3)。

表1 Box-Behnken試驗因素及水平

表2 Box-Behnken試驗設計及萃取試驗數據

2.2.2 建立模型 利用Design Expert 11軟件對表2中試驗結果進行方差分析和多元回歸方程擬合，各因素方差分析結果見表3，所得回歸方程如下。

Y=0.7267+0.0388A+0.0075B+0.0238C-0.005AB-0.0025AC+0.005BC-0.0171A2-0.0796B2-0.0221C2

表3 Box-Behnken試驗各因素方差分析

注：***極顯著(p<0.000 1)；**較顯著(p<0.01)；*顯著(p<0.05)。

2.2.3 三因素交互作用的Box-Behnken響應曲面法分析結果 利用Design Expert 11軟件擬合得到響應曲面圖及等高線圖(圖4)，分析三因素間交互作用對收率的影響效應。

由圖4可知，2 b等高線接近圓形，說明AC交互作用較弱，1 b、3 b為橢圓形，說明AB、BC交互作用較強。

2.2.4 驗證最優工藝條件 利用Design Expert 11軟件進一步分析，最優的萃取工藝條件為：A=35.00 MPa，B=45.16 ℃，C=89.71 min，收率預測值為0.754%。鑒于試驗操作的可行性，對A、B、C進行圓整：A=35 MPa，B=45 ℃，C=90 min。在此條件下進行三次驗證試驗，得到平均收率為0.74%，與Box-Behnken響應曲面法預測值基本吻合，說明利用Box-Behnken響應曲面法優化所得工藝條件可靠。

3 結論

采用SC-CO2作為溶劑萃取大蒜精油，選取對收率影響較為顯著的壓力、溫度、時間作為三因素，利用Box-Behnken響應曲面法分析了三個因素對收率的交互影響作用，利用軟件分析獲取最優的萃取工藝條件為壓力35 MPa，溫度45 ℃，時間90 min，平均收率為0.74%，與Box-Behnken響應曲面法預測值基本吻合，證明此法結果可靠，具備實際參考價值，可為實現工業化大規模生產提供參考依據。