響應(yīng)面法優(yōu)化亞臨界萃取金絲小棗工藝

何峰，劉偉，袁琳，馮文寧，王劉勝，趙暉*

1. 河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心（石家莊 050051）；2. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心（廣州 510385）

金絲小棗其名源于其成熟后掰開時(shí)清晰可見的果肉之間縷縷相連晶瑩剔透的糖絲。金絲小棗又名西河紅棗，是一種具有獨(dú)特風(fēng)味的棗中珍品[1]，品種具有20余種，皮薄肉厚，核小汁多，香甜可口，且富含糖類、維生素、氨基酸、生物堿、黃酮和多肽等成分，可降血脂、血壓和膽固醇，保肝護(hù)肝，增強(qiáng)免疫力，具有一定的抗氧化性和免疫活性[2-8]。

亞臨界液體萃取（SLE）是一種以高飽和壓力下的液體作為溶劑，在亞臨界狀態(tài)與待分離物質(zhì)接觸，使其依次按極性大小、沸點(diǎn)高低、分子量大小把成分選擇性萃取出來的技術(shù)。作為一種綠色環(huán)保技術(shù)在天然植物提取領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛而深入研究[9-18]。國內(nèi)未見采用亞臨界萃取金絲小棗的提取工藝，試驗(yàn)旨在建立一種亞臨界萃取金絲小棗萃取物新工藝，并采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法對其進(jìn)行優(yōu)化，為開發(fā)一種新的萃取金絲小棗萃取物工藝提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

金絲小棗（河北滄州）；無水乙醇、丁烷、四氟乙烷等（均為分析純）。

1.2 儀器及設(shè)備

CBE-50+1L亞臨界萃取設(shè)備（河南省亞臨界生物技術(shù)有限公司）；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海亞榮生化儀器廠）；SHB-I11循環(huán)水式真空（鄭州長城科工有限公司）；6890N/5973N氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國Agilent公司）；100 μm聚二甲基硅氧烷SPME纖維頭（美國Supelco公司）；AB204-S電子天平（瑞士Mettler Toledo公司）。

1.3 流程與方法

1.3.1 試驗(yàn)流程

1.3.2 試驗(yàn)方法

用蒸餾水將金絲小棗沖洗干凈后放入烘箱，40 ℃烘干，除去棗核后，用粉碎機(jī)將其粉碎，過30目篩，用天平精確稱取500 g，放入亞臨界萃取器中進(jìn)行萃取，收集金絲小棗萃取物，進(jìn)行GC/MS分析，并采用色譜峰面積歸一化法，并根據(jù)lgA分別考察單因素料液比、次數(shù)、時(shí)間、壓力和溫度對萃取效果的影響。

GC/MS分析條件：

氣相色譜（GC）分析條件：HP-5彈性石英毛細(xì)管柱（50 m×0.32 mm×0.52 μm）；進(jìn)樣口溫度250℃；進(jìn)樣量1.0 μL；載氣，氦氣（純度＞99.99%）；柱流速1.0 mL/min；分流比5∶1。升溫程序：50 ℃保持1 min，以2 ℃/min升至150 ℃，以5 ℃/min升至250℃保持5 min，以10 ℃/min升至280 ℃后運(yùn)行5 min；傳輸線溫度280 ℃。質(zhì)譜（MS）分析條件：離子源，EI源；電離能量70 eV；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；質(zhì)量掃描范圍30～550 amu；標(biāo)準(zhǔn)譜庫，HP WILEY6.L和NIST98.L。

1.3.3 金絲小棗提取工藝優(yōu)化

采用Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理優(yōu)化金絲小棗提取工藝。在1.3.2的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)法選取3個(gè)因素作為主自變量，將金絲小棗萃取量作為響應(yīng)值，對其提取工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液比的影響

圖1中顯示金絲小棗的萃取量隨液料比的變化趨勢。結(jié)果表明，隨著溶劑增加，萃取量不斷提高，且在液料比3∶1 mL/g之后，隨溶劑量增加提高不顯著。但隨著溶劑增加，給后處理工序增加困難，延長溶劑回收時(shí)間，使生產(chǎn)效率降低，增加試驗(yàn)成本。因此綜合考慮，在保證萃取效果的同時(shí)，盡量減少成本，故選擇液料比3∶1 mL/g為宜。

圖1 液料比對萃取量的影響

2.1.2 萃取時(shí)間的影響

圖2中顯示金絲小棗的萃取量隨著不同萃取時(shí)間的變化趨勢。結(jié)果表明，萃取效率隨著時(shí)間延長呈上升趨勢，30 min時(shí)，萃取效果變化顯著，之后變化效果較小。因此，綜合考慮試驗(yàn)成本及萃取時(shí)間對萃取效果的影響等因素，故選擇萃取時(shí)間30 min為宜。

2.1.3 萃取次數(shù)的影響

圖3中顯示金絲小棗的萃取量隨著不同萃取次數(shù)的變化趨勢。結(jié)果表明，萃取效率隨著次數(shù)延長呈上升趨勢，在2次時(shí)萃取效果變化顯著，故選擇萃取次數(shù)2次為宜。

圖2 萃取時(shí)間對萃取量的影響

圖3 萃取次數(shù)對萃取量的影響

2.1.4 萃取溫度的影響

圖4中顯示金絲小棗的萃取量隨著不同萃取溫度的變化趨勢。結(jié)果表明，萃取效率隨著溫度延長呈上升趨勢，萃取溫度30 ℃時(shí)，萃取效果變化顯著，之后變化效果較小。因此，綜合考慮試驗(yàn)成本及萃取溫度對萃取效果的影響等因素，故選擇萃取時(shí)間30 ℃為宜。

圖4 萃取溫度對萃取量的影響

2.1.5 萃取壓強(qiáng)的影響

圖5中顯示金絲小棗的萃取量隨著不同壓強(qiáng)的變化趨勢。結(jié)果表明，萃取效果隨著時(shí)間延長呈上升趨勢，0.4 MPa時(shí)萃取效果顯著，故選擇萃取壓強(qiáng)0.4 MPa。

2.2 中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.2.1 因素及水平的選取

綜合2.1的試驗(yàn)結(jié)果，萃取溫度和壓力對金絲小棗萃取量變化不顯著，因此，響應(yīng)面試驗(yàn)中不作為評價(jià)因素進(jìn)行條件優(yōu)化。故選取料液比、萃取次數(shù)和萃取時(shí)間為考察因素，萃取量lgA響應(yīng)值，采用Design-Expert 8.0.5b統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行三因素三水平數(shù)據(jù)擬合，因素與水平見表1。

圖5 萃取壓力對萃取量的影響

表1 響應(yīng)面分析因素與水平表

2.2.2 Box-Behnken試驗(yàn)與結(jié)果

單因素試驗(yàn)確定了液料比、萃取時(shí)間和萃取次數(shù)3個(gè)因素，依據(jù)BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，利用Design-Expert 8.0.5b設(shè)計(jì)三因素三水平共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，并將Z1、Z2和Z3作如下變換：A=（Z1-3）/1，B=（Z2-30）/10，C=（Z3-2）/1，以A、B、C為自變量，以萃取率（Z）為響應(yīng)值，按表2試驗(yàn)號進(jìn)行試驗(yàn)，得到回歸分析表（表3）和響應(yīng)面分析3D曲面圖（圖6～圖9）。

響應(yīng)值與各因素進(jìn)行回歸擬合后，得到回歸方程為：Z=6.98+0.44A+0.016B+0.42C-0.54AB+0.23AC-0.22BC-0.93A2-0.33B2+0.093C2（R2=0.955 8）。其中，A，料液比；B，萃取時(shí)間；C，萃取次數(shù)。

模型的可靠性可從方差分析及相關(guān)系數(shù)進(jìn)行考察。由方差分析可知，模型的F=16.83，回歸決定系數(shù)R2=0.955 8，p=0.000 6＜0.001，表明響應(yīng)值擬合度，即所采用的二次方程模型極具顯著性，表明試驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠。失擬項(xiàng)可反映所用模型和試驗(yàn)擬合的程度即二者的差異程度，而試驗(yàn)失擬項(xiàng)p=0.274 0＞0.05，表明無失擬因素存在，因此可用該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。從表3中各個(gè)p值可以看出，對萃取結(jié)果的影響排序依次為料液比、萃取次數(shù)和時(shí)間。

表2 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果

表3 Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6 響應(yīng)面優(yōu)化工藝模型等高線疊加圖

圖7 液料比和萃取時(shí)間對萃取率的交互影響

圖8 萃取次數(shù)和萃取時(shí)間對萃取率的交互影響

圖9 液料比和萃取次數(shù)對萃取率的交互影響

2.2.3 因素間的交互影響

圖6～圖9直觀反映各因素間的交互作用對響應(yīng)值的影響，液料比和萃取次數(shù)對金絲小棗萃取效果的交互效應(yīng)最為顯著，其次是液料比和萃取時(shí)間，最后為萃取時(shí)間和萃取次數(shù)，曲線圖由陡峭逐漸向平滑過渡。

2.3 金絲小棗提取工藝條件確定及驗(yàn)證

通過Design-Expert 8.0.5b統(tǒng)計(jì)分析軟件分析可得，模型的極值點(diǎn)：A=0.098，B=0.399，C=0.975。經(jīng)轉(zhuǎn)換可得到最優(yōu)提取條件為：液料比3.1∶1（mL/g）、萃取時(shí)間34 min、萃取次數(shù)3次、最大萃取率Z=7.39%。通過對最優(yōu)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，得到萃取率為7.36%，表明響應(yīng)面法能夠較好的對亞臨界萃取金絲小棗的提取工藝進(jìn)行回歸分析和優(yōu)化，與實(shí)際情況符合度很好。

3 結(jié)論

試驗(yàn)以95%的乙醇溶液為萃取溶劑，建立一種亞臨界萃取金絲小棗的新工藝，并采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法對其進(jìn)行優(yōu)化。依據(jù)回歸分析確定的最優(yōu)提取工藝為：萃取溶劑95%乙醇溶液、萃取溫度40 ℃、萃取壓力0.4 MPa、液料比3.1∶1（mL/g）、萃取時(shí)間34 min、萃取次數(shù)3次。此時(shí)最大萃取率為7.39%。試驗(yàn)驗(yàn)證萃取率為7.36%，表明通過響應(yīng)面法建立一個(gè)較好的預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果的二次方程模型。