響應曲面優化微波輔助提取槐花精油的工藝

賀瑩

呂梁學院生命科學系（呂梁 033000）

槐花是豆科植被槐樹的花朵與蓓蕾，它的形狀是錐形的，花序生長在頂部；花萼像鐘一樣的形狀，前端有5個淺的裂紋；花冠顏色呈乳白，短爪向外彎曲，部分脈絡呈紫色[1]。槐花味道較苦，性質相對溫和，不具毒性。花蕾還能被用作食材，能做甜點、粥、炒菜和燜飯等，在藥膳方面也有不可小覷的功效[2]。

槐花精油被普遍利用于醫療藥品、食物保健、化妝品等產業，具有其獨特的組成和生物活性[3]。槐花精油是一種純天然的植物提取物，在抗菌、抑菌中具備很強的優勢，比有相同功效的化學合成物質在抗菌和抑菌方面表現得更好，這表明了精油可以作為植物殺菌劑[4]。大量的研究表明槐花精油在抑制大腸桿菌時，其功能顯著。在抑制一些病原菌時抑菌作用也較強[5]。槐花精油是具有研究價值與發展前景的中草藥，在香妝品等產業上是具有研究意義和發展前景的芳香油植物資源，具有良好的應用前景。因此探索優化槐花揮發油提取工藝擁有十分重要的意義[6]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 材料及藥品

槐花，產于河南省三門峽；無水乙醇，購于天津市凱通精細化工有限公司。

1.1.2 儀器與設備

DFT-100粉碎機（溫嶺市林大機械有限公司）；RE-5298旋轉蒸發儀（上海亞榮生化儀器廠）；GZX-9146MBE電熱鼓風干燥箱（上海博訊實業有限公司）；CPA225D電子天平：溫賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿有限公司）；XH-300B微波超聲波組合合成/萃取儀（北京祥鵠科技發展有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 槐花精油的提取[7]

將槐花放入50 ℃的干燥箱中放置5 h，用粉碎機將其破碎，用80目濾篩進行細分，精確稱量20.0 g槐花粉置于500 mL三口瓶中，以液料比10∶1（mL/g）加入無水乙醇，放入600 W的微波超聲波組合合成/萃取儀中萃取6 min。結束后，通過抽濾分離出濾液，將濾液置于60 ℃的旋轉蒸發儀中進行減壓濃縮，加入無水硫酸鈉，之后過濾，稱質量，計算提取率。

1.2.2 槐花精油提取的單因素試驗

1.2.2.1 不同液料比對槐花精油提取率的影響[8-9]

在固定提取的功率600 W、萃取時間6 min的情況下，設定不同液料比（6∶1，8∶1，10∶1，12∶1和14∶1 mL/g）對槐花精油進行提取。

1.2.2.2 不同萃取功率對槐花精油提取率的影響[10-11]在固定液料比10∶1（mL/g）、萃取時間6 min的情況下，設定不同提取功率（300，400，500，600和700 W）對槐花精油進行提取。

1.2.2.3 不同萃取時間對槐花精油提取率的影響[12]在固定提取功率600 W、液料比10∶1（mL/g）的情況下，設定不同萃取時間（2，4，6，8和10 min）對槐花精油進行提取。

1.2.3 響應曲面的試驗方法

通過單因素試驗，進行響應面試驗；通過Design-Expert 8.0軟件，分析槐花精油提取的最佳工藝方案[13]。

2.2 仙居縣古樹分布區類型和變型 全縣現有古樹中含13個屬的科為殼斗科(Fagaceae)，有1 389株，占總數的28.46%；含有6個屬的科有薔薇科(Rosaceae)、榆科(Ulmaceae)和柏科(Cupressaceae)，共有250株，占總數的5.12%；含2～5個屬的科有20科，共有3 140株，占總數的64.34%。按照世界種子植物科的分布區類型[9]和中國種子植物屬的分布區類型[10] 標準劃分，可將仙居縣古樹科和屬的分布區類型分別劃分為10、20個類型(表2)。

2 結果與分析

2.1 槐花精油提取單因素試驗結果

2.1.1 不同液料比對槐花精油提取率的影響

由圖1可知，槐花精油的提取率會伴隨著液料比的增加而提高，當液料比達到10∶1（mL/g）時，精油的提取率到達最大值；當液料比高于10∶1（mL/g）時，精油提取率逐漸降低。這是因為無水乙醇含量較低時，槐花粉末不能被充分濕潤；當無水乙醇含量適量時，分子擴張的提高有利于槐花精油的提取；而無水乙醇含量太多，溶劑對微波有較強的吸收作用，會降低到達細胞內部的輻射，使槐花精油的提取率降低。此外，從經濟角度出發，無水乙醇的用量太大，不利于節約成本。因此，選擇液料比10∶1（mL/g）較佳。

圖1 液料比對槐花精油提取率的影響

2.1.2 不同萃取功率對槐花精油提取率的影響

由圖2可知，在萃取功率增大的狀況下，精油提取率會提高。將萃取功率提高，原材料可以吸收更多的微波能，槐花與無水乙醇會快速升溫，使分子擴散速度加快，因此萃取的效率增大，精油萃取更加完全。當萃取功率為500 W時，精油提取率到達最大。繼續加大萃取功率，提取率開始下降，可能是無水乙醇的溫度升高，達到沸點，揮發逃逸，降低了提取率。另外，600 W與700 W時，精油中對熱敏感成分可能會被破壞，產品的品質被影響。因此，選擇萃取功率500 W較佳。

2.1.3 不同萃取時間對槐花精油提取率的影響

由圖3可知，萃取時間在2～4 min階段，槐花精油提取率呈現快速增長的趨勢，這是由于設定的時間增長，槐花揮發油不斷被溶解出來。4 min提取率達到最大值，為0.614%。4 min之后精油提取率開始降低，這是因為設定時間太久，精油被降解揮發，造成了槐花揮發油的提取率降低，故選擇萃取時間4 min最適。

圖2 萃取功率對槐花精油提取率影響

圖3 萃取時間對槐花提取率的影響

2.2 槐花精油提取率的響應面優化

2.2.1 槐花精油提取率的響應面試驗設計與結果

表1 響應面試驗設計與結果

2.2.2 槐花精油提取率的模型的建立及方差分析

用響應面軟件對響應值與各因素進行回歸擬合，得到槐花精油提取工藝中3個因素之間的二次回歸方程：Y=+0.608 6+0.084 1A+0.035 3B+0.036 1C+0.033 0AB+0.010 8AC+0.027 5BC-0.204 4A2-0.093 2B2-0.131 4C2。

以提取率為響應值，根據表1的結果，使用Design-Expert 8.0對槐花精油提取工藝的模型進行回歸分析，結果見表2。

表2 回歸模型方差分析

回歸方程的各個變量是否能夠明顯地影響響應值可用F值判斷來確定，回歸模型內p值可以斷定各個變量對響應值是否有明顯的影響，p值如果很小，說明相應變量的顯著影響很強；失擬項能夠用來說明模型和試驗數值擬合的情況，也就是它們之間差異的程度。從表3中可得出，回歸模型呈極顯著（p＜0.000 1）；失擬項呈現不明顯（p＞0.05），由此可看出構建的方程能夠有效地表示各變量與槐花精油提取率的關系。該模型的決定系數R2=0.994 5，表明模型能用來說明響應面中的可變性，也能用以槐花揮發油提取工藝的優化。模型內，自變量A、A2、B2和C2對槐花揮發油提取率的影響為極顯著（p＜0.000 1），交互相中AC與BC對槐花精油提取率的影響達到顯著水平（p＞0.05）。

2.2.3 槐花精油提取率的響應面及等高線分析結果

分析響應面下建立的回歸模型，考察三個因素間交互作用與響應值之間的響應曲面圖及等高線圖，結果見圖4～圖6。從等高線圖中可以得出，圓形代表不顯著，橢圓形代表顯著，AB與BC對槐花精油的提取率有著顯著影響，圖中等高線呈現橢圓，而AC的等高線圖可以看出其圖形近似圓形，所以AC不顯著，這一點從p＞0.05也可看出。響應曲面圖的形態能夠表現試驗中各個因素交互作用的水平。從回歸模型中能夠看出，一次項A項偏回歸系數極顯著，從圖4和圖5中A的響應面曲線很陡，說明液料比對槐花精油提取率有顯著影響；C項回歸系數顯著，說明萃取時間對精油提取率有顯著影響，圖4～圖6中時間的響應面曲線較陡，也可以說明這點；回歸方程中A、B、C前擬合系數的大小能夠看出相關因素對響應值的作用效果。從試驗回歸模擬方程中可以看出，A、B、C的擬合系數分別為0.084 1，0.035 3和0.036 1，即三個因素對槐花精油提取率的影響表現為：液料比＞萃取時間＞萃取功率。

圖4 液料比與萃取功率的交互作用對提取率的影響

圖5 液料比與萃取時間的的交互作用對提取率的影響

圖6 萃取功率與萃取時間的交互作用對提取率的影響

2.3 最佳工藝驗證試驗

響應面軟件優化后的最佳液料比為10.462∶1（mL/g），萃取功率為525.84 W，萃取時間為4.346 min。根據實際情況，為了便于操作，確定最終試驗條件為：液料比10∶1（mL/g），萃取功率526 W，萃取時間4.3 min。平行操作3次，求平均值，實際槐花精油提取率為0.631%。與預測值0.626%接近，表明此回歸方程和實際情況擬合很好，可以很好地表現出實際變化的規律。

3 結論

槐花精油中存在著多種具有應用價值的成分，不僅可以作為藥用還可以食用，在化妝品等產業上也有很大的利用價值，提取槐花精油是其進一步開發與利用槐花資源的理論依據。試驗以槐花磨成粉作為原料，選用微波輔助提取法提取出槐花精油，進行單因素試驗，通過響應面分析對其工藝條件進行優化。優化后得到的工藝條件為：液料比10∶1（mL/g）、萃取功率526 W、萃取時間4.3 min。此條件下精油的提取率為0.631%，回歸方程預測值為0.626%，實際值與理論預測值基本一致。