響應面法優(yōu)化超臨界CO2萃取懷山藥油提取工藝

段麗萍 ，孫煒煒，陳浩，程相樂，謝超，陳勝*

1. 武漢黃鶴樓香精香料有限公司（武漢 430040）；2. 武漢黃鶴樓新材料科技開發(fā)有限公司（武漢 430040）

山藥（Rhizoma dioscoreae）又名薯蕷、土薯、山薯，為薯蕷科，含皂苷、黏液質(zhì)、多糖、黃酮等活性成分，具有鎮(zhèn)咳、祛痰、抗氧化、抑菌、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤等作用[1-6]。植物油脂提取方法主要有機械壓榨法、溶劑浸出法、超臨界流體萃取法等，壓榨法油脂得率低，有機溶劑萃取存在溶劑回收困難和產(chǎn)品中溶劑殘留等問題[7-10]。超臨界萃取技術（SFE）作為一種高效穩(wěn)定、綠色環(huán)保的新型提取分離技術，具有提取率高、無溶劑殘留、操作條件溫和、可對不飽和脂肪酸等成分實現(xiàn)選擇性分離等優(yōu)點[11-12]。

試驗以懷山藥為研究對象，采用超臨界CO2萃取技術對其油脂進行提取，以懷山藥油脂提取率為評價指標，根據(jù)單因素試驗結(jié)果選擇影響顯著的3個因素，并進行響應面分析，從而獲得最佳萃取工藝，為懷山藥的進一步開發(fā)研究提供技術依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

懷山藥（產(chǎn)自焦作市溫縣，焦作市健國懷藥有限公司）；CO2（純度99.92%，食品級）。

1.2 儀器與設備

HA1212-50超臨界CO2萃取儀（江蘇南通華安超臨界萃取有限公司）；AUY120電子分析天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）；WG-71電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；UV-2800型紫外可見分光光度計（天津普瑞斯儀器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 山藥粉末制備

懷山藥在干燥箱內(nèi)，80～90 ℃下進行24 h的干燥處理，用刀切成段后，進行粉碎，得到粒度分布均勻的粉末（粒徑0.15 mm），備用。

1.3.2 工藝流程

原料→干燥處理→山藥粉末→稱量→裝料→密封→升溫升到預定值→超臨界萃取→分離釜中得到懷山藥油

1.3.3 萃取率計算

根據(jù)HA1212-50超臨界CO2萃取儀說明進行操作，待萃取釜、分離Ⅰ、分離Ⅱ的溫度達到設定后開始加壓，萃取釜壓力達到所需壓力后，打開萃取釜、分離Ⅰ分離Ⅱ之間的閥門，逐級加壓，待壓力達到要求后，打開回路閥門，萃取一定時間后，分別從分離Ⅰ、分離Ⅱ出料口，收取萃取物，并測定樣品油脂提取率（E）。

1.3.4 單因素試驗

選擇萃取壓力、萃取時間、萃取溫度、CO2流量4個因素作為單因素考察對懷山藥萃取率的影響。

1.3.5 響應面試驗

在單因素試驗基礎上，選擇影響較大的萃取溫度、萃取時間、萃取壓力為研究對象，根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理，以懷山藥揮發(fā)油萃取率為響應值，進行響應面試驗，并驗證最佳工藝條件，因素水平見表1。

表1 響應面因素分析水平表

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

所有樣品均平行3次，取平均值。運用Origin 8.0和Design-Expert 8.0.6軟件處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 萃取壓力

由圖1可知，萃取壓力對懷山藥油脂萃取有顯著影響，隨著壓力的增加，CO2流體的密度變大，從而對溶質(zhì)的溶解能力變大，有利于提高萃取率。壓力達到30～35 MPa時，懷山藥油脂萃取率趨于穩(wěn)定。繼續(xù)增加壓力，雜質(zhì)也一同大量萃取出來，反而會降低有效成分的萃取率。故選擇35 MPa作為最佳萃取壓力較為合適。

圖1 萃取壓力對油脂萃取率的影響

2.1.2 萃取時間

由圖2可知，隨著萃取時間的延長，CO2與溶質(zhì)傳質(zhì)達到良好狀態(tài)，萃取量增大，直至達到最大值。此后，隨著時間的延長，在萃取的單位時間內(nèi)，萃取量逐漸減少，最后幾乎萃取量為零，應該是由于萃取物中待分離成分含量減少而使萃取量逐漸下降。時間超過100 min，懷山藥出油率增幅變緩，說明萃取率已達到極限。萃取懷山藥油脂的最適萃取時間為100 min。

2.1.3 萃取溫度

從圖3可以看出，溫度為35～50 ℃時，懷山藥油脂的得率一直呈增加狀態(tài)；溫度超過50 ℃后，萃取率隨溫度升高反而降低。可能是由于溫度大于50 ℃時，CO2密度隨著溫度升高而降低，溶解能力降低；同時，高溫條件造成懷山藥油脂的揮發(fā)性增大，兩者共同作用的結(jié)果是溫度升高而懷山藥油脂萃取率降低，確定50 ℃為最佳萃取溫度。

圖2 萃取時間對油脂萃取率的影響

圖3 萃取溫度對油脂萃取率的影響

2.1.4 CO2流量

從圖4可以看出，隨著CO2流量的增加，其萃取率的增幅逐漸減小，CO2流量超過25 kg/h后，懷山藥油脂萃取率達到平衡。可能是CO2流量增加，超臨界流體通過料層速度加快，與料液的接觸攪拌作用增強，傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)面積都相應增大，使之能較快地達到平衡溶解度，提高萃取能力。最終選用25 kg/h為宜。

圖4 CO2流量對油脂萃取率的影響

2.2 響應面試驗

2.2.1 響應面試驗設計及結(jié)果

在單因素試驗基礎上，確定CO2流量25 kg/h，以萃取溫度（A）、萃取壓力（B）和萃取時間（C）為顯著影響因素，懷山藥油脂萃取率為響應值，根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行三因素三水平的響應面分析試驗，試驗設計方案與結(jié)果如表2所示。

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表2中試驗結(jié)果進行多項擬合回歸，得到懷山藥油脂萃取率對萃取壓力（A）、萃取時間（B）和萃取溫度（C）的二次多項回歸模型方程：Y=19.88+0.11A-0.091B+0.10C-0.003 75AB+0.045AC+0.10BC-0.39A2-0.73B2-0.63C2。

表2 響應面設計方案和試驗結(jié)果

2.2.2 試驗模型方差分析

響應面回歸模型的方差分析見表3。模型的F=3 822.04，p＜0.000 1＜0.01，差異極顯著；失擬項的p值為0.777 8，不顯著，說明數(shù)據(jù)沒有異常點；決定系數(shù)R2=0.999 8，調(diào)整確定系數(shù)R2adj=0.999 5，響應值的變化有99.95%來源于所選因素，即來源于萃取壓力（A）、萃取時間（B）、萃取溫度（C），說明模型擬合度好，回歸方程能很好地描述各因素與響應值之間的關系。該模型CV值為0.89%，表明試驗操作的可信度高，具有實際指導意義。回歸模型中一次項A、B和C的p值均小于0.01，達到極顯著；二次項A2、B2和C2的p值亦小于0.000 1，具有極顯著影響；交互項AC、BC極顯著，但AB不顯著，說明試驗因素對響應值不是簡單的線性關系，而是一種非線性關系。考察p值與F值大小，可得各因素影響的主次順序：萃取壓力（A）＞萃取溫度（C）＞萃取時間（B）。

2.2.3 響應面分析

響應曲面坡度可反映響應值對于操作條件改變的敏感程度，曲面越陡峭，表明響應值對于操作條件的改變越敏感；反之則越小。由圖5可知，萃取壓力一定時，隨著萃取溫度升高，響應值先升高后下降；萃取溫度不變時，萃取率隨著萃取壓力的增加先增加后減小。可能是由于低壓條件下，氣體的可壓縮性較大，CO2隨密度的升高而急速下降，升高溫度增大溶質(zhì)的揮發(fā)性，但不足以抵消CO2密度下降的結(jié)果。而在高壓時，氣體的可壓縮性較小，溫度升高時CO2的密度變化不明顯，而山藥油脂的揮發(fā)性卻顯著增大，說明萃取壓力和萃取溫度交互作用較顯著。圖5應曲面較陡峭，說明萃取時間和萃取溫度交互作用顯著。當萃取時間固定時，隨著萃取溫度增加，萃取率先增加后降低。而萃取溫度一定時，萃取率隨著萃取時間延長而先增加后減少。試驗結(jié)果與方差分析結(jié)果保持一致，各因素對懷山藥油脂萃取率的影響為：萃取壓力＞萃取溫度＞萃取時間。

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗和方差分析

圖5 各因素交互作用對懷山藥油脂萃取率影響的響應面及等高線

2.2.4 回歸模型驗證

通過回歸模型，預測得到超臨界CO2萃取懷山藥油脂的最佳條件：萃取壓力35.73 MPa、萃取時間98.88 min、萃取溫度50.41 ℃，此條件下懷山藥油脂萃取率可達19.894%。考慮實際操作的局限性，調(diào)整為：萃取壓力35.7 MPa、萃取時間99 min、萃取溫度50.4 ℃。設置5組平行試驗進行試驗驗證，結(jié)果表明，懷山藥油脂萃取率為19.886%±1.26%，與理論值相對誤差較小，說明回歸模型得到的優(yōu)化參數(shù)真實可信，可作為懷山藥油脂的萃取工藝。

3 結(jié)論

采用超臨界CO2萃取技術，以懷山藥粉末為研究對象，考察了萃取壓力、萃取時間、萃取溫度及CO2流量對懷山藥油脂萃取率的影響，并通過響應面法優(yōu)化提取工藝，結(jié)果表明，其最佳工藝為：萃取壓力35.7 MPa、萃取時間99 min、萃取溫度50.4 ℃。此條件下，懷山藥油脂萃取率為19.886%±1.26%，工藝操作簡單、耗時短、科學性強，具有較強的實際應用價值，各因素對懷山藥油脂萃取率的影響為：萃取壓力＞萃取溫度＞萃取時間。試驗結(jié)果可為懷山藥油脂的提取工藝提供參考，并可為懷山藥油脂的進一步研究和應用提供基礎數(shù)據(jù)支撐。