響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超臨界CO2萃取迷迭香精油工藝

畢靜，葉荷生

(1.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211168；2.江蘇恒順集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

迷迭香是一種唇形科灌木，原產(chǎn)于歐洲及北非地中海沿岸，在歐洲南部作為經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行栽種，在我國(guó)南方大部分地區(qū)也有栽種。迷迭香除了具有觀賞價(jià)值外，還廣泛應(yīng)用在食品加工和日用化工等行業(yè)中[1]。

迷迭香精油一般存在于迷迭香的葉和梗中，具有明顯的抑菌、抗氧化和消炎鎮(zhèn)痛等作用，相關(guān)的研究表明[2]，迷迭香精油通過(guò)改變細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，導(dǎo)致還原糖和蛋白質(zhì)的滲透，進(jìn)而影響細(xì)菌細(xì)胞的代謝，抑制了DNA聚合酶的活性，阻制了DNA的復(fù)制，達(dá)到殺滅細(xì)菌的目標(biāo)。

目前，迷迭香精油提取方法包括壓榨法、有機(jī)溶劑提取法、水蒸氣蒸餾法、物理方法輔助提取法吸附等[3]。超臨界CO2萃取法是一種將傳統(tǒng)的蒸餾和有機(jī)溶劑萃取結(jié)合為一體的高新技術(shù)，它利用具有超強(qiáng)溶解力的超臨界CO2，在CO2超臨界狀態(tài)下直接將迷迭香中的精油有效地分離、提取和純化萃取出，具有很高的提取率和效率，能明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗[4]，現(xiàn)已在食品行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

響應(yīng)面分析法是利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)試驗(yàn)得到一定數(shù)據(jù)，再采用多元二次回歸方程來(lái)擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，并通過(guò)對(duì)回歸方程的分析，尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，近年來(lái)該試驗(yàn)分析法已廣泛應(yīng)用在食品工業(yè)的研究中[5]。

本文以迷迭香為原料，采用超臨界CO2萃取法，以乙醇為夾帶劑，選取3個(gè)對(duì)提取率影響較大的單因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油工藝，通過(guò)Desing-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定最佳工藝參數(shù)，為高效利用迷迭香資源提供了一種方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

超臨界CO2萃取設(shè)備 廣州市浩立生物科技有限公司。

1.2 材料與試劑

乙醇和乙酸乙酯(分析純)：上海聯(lián)試化工試劑有限公司；迷迭香：市售。

1.3 方法

1.3.1 單因素超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油

稱取粉碎后的迷迭香物料50 g，裝入萃取器，通過(guò)控制面板設(shè)定系統(tǒng)的萃取條件，保持一定的萃取溫度、壓力和流量計(jì)顯示CO2的流量，CO2通過(guò)高壓泵輸入萃取器，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，并進(jìn)夾帶劑，保證一定的萃取時(shí)間，停機(jī)，開(kāi)萃取器的出口閥，開(kāi)始取樣，以迷迭香精油提取率為衡量指標(biāo)。

通用的萃取條件：以?shī)A帶劑為乙醇，夾帶劑用量為原料的20%，萃取溫度為45 ℃，壓力為12 MPa，流量計(jì)顯示CO2的流量為0.04 m3/h，萃取時(shí)間為4 h。

分別進(jìn)行了萃取時(shí)間為2，2.5，3，3.5，4 h的試驗(yàn)；萃取溫度為40，45，50，55，60 ℃的試驗(yàn)；萃取壓力為12，14，16，18，20 MPa的試驗(yàn)；流量計(jì)顯示CO2的流量為0.01，0.04，0.07，0.10，0.13 m3/h的試驗(yàn)；夾帶劑分別為水、乙醇和乙酸乙酯的試驗(yàn)；乙醇為夾帶劑，用量分別為原料的10%、15%、20%、25%、30%的試驗(yàn)。迷迭香精油提取率按提取出的精油占原料總量的百分比計(jì)。

1.3.2 超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油的響應(yīng)面試驗(yàn)[6-8]

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選取了萃取時(shí)間、萃取溫度和萃取壓力可能對(duì)提取率影響較大的因素，設(shè)計(jì)Box-Behnken試驗(yàn)，響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 夾帶劑種類的確定

分別以水、乙醇和乙酸乙酯作為夾帶劑進(jìn)行超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同夾帶劑對(duì)提取率的影響

由表2可知，乙醇和乙酸乙酯作為夾帶劑結(jié)果差不多，但考慮到安全和便利性，選用乙醇作為以后試驗(yàn)的夾帶劑。

2.2 夾帶劑用量對(duì)提取率的影響

以乙醇為夾帶劑，用量分別是10%、15%、20%、25%、30%進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 夾帶劑用量對(duì)提取率的影響

由表3可知，隨著夾帶劑用量的增加，超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油的提取率不斷增大，當(dāng)夾帶劑用量提高到20%后，繼續(xù)增大夾帶劑的用量，迷迭香精油的提取率增加不多，所以綜合考慮超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油成本，以乙醇為夾帶劑的用量為20%最佳。

2.3 萃取時(shí)間對(duì)提取率的影響

以超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油，萃取時(shí)間分別為2，2.5，3，3.5，4 h進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 萃取時(shí)間對(duì)提取率的影響

由表4可知，萃取時(shí)間對(duì)提取率的影響比較平穩(wěn)。

2.4 萃取溫度對(duì)提取率的影響

萃取溫度對(duì)提取率有較大影響，不同萃取溫度的提取率也不同，萃取溫度對(duì)提取率的影響見(jiàn)表5。

表5 萃取溫度對(duì)提取率的影響

由表5可知，萃取溫度升高，提取率增大，這是因?yàn)闇囟雀邥r(shí)萃取物的擴(kuò)散和溶解效率增加，有利于萃取，但當(dāng)萃取溫度達(dá)到50 ℃后，提取率增大已不明顯，而且溫度如果繼續(xù)提高，對(duì)迷迭香精油的效能損失也會(huì)越大。

2.5 萃取壓力對(duì)提取率的影響

萃取壓力對(duì)提取率的影響結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 萃取壓力對(duì)提取率的影響

由表6可知，增大萃取壓力，可以有效增加CO2的極性, 增加迷迭香精油中極性化合物的含量，從而提高了產(chǎn)品的提取率。當(dāng)萃取壓力達(dá)到18 MPa時(shí)提取率達(dá)到最大值。

2.6 CO2的流速對(duì)提取率的影響

CO2的流速對(duì)提取率的影響結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 CO2的流速對(duì)提取率的影響

理論上，CO2的流速越大，CO2的使用量也越多，其溶解能力越強(qiáng)，提取率也應(yīng)越高。但由表7可知，迷迭香精油的提取率隨著CO2流速的增大呈先升高后平穩(wěn)的趨勢(shì)，即當(dāng)CO2的使用量增大到一定量后，迷迭香精油的溶解度逐漸下降，因此選擇CO2流速為0.04 m3/h。

2.7 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用Design-Expert軟件得到響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果，見(jiàn)表8。

表8 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析擬合，得到二次回歸方程。根據(jù)編碼因子得出的最終方程式為：

提取率(Y)=1.94+0.028A+0.026B+0.046C-0.040AB+0.005000AC-0.028BC-0.084A2-0.11B2-0.067C2。

根據(jù)實(shí)際因素得出的最終方程式為：

提取率(Y)=-4.04775+0.71300A+0.13237B+0.17569C-0.004AB+0.00125AC-0.0006875BC-0.08425A2-0.0010675B2-0.00417188C2。

對(duì)得到的提取率響應(yīng)面二次模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 方差分析表

續(xù) 表

模型的F值為94.78，且P<0.0001，說(shuō)明該模型具有極顯著性。只有0.01%的可能性，因?yàn)樵胍舳a(chǎn)生如此大的“F型值”。P<0.0500表示模型項(xiàng)差異顯著，在這種情況下，A、B、C、AB、BC、A2、B2、C2是重要的模型項(xiàng)。P>0.1000表示模型項(xiàng)不顯著，失擬項(xiàng)的P=0.2984>0.05，說(shuō)明失擬項(xiàng)不顯著。根據(jù)各因素F值大小可以得出，3個(gè)因素對(duì)提取率的影響是C萃取壓力>A萃取時(shí)間>B萃取溫度。

2.8 響應(yīng)面分析

為了考察萃取時(shí)間、萃取溫度和萃取壓力及其交互作用對(duì)提取率的影響，固定其他因素條件不變，獲得任意兩個(gè)因素及交互作用對(duì)提取率影響的響應(yīng)面圖，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 各因素交互作用對(duì)提取率的影響

由圖1可知，交互作用與提取率為正相關(guān)關(guān)系，兩因素交互作用的重要性由AB、BC、AC依次遞減。

對(duì)方程式的求解，預(yù)測(cè)提取的最佳工藝條件為：萃取時(shí)間3.16 h、萃取溫度50.49 ℃、萃取壓力17.37 MPa，迷迭香精油提取率可達(dá)1.94786%。考慮實(shí)際操作的要求，修正最佳工藝條件為：萃取時(shí)間3 h、萃取溫度50.5 ℃、萃取壓力17.5 MPa，實(shí)際迷迭香精油提取率為1.94%，與預(yù)測(cè)結(jié)果相差不大，由此可見(jiàn)，應(yīng)用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超臨界CO2萃取迷迭香精油的工藝確實(shí)可行，具有實(shí)際的效果。

3 結(jié)論

根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超臨界CO2萃取迷迭香精油工藝試驗(yàn)結(jié)果，采用超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油的工藝條件為：以乙醇為夾帶劑，用量為原料的20%，在萃取時(shí)間3 h、萃取溫度50.5 ℃、萃取壓力17.5 MPa、CO2流速0.04 m3/h的條件下，迷迭香精油的平均提取率達(dá)1.94%。