響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取北五味子藤莖油工藝

李 斌，孟憲軍*，李元甦，汪艷群，傅俊范，薛 雪，王 棟

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧省農(nóng)產(chǎn)品深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取北五味子藤莖油工藝

李 斌，孟憲軍*，李元甦，汪艷群，傅俊范，薛 雪，王 棟

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧省農(nóng)產(chǎn)品深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

利用超臨界CO2萃取技術(shù)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用中心組合響應(yīng)面法，建立北五味子藤莖揮發(fā)油超臨界CO2萃取的回歸模型。研究結(jié)果表明，萃取壓力、萃取溫度、CO2流速對(duì)萃取率的影響顯著，萃取壓力和CO2流速以及萃取溫度和CO2流速的交互效應(yīng)影響顯著，解析矩陣可知，在萃取壓力36.32MPa，萃取溫度42.27℃、CO2流速17.01L/h，預(yù)測(cè)最大萃取率為0.432%，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證實(shí)該方程有很好的擬合度。該方法具有萃取率高、污染小、節(jié)約能源的特點(diǎn)。

北五味子；藤莖；油；超臨界CO2萃?。豁憫?yīng)面法

北五味子藤莖為木蘭科植物五味子(Schisandra chinensis(Turcz.)Baill)的干燥藤莖，習(xí)稱(chēng)“山花椒藤”，民間用其作為調(diào)味品?！吨腥A人民共和國(guó)藥典》中規(guī)定其果實(shí)、種子、藤莖均可入藥[1]。目前關(guān)于北五味子的研究主要集中在果實(shí)和種子中木脂素[2]、揮發(fā)油、多糖[3]等成分的研究上，而關(guān)于藤莖研究較少。北五味子豐富的藤莖資源還未引起人們足夠的重視，資源優(yōu)勢(shì)并未轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。北五味子藤莖中油脂含量達(dá)0.38%～0.45%，是一種優(yōu)質(zhì)的功能油脂，具有較好的開(kāi)發(fā)利用前景。

超臨界流體萃取是近30年來(lái)發(fā)展較快的新一代化工分離技術(shù)。處于臨界點(diǎn)附近的超臨界流體對(duì)溶質(zhì)具有極高的溶解能力，而且溫度或壓力的微小變化就可極大的改變超臨界流體對(duì)溶質(zhì)的溶解度，從而達(dá)到選擇性地萃取、分離化合物的目的。因此，通過(guò)變化溫度或壓力，超臨界流體充當(dāng)著多種溶劑的角色[4]。因二氧化碳臨界溫度和臨界壓力低(31.06℃，7.39MPa)，對(duì)中、低分子質(zhì)量和非極性的天然產(chǎn)物有較強(qiáng)的親和力，而且具有環(huán)境友好的特點(diǎn)[5]，超臨界二氧化碳技術(shù)已被廣泛用于功能性油脂如核桃油[6]、芹菜籽油[7]、南瓜籽油[8]、橙皮油[9]、沙棘油[10]、杏仁油[11]、大蒜油[12]等油脂的提取過(guò)程中。超臨界二氧化碳萃取北五味子藤莖油具有操作溫度低、選擇性好、分離一步完成、萃取無(wú)殘留等特點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)擬以超臨界CO2流體萃取為手段，選擇Central Composite設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面(RSM)分析方法，研究萃取壓力、萃取溫度、CO2流速等因素對(duì)藤莖油萃取率的影響以及它們之間的交互作用，從而確定超臨界CO2萃取北五味子藤莖油的適宜工藝，以期為北五味子藤莖資源的深加工利用提供基礎(chǔ)研究。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

北五味子藤莖由撫順青松藥業(yè)有限公司提供，經(jīng)真空干燥箱50℃條件下干燥至平均含水量6%，粉碎過(guò)篩備用。

食用級(jí)CO2(純度99.9%) 沈陽(yáng)氣體制造廠(chǎng)。HA121-50-2型超臨界萃取裝置 華安超臨界萃取有限公司；DXF-6009型真空干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

北五味子藤莖→除雜→干燥→粉碎→過(guò)篩→裝料→超臨界萃取→減壓分離→粗提物→離心分離、精濾→萃取油脂

1.2.2 藤莖油萃取率的計(jì)算

1.3 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用Design Expert軟件(Vision 7.0.0.1, stat-Ease.Inc., Minneapolis, MN.USA)設(shè)計(jì)[13-15]，以中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化最佳提取方法，選取3個(gè)主要的因素萃取壓力、萃取溫度、CO2流速作為自變量，以萃取率作為響應(yīng)函數(shù)，采用響應(yīng)曲面分析法，通過(guò)回歸得出自變量與響應(yīng)函數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)模型，確定提取北五味子藤莖揮發(fā)油最佳工藝參數(shù)。

本試驗(yàn)按照方程xi=(Xi－X0)/ΔX對(duì)自變量進(jìn)行編碼，其中xi為自變量的編碼值，Xi為自變量的真實(shí)值，ΔX為自變量的變化，本試驗(yàn)因素編碼及水平見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因素水平及編碼表Table1 Factors and levels in the orthogonal array design

北五味子藤莖揮發(fā)油的萃取率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)(響應(yīng)值)的預(yù)測(cè)模型由最小二乘法擬合的二次多項(xiàng)式方程為：

式中：Y為預(yù)測(cè)響應(yīng)值；β0為常數(shù)值；βi為線(xiàn)性系數(shù)；βii為二次項(xiàng)系數(shù)；βij為交互項(xiàng)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型的建立與顯著性分析

表2 萃取率試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值Table2 Comparison between experimental and model predicted value of oil extraction yield

根據(jù)RSM設(shè)計(jì)，選取20個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，以萃取壓力、萃取溫度、CO2流速3個(gè)因素作為自變量，以萃取率作為RSM響應(yīng)值。表2為萃取率試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值。結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)回歸擬和，獲得了預(yù)測(cè)相應(yīng)值(Y)與萃取壓力、萃取溫度、CO2流速的二次回歸方程：

Y= 0.42＋0.026x1＋0.023x2＋0.034x3－0.00125x1x2－0.019x1x3－0.016x2x3－0.041x12－0.041x22－0.049x32

表3 回歸模型方差分析Table3 Variance analysis for the developed quadratic polynomial model

對(duì)模型方程進(jìn)行方差分析表明，該方程顯著，結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)校正決定系數(shù)(R2Adj)和相關(guān)系數(shù)(R)來(lái)驗(yàn)證。此處R2Adj=0.9564，表明大約有95%的萃取率變異分布在所研究的3個(gè)相關(guān)因素中，其總變異度僅有5%不能由該模型來(lái)解釋?zhuān)幌嚓P(guān)系數(shù)R為0.9884，表明提取率的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值間有很好的擬合度；失擬項(xiàng)P=0.1566＞0.05，表明方程的擬合不足檢驗(yàn)不顯著，二次響應(yīng)曲面回歸方程能夠很好的擬合本實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果，自變量與響應(yīng)值之間線(xiàn)性關(guān)系顯著，該模型可以用于萃取率試驗(yàn)的理論預(yù)測(cè)。

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table4 Significance test for regression coefficients of the developed quadratic polynomial model

由表4可知，因素x1、x2、x3都對(duì)提取效果的線(xiàn)性效應(yīng)顯著；因素x12、x22、x32對(duì)提取效果的曲面效應(yīng)顯著；x1x3、x2x3對(duì)提取效果的交互影響顯著，x1x2對(duì)提取效果的交互影響不顯著。

2.2 超臨界CO2萃取北五味子藤莖揮發(fā)油的等高線(xiàn)圖和響應(yīng)面分析與優(yōu)化

圖1表明在萃取時(shí)間90min、原料粒度60目條件下，萃取溫度和萃取壓力對(duì)萃取率影響的響應(yīng)面圖和等高線(xiàn)圖。從等高線(xiàn)可以看出，萃取壓力和萃取溫度的交互作用不顯著，因?yàn)榈雀呔€(xiàn)的形狀反映交互效應(yīng)的大小，橢圓表示兩因素交互作用顯著。當(dāng)萃取壓力不變時(shí)，隨著溫度的上升，萃取率先遞增后遞減，當(dāng)處理萃取壓力在中間水平條件下，萃取率變化較大，并且在萃取溫度為中間水平時(shí)，萃取率相對(duì)較大。在萃取溫度不變時(shí)，萃取壓力同樣有上述規(guī)律。從響應(yīng)面圖可以看出，當(dāng)處理萃取壓力處于中間水平，處理萃取溫度處于中間水平，可以獲得較高的萃取率。

圖1 溫度和壓力交互影響萃取率的響應(yīng)面圖及等高線(xiàn)圖Fig.1 Response surface and contour plots depicting the interactive effects of extraction temperature and extraction pressure on oil extraction yield

圖2 壓力和CO2流速交互影響提取率的響應(yīng)面圖及等高線(xiàn)圖Fig.2 Response surface and contour plots depicting the interactive effects of extraction pressure and CO2 flow rate on oil extraction yield

圖2表明在萃取時(shí)間90min、原料粒度60目條件下，萃取壓力和CO2流速對(duì)萃取率的響應(yīng)面圖和等高線(xiàn)圖。萃取溫度對(duì)超臨界流體溶解能力的影響是比較復(fù)雜的。在不同壓力范圍內(nèi)，溫度對(duì)流體溶解度有所不同。在高壓區(qū)(大于25MPa)，超臨界CO2流體密度高，可壓縮性小，溫度升高對(duì)流體密度改變小，但可明顯提高溶質(zhì)的蒸汽壓和擴(kuò)散系數(shù)，流體溶解能力大大提高。在低壓區(qū)，溫度升高可使流體密度急劇降低，溶解能力的下降程度遠(yuǎn)大于升溫對(duì)溶質(zhì)的蒸汽壓和擴(kuò)散系數(shù)的提高幅度，從而使萃取降低。從等高線(xiàn)可以看出，其交互作用顯著。當(dāng)萃取壓力一定時(shí)，隨著CO2流速的上升，萃取率變化不大。當(dāng)CO2流速一定時(shí)，隨著壓力的上升，萃取率先遞增后遞減；當(dāng)CO2流速為低水平時(shí)，萃取率變化不大，在高水平條件下，萃取率變化較大。從響應(yīng)面圖可以看出，當(dāng)萃取壓力處于較高水平，CO2流速處于較高水平時(shí)，可以獲得較高的萃取率?？梢酝茰y(cè)最大提取率在高壓高CO2流速區(qū)。

圖3 溫度和CO2流速交互影響提取率的響應(yīng)面圖及等高線(xiàn)圖Fig.3 Response surface and contour plots depicting the interactive effects of extraction temperature and CO2flow rate on oil extraction yield

圖3 表明在萃取時(shí)間90min、原料粒度60目條件下，萃取溫度和CO2流速對(duì)萃取率的響應(yīng)面圖和等高線(xiàn)圖。從等高線(xiàn)可以看出，可以看出其交互作用顯著。當(dāng)萃取溫度一定時(shí)，隨著CO2流速的上升，萃取率變化不大；當(dāng)CO2流速一定時(shí)，隨著溫度的上升，萃取率先遞增后遞減。當(dāng)CO2流速在較高水平時(shí)，萃取率變化較大，并且在萃取溫度為中間水平時(shí)，萃取率相對(duì)較大。從響應(yīng)面圖可以看出，當(dāng)處理萃取溫度處于中間水平，CO2流速處于較高水平時(shí)，可以獲得較高的萃取率，推測(cè)最大萃取率在中溫高流速區(qū)。

2.3 模型驗(yàn)證及最佳萃取條件的確定

對(duì)前面所獲得的第一個(gè)模型方程系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，x1x2項(xiàng)不顯著，舍去該項(xiàng)優(yōu)化模型，可以得到優(yōu)化后的回歸方程為：

去掉x1x2項(xiàng)后方程中=0.9620，表明調(diào)整后的模型比調(diào)整前的模型對(duì)提取率變異的描述準(zhǔn)確程度提升；而R2=0.9770，表明調(diào)整后的模型和調(diào)整前的模型在實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值擬合度基本一致。利用優(yōu)化后的模型，通過(guò)對(duì)二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型的解逆矩陣，求出最大萃取率的工藝條件：萃取壓力36.32MPa、萃取溫度42.27℃、CO2流速17.01L/h，預(yù)測(cè)100g原料能萃取油0.432g。

為了驗(yàn)證回歸模型的有效性，根據(jù)推斷的最佳工藝參數(shù)和實(shí)際操作過(guò)程中的可行性進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在萃取壓力36MPa、萃取溫度42℃、CO2流速17L/h，分別進(jìn)料300g，萃取90min的條件下進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明實(shí)際測(cè)量值接近預(yù)測(cè)值，說(shuō)明該模型是合理有效的，具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table5 Results of validation of optimal extraction conditions

3 結(jié) 論

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立了超臨界CO2萃取北五味子藤莖揮發(fā)油的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)模型響應(yīng)面圖及等高線(xiàn)圖進(jìn)行分析，獲得影響萃取率的最佳萃取條件，并利用模型方程對(duì)萃取率進(jìn)行預(yù)測(cè)。由二次多項(xiàng)回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表明：萃取壓力、萃取溫度、CO2流速都對(duì)提取效果的線(xiàn)性效應(yīng)顯著；萃取壓力與CO2流速、萃取溫度與CO2流速對(duì)提取效果的交互影響顯著，萃取壓力與萃取溫度對(duì)提取效果的交互影響不顯著。由萃取率的二次多項(xiàng)式回歸方程可知，在萃取壓力36.32MPa，萃取溫度42.27℃、CO2流速17.01L/h，預(yù)測(cè)100g原料能萃取油0.432g。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明了實(shí)際測(cè)量值與預(yù)測(cè)值之間具有良好的擬合度，說(shuō)明該模型是合理有效的具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家藥典委員會(huì). 中華人民共和國(guó)藥典[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[2]仰榴青, 徐佐旗, 吳向陽(yáng), 等. 薄層掃描法同時(shí)測(cè)定南、北五味子提取物中四種木脂素的含量[J]. 食品科學(xué), 2006, 27(11): 401-403.

[3]仰榴青, 徐佐旗, 吳向陽(yáng), 等. 五味子醇提殘?jiān)写侄嗵堑拿庖呋钚匝芯縖J]. 食品科學(xué), 2008, 29(6): 392-394.

[4]陳芹芹, 李景明, 胡雪芳, 等. 響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2流體萃取蘋(píng)果籽油的工藝研究[J]. 食品科學(xué), 2008, 30(14): 47-51.

[5]徐響, 孫麗萍, 董捷. 響應(yīng)面法優(yōu)化蜂膠超臨界二氧化碳萃取工藝的研究[J]. 食品科學(xué), 2008, 30(8): 86-89.

[6]吳彩娥. 超臨界CO2流體萃取技術(shù)提取核桃油的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2001, 17(6): 135-137.

[7]PAPAMICHAIL I, LOULI V, MAGOULAS K. Supercritical fluid extraction of celery seed oil[J]. The Journal of Supercritical Fluids, 2000, 18(3): 213-226.

[8]李全宏, 倪元穎. 超臨界CO2流體萃取南瓜籽油的質(zhì)量研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2002, 23(4): 22-25.

[9]孫愛(ài)東, 葛毅強(qiáng), 倪元穎, 等. CO2超臨界流體萃取技術(shù)提取甜橙皮精油的研究[J]. 食品工業(yè)科技, 1999, 20(3): 7-8.

[10]銀建中, 孫獻(xiàn)文, 原華山, 等. 超臨界CO2流體萃取沙棘油實(shí)驗(yàn)研究[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù), 2001, 22(6): 9-11.

[11]許克勇, 吳彩娥, 李元瑞. 超臨界CO2萃取大蒜汁中大蒜油的相平衡研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005, 36(4): 92-94.

[12]許輝, 孫蘭萍, 張斌, 等. 超臨界CO2萃取杏仁油的響應(yīng)面優(yōu)化[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào), 2008, 23(1): 94-98.

[13]邱偉芬. 超高壓番茄汁殺菌條件的優(yōu)化研究[J]. 食品科學(xué), 2007, 28 (2): 59-63.

[14]ANNADURAI G, SHEEJA R Y. Use of Box-behken design of experiments for the adsorption of verofix-red using biopolymer[J]. Bioprocess Engineering, 1998, 18: 463-466.

[15]MURTHY M S, RAKSHIT T S, KOSUGI Y. Statistical optimization of lipase catalyzed hydrolysis of methyoleate by response surface methodology[J]. Bioprocess Engineering, 2000, 22: 35-39.

Optimization of Supercritical Fluid Carbon Dioxide Extraction of Oil from Caculis of Schisandra chinensis (Turcz.) Baill by Response Surface Methodology

LI Bin， MENG Xian-jun*，LI Yuan-su，WANG Yan-qun，F(xiàn)U Jun-fan，XUE Xue，WANG Dong
(Liaoning Provincial Key Laboratory of Further Processing of Food, College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China)

Based on the single factor experimental results, response surface methodology (RSM) was employed to optimize the process conditions for extracting essential oil form the caculis of Schisandra chinensis (Turcz.) Baill with supercritical fluid carbon dioxide (SF-CO2). A three-factor, five-level central composite design (CCD) was used to provide experimental data for establishing a regression model describing the SF-CO2extraction. Extraction pressure, extraction temperature, CO2flow rate and cross-interaction between extraction pressure or temperature and CO2 flow rate exhibited a significant effect on oil extraction yield. The optimal extraction conditions were found to be: extraction pressure, 36.32 MPa; extraction temperature, 42.27 ℃; and CO2flow rate,17.01 L/h. The extraction yield of oil was 0.432% under these optimal extraction conditions, which was in good agreement with the value predicted by the regression model. This method is characterized by low energy consumption and pollution as well as high efficiency.

Schisandra chinensis (Turcz.) Baill；caculis；oil；supercritical fluid CO2extraction；response surface methodology

TS224.4

A

1002-6630(2010)20-0132-05

2010-01-26

李斌(1979—)，男，講師，博士研究生，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物提取及功能性食品開(kāi)發(fā)。E-mail：libinsyau@163.com

*通信作者：孟憲軍(1960—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称飞罴庸ぜ熬C合利用。E-mail：mengxjsy@126.com