超臨界二氧化碳萃取沉香精油的工藝優(yōu)化

李 響，王衛(wèi)飛，周 瑢，楊 博，王永華

（1.華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州 510640；2.華南理工大學生物科學與工程學院，廣東廣州 510006）

沉香在眾多的香料中具有很高的地位，被譽為“沉檀龍麝”四大名香之首[1]。沉香精油是沉香木中的有效成分，具有行氣止痛、溫中止嘔、納氣平喘等功效，經提取后已經廣泛應用于醫(yī)藥、化妝品、食品等領域[2-3]。

國產沉香為瑞香科沉香屬植物白木香，主要生長在海南、廣東、福建、云南等地，不同產地的沉香由于其生長氣候、微生物群落不同所結出的沉香精油在品質和數量上也有很大差異。自然界中天然形成沉香很少，有效成分含量也很低[4]，同時由于其巨大的使用價值，國內外學者對提高沉香有效成分產量及其提取效率進行了大量研究[5-7]。目前用于植物精油提取的方法主要有水蒸氣蒸餾法和超臨界流體萃取法。其中，水蒸氣蒸餾法在提取過程中易造成熱不穩(wěn)定導致易氧化成分的破壞與揮發(fā)損失[8]，而超臨界CO2流體萃取技術在接近室溫的環(huán)境下進行萃取，不會破壞生物活性成分，而且具有操作簡便，無污染，能耗低，分離能力強等特點。目前該技術提取的天然產物有效成分已廣泛應用于在醫(yī)藥、食品、化妝品等領域。

目前對于沉香精油的研究多集中在提取物的組成分析上，對于沉香精油提取工藝的研究并不多。本研究采用超臨界CO2萃取技術從廣東特有的沉香木中萃取沉香精油，考察了預處理工藝、夾帶劑、及超臨界操作參數對沉香精油提取效果的影響，并通過響應面優(yōu)化得到了最佳工藝參數，建立了適宜的萃取工藝路線，為沉香精油的工業(yè)化生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

沉香木 廣東珠海御峰沉香產業(yè)有限公司；乙酸乙酯 廣州化學試劑廠。

超臨界CO2萃取裝置 江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；R-3旋轉蒸發(fā)儀 瑞士步琪有限公司（BUCHI Labortechnik AG）；CCA-1110循環(huán)制冷機日本東京理化器械株式會；800型木粉機 河南豫新森達重工機器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 沉香木預處理 將沉香木粉碎，過40目篩，置于室溫下的蒸餾水中分別浸泡24、48、72、96、120h。然后，過濾回收沉香粉末晾干后進行超臨界萃取。

1.2.2 沉香精油萃取步驟 精確稱取100g晾干后的沉香粉加入對應比例的（1∶0、1∶0.6、1∶0.9、1∶1、1∶1.2、1∶1.5）夾帶劑—乙酸乙酯后裝填于萃取釜中，裝填完畢后，打開儀器，待系統(tǒng)各部分達到設定條件后，控制CO2流量平均為20L/h，分離1和分離2溫度均為55℃，然后按設定的萃取溫度、壓力等參數開始萃取。每隔0.5h收集萃取樣品，待完全收集后用旋轉蒸發(fā)儀濃縮后，計算萃取率。萃取率（Y）按式（1）計算。

式中：W1—提取的油的重量（g）；W2—原料沉香粉的重量（g）。

1.2.3 單因素實驗

1.2.3.1 浸泡時間的影響 固定沉香粉/乙酸乙酯（料液比）的質量比為1∶1，萃取時間2h，萃取壓力27MPa，萃取溫度45℃時，將沉香粉分別用蒸餾水浸泡24、48、72、96、120h，按1.2.2萃取步驟萃取沉香精油，計算萃取率。

1.2.3.2 萃取壓力的影響 固定浸泡時間為72h，料液比為1∶1，萃取時間2h，萃取溫度45℃，考察萃取壓力為18、21、24、27、30MPa時的萃取率。

1.2.3.3 萃取溫度的影響 固定浸泡時間為72h，料液比為1∶1，萃取時間2h，萃取壓力27MPa時，考察萃取溫度為35、40、45、50、55℃時的萃取率。

1.2.3.4 料液比的影響 固定浸泡時間為72h，萃取時間2h，萃取壓力27MPa，萃取溫度45℃，考察料液比為1∶0、1∶0.6、1∶0.9、1∶1.2、1∶1.5時的萃取率。

1.2.3.5 萃取時間的影響 固定浸泡時間為72h，萃取壓力27MPa時，萃取溫度45℃，料液比1∶1.2時，考察萃取時間為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5h時的萃取率。

1.2.4 響應面實驗 在單因素實驗的基礎上，綜合各因素對沉香精油萃取率的影響，確定浸泡時間、萃取壓力、萃取溫度三個主要因素，并采用統(tǒng)計軟件Design Expert 8.0.5中的Box-Behnken設計，以沉香精油萃取率（Y）為響應值，采用浸泡時間（X1）、萃取壓力（X2）、萃取溫度（X3）為三因素三水平的中心組合實驗設計，因素與水平編碼見表1。

表1 Box-Behnken中心組合因素水平編碼表Table 1 Independent variables and coded levels in Box-Behnken experimental design

1.2.5 數據處理 采用SAS軟件對實驗數據進行回歸分析，擬合二次多項式方程。多項式模型方程擬合可靠性由R2表達，其統(tǒng)計學上的顯著性由F值檢驗。影響因素的線性效應、平方效應及其交互效應的顯著性由模型系數的p值檢驗。

2 結果與分析

2.1 浸泡時間對萃取率的影響

由圖1可見，萃取率總體上變化不大，整體呈先增大后減小的趨勢，浸泡時間為72h時萃取率最高。弓寶等[5]認為其原因可能是揮發(fā)油被微生物分解或是轉化為其他成分。除此之外，筆者認為在一定的時間范圍內隨著浸泡時間的延長有利于沉香精油在后續(xù)添加夾帶劑以及超臨界萃取過程中溶解度的增大。浸泡時間進一步延長，萃取率有稍微的減小，可能是因為部分沉香精油在浸泡時隨著水溶性的物質或雜質被過濾掉了，損失掉了一部分。

圖1 浸泡時間對萃取率的影響Fig.1 Effect of soak time on extraction yield

2.2 萃取壓力對萃取率的影響

通常，萃取壓力對萃取率存在著兩方面的影響。一方面，萃取壓力增大時，超臨界CO2的密度增大，萃取物的溶解度增大，同時增大了溶質與溶劑的傳質效率，有利于萃取物的提取。但是壓力過大時，CO2的密度太大反而會降低傳質效率，萃取能力也相應減弱，而且壓力過大會影響萃取物品質還會增加設備投資。由圖2可見，27MPa時萃取效果最佳。與鄧紅梅等[4]的研究相比，本文選取的萃取壓力更大，萃取率可以達到更高。

圖2 萃取壓力對萃取率的影響Fig.2 Effect of extraction pressure on extraction yield

2.3 萃取溫度對萃取率的影響

在萃取壓力一定時，溫度是影響萃取率的另一個重要因素[4]。由圖3可見，溫度對萃取率的影響也存在著兩方面的作用。在一定范圍內溫度升高時，有助于溶劑的揮發(fā)度和擴散系數的提高，同時溫度升高加劇了被萃取物分子熱運動，分子間的締合機會增加，促進了萃取率的提高。但是另一邊面，溫度升高，CO2分子間距離增大，密度減小，不利于傳質作用，從而使萃取得率減小，而且溫度過高可能會導致易揮發(fā)物質損失。因此綜合考慮，確定較佳的萃取溫度為45℃。

圖3 萃取溫度對萃取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction yield

2.4 料液比對萃取率的影響

孫振儀等[9]研究了不同體積分數的夾帶劑對萃取率的影響。本實驗通過添加乙酸乙酯作為夾帶劑也能夠達到很好的效果，并且乙酸乙酯沸點較低，有利于后續(xù)的產物分離。由圖4可見，未添加夾帶劑-乙酸乙酯時萃取率只有0.7%左右，添加后萃取率大幅度提高。當料液比達到1∶1.2后萃取率升幅較小，考慮到經濟、安全性，最終確定較佳的料液比為1∶1.2。

圖4 料液比對萃取率的影響Fig.4 Effect of solvent-material on extraction yield

2.5 萃取時間對萃取率的影響

萃取時間的長短跟物料的多少以及料液比有著直接的關系。由圖5可見，當萃取時間達到1.5h后，萃取率趨于平緩，2h后幾乎沒有明顯的提高。綜合考慮，萃取時間控制在2h較佳。

2.6 響應面結果分析

圖5 萃取時間對萃取率的影響Fig.5 Effect of extraction time on extraction yield

表2 響應曲面實驗設計及結果Table 2 Box-Behnken experimental design and surface analysis

實驗設計及結果見表2，利用SAS軟件對表中數據進行多元回歸擬合并對模型進行方差分析，結果見表3。各因素經二次多項回歸擬合后，得到沉香精油萃取率對浸泡時間、萃取壓力、萃取溫度3個因素的二次多項回歸方程：Y=1.87＋0.010X1＋0.041X2＋0.014X3＋0.0075X1X2－0.0025X1X3－0.005X2X3－0.013X12－0.066X22－0.030X32。

圖6 浸泡時間和萃取壓力交互作用的響應面Fig.6 Response surface plot of the interaction between soak time and extraction pressure

表3 回歸模型方差分析結果Table 3 Analysis of variance for the established regression model

由表3回歸分析結果可知，模型的F值為162.05，p＜0.0001，說明該模型是極顯著的，一次項X1、X2、X3偏回歸系數均極顯著，說明浸泡時間、萃取壓力和萃取溫度對沉香精油萃取率有顯著影響，二次項均達到極顯著水平，兩因素交互作用如圖6響應曲面所示，交互項X1X2達到顯著水平。失擬項在0.05水平上不顯著（p=0.5413），說明殘差均由隨機誤差引起。校正決定系數R2Adj=0.9891，復相關系數R2=0.9952，說明模型相關度很好。各因素對萃取率影響排序為：萃取壓力＞萃取溫度＞浸泡時間。

圖7 浸泡時間和萃取溫度交互作用的響應面Fig.7 Response surface plot of the interaction between soak time and extraction temperature

圖8 萃取壓力和萃取溫度交互作用的響應面Fig.8 Response surface plot of the interaction between extraction pressure and extraction temperature

根據擬合方程可以預測期間內響應值最大值Ym=1.87645%，與之對應的因素水平X1=83.14、X2=28.01、X3=45.90，其對應的實際值（取整數）是浸泡時間83h、萃取壓力28MPa、萃取溫度46℃。即在該條件下一次理論萃取率可達1.88%。

為了檢測響應面法（RSM）的實驗結果可靠性，根據以上實驗條件進行驗證實驗。采用上述最優(yōu)提取條件取整數即：用浸泡時間83h、萃取壓力28MPa、萃取溫度46℃、料液比1∶1.2、萃取時間2h，進行三次重復超臨界萃取驗證實驗，結果測得沉香精油萃取率為1.89%，與理論值較吻合。

3 結論

本研究表明，利用超臨界二氧化碳提取沉香精油時，沉香粉的預處理和夾帶劑乙酸乙酯的添加有利于提高沉香精油萃取率。通過響應面分析法對影響超臨界提取因素研究，得出最佳工藝條件為：浸泡時間83h，萃取壓力28MPa，溫度46℃，料液比1∶1.2，萃取時間2h，在一定的范圍內萃取壓力影響最顯著，萃取溫度和浸泡時間次之，料液比和萃取時間影響相對較低。測得沉香精油萃取率為1.89%。

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