響應(yīng)面法優(yōu)化柚皮精油的超臨界CO2萃取工藝

張　嬙，楊　馨（北方民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

響應(yīng)面法優(yōu)化柚皮精油的超臨界CO2萃取工藝

張嬙，楊馨
（北方民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

摘要：以平和琯溪蜜柚柚皮為原材料，運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2萃取技術(shù)提取柚皮精油。根據(jù)BOX（Box-Benhnken）試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，確定萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間及二氧化碳流量對(duì)精油萃取率的影響。結(jié)果表明：超臨界二氧化碳萃取柚皮精油的最佳工藝條件為萃取溫度為59.97℃、萃取壓力為25 MPa、萃取時(shí)間為150 min、二氧化碳流量為15 L/h，在此萃取條件下，柚皮香精油的萃取出油率為5.62%。

關(guān)鍵詞：柚皮精油；超臨界流體萃取；響應(yīng)面分析

平和琯溪蜜柚是蕓香科雙子葉植物，是福建省平和縣著名的地方傳統(tǒng)水果。蜜柚果大，果皮占總重的45%左右，柚皮中除了含有水分、維生素、礦物質(zhì)等人體必需營(yíng)養(yǎng)素之外，同時(shí)還含有如黃酮類(lèi)化合物、類(lèi)檸檬苦素、香精油、天然色素等，具有較高的保健和藥用價(jià)值[1]。其中柚皮精油可以滋養(yǎng)組織細(xì)胞，舒緩支氣管炎，改善肥胖、水腫及淋巴腺系統(tǒng)疾病，增加體力，利尿，抗感染等，有些柚皮精油還能抗憂(yōu)郁，是季節(jié)性精神失調(diào)的調(diào)節(jié)劑[2-3]。

由于柚皮香精油的特殊芳香，使得無(wú)法化學(xué)合成，同時(shí)也不能使用其他柑橘類(lèi)代替。柚皮占到了柚子總重量的45%左右，但在實(shí)際生活中，柚皮一般都是作為垃圾處理，這不僅是對(duì)資源的極大浪費(fèi)，也造成了環(huán)境污染。為此，本文以柚皮精油為對(duì)象，研究了響應(yīng)面超臨界流體對(duì)精油提取的影響。

1　材料與方法

1.1材料與設(shè)備

柚皮：平和琯溪蜜柚果皮；乙醇（分析純）：寧夏億利源工貿(mào)有限公司；CO2氣體（99.99%）：銀川偉麗氣體工貿(mào)公司；FW100高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋：國(guó)華電器有限公司；超臨界CO2萃取設(shè)備（HA120-05-02）：江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；電子天平Y(jié)P2001N：上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2方法

1.2.1樣品預(yù)處理

柚皮切成2 cm～3 cm小塊，烘箱低溫烘干，粉碎機(jī)粉碎后過(guò)40目篩，制成粉末樣品備用。

1.2.2單因素試驗(yàn)

稱(chēng)取一定量的柚皮粉末，裝入萃取罐中進(jìn)行超臨界CO2萃取。分別對(duì)萃取溫度、萃取時(shí)間、萃取壓力、CO2流量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，探討其對(duì)萃取效果的影響。

1.2.3響應(yīng)面設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Box-Behnken中心組合進(jìn)行四因素三水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以柚皮精油提取率為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面法進(jìn)行分析[4]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　因素水平表Table 1　Vairables and levels in Box-Benhnken experimental design

2　結(jié)果與分析

2.1萃取壓力對(duì)柚皮精油萃取率的影響

改變萃取壓力，通過(guò)測(cè)定不同壓力下的柚皮精油得率，可知壓力對(duì)出油率的影響如圖1所示。

圖1　萃取壓力對(duì)柚皮精油得率的影響Fig.1　The effect of extraction pressure

由圖1可知，精油萃取率隨著萃取壓力的升高而增大，當(dāng)萃取壓力超過(guò)18 MPa時(shí)，出現(xiàn)了較大幅度的升高，而在25 MPa之后得率開(kāi)始下降。究其原因是在壓力相對(duì)較低時(shí)，增大壓力會(huì)在一定程度上增加流體的密度，并且減少了分子間的傳質(zhì)阻力與傳質(zhì)距離，從而增加溶質(zhì)和溶劑之間的傳質(zhì)效率，提高了萃取率。在高壓下流體密度較大，其可壓縮性較小，溶解能力就會(huì)受到限制，因此隨著壓力的增大，萃取的選擇性就會(huì)下降，從而使得精油得率降低。

2.2萃取溫度對(duì)柚皮精油萃取率的影響

在萃取過(guò)程中，其他條件不變，只改變萃取溫度，通過(guò)測(cè)定不同溫度下的柚皮精油得率，可知萃取溫度對(duì)出油率的影響如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)溫度在30℃即低于超臨界溫度時(shí)，柚皮精油的萃取率幾乎為0，當(dāng)溫度高于超臨界溫度后，萃取率較明顯。當(dāng)溫度超過(guò)45℃后，隨著溫度的升高，萃取率逐漸的增大，當(dāng)大于55℃時(shí)，萃取率下降，因此萃取溫度在55℃時(shí)為最佳。這可能是CO2的黏度隨著萃取溫度的升高在下降，使得其傳質(zhì)系數(shù)增加，有利于提高溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，并且溶質(zhì)的蒸汽壓升高使溶解度增大，有利于提高萃取得率。但是隨著溫度的越來(lái)越高，CO2流體的密度減小，導(dǎo)致溶解度下降，從而使萃取得率降低。

2.3萃取時(shí)間的影響

保持萃取壓力和萃取溫度不變，改變不同的萃取時(shí)間，通過(guò)測(cè)定不同時(shí)間下的柚皮精油得率，可知萃取時(shí)間對(duì)出油率的影響如圖3所示。

圖2　萃取溫度對(duì)柚皮精油得率的影響Fig.2　The effect of extraction temprerature

圖3　萃取時(shí)間對(duì)柚皮精油得率的影響Fig.3　The effect of extraction time

由圖3可知，提取率隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈逐漸上升的趨勢(shì)，萃取時(shí)間在120 min后，柚皮精油萃取率已趨于穩(wěn)定，時(shí)間的延長(zhǎng)萃取率變化很小，從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，選擇萃取時(shí)間為120 min。

2.4CO2流量對(duì)柚皮精油出油率的影響

保持萃取壓力、萃取溫度及萃取時(shí)間不變，改變不同的CO2流量，通過(guò)測(cè)定不同CO2流量下的柚皮精油得率，可知CO2流量對(duì)出油率的影響如圖4所示。

圖4　CO2流量對(duì)柚皮精油得率的影響Fig.4　The effect of CO2flow

由圖4可知，隨著流量的增大柚皮出油率也會(huì)隨著增加，其增加幅度較大。當(dāng)CO2流量在20 L/h左右時(shí)萃取率最大，隨著流量的增大，萃取得率出現(xiàn)了下降，表明CO2流量在20 L/h是最佳的。

2.5響應(yīng)面法優(yōu)化柚皮精油超臨界提取的條件

響應(yīng)面法優(yōu)化柚皮精油超臨界提取的條件及結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。

表2　響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2　Box-Behnken experimental design matrix and corresponding experimental values

表3　響應(yīng)面方差分析Table 3　Analysis of variance for pomelo skin oil yield with extraction conditions

從表2和表3中可看出，在模型項(xiàng)中F值等于27.96時(shí)意味著該模型是顯著模型，P值<0.000 1，說(shuō)明因變量（萃取得率）與自變量z1，z2，z3，z4間的回歸方程關(guān)系是極顯著的，因此方程可用。采用Design-Expert8.0軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA分析，結(jié)果見(jiàn)表3。4個(gè)因素經(jīng)過(guò)擬合得到的二次多元回歸方程為：

2.6等高線(xiàn)圖和響應(yīng)面分析

等高線(xiàn)圖和響應(yīng)面分析見(jiàn)圖5～圖8。

圖5　萃取溫度與萃取時(shí)間對(duì)萃取率影響的響應(yīng)面和等高線(xiàn)圖Fig.5　Reponses surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction temperature and time on pomelo skin oil yield

RSM圖形是特定的響應(yīng)面Y對(duì)應(yīng)的因素A、B、C、D構(gòu)成的一個(gè)三維空間在二維平面的等高圖，可以直觀(guān)反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響。從以上響應(yīng)面和等高圖可知，萃取溫度和時(shí)間，萃取溫度和萃取壓力的交互作用較顯著，萃取壓力和時(shí)間，萃取時(shí)間和CO2流量的交互性較弱。

2.7驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證回歸模型的有效性，利用最佳工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。由回歸方程得最佳為萃取溫度59.97℃，萃取壓力為25 MPa，萃取時(shí)間為150 min，CO2流量為15 L/h，在最佳的條件下萃取率為5.631 19%。為了驗(yàn)證該參數(shù)，設(shè)計(jì)了5組平行試驗(yàn)，得到的精油萃取率為5.62%，與理論值5.63%相差不大。由此證明試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃侠?，試?yàn)結(jié)果理想。

圖6　萃取壓力與萃取時(shí)間對(duì)萃取率影響的響應(yīng)面和等高線(xiàn)圖Fig.6　Reponses surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction pressure and time on pomelo skin oil yield

圖7　萃取壓力與萃取溫度對(duì)萃取率影響的響應(yīng)面和等高線(xiàn)圖Fig.7　Reponses surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction pressure and temperature on pomelo skin oil yield

3　結(jié)論

響應(yīng)面分析法是通過(guò)中心組合試驗(yàn)研究幾種試驗(yàn)因素間交互作用的一種回歸分析方法，具有試驗(yàn)次數(shù)少、周期短，得到的回歸方程精確度高等優(yōu)點(diǎn)。本研究將響應(yīng)面優(yōu)化和超臨界萃取結(jié)合，模擬得到多項(xiàng)式回歸方程，直觀(guān)的掌握各因素對(duì)柚皮精油萃取率的影響程度：萃取溫度>萃取時(shí)間>萃取壓力>CO2流量。經(jīng)過(guò)分析得到最佳工藝參數(shù)為萃取溫度59.97℃，萃取壓力為25MPa，萃取時(shí)間為150min，CO2流量為15L/h，精油萃取率為5.62%。與傳統(tǒng)提取方法相比，萃取時(shí)間短，無(wú)溶劑污染，操作工藝簡(jiǎn)單，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高附加值的柚皮精油提供科學(xué)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]司輝清,沈強(qiáng),龐曉莉,等．國(guó)內(nèi)外天然香精油提取及檢測(cè)技術(shù)最新研究進(jìn)展[J]．食品工業(yè)科技,2010,31(2):374-377

[2]王丹,周才瓊．植物精油在可食性抗菌膜中的應(yīng)用[J]．食品工業(yè)科技,2014,35(1):349-352

[3]Xiaodong Ma,Ouyang Feng.Adsorption properties of biomass-based activated carbon prepared with spent coffee grounds and pomelo skin by phosphoric acid activation[J].Applied Surface Science,2013 (268):566-570

[4]徐向宏,何明珠．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與Design-Expert、SPSS應(yīng)用[M]．北京:科學(xué)出版社,2010:147-154

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.20.026

收稿日期：2014-12-05

作者簡(jiǎn)介：張嬙（1980—），女（漢），講師，碩士研究生，研究方向：天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與功效研究。

Optimization of Supercritical CO2Fluid Extraction of Pomelo Peel Oil Using Response Surface Methodology

ZHANG Qiang，YANG Xin
（Life Sciences&Engineering College，BeiFang University of Nationalities，Yinchuan 750021，Ningxia，China）

Abstract：The production of naringin of Guanxi honey pomelo，used carbon dioxide as a medium by supercritical fluid extraction technology to pomelo peel essential oil from pomelo skin，response surface methodology（RSM）was employed to optimize the extraction.According to the principle of Box-Behnken central composite design，extraction pressure，extraction temperature，extraction time and carbon dioxide flow rate were chosen as response factors，extraction mass as response value，and a four-factor and three levels central composite design was adopted to determine the influence of various technological conditions.The results showed that better extraction conditions were 59.97℃of temperature，25 MPa of extracting pressure，150min of period，15 L/h of CO2flow rate.Under these conditions，the yield of pomelo skin oil was 5.62%.

Key words：pomelo skin oil；supercritical fluid extraction；response surface methodology