譚 云 ，胡 鐵 ，賈 媛 ，吳 紅 ，黎繼烈

（1.中南林業(yè)科技大學 a. 經(jīng)濟林培育與利用湖南省2011協(xié)同創(chuàng)新中心；b.經(jīng)濟林培育與保護省部共建教育部重點實驗室，湖南 長沙 410004；2. 廣州航海學院，廣東 廣州 410208；3. 湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004）

用響應面法優(yōu)化超臨界CO2萃取纈草油工藝

譚 云1a,b,2，胡 鐵2，賈 媛1a,b，吳 紅3，黎繼烈1a,b

（1.中南林業(yè)科技大學 a. 經(jīng)濟林培育與利用湖南省2011協(xié)同創(chuàng)新中心；b.經(jīng)濟林培育與保護省部共建教育部重點實驗室，湖南 長沙 410004；2. 廣州航海學院，廣東 廣州 410208；3. 湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004）

為了探討超臨界CO2萃取纈草油的優(yōu)化工藝條件，以纈草油得率為考察指標，采用單因素試驗和Box-Behnken設計，探討萃取壓力、萃取溫度、萃取時間和CO2流量對纈草油得率的影響。結(jié)果表明：在萃取壓力21 MPa、CO2流量20 L/h，萃取溫度45 ℃條件下，萃取90 min，纈草油得率為(4.250±0.003)%，與模型預測值接近，表明所建回歸模型可靠。

纈草；纈草油；超臨界CO2萃??；響應面法

纈草Valeriana off i cinalisL.屬于敗醬科纈草屬，為多年生草本。纈草的根和根莖中含有揮發(fā)油、黃酮、生物堿、木脂素、環(huán)烯醚萜等生物活性成分[1]，其藥理作用得到廣泛研究與關注[2-3]。纈草油主要含有龍腦及其乙酸酯和異戊酸酯、纈草烯酸、纈草酮、纈草烯醛等[4]。從纈草根從提取的纈草油具有鎮(zhèn)靜、抗抑郁等作用[5-7]，同時纈草油還用于高檔香煙的加香[8]。

植物精油的提取通常采用水蒸氣蒸餾法[9]和有機溶劑提取法[10-11]，但這些方法提取溫度較高、受熱時間過長，熱敏性成分易分解，活性成分易失活，能源消耗較高。超臨界CO2萃取技術[12-13]是一種新型高效清潔的提取技術，具有萃取溫度較低，能保持被萃取組分的生物活性，特別適合于纈草油中的部分熱敏性物質(zhì)的萃取，且產(chǎn)物無溶劑殘留，分離效果好，對環(huán)境無污染。本研究選用超臨界CO2萃取纈草油，提出最佳萃取工藝條件，為纈草油提取的工業(yè)化生產(chǎn)提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

纈草Valeriana off i cinalisL.，采自貴州冷凍48 h后粉碎成不同粒度顆粒備用；CO2（純度＞99.9%）。

HA121-50-01型超臨界萃取裝置（江蘇華安超臨界萃取有限公司）；標準檢驗篩（浙江省上虞市萬葉儀器設備廠）；WFC-210型超微粉碎機（北京維博創(chuàng)機械設備有限公司）。

1.2 實驗方法

將新鮮纈草根洗凈冷凍干燥48 h后，用超微粉碎機粉碎，用標準檢驗篩分離得到不同粒度的纈草粉。取300 g 100目篩的纈草粉加入萃取釜中，設定萃取溫度45 ℃、萃取壓力15 MPa、時間80 min、CO2流量20 L/h、解析壓力4.0 MPa、解析溫度為25 ℃。萃取分離完畢，取出纈草油稱重并計算纈草油得率。纈草油得率(%)=萃取的纈草油質(zhì)量/纈草粉末質(zhì)量×100。

1.3 超臨界萃取纈草油的單因素試驗

1.3.1 萃取溫度的確定

按照1.2方法，選擇萃取溫度為35 ℃，40 ℃，45 ℃，50 ℃，55 ℃，60 ℃，分別計算纈草油得率。

1.3.2 萃取時間的確定

根據(jù)1.3.1的結(jié)果，按照1.2方法，選擇萃取時間 為 30 min，50 min，70 min，90 min，110 min，130 min，分別計算纈草油得率。

1.3.3 萃取壓力的確定

根據(jù)1.3.2的結(jié)果，按照1.2方法，選擇萃取壓力為 9 MPa，13 MPa，17 MPa，21 MPa，25 MPa，29 MPa，分別計算纈草油得率。

1.3.4 物料粒度的確定

根據(jù)1.3.3的結(jié)果，按照1.2方法，將纈草粉碎后過20目，40目，60目，80目，100目，120目篩，分別計算纈草油得率。

1.3.5 CO2 流量的確定

根據(jù)1.3.4的結(jié)果，按照1.2方法，選擇CO2流量為 11 L/h，14 L/h，17 L/h，20 L/h，23 L/h，26 L/h，分別計算纈草油得率。

1.3.6 解析壓力的確定

根據(jù)1.3.5的結(jié)果，按照1.2方法，選擇解析壓 力 為 2.5 MPa，3.0 MPa，3.5 MPa，4.0 MPa，4.5 MPa，5.0 MPa，分別計算纈草油得率。

1.3.7 解析溫度的確定

根據(jù)1.3.6的結(jié)果，按照1.2方法，選擇解析溫度為 15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃，40 ℃，分別計算纈草油得率。

2 結(jié)果及分析

2.1 單因素實驗及結(jié)果

2.1.1 萃取溫度對纈草精得率的影響

萃取溫度對纈草精得率的影響如圖1所示：當萃取溫度從35 ℃升高到45 ℃時，纈草油得率增加較快，原因是提高萃取溫度能增強CO2分子的布朗運動，降低CO2流體粘度，提高擴散系數(shù)，從而增大溶解性，加快傳質(zhì)過程，有利于纈草油的萃取；當萃取溫度超過45 ℃后，纈草油得率提高緩慢，從生產(chǎn)成本考慮，后續(xù)試驗萃取溫度范圍選擇40～50 ℃。

圖1 萃取溫度對纈草油得率的影響Fig.1 Effect of extracting temperature on valerian oil yield

2.1.2 萃取時間對纈草油得率的影響

萃取時間對纈草油得率的影響如圖2所示：隨著萃取時間從30 min增加到90 min，纈草油得率顯著增加。當萃取時間超過90 min后，纈草油得率增加緩慢。萃取時間過短，萃取不完全，纈草油得率低。萃取時間過長，能源消耗高，而纈草油得率增長緩慢，生產(chǎn)效益低。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，確定后續(xù)試驗萃取時間范圍選擇90～110 min。

圖2 萃取時間對纈草油得率的影響Fig.2 Effect of extracting time on valerian oil yield

2.1.3 萃取壓力對纈草油得率的影響

萃取壓力對纈草油得率的影響如圖3所示：萃取壓力從9 MPa增加到21 MPa時，纈草油得率顯著增加。當萃取壓力進一步增加時，纈草油得率增加緩慢。原因可能是隨著萃取壓力的增加，超臨界的CO2流體進入物料顆粒內(nèi)部與被萃取組分作用的能力增強，能有效克服傳質(zhì)阻力，CO2流體密度增大，擴散能力增加，對纈草油組分的溶解能力增強，纈草油得率增加。當萃取壓力過大時， CO2流量會升高，減少CO2流體在物料中的傳質(zhì)時間，纈草油得率增加緩慢。綜合上述分析，后續(xù)試驗萃取壓力范圍選擇17～25 MPa。

圖3 萃取壓力對纈草油得率的影響Fig.3 Effect of extracting pressure on valerian oil yield

2.1.4 物料粒度對纈草油得率的影響

物料粒度對纈草油得率的影響如圖4所示：隨著物料粒度從20目增加到80目過程中，纈草油得率顯著上升。當物料粒度超過80目時，纈草油得率上升緩慢。物料粒度越小，物料和CO2流體的接觸面積越大，傳質(zhì)過程加快，纈草油得率高。物料粒度達到80目后，粒度的增加對纈草油得率的影響微弱，且物料粒度的增加，會堵塞萃取釜，不利于萃取。所以，后續(xù)試驗確定物料過80目篩。

圖4 物料粒度對纈草油得率的影響Fig.4 Effect of material granularity on valerian oil yield

2.1.5 CO2流量對纈草油得率的影響

CO2流量對纈草油得率的影響如圖5所示：CO2流量從11 L/h增大到20 L/h，纈草油得率明顯升高，在CO2流量進一步增加時，纈草油得率開始呈下降趨勢?？赡艿脑蚴牵寒擟O2流速過快，超臨界CO2流體與物料接觸不充分，同時被萃取的纈草油在解析釜中尚未完全分離，又被帶回萃取釜中，使纈草油得率下降。綜合分析，后續(xù)試驗CO2流量范圍選擇17 ～23 L/h。

圖5 CO2流量對纈草油得率的影響Fig.5 Effect of CO2 fl ow rate on valerian oil yield

2.1.6 解析壓力對纈草油得率

解析壓力對纈草油得率的影響如圖6所示：解析壓力從2.5 MPa增加到4.0 MPa時，纈草油得率緩慢上升。當解析壓力進一步增加時，纈草油得率緩慢下降。從節(jié)約CO2的角度考慮，選擇解析壓力為4.0 MPa。

圖6 解析壓力對纈草油得率的影響Fig.6 Effect of separate pressure on valerian oil yield

2.1.7 解析溫度對纈草油得率

解析溫度對纈草油得率的影響：隨著解析溫度從15 ℃上升到25 ℃，纈草油得率逐漸上升。當進一步提高解析溫度時，纈草油得率緩慢下降。從能耗角度考慮，選擇解析溫度為25 ℃。

圖7 解析溫度對纈草油得率的影響Fig.7 Effect of separate temperature on valerian oil yield

2.2 響應面實驗設計及結(jié)果

2.2.1 響應面實驗設計

在單因素研究的基礎上，選萃取壓力 (X1)、萃取溫度 (X2)、萃取時間 (X3)、CO2流量 (X4)為影響因素為自變量，保持物料粒度過80目，解析壓力4.0 MPa，解析溫度30 ℃，以纈草油得率為響應值，采用Box-Benhnken試驗設計對纈草油萃取條件進行4因素3水平的響應面分析優(yōu)化，其因素水平編碼表1所示：

表1 Box-Benhnken 實驗因素及其水平Table 1 Levels of the variables tested in Box-Benhnken design

響應面實驗結(jié)果如表2所示：

表2 Box-Benhnken 實驗設計及其結(jié)果Table 2 Experimental design and results of Box-Benhnken design

2.2.2 二次回歸擬合及方差分析

應用統(tǒng)計軟件SAS 8.1對實驗所得數(shù)據(jù)進行二次多項回歸擬合，通過響應面回歸過程進行數(shù)據(jù)分析，建立二次響應面回歸模型，并進而尋求最優(yōu)響應因子水平回歸分析。模型方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 回歸系數(shù)顯著性分析?Table 3 Analysis of significant regression coefficients

模型P＜0.01，表明回歸模型極顯著，相關系數(shù)R2= 0.937 6，表明該模型擬合程度較好。所得二次回歸擬合方程為：

為得到X1、X2、X3和X4的最佳濃度，對所得的回歸擬合方程中的變量分別求一階偏導數(shù)，令其為0，得到四元一次方程組，求解此方程組，并根據(jù)實際情況進行修整，得到各因素最佳值分別是：萃取壓力21 MPa、萃取時間 90 min、萃取溫度45 ℃、CO2流量20 L/h，纈草油得率達到理論最大值4.251%。

2.2.3 響應因子的水平優(yōu)化

利用Statistica 6.0軟件根據(jù)回歸模型進行響應面分析，繪出響應面分析圖及其等高線，如圖8所示。每個響應面等高線圖代表了2個獨立變量間的相互作用，此時其余變量處于中心水平。等高線的形狀能夠反映出2個變量間交互效應的強弱，越趨向橢圓形狀則顯示變量間交互作用越強，越趨向圓形則結(jié)果相反[14-15]。響應面的最高點是等高線中的最小橢圓的中心點。從圖8可以看出：X1與X2，X1與X4，X2與X4交互影響明顯，即萃取壓力與萃取溫度、萃取壓力與CO2流量、萃取溫度與CO2流量交互效應顯著。

圖8 各因子交互作用響應曲面圖及等高線圖Fig.8 Scatterplot and contour map of interaction or each factor

2.2.4 驗證試驗

為檢驗上述結(jié)果的可靠性，根據(jù)上述優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取纈草油條件，即萃取壓力21 MPa、萃取時間 90 min、萃取溫度45 ℃、CO2流量20 L/h，進行3次平行實驗，測得纈草油得率為(4.250±0.003)%，與擬合回歸方程最佳預測值相比誤差為0.024%，說明回歸模型真實可靠。

3 結(jié) 論

通過單因素實驗確定了超臨界二氧化碳萃取纈草油的最佳萃取時間，萃取溫度，萃取壓力，物料粒度、二氧化碳流量、解析壓力和解析溫度，在此基礎上進行四因素三水平響應面優(yōu)化，建立二次響應面回歸模型，獲得超臨界CO2萃取纈草油的最優(yōu)工藝條件，在萃取壓力21 MPa、萃取溫度45 ℃、CO2流量20 L/h條件下，萃取90 min，纈草油得率為(4.250±0.003)%。

超臨界CO2萃取技術作為新型環(huán)保的分離技術，在對熱敏性成分的萃取中有著獨特的優(yōu)勢，萃取率高，能夠保留被萃取物的生物活性，但生產(chǎn)成本比較高。如果被分離組分性質(zhì)穩(wěn)定，耐高溫，一般優(yōu)先考慮水蒸氣蒸餾法[16]。

采用超臨界CO2萃取纈草油，纈草油得率高，分離效果好，最大限度地保留纈草油的生物活性，有潛在產(chǎn)業(yè)化應用價值。

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Optimization of supercritical CO2extract process for valerian oil by response surface method

TAN Yun1,2, HU Tie2, JIA Yuan1, WU Hong3, LI Ji-lie1
(1a. 2011 Cooperative Innovation Center of Cultivation and Utilization for Non-Wood Forest Trees of Hunan Province, 1b. Key Lab.of Non-wood Forests Cultivation and Protection Co-constructed by China Education Ministry and Hunan Province, Central South University of Forestry and Technology, Changsha, 410004, Hunan, China; 2. Guangzhou Maritime Institute, Guangzhou, 510725,Guangdong, China; 3.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hunan, China)

To study the optimum extraction conditions of valerian oil from valerian by supercritical CO2extraction, by taking valerian oil yield as the index, by using single factor test method and the Box-Behnken experiment design, the effects of the extraction parameters such as extraction pressure, extraction temperature, extraction time and CO2fl ow rate on the yield of valerian oil were investigated. The results show that when the extraction pressure was 21 MPa, extraction temperature was 45℃, extraction time was 90 minutes, CO2fl ow rate was 20 L/h, the yield of valerian oil was (4.250±0.003) %. The calculated values were close to those of model prediction, and thus showing that the regression model was reliable.

Valeriana off i cinalisL.; oil ofValeriana off i cinalis; supercritical CO2extraction; response surface method

S788.1

A

1673-923X(2015)04-0119-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.021

2014-04-22

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201404608）

譚 云，碩士研究生 通訊作者：黎繼烈，教授，博士；E-mail：lijilie@163.com

譚 云,胡 鐵,賈 媛,等.用響應面法優(yōu)化超臨界CO2萃取纈草油工藝[J].中南林業(yè)科技大學學報,2015,35(4):119-124.

[本文編校：文鳳鳴]