響應面分析法優(yōu)化超臨界CO2萃取陳皮精油工藝的研究

朱孔岳,馮 琦， 盤賽昆,金鴻賓

(1.連云港市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 江蘇連云港 222000；2.淮海工學院海洋學院，江蘇連云港 222005)

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響應面分析法優(yōu)化超臨界CO2萃取陳皮精油工藝的研究

朱孔岳1,馮 琦1， 盤賽昆2,金鴻賓2

(1.連云港市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 江蘇連云港 222000；2.淮海工學院海洋學院，江蘇連云港 222005)

摘要[目的]構建一種適宜的陳皮精油提取方法。[方法]利用超臨界CO2萃取技術提取陳皮中的揮發(fā)性精油，以提取率為指標，首先研究了原料粒度、溫度、壓力及時間各單因素對提取率的影響，然后用響應面分析法優(yōu)化提取工藝。[結果]研究表明，超臨界CO2萃取技術能有效地提取陳皮中的精油，提取率模型為：Y=-53.396 67+2.576 11A+0.062 000B+0.046 000C-0.031 098A2 。優(yōu)化后的提取工藝為溫度41.43 ℃、壓力25 MPa和粒度60目，精油提取率模型預測值為4.28%，試驗驗證值為4.18%，預測值與實際值無顯著差異(P=0.01)。[結論] 超臨界CO2萃取技術是一種從陳皮中提取精油的有效方法。

關鍵詞陳皮；精油；超臨界CO2流體萃取；響應面分析法

陳皮為蕓香科植物橘(CitrusreticulataBlanco)及其栽培變種的干燥成熟果皮。中醫(yī)認為，陳皮性味辛、苦、溫，入脾、肺，有行氣健脾、降逆止嘔、調(diào)中開胃、燥濕化痰之功效，適用于脾胃氣滯所致的脘腹脹滿、噯氣、惡心、嘔吐及濕阻中焦所致的納呆倦怠、大便溏薄及痰濕壅滯之咳嗽痰多等癥。藥理分析表明，陳皮含精油、黃酮苷(如橙皮苷)、肌醇、維生素B1等，具有理氣健脾、燥濕化痰功效,用于胸脘脹滿、食少吐瀉、咳嗽痰多,臨床上應用于治療百日咳、支氣管哮喘、膽石癥等[1]。因此，構建一種高效的陳皮精油提取方法具有重要意義。李瑞明等采用正交試驗設計優(yōu)化了水蒸餾法提取陳皮揮發(fā)油，平均收得率為5.24%±0.28%[2]。于蓮等采用正交試驗設計優(yōu)化了陳皮揮發(fā)油超臨界CO2萃取工藝，但提取率僅為2.04%[3]。

超臨界CO2流體萃取技術是近20年來研究開發(fā)的一項新技術，具有諸多優(yōu)點，特別適合于熱不穩(wěn)定性天然產(chǎn)物和生理活性物質(zhì)的分離與精制。響應面分析法(Response Surface Method，RSM)是近幾年發(fā)展起來的一種分析方法，其原理是通過一系列確定性試驗擬合一個響應面來模擬真實的極限狀態(tài)曲面，從而很容易地進行可靠性分析。響應面分析法以最經(jīng)濟的方式、較少的試驗次數(shù)和較短的時間對所選試驗參數(shù)進行全面分析，以得出正確結論，其優(yōu)越性已為越來越多的研究人員所關注并應用于各種生物、化工處理過程[4-5]。為了進一步提高對陳皮精油的提取效率，筆者采用響應面分析法對超臨界CO2流體萃取工藝進行優(yōu)化，以期找到最佳工藝參數(shù)。

1材料與方法

1.1材料原料：陳皮，購于連云港康緣大藥房，經(jīng)鑒定為蕓香科植物橘(CitrusreticulataeBlanco)的干燥成熟果皮。主要儀器：H221-50-06超臨界萃取裝置，江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；BS323S電子天平，北京賽多斯儀器系統(tǒng)有限公司；FW/35 型中草藥萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；藥典檢驗篩GB-6003-85，浙江上虞市華豐五金儀器有限公司。

1.2方法

1.2.1原料處理。陳皮粉碎分級后置于棕色瓶中，密封，于陰涼干燥處存放備用。物料粉碎粒度定義：20目系指物料粉碎后過20目篩取篩下物再過30目篩的篩上物，以此類推。

1.2.2提取率計算。計算公式如下：

1.2.3超臨界萃取單因素試驗。影響超臨界CO2流體萃取得率的主要因素有溫度、壓力、物料粒度、CO2流量及時間等。參考文獻[3]設定CO2流量為20 L/h、分離Ⅰ壓力10 MPa、溫度60 ℃和分離Ⅱ壓力6 MPa、溫度35 ℃，每次試驗物料用量為150 g左右，分別考查溫度、壓力、物料粒度、CO2流量及時間對提取率的影響。

1.2.3.1粒度對提取率的影響。粒度大時由于超臨界流體與物料的接觸面積相對較小，萃取效果不好，粒度小比表面積增大，增加傳質(zhì)速度提高提取率，但會堵塞管道。取30、40、50和60目的陳皮粉分別置于萃取釜中，控制萃取溫度為40 ℃、萃取壓力為20 MPa進行試驗。

1.2.3.2壓力對提取率的影響。在萃取溫度40 ℃、原料粒度為50目的條件下分別考察萃取壓力為15、20、25、30 MPa對提取率的影響。

1.2.3.3溫度對提取率的影響。取50目的原料，將溫度分別設為35、40、45和50 ℃，在萃取壓力為20 MPa的條件下進行試驗。

1.2.3.4時間對提取率的影響。將時間分別設為1.0、1.5、2.0、2.5 h，其他試驗條件設定為：原料粒度50目，提取壓力20 MPa,溫度40 ℃，考察時間對提取率的影響。

1.2.4響應面優(yōu)化試驗設計。通過單因素試驗確定粒度、溫度和壓力的范圍后，利用Design expert 6.0的small central composite模型進行3因素3水平的試驗設計并進行數(shù)據(jù)分析，從而優(yōu)化出最佳工藝條件。因素水平設計見表1。

表1　中心組合試驗因素水平

2結果與分析

2.1超臨界CO2萃取單因素試驗

2.1.1粒度對提取率的影響。由圖1可見,在原料粒度20～50目范圍內(nèi),隨著粒度的變細,陳皮精油的提取率由0.67%升至3.88%；當粒度進一步變細時，油脂萃取率反而變低，如粒度為60目時提取率僅為3.59%。這主要是由于原料粉碎度的提高，增大了陳皮粉與CO2的接觸面積使精油有更多的機會溶解于CO2中，但粒度過小時易堵塞管道，使通過萃取釜的CO2減少，直接影響萃取效率，這一結果與黃俊輝等報道的一致[6]。此外，粒度過小時陳皮粉容易被帶入分離罐，給分離工作帶來麻煩。

圖1　原料粒度對提取率的影響Fig. 1　Effects of particle size of raw materials on extraction rate

2.1.2壓力對提取率的影響。從試驗結果可以看出(圖2),在低壓15～20 MPa，隨著壓力的增加，提取率呈現(xiàn)緩慢地增長，但當萃取壓力達到21 MPa 甚至25 MPa 時，萃取率卻緩慢降低。由于操作壓力的增加會導致設備投資大幅度增加，此外萃取壓力增加時，精油中的色素含量就會增加，顏色加深，對油的品質(zhì)有一定影響。綜合各方面因素，以15～25 MPa 作為優(yōu)化時壓力的合適取值范圍。

圖2　壓力對提取率的影響Fig. 2　Effects of pressure on extraction rate

2.1.3溫度對提取率的影響。如圖3所示，在溫度范圍35～40 ℃，提取率從2.54%增加到3.74%，有一定增長，但當溫度繼續(xù)增加時，由于超臨界CO2密度急劇下降，使得CO2溶解度隨之下降，表現(xiàn)為提取率跟著下降，45 ℃得率為3.06%。因此，溫度取值范圍定為35～45 ℃進行優(yōu)化試驗。

圖3　溫度對提取率的影響Fig. 3　Effects of temperature on extraction rate

2.1.4時間對提取率的影響。圖4顯示，隨提取時間的延長，提取率有所提高，但變化不明顯，提取時間達到2.0 h后，提取率達到最大值。因此時間不作為優(yōu)化的因素，在優(yōu)化試驗中其取值為2.0 h。

圖4　提取時間對提取率的影響Fig. 4　Effects of extraction time on extraction rate

2.2模型方程的建立及顯著性檢驗響應面試驗設計及結果見表2。各模型失擬檢驗得出：F線性=24.22,P線性=0.004 0;F2FI=42.28,P2FI=0.001 6;F二次方程=4.659E-003,P二次方程=0.581 2。由此可見，二次方程可很好地擬合因素與響應值的關系，因此利用二次方程對響應值進行回歸分析，模型各項方差分析結果如下：F模型=51.38，P模型=0.000 2；FA=33.47，PA=0.002 2；FB=13.87，PB=0.013 7；FC=32.70，PC=0.002 3；FA2=126.15，PA2=<0.000 1；FB2=0.44，PB2=0.537 3；FC2=0.44，PC2=0.537 3；FAB=0.24，PAB=0.645 8；FAC=0.24，PAC=0.645 8；FBC=0.027，PBC=0.877 0；F失擬=0.36,P失擬=0.581 2。

表2　試驗設計與數(shù)據(jù)

F值小于0.05的項是對響應值有顯著影響的模型項，F(xiàn)值大于0.05的項是對響應值沒有顯著影響的模型項。方差分析顯示，A、B、C、A2是對響應值有顯著影響的模型項；B2、C2及交互項對模型沒有顯著影響，因此各具體試驗因子對響應值的影響不是簡單的線性關系。將對響應值沒有顯著影響的項刪去，排除了不顯著因素的影響，模型將得到進一步的優(yōu)化，結果得出：F模型=170.11,P模型<0.000 1;FA=155.20,PA<0.000 1;FB=75.32,PB<0.000 1;FC=165.84,PC<0.000 1;FA2=284.06,PA2<0.000 1;F失擬=0.32,P失擬=0.898 4。

2.3響應面分析與優(yōu)化通過優(yōu)化后的模型方程所作的響應曲面圖見圖5～7。圖5、6顯示，存在一個最佳提取溫度，高于或低于該最佳溫度均可導致精油提取率的降低，在某一溫度下，提取率隨粒度及壓力的升高而升高。圖6、7顯示，精油的提取率隨原料粒度的提高而提高。圖5、7顯示，壓力對提取率的影響與粒度的影響相似。圖7顯示，壓力和粒度的同時提高有利于提取率的提高。

圖5　溫度、萃取壓力及其交互作用對提取率影響的響應面(粒度=60目)Fig. 5　Response surface of the effects of pressure and temperature on extraction rate and their interactions

圖6　溫度、粒度及其交互作用對提取率影響的響應面(壓力=25 MPa)Fig. 6　Response surface of the effects of partial size and temperature on extraction rate and their interactions

圖7　壓力、粒度及其交互作用對提取率影響的響應面(溫度=42 ℃)Fig. 7　Response surface of the effects of partial size and pressure on extraction rate and their interactions

2.4最佳提取工藝及驗證經(jīng)Design-Expert 6.0.10軟件分析，超臨界CO2流體萃取陳皮精油的最優(yōu)提取工藝條件為：壓力25 MPa，溫度41.43 ℃，原料粒度60目，在此條件下模型的預測值為4.28%。為了驗證最佳工藝的可靠性，在最佳工藝條件下重復做3次試驗，提取率為(4.18±0.04)%，應用Oringe Pro 7.5進行單因素方差分析表明，預測值與實際值沒有顯著差異(P=0.01)。

3結論與討論

該研究在單因素試驗基礎上，通過Design expert 6.0.10軟件采用中心組合試驗設計對超臨界CO2流體萃取陳皮精油工藝進行優(yōu)化。研究結果表明，萃取溫度、萃取壓力、原料粒度對陳皮精油提取率的影響均顯著，但3個因素之間交互作用不顯著。優(yōu)化得到的萃取條件為: 萃取溫度41.43 ℃、萃取壓力25 MPa、原料粒度60目，在此條件下實際提取率達(4.18±0.04)%，與預測值沒有顯著差異。超臨界流體是一種類似氣體的流體，在壓力和溫度大于其臨界點的條件下，具有液體的溶解能力及氣體的易擴散性。超臨界流體的溶解能力與密度有著密切的關系。在一定的溫度下，超臨界流體的溶解度隨壓力的增加而增加，但溶解度隨溫度變化存在一反相區(qū)，當壓力增加到一定程度時就會脫離反相區(qū)，此時溶解度隨溫度升高而增加。特別是在臨界點附近溫度或壓力的微小變化都有可能導致溶質(zhì)溶解度發(fā)生幾個數(shù)量級的突變[7]。對于揮發(fā)性的物質(zhì)，升高溫度可提高其在超臨界CO2流體中的溶解度，但同時也增加其揮發(fā)性，因此溫度對揮發(fā)性物質(zhì)提取率的影響是很難預測的[8]。響應面圖及模型方差分析表明，溫度對提取率有顯著的影響，而且存在一個極值點，這一現(xiàn)象與理論相吻合。該試驗的提取率相比于蓮等試驗報道的高1倍多[3]，證明響應面分析法是一種非常有效的試驗設計及數(shù)據(jù)處理的方法。

參考文獻

[1] 劉元.二氧化碳超臨界流體萃取概述[J].生化與醫(yī)藥,2006(12):56-58.

[2] 李瑞明,岑幗英,鄺翠儀,等.正交法優(yōu)選陳皮揮發(fā)油提取工藝[J].中國藥業(yè),2006,15(1): 47.

[3] 于蓮,焦淑清,李玉環(huán),等.陳皮揮發(fā)油超臨界CO2萃取工藝的研究[J].黑龍江醫(yī)藥科學,2005,28(5): 5-6.

[4] 許暉,孫蘭萍,張斌,等.超臨界CO2萃取杏仁油的響應面優(yōu)化[J].中國糧油學報,2008,23(1): 94-97.

[5] 王振宇,周芳,趙鑫.響應面分析法優(yōu)化超聲波提取大果沙棘總黃酮工藝[J].中國食品學報,2007,7(6): 44-51.

[6] 黃俊輝,佘綱哲,曾慶孝.超臨界 CO2萃取法提取海帶多不飽和脂肪酸的研究[J].食品工業(yè)科技,2001,22(4): 19-21.

[7] 朱自強.超臨界流體技術：原理和應用[M].北京: 化學工業(yè)出版社,2000: 61-83.

[8] WANG L Z,YANG B,DUA X Q，et al.Optimisation of supercritical fluid extraction of flavonoids fromPuerarialobata[J].Food chemistry,2008,108(2):737-741.

作者簡介朱孔岳(1981- )，男，江蘇連云港人，工程師，碩士，從事食品工程及食品安全研究。

收稿日期2016-04-11

中圖分類號R 284.2

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-056-03

Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Essential Oil fromPericarpiumcitrireticulataeby Response Surface Methodology

ZHU Kong-yue1,FENG Qi1,PAN Sai-kun2et al

(1. Product Quality Supervision and Inspection Center of Lianyungang City,Lianyungang,Jiangsu 222000; 2. School of Marine Science and Technology,Huaihai Institute of Technology,Lianyungang, Jiangsu 222005)

Abstract[Objective] To establish an optimal technical condition for the extraction of essential oil from Pericarpium citri reticulatae. [Method] Supercritical CO2 fluid extraction was used to extract the essential oil from P. citri. With the extraction rate as the index,we researched the effects of the temperature,pressure,time and particle size of raw material on the extraction rate. Then,extraction condition was optimized by response surface methodology. [Result] Supercritical CO2 fluid extraction could effectively extract the essential oil from P. citri. The extraction rate model was Y=-53.396 67 + 2.576 11A + 0.062 000B + 0.046 000C -0.031 098A2. The optimal extraction condition was 41.43 ℃,25 MPa and 60 mesh. The model predicted value of extracting rate of essential oil was up to 4.28%; and the validate value was 4.18%. There were no significant differences between predicated value and practical value (P=0.01). [Conclusion] Supercritical CO2 fluid extraction is an effective technique to extract essential oil from P. citri.

Key wordsPericarpium citri reticulatae; Essential oil; Supercritical carbon dioxide extraction；Response surface methodology