響應(yīng)面分析優(yōu)化超臨界CO2萃取五葉瓜藤種子油工藝

雷華平，周舉軍，李桂芳，張 輝，王玲娟

(湘南學(xué)院 藥學(xué)院，湖南 郴州 423000)

響應(yīng)面分析優(yōu)化超臨界CO2萃取五葉瓜藤種子油工藝

雷華平，周舉軍，李桂芳，張 輝，王玲娟

(湘南學(xué)院 藥學(xué)院，湖南 郴州 423000)

通過單因素實(shí)驗(yàn)考察萃取壓力和溫度對(duì)萃取收率的影響。并用響應(yīng)面分析優(yōu)化超臨界CO2萃取五葉瓜藤種子油工藝參數(shù)，依據(jù)回歸分析確定萃取工藝的影響因子，以萃取收率為響應(yīng)值作響應(yīng)面和等值線圖。結(jié)果表明，超臨界CO2萃取五葉瓜藤種子油的最佳工藝條件為：萃取壓力40 MPa，萃取溫度326 K，萃取收率達(dá)到29.40%。

超臨界二氧化碳萃?。晃迦~瓜藤；響應(yīng)面

五葉瓜藤(HolboelliafargesiiReaub.)為木通科(Lardizabalaceae)八月瓜屬(HolboelliaWall.)多年生常綠木質(zhì)藤本植物，別名野人瓜、紫花牛姆瓜、八月果、預(yù)知子等，分布于湖南、四川、湖北、福建、廣東、云南和陜西南部[1]。五葉瓜藤果實(shí)中含有較多的種子，種子中含有近30%的油脂，其中人體必需的脂肪酸亞油酸的含量相當(dāng)高，是一種值得開發(fā)的保健食用油。

響應(yīng)面分析法(Response Surface Methodology，簡(jiǎn)稱RSM)系采用多元二次回歸方法作為函數(shù)估計(jì)的工具，將多因子試驗(yàn)中因素與指標(biāo)的相互關(guān)系用多項(xiàng)式近擬，依此可對(duì)函數(shù)的響應(yīng)面和等值線進(jìn)行分析，研究因子與響應(yīng)面之間、因子與因子之間的相互關(guān)系[2]。今天，響應(yīng)面方法已經(jīng)成為降低開發(fā)成本、優(yōu)化加工條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量、解決生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題的一種有效方法，它已廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物、食品、化學(xué)、制造等領(lǐng)域。

本文采用“綠色”的超臨界CO2萃取技術(shù)提取五葉瓜藤種子油。在前期研究基礎(chǔ)上[3]，探討萃取壓力和萃取溫度等參數(shù)對(duì)萃取收率的影響，并采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化了超臨界CO2萃取五葉瓜藤種子油的工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

五葉瓜藤種子：五葉瓜藤產(chǎn)自湖南張家界天門山，經(jīng)吉首大學(xué)城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃學(xué)院廖博儒副教授鑒定為木通科八月瓜屬的五葉瓜藤(HolboelliafargesiiReaub.)。將五葉瓜藤果實(shí)的果皮與果肉除去，收集種子；然后將其種子置于恒溫烘箱內(nèi)，在45 ℃下烘干，最終測(cè)得含水量5.3%，粉碎，放于低溫冰箱保存，備用。

CO2：99.9%，食品級(jí)，購(gòu)于長(zhǎng)沙鑫湘氣體化工有限責(zé)任公司。

1.2 主要儀器

超臨界CO2萃取裝置(HA121-50-02型，江蘇南通華安)，干燥箱(DF-42型，日本大和)，低溫冰箱(MDF-292AT，日本)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將粉碎的五葉瓜藤種子裝入萃取釜，對(duì)萃取釜、分離釜Ⅰ和分離釜Ⅱ分別加熱，并啟動(dòng)冷機(jī)制冷。當(dāng)萃取釜、分離釜和冷機(jī)儲(chǔ)罐的溫度都達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，從CO2氣瓶出來的CO2經(jīng)冷機(jī)儲(chǔ)罐冷凝后，通過高壓泵打入萃取釜和兩個(gè)分離釜。當(dāng)萃取釜和分離釜的壓力都達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定值時(shí)，開始循環(huán)萃取。每間隔30 min，從分離釜Ⅰ和分離釜Ⅱ放料并稱重，計(jì)算收率。

2 結(jié)果與分析

2.1 超臨界CO2萃取過程中主要因素對(duì)萃取的影響

2.1.1 萃取壓力對(duì)收率的影響

萃取壓力是超臨界CO2萃取的主要影響因素之一，一般而言，超臨界CO2萃取的萃取收率隨壓力的升高而升高。圖1為萃取溫度35 ℃、45 ℃和55 ℃下萃取壓力與萃取收率的關(guān)系圖。如圖所示，在同一溫度下，隨著萃取壓力的升高，萃取收率提高。例如萃取溫度為45 ℃時(shí)，隨著萃取壓力從25 MPa上升到30 MPa，五葉瓜藤種子油收率從22.75%增加到27.05%。由此可見，萃取壓力對(duì)五葉瓜藤種子油萃取效果有著明顯有利的影響。這是由于壓力的升高使得超臨界CO2密度增大，對(duì)物質(zhì)的溶解能力增強(qiáng)，更多的組分被萃取出來。

圖1 萃取壓力對(duì)收率的影響

2.1.2 萃取溫度對(duì)收率的影響

溫度是五葉瓜藤種子油萃取的又一重要影響因素。其影響較為復(fù)雜，與萃取壓力有著密切的聯(lián)系。圖2表明：在萃取壓力為25 MPa時(shí)，收率隨萃取溫度的升高下降；在萃取壓力為30 MPa時(shí)，萃取收率隨萃取溫度升高先上升再下降；而在萃取壓力為35 MPa時(shí)，收率隨萃取溫度的升高而升高。

圖2 萃取溫度對(duì)收率的關(guān)系

萃取收率隨溫度變化所表現(xiàn)出的這種現(xiàn)象，可能是由于溫度與壓力的耦合作用造成的。一方面溫度升高，CO2流體的密度下降，超臨界CO2溶解能力下降；另一方面，溫度升高，被萃取溶質(zhì)的揮發(fā)性提高和擴(kuò)散系數(shù)增大，使得萃取收率增加[4]?？傮w上講，萃取溫度對(duì)五葉瓜藤種子油收率的影響不如萃取壓力顯著。

2.2 響應(yīng)面分析優(yōu)化超臨界CO2萃取參數(shù)

在以上單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，作者進(jìn)一步進(jìn)行響應(yīng)面分析，以尋求最佳工藝條件，其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1。

表1 響應(yīng)面分析及結(jié)果

采用SAS軟件對(duì)表1中12個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析，其方差結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析

擬合不足檢驗(yàn)用于檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后得到的二次響應(yīng)曲面回歸方程的可靠性。由表2可知回歸方程擬合不足檢驗(yàn)顯著水平為0.42，方程的擬合不足檢驗(yàn)不顯著，表明二次響應(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。回歸方程一次項(xiàng)和二次項(xiàng)在α=0.01水平上顯著，交互項(xiàng)的方差分析說明本實(shí)驗(yàn)條件下各因素之間存在著一定的相互影響。從因素檢驗(yàn)可看出本實(shí)驗(yàn)所取兩個(gè)因素：壓力和溫度分別在α=0.01和α=0.05水平上是顯著的，說明壓力和溫度對(duì)萃取收率都有著顯著的影響，而且壓力比溫度對(duì)超臨界萃取有更顯著的影響。

各因素經(jīng)回歸擬合后，得回歸方程為Y=26.762457+3.094706×P+0.317632×T-1.393427P2+1.349592P×T-2.018427T2

該回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.963 8，說明該二次響應(yīng)曲面回歸模型可以很好地?cái)M和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)回歸模型，做出響應(yīng)面圖，如圖3、圖4所示。

圖3和圖4直觀地反映了萃取壓力和萃取溫度對(duì)響應(yīng)值的影響：萃取壓力對(duì)五葉瓜藤種子油的影響最顯著，表現(xiàn)為曲線較陡，且在每個(gè)溫度下隨著壓力的增大，收率都增加；萃取溫度次之，表現(xiàn)為曲線較為平滑。

對(duì)模型的典型分析，得到了回歸模型的最優(yōu)值為28.97%，其最優(yōu)條件是：萃取壓力39.7 MPa、萃取溫度325.6K。為檢驗(yàn)響應(yīng)面分析的可靠性，采用上述最優(yōu)萃取條件進(jìn)行五葉瓜藤的超臨界萃取實(shí)驗(yàn)，同時(shí)考慮到實(shí)際操作的便利，將最佳條件修正為萃取壓力40 MPa、萃取溫度326 K，實(shí)際測(cè)得的提取率為29.40%，與理論預(yù)測(cè)值相比相對(duì)誤差在2%左右。因此，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的萃取條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

圖3 回歸模型的響應(yīng)面

圖4 響應(yīng)面的等值線

3 結(jié) 論

萃取壓力和萃取溫度等參數(shù)對(duì)超臨界CO2萃取五葉瓜藤種子油有重要影響。通過響應(yīng)面分析，不僅可以優(yōu)化萃取工藝，確定萃取工藝的影響因子，而且能夠預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)范圍萃取參數(shù)下的萃取收率。因此，響應(yīng)面分析法對(duì)超臨界CO2萃取實(shí)踐有一定的指導(dǎo)作用。

[1] 中國(guó)科學(xué)院植物研究所.中國(guó)高等植物圖鑒：第1冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，1987：756-757.

[2] 慕運(yùn)動(dòng).響應(yīng)面方法及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J].鄭州工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，22(3)：91-94.

[3] 雷華平，田啟建，盧成英，等.五葉瓜藤種子油超臨界CO2萃取及其質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].中國(guó)油脂，2009，34(5)：71-74.

[4] 葛發(fā)歡，劉菊研，雷華平，等.中藥超臨界二氧化碳萃取技術(shù)研究[M].北京：中國(guó)醫(yī)藥科技出版社，2014.

Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Extraction of the SeedOil ofHolboelliafargesiiReaub. with Response Surface Analysis

Lei Huaping，Zhou Jujun，Li Guifang，Zhang Hui，Wang Lingjuan

(School of Pharmaceutical Sciences，Xiangnan University，Chenzhou 423000，China)

The effects of extraction pressure and temperature on extraction yield were investigated by one-factor tests.And then the extraction of the seed oil ofHolboelliafargesiiReaub. was optimized with response surface analysis.The impact factors were determined by means of regression analysis.The response surface and the contour were graphed with extraction yield as the response value.The results show that the optimum conditions are：the extraction pressure 40 MPa，extraction temperature 326 K，and that the extraction rate is up to 29.4%.

supercritical CO2extraction；HolboelliafargesiiReaub.；response surface

10.3969/j.issn.1006-9690.2017.02.009

2016-07-16

雷華平(1979—)，男，博士，副教授，主要從事天然產(chǎn)物提取分離和分析研究。E-mail：audenlei@163.com

Q543

A

1006-9690(2017)02-0034-03