玫瑰精油的提取及影響因素分析

曹 原， 李朝艷

(1.南陽理工學院信息工程學院 河南 南陽 473004；2.南陽理工學院生物與化學工程學院 河南 南陽 473004)

0 引言

從玫瑰花中提取出的玫瑰精油，是香料調香中最重要、最常用的名貴花香調料，被廣泛應用于食品、化妝品及煙草中[1]，從玫瑰花中提取精油的方法主要有機械壓榨法、水蒸氣蒸餾法[2，3]、浸取法[4]和超臨界萃取法[5，6]，機械壓榨法出油快，成分不純，僅在手工作坊采用；水蒸氣蒸餾法是目前工業(yè)生產(chǎn)中應用較多的一種方法，出油率約為萬分之一，需要消耗大量的時間和能量，且在高溫作用下，精油香味受到一定破壞；浸取法也是傳統(tǒng)方法，它利用有機溶劑萃取玫瑰花，制備玫瑰浸膏，再用乙醇萃取浸膏，得到精油，出油率約為萬分之三，精油中易含有有機溶劑，香味受到一定影響；超臨界萃取法出油率約為千分之一，產(chǎn)品無異味，香味豐滿，因此該方法受到人們的普遍關注。不過即使采用超臨界萃取，玫瑰精油的得率仍不高[7-9]，而玫瑰精油價格昂貴，因此提高玫瑰精油提取率是企業(yè)增加產(chǎn)量，創(chuàng)造經(jīng)濟效益的有效手段。響應面分析能通過較少的實驗次數(shù)對影響反應的多個參數(shù)進行建模和分析[10]，近似構造一個具有明確表達形式的多項式，從而可以尋找到參數(shù)交互作用影響下的最佳響應值。本研究針對玫瑰精油得率低的問題，利用超臨界技術提取玫瑰精油，并且在單因素分析的基礎上，利用反應面法對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，考察了超臨界萃取過程中的萃取壓力、萃取劑流量、萃取溫度及其交互作用對玫瑰精油得率的影響，以提高玫瑰精油的得率。

1 實驗

1.1 原料及儀器

HA121-50-01型CO2超臨界萃取儀，江蘇南通華安超臨界設備有限公司；95%乙醇，分析純，天津科密歐化學試劑有限公司；干玫瑰花，新疆喀什玫源公司提供。

1.2 實驗過程

稱取2 kg玫瑰干花置于蒸餾釜中，加入4 L濃度為10%的鹽水，總加料量不超過釜容積的60%，餾出液冷卻保持在30 ℃左右，蒸餾2 h。冷凝液經(jīng)油水分離器分為油層和玫瑰露，玫瑰露返回蒸餾釜復蒸。粗油層在萃取壓力25 MPa，萃取溫度50 ℃，CO2流量為25 L/h條件下萃取120 min，得到的玫瑰精油直接利用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀進行檢測。

1.3 分析方法

玫瑰精油得率的測定：得率(mg·g-1)=萃取后的油重量/玫瑰干花重量

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用ORIGIN 8.0 軟件對單因素實驗數(shù)據(jù)結果進行整理，采用 Design-Expert 8.0軟件設計響應面試驗，根據(jù)單因素試驗結果確定響應面試驗各因素的水平范圍，選用 Box-Behnken 模型對響應面各數(shù)據(jù)試驗點進行分析及優(yōu)化。

2 結果與討論

2.1 影響因素分析

2.1.1 壓力

利用超臨界CO2法萃取玫瑰精油，臨界壓力是影響得率的一個重要因素，壓力增高，CO2密度增大，對精油的溶解能力增強，有利于萃取的進行；但是隨著壓力的增高，CO2流速增大，導致精油的傳質時間縮短，同時，壓力的增大也會導致萃取過程中傳質困難。在萃取溫度為55 ℃，CO2流量為20 L·h-1，萃取時間為150 min條件下，考察不同超臨界壓力下玫瑰精油的得率，結果如圖1(a)所示。

2.1.2 溫度

超臨界溫度對玫瑰精油得率的影響也具有雙重性：一方面，萃取過程中，隨著溫度的升高，精油中的揮發(fā)組分溶解度和擴散系數(shù)增大，有利于萃?。涣硪环矫?，溫度升高，CO2密度變小，萃取能力下降，不過當壓力超過25 MPa以后CO2密度隨著溫度的變化較小，因此在高于25 MPa壓力條件下，溫度高有利于精油得率的提高。不過在解吸過程中，溫度高又會引起精油揮發(fā)性組分的散失，在萃取壓力25 MPa，CO2流量為20 L·h-1，萃取時間為150 min條件下，考察不同超臨界溫度下玫瑰精油的得率，結果如圖1(b)所示。

2.1.3 CO2流量

CO2流量是影響玫瑰精油得率的一個重要因素，CO2流量大，相當于溶劑與溶質比例大，精油收率高，但是CO2流量過大，溶劑與溶質接觸不充分，也會引起精油收率下降。在萃取壓力25 MPa，CO2流量為20 L·h-1，萃取溫度為50 ℃，萃取時間為120 min條件下，考察不同CO2流量下玫瑰精油的得率，結果如圖1(c)所示。

2.1.4 萃取時間

萃取時間也同樣是影響玫瑰精油得率的一個重要因素，萃取時間短，精油萃取不完全，得率低，萃取時間長，精油雜質多，質量低，而且生產(chǎn)周期長，設備損耗也大。在超臨界壓力為25 MPa，超臨界溫度為50 ℃，CO2流量為25 L·h-1條件下，考察不同萃取時間對精油得率的影響(如圖1(d)所示)。

圖1 超臨界萃取條件對玫瑰精油收率的影響

通過圖1(a)可以看出，在超臨界壓力在15～35 MPa區(qū)間范圍內(nèi)，隨著壓力的變化，精油得率最高為0.862 mg·g-1，因此初步確定適宜的超臨界壓力為25 MPa。通過圖1(b)可以看出，在35～60 ℃區(qū)間，隨著溫度的變化，精油的得率最高達0.881 mg·g-1，因此初步確定適宜的超臨界溫度為50 ℃。通過圖1(c)可以看出，在CO2流量為15～35 L·h-1的范圍內(nèi)，隨著CO2流量的變化，精油得率最高達0.903 mg·g-1，因此初步確定適宜的CO2流量為25 L·h-1。通過圖1(d)可以看出，在萃取時間為40～140 min范圍內(nèi)，當萃取時間達到120 min后，精油的得率維持在0.920 mg·g-1基本維持不變，因此初步確定適宜的精油萃取時間為120 min。

2.2 響應面實驗

在單因素實驗的基礎上，根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理，選取超臨界壓力(Z1)，超臨界溫度(Z2)，CO2流量(Z3)作為影響因素，并分別對其進行如下變換，X1=(Z1-25)/5，X2=(Z2-50)/5，X3=(Z3-25)/5，以X1、X2、X3為自變量，玫瑰精油得率為響應值，采用3因素3水平的響應面分析方法進行實驗，使用Design-Expert 8.0軟件設計3因素3水平共17個響應面分析實驗。Box-Behnken實驗設計見表1。

2.2.1 模型建立及方差分析

應用Design Expert 8.0軟件，對表2中的數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，選擇對響應值顯著的各項，得到

表1 響應面實驗方案及結果

精油得率的全模型二次響應曲面方程

Y(精油得率) =0.96+0.017×X1+0.024×X2-0.042×X3+1.237E-003×X1×X2+0.012×X1×X3+0.012×X2×X3-0.050×X12-0.053×X22-0.041×X32

(1)

對模型進行方差分析，結果見表2。

表2 玫瑰精油得率模型的方差分析結果(全模型)

由表2可知，模型P值不大于0.0002，表明模型方程回歸極顯著；另外，失擬的P值為0.9572，大于0.05，失擬不顯著，表明該方程對實驗擬合情況好，實驗誤差小。綜上說明可用該回歸方程代替實驗真實點對實驗結果進行分析和預測。

各項系數(shù)的P值越小，說明該項越顯著。從表3可知，對于超臨界萃取模型來說，一次項X3為極顯著影響因素，X1、X2與平方項X12、X22、X32為顯著性影響因素，即在各影響因素中，CO2流量 (X3)的影響最大，其次是超臨界溫度(X2)和超臨界壓力(X1)；而各交互影響因素P值中X1·X3值較小，X2·X3、X1·X2相對較大，因此3個因素中相互超臨界壓力與CO2流量相互影響較大，超臨界溫度與其他兩個因素相互之間影響較小。

2.2.2 響應面曲面分析與優(yōu)化

超臨界萃取玫瑰精油優(yōu)化的響應面等高線圖直觀地反映了各因素對響應值的影響，超臨界壓力和CO2流量對玫瑰精油得率的影響如圖2(a)所示，超臨界溫度和CO2流量對玫瑰精油得率的影響如圖2(b)所示，超臨界壓力和超臨界溫度對玫瑰精油得率的影響如圖2(c)所示。

圖2 各因素條件對玫瑰精油收率影響的等高線圖

圖2(a)至圖2(c)經(jīng)數(shù)學分析可知，玫瑰精油的最大得率為0.94 mg·g-1。結合二次回歸模型的數(shù)學分析結果，超臨界萃取的最優(yōu)化條件為：超臨界壓力25.56 MPa，超臨界溫度50.86 ℃，CO2流量22.65 L/h。

3 結論

采用超臨界萃取的手段從玫瑰干花中提取玫瑰精油，通過單因素實驗確定了超臨界壓力、超臨界溫度和CO2流量及超臨界萃取時間的適宜工藝條件范圍，通過Design Expert 8.0對超臨界壓力、超臨界溫度和CO2流量進行了反應面分析，并對其進了回歸方程優(yōu)化，在此基礎上，獲得了最優(yōu)化條件：超臨界壓力25.56 MPa，超臨界溫度50.86 ℃，CO2流量22.65 L/h，萃取時間120 min。