響應面試驗優(yōu)化超臨界CO2萃取迷迭香精油工藝

畢靜，葉荷生

(1.江蘇經貿職業(yè)技術學院，南京 211168；2.江蘇恒順集團有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

迷迭香是一種唇形科灌木，原產于歐洲及北非地中海沿岸，在歐洲南部作為經濟作物進行栽種，在我國南方大部分地區(qū)也有栽種。迷迭香除了具有觀賞價值外，還廣泛應用在食品加工和日用化工等行業(yè)中[1]。

迷迭香精油一般存在于迷迭香的葉和梗中，具有明顯的抑菌、抗氧化和消炎鎮(zhèn)痛等作用，相關的研究表明[2]，迷迭香精油通過改變細菌細胞膜的通透性，導致還原糖和蛋白質的滲透，進而影響細菌細胞的代謝，抑制了DNA聚合酶的活性，阻制了DNA的復制，達到殺滅細菌的目標。

目前，迷迭香精油提取方法包括壓榨法、有機溶劑提取法、水蒸氣蒸餾法、物理方法輔助提取法吸附等[3]。超臨界CO2萃取法是一種將傳統(tǒng)的蒸餾和有機溶劑萃取結合為一體的高新技術，它利用具有超強溶解力的超臨界CO2，在CO2超臨界狀態(tài)下直接將迷迭香中的精油有效地分離、提取和純化萃取出，具有很高的提取率和效率，能明顯提高產品質量、降低能耗[4]，現(xiàn)已在食品行業(yè)中得到廣泛應用。

響應面分析法是利用合理的試驗設計方法，通過試驗得到一定數(shù)據(jù)，再采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數(shù)關系，并通過對回歸方程的分析，尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，近年來該試驗分析法已廣泛應用在食品工業(yè)的研究中[5]。

本文以迷迭香為原料，采用超臨界CO2萃取法，以乙醇為夾帶劑，選取3個對提取率影響較大的單因素進行響應面試驗設計，優(yōu)化超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油工藝，通過Desing-Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，確定最佳工藝參數(shù)，為高效利用迷迭香資源提供了一種方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與設備

超臨界CO2萃取設備 廣州市浩立生物科技有限公司。

1.2 材料與試劑

乙醇和乙酸乙酯(分析純)：上海聯(lián)試化工試劑有限公司；迷迭香：市售。

1.3 方法

1.3.1 單因素超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油

稱取粉碎后的迷迭香物料50 g，裝入萃取器，通過控制面板設定系統(tǒng)的萃取條件，保持一定的萃取溫度、壓力和流量計顯示CO2的流量，CO2通過高壓泵輸入萃取器，當達到預定值時開始計時，并進夾帶劑，保證一定的萃取時間，停機，開萃取器的出口閥，開始取樣，以迷迭香精油提取率為衡量指標。

通用的萃取條件：以夾帶劑為乙醇，夾帶劑用量為原料的20%，萃取溫度為45 ℃，壓力為12 MPa，流量計顯示CO2的流量為0.04 m3/h，萃取時間為4 h。

分別進行了萃取時間為2，2.5，3，3.5，4 h的試驗；萃取溫度為40，45，50，55，60 ℃的試驗；萃取壓力為12，14，16，18，20 MPa的試驗；流量計顯示CO2的流量為0.01，0.04，0.07，0.10，0.13 m3/h的試驗；夾帶劑分別為水、乙醇和乙酸乙酯的試驗；乙醇為夾帶劑，用量分別為原料的10%、15%、20%、25%、30%的試驗。迷迭香精油提取率按提取出的精油占原料總量的百分比計。

1.3.2 超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油的響應面試驗[6-8]

根據(jù)單因素試驗的結果，選取了萃取時間、萃取溫度和萃取壓力可能對提取率影響較大的因素，設計Box-Behnken試驗，響應面試驗因素和水平見表1。

表1 響應面試驗因素與水平

2 結果與分析

2.1 夾帶劑種類的確定

分別以水、乙醇和乙酸乙酯作為夾帶劑進行超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油，結果見表2。

表2 不同夾帶劑對提取率的影響

由表2可知，乙醇和乙酸乙酯作為夾帶劑結果差不多，但考慮到安全和便利性，選用乙醇作為以后試驗的夾帶劑。

2.2 夾帶劑用量對提取率的影響

以乙醇為夾帶劑，用量分別是10%、15%、20%、25%、30%進行試驗，結果見表3。

表3 夾帶劑用量對提取率的影響

由表3可知，隨著夾帶劑用量的增加，超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油的提取率不斷增大，當夾帶劑用量提高到20%后，繼續(xù)增大夾帶劑的用量，迷迭香精油的提取率增加不多，所以綜合考慮超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油成本，以乙醇為夾帶劑的用量為20%最佳。

2.3 萃取時間對提取率的影響

以超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油，萃取時間分別為2，2.5，3，3.5，4 h進行試驗，結果見表4。

表4 萃取時間對提取率的影響

由表4可知，萃取時間對提取率的影響比較平穩(wěn)。

2.4 萃取溫度對提取率的影響

萃取溫度對提取率有較大影響，不同萃取溫度的提取率也不同，萃取溫度對提取率的影響見表5。

表5 萃取溫度對提取率的影響

由表5可知，萃取溫度升高，提取率增大，這是因為溫度高時萃取物的擴散和溶解效率增加，有利于萃取，但當萃取溫度達到50 ℃后，提取率增大已不明顯，而且溫度如果繼續(xù)提高，對迷迭香精油的效能損失也會越大。

2.5 萃取壓力對提取率的影響

萃取壓力對提取率的影響結果見表6。

表6 萃取壓力對提取率的影響

由表6可知，增大萃取壓力，可以有效增加CO2的極性, 增加迷迭香精油中極性化合物的含量，從而提高了產品的提取率。當萃取壓力達到18 MPa時提取率達到最大值。

2.6 CO2的流速對提取率的影響

CO2的流速對提取率的影響結果見表7。

表7 CO2的流速對提取率的影響

理論上，CO2的流速越大，CO2的使用量也越多，其溶解能力越強，提取率也應越高。但由表7可知，迷迭香精油的提取率隨著CO2流速的增大呈先升高后平穩(wěn)的趨勢，即當CO2的使用量增大到一定量后，迷迭香精油的溶解度逐漸下降，因此選擇CO2流速為0.04 m3/h。

2.7 響應面試驗結果

應用Design-Expert軟件得到響應面試驗設計及結果，見表8。

表8 響應面試驗設計及結果

對結果進行分析擬合，得到二次回歸方程。根據(jù)編碼因子得出的最終方程式為：

提取率(Y)=1.94+0.028A+0.026B+0.046C-0.040AB+0.005000AC-0.028BC-0.084A2-0.11B2-0.067C2。

根據(jù)實際因素得出的最終方程式為：

提取率(Y)=-4.04775+0.71300A+0.13237B+0.17569C-0.004AB+0.00125AC-0.0006875BC-0.08425A2-0.0010675B2-0.00417188C2。

對得到的提取率響應面二次模型進行方差分析，結果見表9。

表9 方差分析表

續(xù) 表

模型的F值為94.78，且P<0.0001，說明該模型具有極顯著性。只有0.01%的可能性，因為噪音而產生如此大的“F型值”。P<0.0500表示模型項差異顯著，在這種情況下，A、B、C、AB、BC、A2、B2、C2是重要的模型項。P>0.1000表示模型項不顯著，失擬項的P=0.2984>0.05，說明失擬項不顯著。根據(jù)各因素F值大小可以得出，3個因素對提取率的影響是C萃取壓力>A萃取時間>B萃取溫度。

2.8 響應面分析

為了考察萃取時間、萃取溫度和萃取壓力及其交互作用對提取率的影響，固定其他因素條件不變，獲得任意兩個因素及交互作用對提取率影響的響應面圖，結果見圖1。

圖1 各因素交互作用對提取率的影響

由圖1可知，交互作用與提取率為正相關關系，兩因素交互作用的重要性由AB、BC、AC依次遞減。

對方程式的求解，預測提取的最佳工藝條件為：萃取時間3.16 h、萃取溫度50.49 ℃、萃取壓力17.37 MPa，迷迭香精油提取率可達1.94786%。考慮實際操作的要求，修正最佳工藝條件為：萃取時間3 h、萃取溫度50.5 ℃、萃取壓力17.5 MPa，實際迷迭香精油提取率為1.94%，與預測結果相差不大，由此可見，應用響應面試驗優(yōu)化超臨界CO2萃取迷迭香精油的工藝確實可行，具有實際的效果。

3 結論

根據(jù)響應面試驗優(yōu)化超臨界CO2萃取迷迭香精油工藝試驗結果，采用超臨界CO2萃取法提取迷迭香精油的工藝條件為：以乙醇為夾帶劑，用量為原料的20%，在萃取時間3 h、萃取溫度50.5 ℃、萃取壓力17.5 MPa、CO2流速0.04 m3/h的條件下，迷迭香精油的平均提取率達1.94%。