響應(yīng)面法優(yōu)化香茅精油超臨界CO2萃取工藝

李 禎

(咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

香茅精油具有強烈檸檬香味，其主要化學(xué)成分為萜類化合物，其中香茅醛類化合物的含量最高[1-2]。香茅精油化學(xué)成分組成及含量與生長環(huán)境、采收時間、種源、萃取方法等有關(guān)[3-5]。香茅精油具有消腫止痛、抑菌、抗氧化、抗腫瘤、保護(hù)胃黏膜、治療感冒發(fā)燒與跌打損傷等多種藥理作用[6-9]，在食品加工[10]、醫(yī)療保健[11]、美容化妝[12]、驅(qū)蚊殺蟲[13]、保鮮防腐[14]等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。香茅精油的萃取技術(shù)對精油的產(chǎn)量與品質(zhì)影響較大。目前，香茅精油的萃取主要采用水蒸氣蒸餾法，該法費時費力，能耗高，同時高溫易導(dǎo)致精油中熱敏性成分分解，且收率較低。而超臨界流體萃取法操作溫度較低，可有效防止熱敏性成分的分解，同時綠色環(huán)保，后處理簡單，可通過改變操作溫度和操作壓力調(diào)節(jié)流體密度、黏度及傳質(zhì)性能，使溶質(zhì)在超臨界流體中的溶解度發(fā)生變化[15]。因此，作者采用超臨界CO2萃取香茅精油，通過單因素實驗和響應(yīng)面法對萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

香茅干草段，亳州四時堂藥業(yè)有限責(zé)任公司。粉碎，過40目篩，備用。

食品級CO2氣體，純度99.99%，西安亞太液化氣有限公司。

HA221-50-06型超臨界流體萃取裝置，江蘇華安超臨界設(shè)備有限公司；FA1004B型電子分析天平，上海佑科儀器儀表有限公司；WFC-210型中藥粉碎機，北京維博創(chuàng)機械設(shè)備有限公司。

1.2 香茅精油的萃取

采用超臨界CO2萃取香茅精油。稱取100 g香茅草粉末裝入料筒，密封萃取釜；CO2氣體加熱加壓后通入萃取釜，待釜內(nèi)達(dá)到設(shè)定的溫度與壓力后，進(jìn)行連續(xù)萃取，開啟反應(yīng)釜出口閥門，CO2流量為15 L·h-1，經(jīng)過兩級分離釜降壓，萃取一定時間后收集產(chǎn)品，稱重，按下式計算香茅精油收率：

1.3 萃取工藝的優(yōu)化

首先采用單因素實驗考察萃取溫度(20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃)、萃取壓力(15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa)、萃取時間(20 min、40 min、60 min、80 min、100 min、120 min)對香茅精油收率的影響；然后采用響應(yīng)面法優(yōu)化香茅精油的超臨界CO2萃取工藝，以萃取溫度、萃取壓力、萃取時間為自變量，以香茅精油收率為考察指標(biāo)，設(shè)計15組實驗，利用Design Expert軟件分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 萃取溫度對香茅精油收率的影響(圖1)

圖1 萃取溫度對香茅精油收率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on yield of citronella essential oil

由圖1可以看出，隨著萃取溫度的升高，香茅精油收率逐漸升高，當(dāng)萃取溫度達(dá)到35 ℃時，收率達(dá)到最高；繼續(xù)升高萃取溫度，收率則緩慢下降。溫度對超臨界流體的影響主要在兩方面：一是影響超臨界流體的密度，二是影響超臨界流體的傳質(zhì)能力。具體表現(xiàn)在升高萃取溫度，分子運動速率加快，溶質(zhì)及溶劑分子擴散能力提升，傳質(zhì)能力增強，從而使香茅精油溶解度升高，收率升高；但萃取溫度過高，超臨界CO2密度減小，溶劑化能力降低，密度減小對收率的影響大于傳質(zhì)能力增強的影響，因此溶解度降低，收率呈下降趨勢。綜合分析，萃取溫度取35 ℃較為適宜。

2.1.2 萃取壓力對香茅精油收率的影響(圖2)

圖2 萃取壓力對香茅精油收率的影響Fig.2 Effect of extraction pressure on yield of citronella essential oil

由圖2可以看出，隨著萃取壓力的升高，香茅精油收率逐漸升高，當(dāng)萃取壓力達(dá)到25 MPa時，收率達(dá)到最高；繼續(xù)升高萃取壓力，收率略微下降并趨于穩(wěn)定。壓力對超臨界流體的影響主要在兩方面：一是壓力升高，超臨界流體密度增大，有利于傳質(zhì)；二是壓力升高，超臨界流體黏度增大，對傳質(zhì)不利。具體表現(xiàn)在升高萃取壓力，超臨界CO2密度增大，溶質(zhì)及溶劑分子間傳質(zhì)距離縮短，傳質(zhì)速率加快，從而使香茅精油收率逐漸升高；但萃取壓力過高，致使超臨界CO2黏度增大對收率的影響大于密度增大的影響，導(dǎo)致傳質(zhì)速率減慢，香茅精油溶解度降低，收率下降。考慮到高壓操作對萃取設(shè)備的要求較高，會增加設(shè)備投資，同時增加操作難度和操作危險程度。綜合分析，萃取壓力取25 MPa較為適宜。

2.1.3 萃取時間對香茅精油收率的影響(圖3)

由圖3可以看出，隨著萃取時間的延長，香茅精油收率快速升高，在萃取時間為80 min時，收率達(dá)到最高；繼續(xù)延長萃取時間，收率升幅趨緩。這是因為，開始萃取時，香茅精油溶質(zhì)分子還未完全溶解在溶劑中，所以收率較低；隨著萃取時間的延長，溶質(zhì)分子逐漸溶解并達(dá)到飽和，所以收率在快速升高后會趨于穩(wěn)定。綜合分析，萃取時間取80 min較為適宜。

2.2 響應(yīng)面法實驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面法實驗設(shè)計

圖3 萃取時間對香茅精油收率的影響Fig.3 Effect of extraction time on yield of citronella essential oil

以香茅精油收率為考察指標(biāo)，以萃取溫度、萃取壓力、萃取時間為考察因素，采用響應(yīng)面法優(yōu)化香茅精油超臨界CO2萃取工藝。響應(yīng)面法實驗的因素與水平見表1，結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面法實驗的因素與水平

表2 響應(yīng)面法實驗設(shè)計與結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面分析

采用Design Expert軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(表3)，擬合得到模型回歸方程為：Y=3.98+0.0062A+0.0175B+0.0513C+0.0075AB-0.02AC+0.0075BC-0.0767A2-0.0892B2-0.0467C2。

表3 方差分析

通過軟件繪制各因素交互作用對香茅精油收率影響的響應(yīng)面圖及等高線圖，如圖4所示。

由圖4可以看出，萃取溫度(A)與萃取時間(C)的交互作用對香茅精油收率影響的等高線圖呈橢圓形，表明萃取溫度與萃取時間的交互作用對香茅精油收率的影響最強。這一點從表3中也可以證實，AC的F值為5.03，遠(yuǎn)大于AB、BC的F值，表明AC交互作用對香茅精油收率的影響最強，而AB交互作用、BC交互作用對香茅精油收率的影響相當(dāng)。

圖4 各因素交互作用對香茅精油收率影響的響應(yīng)面圖及等高線圖Fig.4 Response surface plot and contour plot for effect of interaction between each factor on yield of citronella essential oil

綜合分析結(jié)果，確定超臨界CO2萃取香茅精油的最優(yōu)工藝條件為：萃取溫度38.5 ℃、萃取壓力25.7 MPa、萃取時間88.3 min，軟件預(yù)測該條件下香茅精油收率為3.96%。為了驗證軟件預(yù)測結(jié)果的可靠性，結(jié)合實際操作將最優(yōu)工藝條件調(diào)整為：萃取溫度39 ℃、萃取壓力26 MPa、萃取時間88 min。

2.2.3 工藝驗證

在最優(yōu)工藝條件(萃取溫度39 ℃、萃取壓力26 MPa、萃取時間88 min)下，采用超臨界CO2萃取香茅精油，3次萃取得到的香茅精油平均收率為3.95%，與預(yù)測結(jié)果接近，證明優(yōu)化的萃取工藝可用于香茅精油的萃取。

3 結(jié)論

采用超臨界CO2對香茅精油進(jìn)行萃取，降低熱敏性成分的分解及其它溶劑的引入，保證了精油的品質(zhì)。通過單因素實驗與響應(yīng)面法確定了超臨界CO2萃取香茅精油的最優(yōu)工藝條件為：萃取溫度39 ℃、萃取壓力26 MPa、萃取時間88 min，在此條件下，香茅精油的平均收率為3.95%。