八角精油生產(chǎn)工藝響應面優(yōu)化及其對火鍋底料風味的影響

馬鈐，郭川川

(四川天味食品集團股份有限公司，成都 610200)

八角茴香(Illiciumverum)，俗稱八角，是最常用的調(diào)味香料之一，其香氣濃郁，可以烹調(diào)各種美味菜肴[1]。八角干果含有5%～10%的茴香油，其主要特征香氣成分是茴香腦[2-3]。八角精油作為食品加工中的調(diào)味原料，具有獨特的香氣和甜味[4]，在肉制品、泡菜、煙草、飲料等食品工業(yè)中被廣泛使用[5-7]。八角精油運用于食品中除了增香作用外，還具有防腐和抗氧化等作用[8-10]。

目前，精油的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法、超聲波輔助萃取法等[11]，這些傳統(tǒng)方法具有費時費力、溶劑殘留、提取效率低等缺點。而超臨界CO2提取法是一種綠色的工業(yè)化生產(chǎn)精油的方法[12]，使用CO2萃取的精油無化學污染并且萃取能力強、操作溫度較低，能防止熱敏性物質(zhì)的功能性被破壞[13-14]，但由于其設備昂貴，尚未在八角精油的工業(yè)化生產(chǎn)中普遍應用。因此，本試驗選取超臨界CO2萃取法進行研究，對萃取壓力、溫度、時間、CO2流量4個因素進行單因素試驗研究，并根據(jù)單因素試驗結果進一步進行了響應面工藝優(yōu)化，獲得八角精油的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)，并將最優(yōu)工藝下生產(chǎn)的八角精油運用于牛油火鍋底料中，以期為從事八角精油生產(chǎn)工作的科技人員提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

新鮮八角：購于廣西市藤縣古龍鎮(zhèn)；3P多功能熱泵干燥車間：廣東凱能電器科技有限公司；WFJ-60食品香料粉碎機：購于江陰市普友粉體設備有限公司；99.9% CO2：購于成都科源氣體有限公司；HA 231-50-25超臨界萃取裝置：南通華安超臨界萃取設備公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 八角粉制備

將新鮮八角置于多功能熱泵干燥車間中，設置溫度60 ℃連續(xù)干燥，調(diào)節(jié)水分約至10%。將干燥好的八角用食品干燥粉碎機粉碎，過60目篩，制得的八角粉于常溫(25 ℃)干燥儲藏室儲藏。

1.2.2 萃取工藝單因素試驗

稱取600 kg粉碎后的八角粉裝入萃取罐中，分別設置萃取壓力為10，15，20，25，30 MPa，設置固定萃取溫度為38 ℃，萃取時間為3 h，萃取流量為12 mL/min，解吸壓力為6 MPa，解吸溫度為45 ℃，研究萃取壓力對精油得率的影響；稱取600 kg粉碎后的八角粉裝入萃取罐中，設置萃取壓力為25 MPa，分別設置萃取溫度為30，34，38，42，46 ℃，萃取時間為3 h，萃取流量為12 mL/min，解吸壓力為6 MPa，解吸溫度為45 ℃，研究萃取溫度對精油得率的影響；稱取600 kg粉碎后的八角粉裝入萃取罐中，設置萃取壓力為25 MPa，萃取溫度為38 ℃，分別設置萃取時間為1.5，2，2.5，3，3.5 h，萃取流量為12 mL/min，解吸壓力為6 MPa，解吸溫度為45 ℃，研究萃取時間對精油得率的影響；稱取600 g粉碎后的八角粉，裝入萃取罐中，設置萃取壓力為25 MPa，萃取溫度為38 ℃，萃取時間為3 h，萃取流量為8，10，12，14，16 mL/min，解吸壓力為6 MPa，解吸溫度為45 ℃，研究CO2流量對精油得率的影響。

1.2.3 萃取工藝響應面設計

在單因素試驗結果的基礎上，采用響應面法優(yōu)化八角精油的生產(chǎn)工藝。以八角精油的得率為響應值，萃取的壓力、溫度、時間和CO2流量為自變量，設置1.68，1，0，1，1.68 5個編碼水平，通過中心組合旋轉(zhuǎn)設計建立模型。

1.2.4 八角與其精油在牛油火鍋底料中的復配

用八角精油來替代原牛油火鍋底料中的部分八角，八角和其精油按5∶5復配比例方案進行(5∶5方案是指10份八角原料中用5份原料，剩余的5份萃取成精油，然后全部添加或者只添加其中的1，2，3，4份，具體添加比例根據(jù)風味和成本而定)，本次試驗另外5份萃取成精油全部加入，運用專業(yè)的香精語言對其和原產(chǎn)品進行感官風味分析。

1.2.5 牛油火鍋底料的香精語言分析

每塊手工牛油老火鍋底料(90 g)加700 mL純水，烹煮10 min后，由受過專業(yè)訓練的感官評定團隊(24人)運用香精語言(見表1)分析精進版本和原產(chǎn)品的風味特征，進行風味比對，并挖掘異同點。

表1 香精語言及其描述Table 1 The essence language and its description

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

單因素分析有3次獨立重復，結果進行完全隨機設計的方差分析。結果用平均值±標準差表示。響應面分析采用Design Expert V8.0.6數(shù)據(jù)處理。所有數(shù)據(jù)采集均使用Microsoft Office Excel 2010和DPS 7.5(數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))執(zhí)行平均差異在P<0.05水平被認為是顯著的。

2 結果與討論

2.1 萃取壓力對八角精油得率的影響

CO2超臨界萃取壓力對八角精油得率的影響見圖1。

圖1 萃取壓力對精油得率的影響Fig.1 Effect of extraction pressure on the yield of essential oil

由圖1可知，隨著萃取壓力的上升，八角精油得率總體呈先上升后趨于平緩增加的趨勢。當萃取壓力由10 MPa上升到25 MPa時，八角精油的得率顯著增加(P<0.05)，且萃取壓力為20～25 MPa，精油得率的增長率高于10～20 MPa；當萃取壓力由25 MPa上升到30 MPa時，呈緩慢增加趨勢，但不顯著(P>0.05)。

壓力是影響CO2超臨界萃取的關鍵因素之一。隨著超臨界流體壓力的增加，不同化合物的溶解度普遍急劇增加。特別是在臨界壓力附近，各種化合物的溶解度參數(shù)的增加值可達到兩個數(shù)量級以上。研究發(fā)現(xiàn)超臨界的溶解能力與壓力的關系可用超臨界流體的密度表示，其溶解能力一般隨著密度的增加而增加。在臨界點附近，壓力對密度的影響特別明顯，流體的密度隨壓力的增加而迅速提高，溶解度增加效應越大。超過此范圍則壓力對密度增加的影響變小，溶解度增加效應也趨于緩慢。當?shù)孜锖推渌蛩匾欢〞r，隨著壓力的進一步增大，精油得率不再增加，考慮設備的承受能力和成本效益，有必要對萃取壓力進行進一步優(yōu)化。

2.2 萃取溫度對八角精油得率的影響

CO2超臨界萃取溫度對八角精油得率的影響見圖2。

圖2 萃取溫度對精油得率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of essential oil

由圖2可知，隨著萃取溫度的增加，八角精油得率總體呈先上升后下降的趨勢。當萃取溫度由30 ℃上升到38 ℃時，八角精油得率顯著增加(P<0.05)，且萃取溫度由34 ℃增長至38 ℃時，精油得率的增長率高于30～34 ℃；當萃取溫度由38 ℃上升到46 ℃時，八角精油得率連續(xù)顯著降低(P<0.05)，且萃取溫度由38 ℃增長42 ℃時的精油得率下降率高于42～46 ℃。

溫度對超臨界萃取的影響比壓力更為復雜，主要包含兩個方面：溫度對超臨界流體密度的影響和溫度對物質(zhì)蒸汽壓的影響。一般來說，隨著溫度的升高，密度降低，使物質(zhì)在超臨界CO2流體中的溶解度下降。而溫度對物質(zhì)蒸汽壓也有一定的影響，隨著溫度的升高，物質(zhì)的蒸汽壓增大，使物質(zhì)的溶解度增大，這兩個相反的影響導致在一定壓力下等壓溶解度的最低點。在最低溫度以下，前者占優(yōu)勢，溶解度呈下降趨勢;在最低溫度以上，后者占優(yōu)勢，溶解度呈上升趨勢。

2.3 萃取時間對八角精油得率的影響

CO2超臨界萃取時間對八角精油得率的影響見圖3。

圖3 萃取時間對精油得率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the yield of essential oil

由圖3可知，隨著萃取時間的增加，八角精油得率總體呈先上升后趨于平緩增加的趨勢。當萃取時間由1.5 h上升至3.0 h時，八角精油得率顯著增加(P<0.05)；當萃取時間由3 h上升到3.5 h時，不再有顯著變化(P>0.05)。

萃取時間對萃取率的影響可以從底物的量與萃取時間的關系來考慮。在萃取底物及其他因素一定時，八角精油的最大萃取量是一定的。隨著萃取時間的延長萃取率相應增加，但增加的曲線斜率逐漸減小，最后趨近于平緩，所以一般萃取時間控制在內(nèi)。

2.4 CO2流量對八角精油得率的影響

CO2超臨界萃取流量對八角精油得率的影響見圖4。

圖4 CO2流量對精油得率的影響Fig.4 Effect of CO2 flow rate on the yield of essential oil

由圖4可知，隨著萃取流量的增加，八角精油得率總體呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢。當萃取流量由8 mL/min上升到12 mL/min時，八角精油得率顯著增加(P<0.05)，且萃取流量由8 mL/min增長到10 mL/min時，精油得率的增長率高于10～12 mL/min；當萃取流量由12 mL/min上升到14 mL/min時，八角精油得率無顯著性變化(P>0.05)。

流量是萃取過程中的一個經(jīng)濟型指標，也是影響得率的重要因素之一。流量的變化對萃取率的影響應從兩個方面考慮：流量對傳質(zhì)速率的影響和流量對萃取時間的影響。流量的增加導致萃取器內(nèi)流速增加，萃取時間減少，不利于萃取；隨著流量的增加，與物質(zhì)間的傳質(zhì)速率提高，從而使萃取速率增大。

2.5 響應面優(yōu)化

2.5.1 響應面試驗方案及結果

為了進一步優(yōu)化CO2超臨界萃取生產(chǎn)八角精油的生產(chǎn)工藝，根據(jù)單因素試驗結果，分別選擇萃取壓力20～30 MPa、溫度34～42 ℃、時間2.5～3.8 h、流量10～14 mL/min為優(yōu)化區(qū)間，編碼水平為-1.68，-1.00，0.00，+1.00，+1.68，采用7個中心旋轉(zhuǎn)設計了21組響應面優(yōu)化工藝試驗，響應面試驗因素及水平見表2，方案及結果見3。

表2 響應面試驗因素及水平Table 2 The factors and levels of response surface test

表3 響應面試驗方案及結果Table 3 Response surface test scheme and results

2.5.2 顯著性及方差分析

CO2超臨界萃取八角精油響應面優(yōu)化生產(chǎn)工藝的顯著性及方差分析結果見表4，優(yōu)化模型見式(1)。

表4 顯著性及方差分析Table 4 The significance and variance analysis

R =-95.8963+0.7488A+5.4809B+6.8735C-3.8795D+0.0245AB-0.0095AC+0.0324AD+0.0231BC+0.1335BD+0.0188CD-0.0346A2-0.1012B2-1.1313C2-0.0733D2。

式(1)

由表4可知，優(yōu)化模型的P<0.05，F(xiàn)值=53.6517>0.05，說明所用的模型有統(tǒng)計學意義；失擬項的P值=0.0878>0.05，F(xiàn)值=4.7499>0.05說明所用模型具有可靠性。模型中因素A，B，C，D分別為P(A)<0.0001，P(B)=0.0561，P(C)=0.0012，P(D)=0.0035，由此可以看出，P(A)D>C。但交互項中P(AB)、P(BD)<0.05，二次項P(B2)<0.05對八角精油得率有顯著影響，因此因素B也是不可忽略的重要因素。

2.5.3 最優(yōu)工藝及驗證

超臨界CO2萃取八角精油得率的變化可以在響應面上反映，見圖5。

圖5 八角精油得率的響應面優(yōu)化Fig.5 Response surface optimization of the yield of star anise essential oil

八角精油得率的變化隨著萃取壓力和萃取溫度的變化而變化(見圖5中A)，萃取壓力和萃取時間(見圖5中B)、萃取壓力和CO2流量(見圖5中C)、萃取溫度和萃取時間(見圖5中D)、萃取溫度和CO2流量(見圖5中E)、萃取時間和CO2流量(見圖5中F)也有相應的變化趨勢。八角精油最大得率出現(xiàn)在圖5中的以下條件中：圖5中A的萃取壓力和萃取溫度分別為28 MPa和38 ℃，圖5中B的萃取壓力和萃取時間分別為28 MPa和3 h，圖5中C的萃取壓力和CO2流量分別為28 MPa和13 mL/min，圖5中D的萃取溫度和萃取時間分別為38 ℃和3 h，圖5中E的萃取溫度和CO2流量分別為38 ℃和13 mL/min，圖5中F的萃取時間和CO2流量分別為3 h和13 mL/min。

對八角精油響應面試驗結果進行最優(yōu)擬合分析，并對模型預測的最優(yōu)工藝進行了驗證，結果見表5。以R的最大值為優(yōu)化目標，在A，B，C和D選擇的工藝范圍內(nèi)進行了最優(yōu)響應面擬合。最佳工藝條件為：當A，B，C和D分別為29.27 MPa、37.56 ℃、3.41 h和13.84 mL/min時，R1最大為14.46%。

表5 響應面最優(yōu)擬合及結果驗證Table 5 The optimal fitting of response surface and result verification

對模型預測的最優(yōu)工藝進行了驗證，結果顯示：在模型預測的最優(yōu)工藝條件下，試驗所得R實際值為14.13%，與預測值的相對誤差為-2.3%(<5%)，表明預測結果是可靠的。

2.6 八角精油對牛油火鍋底料風味的影響

牛油火鍋底料在原配方的基礎上使用八角精油改進后，整體風味方向和標準樣基本保持一致，但在牛脂、木香、醬香、花香等方面略有變化，見圖6。

圖6 八角精油對牛油火鍋底料風味的影響Fig.6 Effect of star anise essential oil on the flavor of butter hotpot seasoning

由圖6可知，煮沸10 min后，測試樣和標準樣的風味比對，整體醬香有所上升；整體油香上升；八角的風味強度有所上升，木香明顯上升，但果香、花香下降比較明顯；整體的厚實感均略有所下降。

3 結論

以單因素的方式分析了萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、CO2流量對超臨界CO2萃取八角精油得率的影響。在此基礎上，利用響應面法對超臨界CO2萃取八角精油的生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化，結果表明：當萃取壓力為29.27 MPa，提取溫度為37.56 ℃，萃取時間為3.41 h，CO2流量為13.84 mL/min時，八角精油最大得率為14.46%，試驗驗證所得實際值為14.13%，與預測值的相對誤差為-2.3%(<5%)。八角與其萃取的精油可以復配使用，使用后整體風味保持一致，但在牛脂、木香、醬香、花香等方面略有變化，在實際生產(chǎn)中可以根據(jù)風味和成本確定具體復配比例。