響應(yīng)面法優(yōu)化水蒸氣蒸餾提取芫荽精油的工藝研究

王東營，董穎，孟雨東，汪學(xué)德*， 任翔

(1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，鄭州 450001；2.河南中英科創(chuàng)彈射企業(yè)孵化器有限公司，鄭州 450001)

植物精油是從植物的根、莖、葉、花、果實、種子等組織中提取出來的芳香性油狀液體，享有“液體黃金”的美譽[1]。植物精油主要由揮發(fā)性、具有一定活性的小分子物質(zhì)組成，不僅可以增香賦味，而且能夠抗菌消炎、防腐驅(qū)蟲、食療保健等，因此其廣泛應(yīng)用于護膚品、保健品、肉制品以及天然藥品的研發(fā)利用[2-4]。

芫荽(CoriandrumsativumL.)俗稱香菜，為傘形科芫荽屬一年或兩年生草本植物，具有獨特的芳香氣味，可以去腥提鮮、增進食欲[5-6]。其莖葉清脆鮮嫩，富含蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)、維生素、胡蘿卜素，以及鈣、鐵、鎂、磷等微量元素[7-9]。傳統(tǒng)中醫(yī)理論認(rèn)為，芫荽辛溫香竄，具有發(fā)汗透疹、調(diào)食下氣、辟禽魚之毒的功效，主治小兒麻痹、痢疾下血、食物積滯等病癥[10-12]。現(xiàn)有研究表明，芫荽精油是芫荽體現(xiàn)生理活性的重要功能因子，其含有的黃酮類、酚類、脂肪醛類以及維生素等活性成分具有抗菌、抗氧化、抗病毒、抗焦慮和鎮(zhèn)痛等生理功效[13-17]。

目前，精油的主要提取方法有水蒸氣蒸餾法[18]、溶劑萃取法[19]、超臨界萃取法[20]等，其中水蒸氣蒸餾法具有安全性高、操作簡單、成本低等優(yōu)點，從而得到廣泛應(yīng)用。然而，水蒸氣蒸餾法容易受到提取條件的影響[21-22]，因此，本研究以芫荽為原料，采用水蒸氣蒸餾法探究液料比、蒸餾時間以及浸泡時間對芫荽精油得率的影響，并通過響應(yīng)面法優(yōu)化工藝條件，旨在提高芫荽精油的得率，為芫荽精油的提取和開發(fā)利用提供理論依據(jù)和試驗基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮芫荽：購于河南省鄭州市丹尼斯紅專路店，產(chǎn)自河南中牟。

1.2 試驗方法

1.2.1 芫荽精油的提取

芫荽經(jīng)篩選、清洗、切段、陰干后，收集備用。準(zhǔn)確稱取干燥的芫荽50 g于2000 mL平底燒瓶中，按照試驗設(shè)計中的液料比添加去離子水，浸泡一定時間后，連接并固定蒸餾裝置。調(diào)節(jié)加熱套的溫度，使平底燒瓶中的混合物保持微沸的狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝坏我旱勿s出時開始計時，蒸餾到規(guī)定時間后關(guān)閉加熱套，使其自然冷卻至室溫，收集精油提取器中淺黃綠色油狀液，利用無水硫酸鈉脫除水分，將混合物離心分離取上清液即得到芫荽精油。稱量其質(zhì)量后計算芫荽精油得率。

式中：Y表示芫荽精油得率，%；m表示芫荽精油的質(zhì)量，g；M表示芫荽質(zhì)量，g。

1.2.2 單因素試驗

1.2.2.1 液料比對芫荽精油得率的影響

準(zhǔn)確稱取50 g干燥的芫荽置于平底燒瓶中，在蒸餾時間6 h、浸泡時間0 h的條件下，探究液料比(V水∶W芫荽)9，12，15，18，21(mL/g)對芫荽精油得率的影響。

1.2.2.2 蒸餾時間對芫荽精油得率的影響

準(zhǔn)確稱取50 g干燥的芫荽置于平底燒瓶中，在液料比12(mL/g)、浸泡時間0 h的條件下，探究蒸餾時間6，9，12，15，18 h對芫荽精油得率的影響。

1.2.2.3 浸泡時間對芫荽精油得率的影響

準(zhǔn)確稱取50 g干燥的芫荽置于平底燒瓶中，在液料比12(mL/g)、蒸餾時間6 h的條件下，探究浸泡時間6，9，12，15，18 h對芫荽精油得率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗

依據(jù)單因素試驗結(jié)果，利用Box-Behnken設(shè)計原理，以液料比(A)、蒸餾時間(B)、浸泡時間(C)作為響應(yīng)變量，以芫荽精油得率作為響應(yīng)值(Y)，設(shè)計3因素3水平試驗方案。試驗因素和水平設(shè)計見表1。

表1 Box-Benhnken試驗設(shè)計因素和水平Table 1 The factors and levels of Box-Benhnken test design

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗均重復(fù)3次。試驗數(shù)據(jù)使用Excel 2016進行統(tǒng)計分析，采用GraphPad Prism 8軟件繪制折線圖，運用Design-Expert V8.0.6軟件進行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 液料比對芫荽精油得率的影響

由圖1可知，芫荽精油得率隨著液料比的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在液料比為15(mL/g)時，精油得率最高，達0.44%；由此表明合適的液料比可使芫荽與水蒸氣的接觸更加充分，從而提高精油的得率。當(dāng)液料比相對較低時，水不能完全浸潤芫荽樣品，導(dǎo)致精油得率偏低。而隨著液料比的增加，組織細(xì)胞液與外界環(huán)境濃度差變大，芫荽細(xì)胞吸水脹破，使更多的精油分散至水中，并伴隨水蒸氣餾出，從而使精油得率增加[23]。但當(dāng)液料比過大時，一方面導(dǎo)致分散在水中的精油濃度降低，另一方面容易產(chǎn)生暴沸現(xiàn)象，兩者均不利于芫荽精油的提取，因此精油得率下降[24]。

圖1 液料比對精油得率的影響Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on the extraction yield of essential oils

2.1.2 蒸餾時間對芫荽精油得率的影響

由圖2可知，蒸餾時間從6 h增加至9 h時，芫荽精油得率上升；當(dāng)蒸餾時間為9 h時，芫荽精油得率達最大值0.45%；此后，隨著蒸餾時間的繼續(xù)增加，芫荽精油得率下降。蒸餾時間較短時，芫荽樣品中精油殘留率高，得率低。蒸餾時間稍長時，芫荽試樣中的精油萃取得更徹底，從而得率提高。蒸餾時間過長時，不僅造成資源浪費，而且導(dǎo)致精油揮發(fā)分解，因此精油得率下降[25]。

圖2 蒸餾時間對精油得率的影響Fig.2 Effect of distillation time on the extraction yield of essential oils

2.1.3 浸泡時間對芫荽精油得率的影響

由圖3可知，芫荽精油得率隨著浸泡時間的延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，浸泡時間為9 h時，精油得率達最大值0.43%。水作為載體將芫荽內(nèi)部精油運輸?shù)奖砻?，?dāng)浸泡時間短時，水不能滲入到芫荽的內(nèi)部，對其浸潤不徹底，導(dǎo)致部分精油殘留在內(nèi)部，精油得率低。當(dāng)浸泡9 h時，芫荽浸潤充分，精油得率高。但浸泡時間過長時，精油在水中的分解量加大，損失增多，因此得率下降[26]。

圖3 浸泡時間對精油得率的影響Fig.3 Effect of soaking time on the extraction yield of essential oils

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果

響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Box-Behnken test design and results

2.2.2 回歸模型的建立及顯著性分析

依據(jù)表2的試驗結(jié)果，對液料比、蒸餾時間及浸泡時間進行多項式擬合，建立多元二次回歸方程：Y=0.05-0.010A+0.00375B+0.00125C-0.005AB-0.005AC+0.022BC-0.017A2-0.059B2-0.039C2。

由表3可知，模型的F=33.28，P=0.0001<0.01，表明此模型具有統(tǒng)計學(xué)意義。失擬項的F=5.83，P=0.0607>0.05，說明此模型可以描述各提取工藝條件與芫荽精油得率的關(guān)系。模型決定系數(shù)R2=0.9772，調(diào)整后R2=0.9478>0.8，表明響應(yīng)值的變化有97.72%源自所選的3個因素，且模型的擬合程度較好，因此，該回歸方程可以用來預(yù)測芫荽精油得率隨所選工藝條件的變化。此外，比較表3中F值大小可知，影響精油得率多少的因素依次為A>B>C。通過比較P值大小可知，A對芫荽精油得率的影響顯著，BC、A2、B2、C2對芫荽精油得率的影響極顯著(P<0.01)。

表3 響應(yīng)面二次模型的方差分析Table 3 The variance analysis for response surface quadratic model

續(xù) 表

2.2.3 各因素交互作用的分析

等高線圖和響應(yīng)面圖可用來反映兩因素間交互作用對響應(yīng)值的影響。在等高線圖中，越接近圓形兩因素間的交互作用越弱，越接近橢圓形兩因素間的交互作用越強；在響應(yīng)面圖中，曲面越陡峭，響應(yīng)值變化越快，兩因素間的交互作用越強[27]。

由圖6中(a)可知，等高線圖為橢圓形，表明蒸餾時間和浸泡時間之間交互作用顯著(P<0.05)。通過響應(yīng)面圖的曲面坡度對比可知，圖6中(b)曲線陡峭，表明蒸餾時間與浸泡時間之間相互作用較強，兩者組合對芫荽精油得率的影響顯著(P<0.05)；圖4中(b)曲線較平緩，表明液料比與蒸餾時間之間交互作用較弱，兩者組合對芫荽精油得率的影響不顯著(P>0.05)；圖5中(b)與圖4中(b)曲線趨勢類似，表明液料比與浸泡時間之間交互作用較弱，兩者組合對芫荽精油得率的影響不顯著(P>0.05)。此外，精油得率與液料比、蒸餾時間和浸泡時間3個因素均呈現(xiàn)開口向下的拋物線關(guān)系，表明在試驗選取的范圍內(nèi)，存在最佳點使精油得率達到最大值。

圖4 液料比和蒸餾時間的等高線圖和響應(yīng)面圖Fig.4 Contour and response surface diagrams of the interaction of liquid-solid ratio and distillation time

圖5 液料比和浸泡時間的等高線圖和響應(yīng)面圖Fig.5 Contour and response surface diagrams of the interaction of liquid-solid ratio and soaking time

圖6 蒸餾時間和浸泡時間的等高線圖和響應(yīng)面圖Fig.6 Contour and response surface diagrams of the interaction of distillation time and soaking time

2.2.4 驗證試驗

模型預(yù)測得到芫荽精油的最優(yōu)工藝條件為：液料比14.05(mL/g)、蒸餾時間9.16 h、浸泡時間9.16 h，在此工藝條件下芫荽精油預(yù)測得率為0.500%?？紤]到試驗的實際操作性，將條件調(diào)整為：液料比14.0(mL/g)、蒸餾時間9.2 h、浸泡時間9.2 h，進行3次平行試驗，芫荽精油的得率為(0.496±0.041)%，與模型預(yù)測值存在0.80%的相對誤差，由此可證明通過響應(yīng)面法優(yōu)化的提取工藝切實可行，適用于芫荽精油的提取。

3 結(jié)論

本試驗采用水蒸氣蒸餾的方式提取芫荽精油，依據(jù)單因素試驗結(jié)果，通過響應(yīng)面法優(yōu)化提取芫荽精油的工藝。試驗結(jié)果表明，響應(yīng)變量對響應(yīng)值大小的影響順序依次為液料比>蒸餾時間>浸泡時間。通過模型預(yù)測獲得芫荽精油提取的最佳工藝條件為液料比14.0(mL/g)、蒸餾時間9.2 h、浸泡時間9.2 h，芫荽精油的得率為(0.496±0.041)%，與模型預(yù)測值存在0.80%的相對誤差，證明通過響應(yīng)面法優(yōu)化得到的芫荽精油提取工藝可靠，具備參考價值，可為實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)提供理論依據(jù)和試驗基礎(chǔ)。