響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取玫瑰精油的工藝研究

安比芳 陳創(chuàng)業(yè) 喬桂芳 陶永霞 劉天志

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.03.020

引文格式：安比芳，陳創(chuàng)業(yè)，喬桂芳，等.響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取玫瑰精油的工藝研究[J].中國調(diào)味品，2024，49（3）：118-124.

AN B F， CHEN C Y， QIAO G F， et al.Optimization of extraction process of rose essential oil by ultrasonic-assisted steam distillation method using response surface methodology[J].China Condiment，2024，49（3）：118-124.

摘要：為提高玫瑰精油的出油率，優(yōu)化實際應(yīng)用中水蒸氣蒸餾法從玫瑰花中提取精油的工藝，試驗采用超聲輔助水蒸氣蒸餾法從新疆大馬士革鮮玫瑰中提取精油?；趩我蛩卦囼灒捎肂ox-Behnken中心組合試驗設(shè)計原理，以料液比、蒸餾時間、超聲時間、超聲功率作為響應(yīng)因素，玫瑰精油得率作為響應(yīng)值，對超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取玫瑰精油的工藝進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，最佳精油提取工藝條件：采用超聲輔助水蒸氣蒸餾法用水蒸氣蒸餾提取裝置對鮮玫瑰樣品進(jìn)行加熱冷凝回流提取精油，待水沸騰時開始計時，在料液比1∶4 （g/mL）、蒸餾時間4 h、超聲時間25 min、超聲功率200 W時，玫瑰精油得率達(dá)到0.080 2%。在該工藝條件下提取的玫瑰精油呈淡黃色，香氣純正，令人愉悅，該研究結(jié)果可為玫瑰精油的提取奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：大馬士革玫瑰；超聲輔助；水蒸氣蒸餾法；精油；響應(yīng)面法；工藝優(yōu)化

中圖分類號：TS324.4????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????? 文章編號：1000-9973（2024）03-0118-07

Optimization of Extraction Process of Rose Essential Oil by Ultrasonic-Assisted

Steam Distillation Method Using Response Surface Methodology

AN Bi-fang1， CHEN Chuang-ye1， QIAO Gui-fang1， TAO Yong-xia1*， LIU Tian-zhi2

（1.College of Food Science and Pharmacy， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052，

China； 2.Xinjiang Hotan Sunshine Desert Rose Co.， Ltd.， Hotan 848000， China）

Abstract： In order to improve the oil yield of rose essential oil and optimize the process of extracting essential oil from rose using steam distillation method in practical application， ultrasonic-assisted steam distillation method is used to extract essential oil from fresh Rosa damascena Mill. in Xinjiang. Based on single factor test， Box-Behnken central combination test design principle is used， with solid-liquid ratio， distillation time， ultrasonic time and ultrasonic power as the response factors and the yield of rose essential oil as the response value， the extraction process of essential oil from rose by ultrasonic-assisted steam distillation method is optimized. The results show that the best process conditions for the extraction of essential oil are as follows： the ultrasonic-assisted steam distillation method is used to heat， condense and reflux fresh rose samples using steam distillation extraction device for extracting essential oil. The time is counted when the water boiles. The yield of rose essential oil reaches 0.080 2% when the solid-liquid ratio is 1∶4 （g/mL）， the distillation time is 4 h， the ultrasonic time is 25 min and the ultrasonic power is 200 W. The rose essential oil extracted under these process conditions is light yellow in color with pure and pleasant aroma. The results of this study can lay a technical foundation for the extraction of rose essential oil.

Key words： Rosa damascena Mill.; ultrasonic-assisted; steam distillation method; essential oil;response surface methodology; process optimization

收稿日期：2023-09-16

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)重點研發(fā)專項（2522HXKT1）

作者簡介：安比芳（1994—），女，碩士，研究方向：香氣成分檢測與農(nóng)產(chǎn)品加工。

*通信作者：陶永霞（1979—），女，副教授，碩士，研究方向：食品營養(yǎng)與活性物質(zhì)。

大馬士革玫瑰是薔薇科、薔薇屬，集觀賞和藥食兩用為一體的落葉直立叢生灌木，在伊朗、保加利亞、土耳其、法國、摩洛哥等地區(qū)被大面積種植，中國在20世紀(jì)80年代引種大馬士革玫瑰，栽培歷史悠久[1]。目前在甘肅、山東、川南、新疆等地大面積種植[2]。玫瑰花含有豐富的活性物質(zhì)，如多酚、黃酮、多糖、蛋白質(zhì)、花青素和花色苷等，同時還含有人體需要的18種氨基酸及微量元素。玫瑰精油是從鮮玫瑰的花朵中提取出來的芳香性油狀液體，由于其得率低且價格昂貴，“液體黃金”成為玫瑰精油的代名詞[3]。玫瑰精油中含有多種香氣成分，如香茅醇、香葉醇、β-石竹烯等，是高級香水、香料中的重要原料之一，因此被廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、煙草以及飼料產(chǎn)品的研發(fā)利用中[4-6]。它具有抗氧化、抗焦慮、抑菌、美容護(hù)膚、抗癌等功效[7-13]。

目前，精油成熟的提取方法包括水蒸氣蒸餾[14-15]、有機(jī)溶劑萃取[16]、超臨界CO2萃取[17]、高壓脈沖電場結(jié)合水蒸氣蒸餾[18]等。李琴等[19]采用超聲波協(xié)同水蒸氣蒸餾法提取茴香精油，馬擎等[20]采用超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取檸檬精油，丁華等[21]采用超聲輔助提取香茅精油，李文英等[22]、孫鳳蕊[23]采用響應(yīng)面法分別優(yōu)化超聲輔助從枇杷花、肉桂中提取精油。但是采用超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取玫瑰精油的研究鮮少見到。因此，本文將利用超聲輔助水蒸氣蒸餾技術(shù)，研究不同的料液比、蒸餾時間、超聲時間和超聲功率對大馬士革玫瑰精油得率的影響，結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化工藝參數(shù)，并與未超聲條件下提取的大馬士革玫瑰精油得率作對比，以期為提高大馬士革玫瑰精油提取工藝提供基礎(chǔ)及理論依據(jù)。

1? 材料和方法

1.1? 試驗材料

大馬士革鮮玫瑰花：新疆和田瑰覓玫瑰有限公司；蒸餾水：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗室；精油分裝瓶：網(wǎng)購。

1.2? 試劑

15%氯化鈉（分析純）：新疆鹽湖制鹽有限責(zé)任公司。

1.3? 主要儀器與設(shè)備

DLSB-5/20低溫冷卻液循環(huán)泵? 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；XMP-10H超聲波清洗儀? 小美超聲儀器（昆山）有限公司；SXKW數(shù)控電熱套? 北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；JSB30-1電子計重稱? 上海浦春計量儀器有限公司；揮發(fā)油測定器? 天長市華唐實驗設(shè)備科技有限公司；三口圓底燒瓶、空心塞、冷凝管? 鼎盛化玻儀器有限公司。

1.4? 試驗方法

1.4.1? 精油得率計算方法

玫瑰精油得率（%）=mM×100%。

式中：m為玫瑰精油質(zhì)量，g;M為新鮮玫瑰花質(zhì)量，g。

1.4.2? 單因素試驗

1.4.2.1? 料液比對玫瑰精油得率的影響

稱取500 g新疆大馬士革玫瑰置于5 000 mL三口圓底燒瓶中，加入15%的氯化鈉，料液比分別為1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6，超聲功率200 W，超聲時間25 min，蒸餾時間4 h，考察料液比對玫瑰精油得率的影響，試驗重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.4.2.2? 蒸餾時間對玫瑰精油得率的影響

稱取500 g新疆大馬士革玫瑰置于5 000 mL三口圓底燒瓶中，加入15%的氯化鈉，料液比1∶4，超聲功率200 W，超聲時間25 min，分別蒸餾2，3，4，5，6 h，考察蒸餾時間對玫瑰精油得率的影響，試驗重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.4.2.3? 超聲時間對玫瑰精油得率的影響

稱取500 g新疆大馬士革玫瑰置于5 000 mL三口圓底燒瓶中，加入15%的氯化鈉，料液比1∶4，超聲功率200 W，超聲時間分別為15，20，25，30，35 min，蒸餾時間4 h，考察超聲時間對玫瑰精油得率的影響，試驗重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.4.2.4? 超聲功率對玫瑰精油得率的影響

稱取500 g新疆大馬士革玫瑰置于5 000 mL三口圓底燒瓶中，加入15%的氯化鈉，料液比1∶4，超聲功率分別為160，180，200，220，240 W，超聲時間25 min，蒸餾時間4 h，考察超聲功率對玫瑰精油得率的影響，試驗重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.4.3? 響應(yīng)面優(yōu)化試驗

參照邵良偉等的方法[24-27]，稍作修改。依據(jù)Box-Benhnken中心組合設(shè)計原理，通過單因素試驗，以料液比、蒸餾時間、超聲時間、超聲功率作為自變量，大馬士革玫瑰精油得率作為因變量，對試驗因素進(jìn)行響應(yīng)面分析，試驗因素水平見表1。

1.4.4? 對比試驗

為了確定超聲輔助水蒸氣蒸餾法能夠提高玫瑰精油的得率，在篩選出的條件下，稱取500 g新疆大馬士革鮮玫瑰花，加入15%的氯化鈉，料液比為1∶4，蒸餾4 h，不采用超聲條件通過水蒸氣蒸餾法從新疆大馬士革玫瑰中提取精油，試驗重復(fù)3 次，并計算精油得率，結(jié)果取平均值，以驗證超聲輔助能夠提高大馬士革玫瑰精油得率的結(jié)論。

1.4.5? 數(shù)據(jù)處理

試驗重復(fù)進(jìn)行3次。使用Excel和SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析，使用Origin 2022和Design-Expert 13軟件進(jìn)行繪圖。

2? 結(jié)果及分析

2.1? 單因素試驗結(jié)果分析

2.1.1? 料液比對大馬士革玫瑰精油得率的影響

由圖1可知，料液比直接影響玫瑰精油的得率。當(dāng)料液比為1∶2時，精油得率為0.030 3%，這是由于料液比過小，物料與水蒸氣接觸不完全，揮發(fā)性成分不易溶出，進(jìn)而導(dǎo)致玫瑰精油得率低；隨著料液比的增加，在一定程度上提高了精油得率，物料與溶液滲透體系濃度差變大，揮發(fā)性成分溶出速度加快，大馬士革玫瑰精油的得率逐漸提高，當(dāng)料液比控制在1∶4時，玫瑰精油得率達(dá)到0.074 6%；料液比過大時，蒸餾水會導(dǎo)致精油溶解，精油損失變大，導(dǎo)致玫瑰精油得率顯著降低。選定蒸餾時間為4 h、超聲功率為200 W、超聲時間為25 min，研究料液比對新疆大馬士革玫瑰精油得率的影響，當(dāng)料液比為1∶4時新疆大馬士革玫瑰精油得率最高。

2.1.2? 蒸餾時間對大馬士革玫瑰精油得率的影響

由圖2可知，蒸餾時間也是影響玫瑰精油得率的主要因素，隨著蒸餾時間的增加，玫瑰精油的得率不斷增加。當(dāng)蒸餾時間為2 h時，玫瑰精油的得率為0.027 2%，這是由于蒸餾時間過短，水蒸氣不能充分將玫瑰中的揮發(fā)性成分帶出而導(dǎo)致精油得率降低；當(dāng)蒸餾時間為4 h時，玫瑰精油得率為0.084 1%，達(dá)到最高。但當(dāng)蒸餾時間為5，6 h時，玫瑰中揮發(fā)性成分的溶出達(dá)到了臨界值，玫瑰精油的得率趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，選定料液比為1∶4、超聲功率為200 W、超聲時間為25 min，研究蒸餾時間對新疆大馬士革玫瑰精油得率的影響，提取新疆大馬士革玫瑰精油的最佳蒸餾時間為4 h。

2.1.3? 超聲時間對大馬士革玫瑰精油得率的影響

由圖3可知，超聲技術(shù)是利用超強(qiáng)的穿透力擊碎細(xì)胞，從而加速有效成分進(jìn)入溶劑，促進(jìn)提取。目前，通過超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取玫瑰精油的方法鮮少見到，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著超聲時間的增加，玫瑰精油的得率不斷提高，但超聲時間過長反而會導(dǎo)致精油的得率下降。當(dāng)超聲時間為15 min時，玫瑰精油得率為0.061 3%，可能是由于玫瑰的細(xì)胞組織沒有被完全擊破，揮發(fā)性成分未能完全溶出；當(dāng)超聲時間為25 min時，玫瑰精油得率達(dá)到最高，為0.087 2%，此時揮發(fā)性成分進(jìn)入溶劑，被水蒸氣帶出，促進(jìn)揮發(fā)性成分的提?。划?dāng)超聲時間超過25 min時，玫瑰精油得率逐漸下降，這是由于超聲時間過長，玫瑰細(xì)胞壁破裂，有大量雜質(zhì)溢出，部分揮發(fā)性成分被雜質(zhì)帶走，導(dǎo)致玫瑰精油得率下降。選定料液比為1∶4、蒸餾時間為4 h、超聲功率為200 W，研究超聲時間對新疆大馬士革玫瑰精油得率的影響，超聲時間為25 min時玫瑰精油得率最高。

2.1.4? 超聲功率對大馬士革玫瑰精油得率的影響

由圖4可知，隨著超聲波功率逐漸增強(qiáng)，精油得率明顯增加。當(dāng)超聲功率小于200 W時，超聲波在一定程度上對細(xì)胞壁的破裂以及精油的提取起到促進(jìn)作用，使分子的擴(kuò)散速度隨著超聲功率的增大而加快[28]，玫瑰精油的得率增加。當(dāng)超聲功率大于200 W時會明顯降低溶劑對玫瑰組織內(nèi)部的滲透程度，因其超聲波的熱量會導(dǎo)致新疆大馬士革玫瑰精油揮發(fā)，從而降低了玫瑰精油的得率。選定料液比為1∶4、蒸餾時間為4 h、超聲時間為25 min，研究超聲功率對新疆大馬士革玫瑰精油得率的影響，最適宜的超聲功率為200 W。

2.2? 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗

2.2.1? 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

以單因素試驗為基礎(chǔ)，新疆大馬士革玫瑰精油得率為指標(biāo)，采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行Box-Behnken試驗設(shè)計，確定玫瑰精油提取最佳工藝參數(shù)，試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

2.2.2? 響應(yīng)面結(jié)果分析

對表2中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項回歸擬合，得到大馬士革玫瑰精油得率（Y）對料液比（A）、蒸餾時間（B）、超聲時間（C）、超聲功率（D）的多元回歸方程為Y=0.081 2+0.003 0A+0.003 9B+0.003 5C+0.002 0D－0.001 0AB－0.002 0AC－0.002 5AD－0.001 9BC－0.002 2BD－0.002 2CD－0.004 7A2－0.006 2B2－0.004 7C2－0.004 1D2。該回歸模型的方差分析結(jié)果見表3。

由表3可知，大馬士革玫瑰精油得率回歸模型的P<0.000 1＜0.01，表現(xiàn)為極顯著，而失擬項的P=0.625 4>0.05，表現(xiàn)為不顯著，可見該模型可靠，試驗進(jìn)行過程中干擾因素對試驗結(jié)果的影響較小。另外，該回歸模型的R2=0.979 2，RAdj2=0.958 5，說明該模型的擬合程度較好。綜上所述，本試驗設(shè)計的模型可以用來分析提取大馬士革玫瑰精油時響應(yīng)值和因素值之間的關(guān)系及變化情況，并對工藝進(jìn)行優(yōu)化。由表3中的F值可知，4個因素對精油得率的影響次序為B（蒸餾時間）>C（超聲時間）>A（料液比）>D（超聲功率）。在模型中，一次項A、B、C、D和二次項A2、B2、C2、D2均有極顯著性（P<0.01），說明各自變量與因變量間具有良好的線性關(guān)系，而在對綜合玫瑰精油得率的交互中，發(fā)現(xiàn)AB之間交互作用不顯著（P>0.05），AC、AD、BC、BD、CD之間交互作用極顯著（P<0.01）。由于AC、AD、BC、BD、CD這5組因素之間存在明顯的交互作用，所以對這5組因素進(jìn)行響應(yīng)面分析，研究各因素之間的詳細(xì)交互規(guī)律，響應(yīng)面回歸模型分析得到的響應(yīng)曲面圖和等高線圖見圖5～圖9。

由圖5～圖9可知，在相應(yīng)的試驗范圍內(nèi)，4個響應(yīng)因素都具有響應(yīng)極值，并且5組因素間的交互作用結(jié)果與方差分析結(jié)果一致。在對各響應(yīng)因素的交互作用對綜合得分影響的響應(yīng)面及等高線進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，與軟件計算回歸模型相結(jié)合可以預(yù)測出當(dāng)料液比（A）為1∶4 （g/mL）、蒸餾時間（B）為4.25 h、超聲時間（C）為25.15 min、超聲功率（D）為199.88 W時，大馬士革玫瑰精油得率可達(dá)到0.080 0%。

2.3? 最佳工藝條件試驗驗證

為檢驗回歸模型的預(yù)測值與試驗實際值之間的可信度，以新疆大馬士革玫瑰精油得率最大值對提取條件參數(shù)進(jìn)行了驗證?？紤]到生產(chǎn)實際條件和試驗的可操作性，將各提取條件的值分別選定為料液比1∶4 （g/mL）、超聲功率200 W、超聲25 min后蒸餾4 h提取新疆大馬士革玫瑰精油，保持試驗條件不變，重復(fù)3次平行驗證試驗，得出大馬士革玫瑰精油得率的平均值為0.080 2%，此條件下的實際值和回歸模型中大馬士革玫瑰精油得率的預(yù)測值0.080 0%僅相差0.000 2%。因此，通過模糊數(shù)學(xué)評定和響應(yīng)面法對最佳工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到的提取新疆大馬士革玫瑰精油最優(yōu)工藝條件下的回歸模型和實際試驗相符，對今后采用超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取玫瑰精油的工藝參數(shù)選擇具有一定指導(dǎo)意義。

2.4? 對比試驗結(jié)果

由表4可知，未超聲水蒸氣提取的大馬士革玫瑰精油得率為0.061 0%，超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取的新疆大馬士革玫瑰精油得率為0.080 2%，由此可知，適宜的超聲條件能夠提高新疆大馬士革玫瑰精油的得率，超聲后的精油得率在未超聲的基礎(chǔ)上增加了0.019 2%，本試驗與付曉等[29]研究的利用超聲輔助法提取硬尖神香草精油，陳長鍇等[30]利用超聲輔助蒸餾法從胡椒葉中提取精油的結(jié)論一致，都達(dá)到了提高玫瑰精油得率的目的，進(jìn)而驗證超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取玫瑰精油得率的方法可行，且得到的玫瑰精油呈淡黃色，玫瑰香氣濃郁、純正。

3? 結(jié)論

通過單因素試驗并結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化法對新疆大馬士革玫瑰精油得率進(jìn)行計算，以玫瑰精油得率為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗，試驗結(jié)果表明，料液比、蒸餾時間、超聲時間、超聲功率對新疆大馬士革玫瑰精油的得率均有極顯著的影響，并且影響的主次順序為蒸餾時間（B）>超聲時間（C）>料液比（A）>超聲功率（D），同時，AC、AD、BC、BD、CD這5組因素間交互作用極顯著。得出提取新疆大馬士革玫瑰精油得率最優(yōu)的條件是料液比1∶4 （g/mL）、蒸餾時間4 h、超聲時間25 min、超聲功率200 W，在此條件下提取的玫瑰精油得率的平均值為0.080 2%，結(jié)果表明，本試驗建立的回歸模型與試驗結(jié)果具有較好的一致性，因此該回歸模型可以作為預(yù)測設(shè)定試驗因素條件下的大馬士革玫瑰精油得率的工藝參數(shù)響應(yīng)值。對比試驗結(jié)果也表明，超聲輔助水蒸氣蒸餾法能夠在未超聲輔助的基礎(chǔ)上提高玫瑰精油的得率。如今隨著社會群體生活質(zhì)量的提升，人們對香氣成分產(chǎn)品的需求愈加迫切，但純天然的精油價格昂貴而導(dǎo)致精油產(chǎn)品的價格讓人望而卻步，因此在確保精油品質(zhì)的同時提高精油得率、降低產(chǎn)品價格成為目前急需解決的問題，該試驗對這一熱點話題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)研究結(jié)果可靠，該方法能夠達(dá)到提高玫瑰精油得率的目的，且提取得到的大馬士革玫瑰精油呈淡黃色，澄清透明，香氣純正，無異味，故該研究可以為工業(yè)化生產(chǎn)提取大馬士革玫瑰精油和其他相關(guān)的植物精油提供參數(shù)借鑒。

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