響應(yīng)面優(yōu)化超臨界CO2萃取牛至油工藝研究

劉軍海，李志洲，王俊宏

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723000）

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響應(yīng)面優(yōu)化超臨界CO2萃取牛至油工藝研究

劉軍海*，李志洲，王俊宏

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723000）

試驗(yàn)采用提取率較高的超臨界CO2萃取技術(shù)萃取牛至油。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上通過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化了牛至油的超臨界CO2萃取工藝，確定的最優(yōu)萃取工藝參數(shù)為：萃取壓力35 Mpa，萃取溫度50℃，CO2流率3.6 L/min，萃取時(shí)間3 h，此條件下牛至油得率達(dá)到5.82%。

牛至油；超臨界CO2；Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)；萃取

牛至油是從牛至全草中提取的揮發(fā)性油，其主要成分為酚類物質(zhì)，具有增強(qiáng)動(dòng)物機(jī)體免疫力，抗菌、抗氧化、抗腫瘤和抗球蟲等作用（王雙和馬現(xiàn)永，2010）。此外，還能提高動(dòng)物體內(nèi)消化酶活性，增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，改善飼料轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)；同時(shí)還可增強(qiáng)動(dòng)物機(jī)體的抗應(yīng)激能力及生產(chǎn)性能，降低飼養(yǎng)成本（劉德穩(wěn)，2009；張莉和宋代軍，2009；胡驍飛等，2004）。本試驗(yàn)采用響應(yīng)面優(yōu)化超臨界CO2萃取牛至油的工藝條件。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料牛至，九月份的云南產(chǎn)牛至，50℃恒溫干燥后粉碎過60目篩，6℃貯藏在冰箱中待用；乙醇為分析純；蒸餾水為實(shí)驗(yàn)室自制。

DHG-9075A型電熱鼓風(fēng)箱（上海一恒科技有限公司）；FW117中草藥粉碎機(jī)（天津泰斯特儀器有限公司）；BS110電子分析天平（北京賽多利天平有限公司）；KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；RE-52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；SCF-CO2萃取實(shí)驗(yàn)裝置（石家莊特科生化設(shè)備有限公司）。

1.2試驗(yàn)方法超聲波提?。悍Q取4份40 g備用牛至粉末放入500 mL錐形瓶中，按照料液比為1∶15（g/mL）的標(biāo)準(zhǔn)加入體積分?jǐn)?shù)為90%的乙醇，超聲波溫度設(shè)定在50℃，超聲波頻率為60 kHz，此條件下分別對(duì)牛至油提取1、1.5、2、2.5 h，提取完成后減壓蒸發(fā)掉乙醇即得牛至油。

水蒸氣蒸餾：稱取4份40 g備用牛至粉末放入裝有沸石的水蒸氣蒸餾裝置的硬質(zhì)圓底燒瓶中，加水搖勻，置于電熱套中緩慢加熱至沸騰，保持微沸狀態(tài)，分別提取1、1.5、2、2.5 h，計(jì)算牛至油不同提取時(shí)間的得率。

超臨界CO2萃取：稱取4份40 g備用牛至粉末裝于超臨界萃取裝置中，設(shè)定萃取溫度為50℃，CO2流率為3.5 L/min，在35 Mpa條件下分別萃取1、1.5、2、2.5 h，萃取完成后，溶解了牛至油的超臨界CO2經(jīng)過降壓閥進(jìn)行節(jié)流膨脹變?yōu)槌簹怏w直接與牛至油分離，等待10 min測(cè)定接收瓶中牛至油的質(zhì)量，計(jì)算牛至油得率。

1.3牛至油得率計(jì)算公式得率/%=牛至油質(zhì)量/牛至粉末質(zhì)量×100。

1.4試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)超臨界CO2萃取的影響因素包括萃取壓力、萃取溫度、CO2流率及萃取時(shí)間，單因素試驗(yàn)對(duì)四個(gè)因素在提取過程中對(duì)牛至油得率的影響進(jìn)行探討。試驗(yàn)過程將其他三個(gè)因素設(shè)為定值，單獨(dú)討論一個(gè)因素的水平變化對(duì)牛至油得率的影響，為響應(yīng)面優(yōu)選試驗(yàn)優(yōu)選合適的設(shè)計(jì)水平。

1.4.2響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)以單因素試驗(yàn)的萃取壓力（X1）、萃取溫度（X2）、CO2流率（X3）三個(gè)因素作為響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的考察對(duì)象，固定萃取時(shí)間為3 h，以牛至油得率（Y）為指標(biāo)，通過Box-Benhnken中心組合進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，優(yōu)選出超臨界CO2萃取牛至油的工藝條件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1　響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2　結(jié)果與分析

2.1各提取方法提取效果比較由圖1可知，三種提取方法提取的牛至油，其得率均隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，提取2.0 h后，水蒸氣蒸餾法和超聲波提取法的得率增幅不大，而超臨界CO2萃取還有較大的增幅，2.5 h時(shí)各提取方法所對(duì)應(yīng)的牛至油得率分別為3.0%、4.1%、5.4%。超臨界CO2萃取技術(shù)利用CO2在超臨界狀態(tài)下對(duì)牛至油極強(qiáng)的溶解性來達(dá)到快速萃取的目的，萃取完成后降壓即可將CO2釋放得到純凈的牛至油，萃取率高且無化學(xué)殘留，能將萃取和純化一體化，克服了水蒸氣蒸餾提取時(shí)間長(zhǎng)及雜質(zhì)含量高等問題，與超聲波提取技術(shù)相比，降低了提取后分離操作的費(fèi)用，減少了工序，因此確定超臨界CO2萃取技術(shù)作為牛至油萃取的最終方法。

圖1　各提取方法提取結(jié)果比較

2.2單因素試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.2.1萃取壓力對(duì)牛至油得率的影響稱取5份40 g的備用牛至粉末于超臨界萃取裝置中，設(shè)定萃取溫度為45℃，CO2流率為3 L/min，萃取2.0 h，研究20、25、30、35、40 Mpa 5個(gè)不同萃取壓力下牛至油得率的變化，結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著壓力的增大，牛至油的得率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，壓力為35 Mpa時(shí)牛至油得率最大。壓力增大會(huì)使CO2的密度增大，減小超臨界CO2和牛至油分子間距，促進(jìn)牛至油溶解且增大了傳質(zhì)速率；但壓力過大導(dǎo)致CO2密度增大的同時(shí)黏度也隨著增大，傳質(zhì)效果不理想，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致牛至中其他雜質(zhì)的溶解，萃取的選擇性變差，牛至油得率不增反減，因此選擇35Mpa為較佳的萃取壓力，優(yōu)選的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)萃取壓力水平為30～40 Mpa。

圖2　萃取壓力對(duì)牛至油得率的影響

2.2.2萃取溫度對(duì)牛至油得率的影響稱取5份40 g的備用牛至粉末于超臨界萃取裝置中，設(shè)定萃取壓力為30 Mpa，CO2流率為3 L/min，萃取2.0 h，研究35、40、45、50、55℃5個(gè)不同萃取溫度下牛至油得率的變化，結(jié)果見圖3。由圖3可知，35～40℃牛至油得率增長(zhǎng)較快，40～50℃范圍內(nèi)牛至油得率呈小幅度增長(zhǎng)，超過50℃后牛至油得率迅速下降。超臨界狀態(tài)下分子熱運(yùn)動(dòng)能加快牛至油在CO2中的溶解，同時(shí)隨著溫度的升高，牛至油的飽和蒸汽壓增大，利于萃取。但是溫度過高使超臨界CO2密度下降，溶劑效應(yīng)減弱，溶解度降低，因此牛至油得率迅速減小，綜合考慮選擇50℃為較佳的萃取溫度，優(yōu)選的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)萃取溫度水平為45～55℃。

圖3　萃取溫度對(duì)牛至油得率的影響

2.2.3CO2流率對(duì)牛至油得率的影響稱取5份40 g的備用牛至粉末于超臨界萃取裝置中，設(shè)定萃取壓力為30 Mpa，萃取溫度45℃，萃取2.0 h，研究2、2.5、3、3.5、4 L/min 5個(gè)不同CO2流率下牛至油得率的變化，結(jié)果見圖4。由圖4可知，CO2流率和牛至油得率呈正相關(guān)，流率大于3 L/min牛至油得率緩慢增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于CO2流率的增加一方面減少了傳質(zhì)時(shí)間，而另一方面卻增加濃度差強(qiáng)化了傳質(zhì)，在這兩方面作用下牛至油萃取基本處于動(dòng)態(tài)平衡，考慮到增大CO2流率對(duì)萃取效果并無太大促進(jìn)作用，為了減少溶劑消耗，選擇3.5 L/min為較佳的CO2流率，優(yōu)選的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)CO2流率水平為3.0～4.0 L/min。

圖4　CO2流率對(duì)牛至油得率的影響

2.2.4萃取時(shí)間對(duì)牛至油得率的影響稱取5份40 g的備用牛至粉末于超臨界萃取裝置中，設(shè)定萃取壓力為30 Mpa，萃取溫度45℃，CO2流率為3 L/min，研究1、1.5、2、2.5、3 h 5個(gè)不同萃取時(shí)間下牛至油得率的變化，結(jié)果見圖5。由圖5可知，萃取時(shí)間越長(zhǎng)，牛至油得率越大；萃取時(shí)間超過2.5 h后得率增加緩慢，考慮到再延長(zhǎng)萃取時(shí)間的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及其他較難萃取成分的溶出會(huì)影響牛至油品質(zhì)兩方面原因，選擇3 h為較佳的萃取時(shí)間。

圖5　萃取時(shí)間對(duì)牛至油得率的影響

3　響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，固定每個(gè)試驗(yàn)萃取時(shí)間為3 h，選擇萃取壓力（A）、萃取溫度（B）及CO2流率（C）三個(gè)因素作為響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的考察對(duì)象，以牛至油得率為指標(biāo)，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)果見表2，方差分析見表3。表2中共有15個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，1～12為析因試驗(yàn)，用來分析各因素的不同水平的組合對(duì)牛至油得率的影響，13～15為零點(diǎn)試驗(yàn)，用來檢測(cè)模型的誤差及模型的可靠性。

由表3方差分析結(jié)果可知，萃取溫度和CO2流率對(duì)牛至油提取的影響均達(dá)到了極顯著統(tǒng)計(jì)水平（0.01）；F檢驗(yàn)反映的是回歸模型的有效性，F(xiàn)值越大，說明此因素對(duì)提取率的影響越顯著，因此各因素對(duì)牛至油得率的影響大小順序?yàn)檩腿毫Γ綜O2流率＞萃取時(shí)間。各平方項(xiàng)X1X1、X2X2、X3X3也均達(dá)到了極顯著統(tǒng)計(jì)水平（0.01）。

表2　響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

模型的Pr值為0.001793，達(dá)到了極顯著統(tǒng)計(jì)水平；失擬項(xiàng)Pr值為0.0632（Pr＜0.05），不顯著，說明模型無失擬因素存在；相關(guān)系數(shù)R2=97.46%，說明僅有2.54%的因變量變化不能用此方程解釋，調(diào)整系數(shù)R2Adj=92.89%，說明試驗(yàn)所用模型擬合度高，誤差小；模型的變異系數(shù)CV=2.06%，說明模型的重現(xiàn)性好，因此模型可用于超臨界CO2萃取牛至油試驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)和分析。

表3　方差分析結(jié)果

采用SAS8.01統(tǒng)計(jì)軟件RsReg程序包對(duì)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，擬合方程為：

擬合方程的一次項(xiàng)系數(shù)均為正，二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)，表明這三個(gè)因素都對(duì)超臨界CO2萃取牛至油有正效應(yīng)并且存在固定值使得牛至油得率達(dá)到最大。SAS程序預(yù)測(cè)的牛至油最大得率為5.8685%，所對(duì)應(yīng)的各因素的最佳值為：X1= 0.624489、X2=0.090299、X3=0.185139。將模型預(yù)測(cè)的各因素最佳值回代入表1，求得最佳工藝條件為：萃取壓力35.31 Mpa，萃取溫度50.45℃，CO2流率3.59 L/min，為了方便實(shí)際操作，設(shè)定萃取壓力為35 Mpa，萃取溫度50℃，CO2流率為3.6 L/min。在萃取3h的條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，平行測(cè)定3次，提取率分別為5.82%、5.84%、5.80%，取平均值5.82%為最佳超臨界CO2萃取條件下的牛至油得率，與試驗(yàn)預(yù)測(cè)的最大得率值誤差僅為0.83%。

4　結(jié)論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化了超臨界CO2萃取牛至油的工藝條件，得到的最佳萃取工藝參數(shù)為：萃取壓力35 Mpa，萃取溫度50℃，CO2流率3.6 L/min，萃取時(shí)間3h，此條件下的牛至油得率為5.82%。

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The supercritical CO2extraction technology as oregano oil extraction method for it’s higher extraction tatio was applied.The supercritical CO2extraction conditions of oregano oil were optimized through the response surface test based on the single factors experiments.The results showed that the optimum conditions were as follows：extraction pressure of 35 MPa，extraction temperature of 45℃，CO2flow rate of 3.6 L/min，extraction time of 3 h，the extraction rate of oregano oil were 5.82%.

oregano oil；supercritical CO2；Box-Benhnken experiment design；extraction

S816.7

A

1004-3314（2016）05-0017-04

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20160504

陜西省教育廳2012年科學(xué)研究項(xiàng)目計(jì)劃（12JK0602）