响应面法优化绿薄荷精油的超临界CO2萃取工艺

贺东亮，张恒慧，李静舒，刘青业，*

（1.太原工业学院环境与安全工程系，山西太原030008；2.中北大学化学工程与技术学院，山西太原030051；3.山西广播电视大学农医学院，山西太原030001）

绿薄荷（Mentha canadensis L.）系唇形科薄荷属，为多年生宿根性草本植物[1]，其茎叶中提取的精油具有浓烈的清凉香味，是一种重要的天然香料，其用途广泛，经济价值高。现代研究表明薄荷精油是一类植物次生代谢物，其主要成分是薄荷醇、薄荷酮和薄荷呋喃，具有增香、杀菌、抗氧化和抗病毒等生物活性[2]，可用于高级化妆品、高档保健食品、医药等领域。目前，薄荷精油的提取主要采用水蒸气蒸馏法和溶剂萃取法，两者均存在一定的不足。水蒸气蒸馏法操作温度偏高，易使一些低沸点的精油成分损失，从而影响产品的得率和产品的品质[3-4]；溶剂萃取法会产生少量的溶剂残留。超临界流体萃取技术（Supercritical fluid extraction,SFE）是近20年来发展起来的一项新型分离技术，具有萃取温度低、操作方便、提取率高、产品无污染等优点[5-6]，非常适合于提取高附加值的植物精油，可最大程度地保持植物精油的天然本色[7-8]。响应面分析法（Response surface methodology,RSM）是将多因素试验中因素与指标之间的关系用多元二次回归方程进行近似拟合，研究因素与响应值之间、因素与因素之间的相互关系，能够缩短试验周期，提高试验效率[9]。本研究以绿薄荷叶为原料，应用超临界CO2萃取技术提取薄荷精油，并采用响应面法对萃取工艺参数进行优化，为薄荷精油大规模提取提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

绿薄荷叶：2017年9月采收于太原市南寨公园中草药园，在恒温鼓风干燥箱内100℃杀青10 min，60℃干燥4 h，粉碎后过20目筛备用；CO2（CO2≥99.9%）：沈阳市信利盛兴气体公司。

1.2 仪器与设备

SFE230-50-06型超临界CO2萃取装置：海安华达石油仪器有限公司；FW400A高速万能能粉碎机：常州市伟嘉仪器制造有限公司；SC-400振动筛：新乡市高新区山川机械有限公司；BS224S电子天平：北京赛多利斯天平有限公司。

1.3 方法

1.3.1 萃取工艺流程

薄荷叶粉→称重→装入萃取罐→设定萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流量→在超临界状态下萃取→由分离罐获得薄荷精油

1.3.2 萃取操作要点

准确称取5 kg经预处理的薄荷叶原料装入萃取罐中，设定各个参数，待系统温度和压力达到设定值时开始计时，萃取结束后从分离罐中取出精油，按公式（1）计算提取率。

1.3.3 单因素试验

分别考察了萃取压力、萃取温度、萃取时间以及CO2流量4个因素对精油的影响，单因素试验因素水平如表1所示。

表1 单因素试验因素水平表Table 1 Factors and levers

1.3.4 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，采用Design-Expert 8.0.1软件，选取萃取压力、萃取温度、萃取时间3个主要影响因素为自变量，以精油得率为响应值，依据Box-Behnken的中心组合设计原理，设计三因素三水平的响应面试验优化工艺参数[10-11]，试验因素水平设计见表2。

表2 Box-Behnken试验因素水平编码表Table 2 Factors and levers in the Box-Behnken experimental design

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 萃取压力对薄荷精油得率的影响

萃取温度为45℃，萃取时间为2 h，CO2流量为30 L/h，萃取压力分别为 10、15、20、25、30 MPa，研究萃取压力对薄荷精油得率的影响，结果如图1所示。

图1 萃取压力对薄荷精油得率的影响Fig.1 Effect of extraction pressure on the yield of mint essential oil

随着萃取压力的升高，精油得率增大，当压力为15 MPa时，得率达到最大值，随着压力的进一步增大，得率逐渐降低。萃取压力主要是通过影响超临界流体的密度来影响油精的得率[12]，压力升高，CO2流体密度增大，有利于萃取过程；当压力超过一定数值后，CO2流量密度和黏度过大，传质效率变差，不利于萃取[13]，并且高压会在实际的生产中造成一定的安全隐患，因此，萃取压力选15 MPa为宜。

2.1.2 萃取温度对薄荷精油得率的影响

萃取压力为15 MPa，萃取时间为2 h，CO2流量为30 L/h，萃取温度分别为 35、40、45、50、55 ℃，研究萃取温度对薄荷精油得率的影响，结果如图2所示。

当温度在45℃以下时，精油得率随温度的升高而增加，主要是由于温度升高加快了分子热运动，提高了溶质的传质系数和扩散速度，从而对溶质萃取有利[14]；当温度从45℃升至50℃时，精油得率几乎没有增加，随着温度的进一步增加，精油得率呈下降趋势，主要是由于温度升高，CO2流体密度就会降低，溶解能力也下降，从而导致萃取得率降低，因此选择萃取温度45℃～50℃为宜。

图2 萃取温度对薄荷精油得率的影响Fig.2 The effect of extraction temperature on the yield of mint essential oil

2.1.3 萃取时间对薄荷精油得率的影响

萃取压力为15 MPa，萃取温度为45℃，CO2流量为 30 L/h，萃取时间分别为 1、1.5、2、2.5、3 h，研究萃取时间对薄荷精油得率的影响，结果如图3所示。

图3 萃取时间对薄荷精油得率的影响Fig.3 The effect of extraction time on the yield of mint essential oil

随着萃取时间的增加，精油得率不断升高，当萃取时间达到2.5 h后精油得率增长缓慢，曲线趋于水平；随着萃取时间的进一步延长，被萃取物的含量逐渐降低，导致单位时间、单位能耗内获得的精油量减少，同时，萃取时间过长会使一些重质成分和色素溶出[15]，精油品质变差，因此，萃取时间选2.5 h为宜。

2.1.4 CO2流量对薄荷精油得率的影响

萃取压力为15 MPa，萃取温度为45℃萃取时间为 2.5 h，CO2流量分别为 20、25、30、35、40 L/h，研究CO2流量对薄荷精油得率的影响，结果如图4所示。

CO2流量对精油提取率的影响是双重的，一方面，流量增加能增大溶质的浓度差，有利于萃取；另一方面，流量的增加减少了流体与物料之间的接触时间，不利于提高精油的得率[14]。由图4可见，CO2流量在20 L/h～40 L/h范围内，精油得率无明显变化，因此，选择CO2流量为20 L/h即可满足要求。

图4 二氧化碳流量对薄荷精油得率的影响Fig.4 The effect of carbon dioxide flow on the yield of mint essential oil

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1 响应面试验结果

依据Box-Behnken的中心组合设计原理，以萃取压力（X1）、萃取温度（X2）和萃取时间（X3）为考察因素，以精油得率为响应值，设计三因素三水平实验方案，共设计了17组试验，其中包括5组中心点重复试验，每组试验重复3次取平均值，数据结果如表3所示。

表3 响应面试验结果Table 3 Results of response surface experiments

2.2.2 模型的建立及显著性检验

采用Design Expert 8.0.1软件对表3中的实验数据进行方差分析和多元回归拟合，建立多元二次回归方程：Y=3.24-0.052X1+0.058X2-0.06X3-0.16X1X2-0.2X1X3+0.12X2X3-0.19X12-0.31X22-0.36X32，其方差分析结果如表4所示。

表4 各因素方差分析表Table 4 Analysis of variance for each factor

由表4数据可见，模型的显著水平p＜0.000 1，表明所建立的二次多项模型极显著，本试验的方法是可靠的。模型的相关系数R2为0.990 8，说明响应值的变化有99.08%来源于所选变量，表明模型能很好地反映试验条件的变化；校正决定系数R2Adj为0.979 0，表明仅有总变异的2.1%不能由该模型来解释；失拟项（p=0.834 7＞0.05）在α=0.05水平上不显著，表明数学模型和试验结果拟合良好，可以用该模型预测试验结果，残差均由误差引起。在模型各参数中，X2、X3影响较显著，X1影响显著，说明试验所选因素对精油得率均有显著影响，各影响因素主次顺序为X3（萃取时间）X2＞（萃取温度）＞X1（萃取压力）。

2.2.3 各因素交互作用的响应面分析

通过二次多项回归方程拟合得出响应面分析的曲面图，对任意两因素交互作用影响精油得率的效应进行分析。等高线图的形状可以反映出交互效应的强弱，圆形表示两因素的交互作用影响不显著，椭圆表示两因素的交互作用影响显著[16]。

图5表示萃取压力和萃取温度的交互作用对薄荷精油得率的影响效应。

由图5等高线可以看出，萃取压力和萃取温度的交互作用显著。萃取时间固定在0水平时，精油得率随着萃取压力和萃取温度的增加而先增加后降低，其中萃取温度对得率的曲线较为陡峭，说明在萃取过程中温度对得率的影响大于压力。图6表示萃取压力和萃取时间的交互作用对薄荷精油得率的影响效应。

图5 压力与温度对精油得率影响的响应面与等高线图Fig.5 Response surface and contour line of the pressure and temperature for extraction rate

图6 压力与时间对精油得率影响的响应面与等高线图Fig.6 Response surface and contour line of the pressure and time for extraction rate

由等高线图可知，萃取压力和萃取时间的交互作用影响显著。当把萃取温度固定在0水平时，随着萃取压力和时间的增加精油得率呈先增大后降低的趋势，当温度一定时，压力增加会使CO2流体的密度增加，流体的溶剂化效应增强，萃取率上升，当压力达到一定值后，流体的粘度升高，不利于溶质扩散，对萃取不利。图7表示萃取温度和萃取时间的交互作用对薄荷精油得率的影响效应。

图7 温度与时间对精油得率影响的响应面与等高线图Fig.7 Response surface and contour line of the temperature and time for extraction rate

由等高线呈椭圆形可知，萃取温度和萃取时间的交互效应显著。

2.2.4 最优工艺条件的确定及验证试验结果

由Design Expert 8.0.1软件分析，得出最优工艺条件为：萃取压力14.02 MPa、萃取温度40.72℃、萃取时间1.5 h，精油得率预测值为3.25%。考虑到试验实际操作的局限性，将验证性试验条件设置为：萃取压力14 MPa、萃取温度41℃、萃取时间1.5 h，在此条件下进行3次重复试验，薄荷精油的平均得率为3.21%，与预测值基本相同，说明采用响应面法优化的工艺条件可靠性好，具有使用价值。

3 结论

采用超临界CO2萃取技术提取薄荷精油，在单因素试验的基础上通过响应面法分析了萃取压力、萃取温度、萃取时间3个因素对精油得率的影响，建立了二次多项式回归模型，方差分析显著性检验表明薄荷精油萃取率的影响因素依次为：萃取时间＞萃取温度＞萃取压力。优化后确定的最佳工艺条件为：萃取压力14 MPa、萃取温度41℃、萃取时间1.5 h，在该条件下，薄荷精油的得率为3.21%，本研究结果为超临界CO2萃取薄荷精油的规模化生产提供了理论基础和参考。

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