响应面法优化超临界CO2萃取怀山药油提取工艺

段丽萍 ，孙炜炜，陈浩，程相乐，谢超，陈胜*

1. 武汉黄鹤楼香精香料有限公司（武汉 430040）；2. 武汉黄鹤楼新材料科技开发有限公司（武汉 430040）

山药（Rhizoma dioscoreae）又名薯蓣、土薯、山薯，为薯蓣科，含皂苷、黏液质、多糖、黄酮等活性成分，具有镇咳、祛痰、抗氧化、抑菌、免疫调节、抗肿瘤等作用[1-6]。植物油脂提取方法主要有机械压榨法、溶剂浸出法、超临界流体萃取法等，压榨法油脂得率低，有机溶剂萃取存在溶剂回收困难和产品中溶剂残留等问题[7-10]。超临界萃取技术（SFE）作为一种高效稳定、绿色环保的新型提取分离技术，具有提取率高、无溶剂残留、操作条件温和、可对不饱和脂肪酸等成分实现选择性分离等优点[11-12]。

试验以怀山药为研究对象，采用超临界CO2萃取技术对其油脂进行提取，以怀山药油脂提取率为评价指标，根据单因素试验结果选择影响显著的3个因素，并进行响应面分析，从而获得最佳萃取工艺，为怀山药的进一步开发研究提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

怀山药（产自焦作市温县，焦作市健国怀药有限公司）；CO2（纯度99.92%，食品级）。

1.2 仪器与设备

HA1212-50超临界CO2萃取仪（江苏南通华安超临界萃取有限公司）；AUY120电子分析天平（上海梅特勒-托利多仪器有限公司）；WG-71电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）；UV-2800型紫外可见分光光度计（天津普瑞斯仪器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 山药粉末制备

怀山药在干燥箱内，80～90 ℃下进行24 h的干燥处理，用刀切成段后，进行粉碎，得到粒度分布均匀的粉末（粒径0.15 mm），备用。

1.3.2 工艺流程

原料→干燥处理→山药粉末→称量→装料→密封→升温升到预定值→超临界萃取→分离釜中得到怀山药油

1.3.3 萃取率计算

根据HA1212-50超临界CO2萃取仪说明进行操作，待萃取釜、分离Ⅰ、分离Ⅱ的温度达到设定后开始加压，萃取釜压力达到所需压力后，打开萃取釜、分离Ⅰ分离Ⅱ之间的阀门，逐级加压，待压力达到要求后，打开回路阀门，萃取一定时间后，分别从分离Ⅰ、分离Ⅱ出料口，收取萃取物，并测定样品油脂提取率（E）。

1.3.4 单因素试验

选择萃取压力、萃取时间、萃取温度、CO2流量4个因素作为单因素考察对怀山药萃取率的影响。

1.3.5 响应面试验

在单因素试验基础上，选择影响较大的萃取温度、萃取时间、萃取压力为研究对象，根据Box-Behnken试验设计原理，以怀山药挥发油萃取率为响应值，进行响应面试验，并验证最佳工艺条件，因素水平见表1。

表1 响应面因素分析水平表

1.3.6 数据分析

所有样品均平行3次，取平均值。运用Origin 8.0和Design-Expert 8.0.6软件处理数据。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 萃取压力

由图1可知，萃取压力对怀山药油脂萃取有显著影响，随着压力的增加，CO2流体的密度变大，从而对溶质的溶解能力变大，有利于提高萃取率。压力达到30～35 MPa时，怀山药油脂萃取率趋于稳定。继续增加压力，杂质也一同大量萃取出来，反而会降低有效成分的萃取率。故选择35 MPa作为最佳萃取压力较为合适。

图1 萃取压力对油脂萃取率的影响

2.1.2 萃取时间

由图2可知，随着萃取时间的延长，CO2与溶质传质达到良好状态，萃取量增大，直至达到最大值。此后，随着时间的延长，在萃取的单位时间内，萃取量逐渐减少，最后几乎萃取量为零，应该是由于萃取物中待分离成分含量减少而使萃取量逐渐下降。时间超过100 min，怀山药出油率增幅变缓，说明萃取率已达到极限。萃取怀山药油脂的最适萃取时间为100 min。

2.1.3 萃取温度

从图3可以看出，温度为35～50 ℃时，怀山药油脂的得率一直呈增加状态；温度超过50 ℃后，萃取率随温度升高反而降低。可能是由于温度大于50 ℃时，CO2密度随着温度升高而降低，溶解能力降低；同时，高温条件造成怀山药油脂的挥发性增大，两者共同作用的结果是温度升高而怀山药油脂萃取率降低，确定50 ℃为最佳萃取温度。

图2 萃取时间对油脂萃取率的影响

图3 萃取温度对油脂萃取率的影响

2.1.4 CO2流量

从图4可以看出，随着CO2流量的增加，其萃取率的增幅逐渐减小，CO2流量超过25 kg/h后，怀山药油脂萃取率达到平衡。可能是CO2流量增加，超临界流体通过料层速度加快，与料液的接触搅拌作用增强，传质系数和传质面积都相应增大，使之能较快地达到平衡溶解度，提高萃取能力。最终选用25 kg/h为宜。

图4 CO2流量对油脂萃取率的影响

2.2 响应面试验

2.2.1 响应面试验设计及结果

在单因素试验基础上，确定CO2流量25 kg/h，以萃取温度（A）、萃取压力（B）和萃取时间（C）为显著影响因素，怀山药油脂萃取率为响应值，根据Box-Behnken试验设计原理，利用Design-Expert 8.0.6软件进行三因素三水平的响应面分析试验，试验设计方案与结果如表2所示。

采用Design-Expert 8.0.6软件对表2中试验结果进行多项拟合回归，得到怀山药油脂萃取率对萃取压力（A）、萃取时间（B）和萃取温度（C）的二次多项回归模型方程：Y=19.88+0.11A-0.091B+0.10C-0.003 75AB+0.045AC+0.10BC-0.39A2-0.73B2-0.63C2。

表2 响应面设计方案和试验结果

2.2.2 试验模型方差分析

响应面回归模型的方差分析见表3。模型的F=3 822.04，p＜0.000 1＜0.01，差异极显著；失拟项的p值为0.777 8，不显著，说明数据没有异常点；决定系数R2=0.999 8，调整确定系数R2adj=0.999 5，响应值的变化有99.95%来源于所选因素，即来源于萃取压力（A）、萃取时间（B）、萃取温度（C），说明模型拟合度好，回归方程能很好地描述各因素与响应值之间的关系。该模型CV值为0.89%，表明试验操作的可信度高，具有实际指导意义。回归模型中一次项A、B和C的p值均小于0.01，达到极显著；二次项A2、B2和C2的p值亦小于0.000 1，具有极显著影响；交互项AC、BC极显著，但AB不显著，说明试验因素对响应值不是简单的线性关系，而是一种非线性关系。考察p值与F值大小，可得各因素影响的主次顺序：萃取压力（A）＞萃取温度（C）＞萃取时间（B）。

2.2.3 响应面分析

响应曲面坡度可反映响应值对于操作条件改变的敏感程度，曲面越陡峭，表明响应值对于操作条件的改变越敏感；反之则越小。由图5可知，萃取压力一定时，随着萃取温度升高，响应值先升高后下降；萃取温度不变时，萃取率随着萃取压力的增加先增加后减小。可能是由于低压条件下，气体的可压缩性较大，CO2随密度的升高而急速下降，升高温度增大溶质的挥发性，但不足以抵消CO2密度下降的结果。而在高压时，气体的可压缩性较小，温度升高时CO2的密度变化不明显，而山药油脂的挥发性却显著增大，说明萃取压力和萃取温度交互作用较显著。图5应曲面较陡峭，说明萃取时间和萃取温度交互作用显著。当萃取时间固定时，随着萃取温度增加，萃取率先增加后降低。而萃取温度一定时，萃取率随着萃取时间延长而先增加后减少。试验结果与方差分析结果保持一致，各因素对怀山药油脂萃取率的影响为：萃取压力＞萃取温度＞萃取时间。

表3 回归方程系数显著性检验和方差分析

图5 各因素交互作用对怀山药油脂萃取率影响的响应面及等高线

2.2.4 回归模型验证

通过回归模型，预测得到超临界CO2萃取怀山药油脂的最佳条件：萃取压力35.73 MPa、萃取时间98.88 min、萃取温度50.41 ℃，此条件下怀山药油脂萃取率可达19.894%。考虑实际操作的局限性，调整为：萃取压力35.7 MPa、萃取时间99 min、萃取温度50.4 ℃。设置5组平行试验进行试验验证，结果表明，怀山药油脂萃取率为19.886%±1.26%，与理论值相对误差较小，说明回归模型得到的优化参数真实可信，可作为怀山药油脂的萃取工艺。

3 结论

采用超临界CO2萃取技术，以怀山药粉末为研究对象，考察了萃取压力、萃取时间、萃取温度及CO2流量对怀山药油脂萃取率的影响，并通过响应面法优化提取工艺，结果表明，其最佳工艺为：萃取压力35.7 MPa、萃取时间99 min、萃取温度50.4 ℃。此条件下，怀山药油脂萃取率为19.886%±1.26%，工艺操作简单、耗时短、科学性强，具有较强的实际应用价值，各因素对怀山药油脂萃取率的影响为：萃取压力＞萃取温度＞萃取时间。试验结果可为怀山药油脂的提取工艺提供参考，并可为怀山药油脂的进一步研究和应用提供基础数据支撑。