响应面试验优化超临界CO2萃取迷迭香精油工艺

毕静，叶荷生

(1.江苏经贸职业技术学院，南京 211168；2.江苏恒顺集团有限公司，江苏 镇江 212000)

迷迭香是一种唇形科灌木，原产于欧洲及北非地中海沿岸，在欧洲南部作为经济作物进行栽种，在我国南方大部分地区也有栽种。迷迭香除了具有观赏价值外，还广泛应用在食品加工和日用化工等行业中[1]。

迷迭香精油一般存在于迷迭香的叶和梗中，具有明显的抑菌、抗氧化和消炎镇痛等作用，相关的研究表明[2]，迷迭香精油通过改变细菌细胞膜的通透性，导致还原糖和蛋白质的渗透，进而影响细菌细胞的代谢，抑制了DNA聚合酶的活性，阻制了DNA的复制，达到杀灭细菌的目标。

目前，迷迭香精油提取方法包括压榨法、有机溶剂提取法、水蒸气蒸馏法、物理方法辅助提取法吸附等[3]。超临界CO2萃取法是一种将传统的蒸馏和有机溶剂萃取结合为一体的高新技术，它利用具有超强溶解力的超临界CO2，在CO2超临界状态下直接将迷迭香中的精油有效地分离、提取和纯化萃取出，具有很高的提取率和效率，能明显提高产品质量、降低能耗[4]，现已在食品行业中得到广泛应用。

响应面分析法是利用合理的试验设计方法，通过试验得到一定数据，再采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，并通过对回归方程的分析，寻求最优工艺参数，近年来该试验分析法已广泛应用在食品工业的研究中[5]。

本文以迷迭香为原料，采用超临界CO2萃取法，以乙醇为夹带剂，选取3个对提取率影响较大的单因素进行响应面试验设计，优化超临界CO2萃取法提取迷迭香精油工艺，通过Desing-Expert软件对试验数据进行回归分析，确定最佳工艺参数，为高效利用迷迭香资源提供了一种方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

超临界CO2萃取设备 广州市浩立生物科技有限公司。

1.2 材料与试剂

乙醇和乙酸乙酯(分析纯)：上海联试化工试剂有限公司；迷迭香：市售。

1.3 方法

1.3.1 单因素超临界CO2萃取法提取迷迭香精油

称取粉碎后的迷迭香物料50 g，装入萃取器，通过控制面板设定系统的萃取条件，保持一定的萃取温度、压力和流量计显示CO2的流量，CO2通过高压泵输入萃取器，当达到预定值时开始计时，并进夹带剂，保证一定的萃取时间，停机，开萃取器的出口阀，开始取样，以迷迭香精油提取率为衡量指标。

通用的萃取条件：以夹带剂为乙醇，夹带剂用量为原料的20%，萃取温度为45 ℃，压力为12 MPa，流量计显示CO2的流量为0.04 m3/h，萃取时间为4 h。

分别进行了萃取时间为2，2.5，3，3.5，4 h的试验；萃取温度为40，45，50，55，60 ℃的试验；萃取压力为12，14，16，18，20 MPa的试验；流量计显示CO2的流量为0.01，0.04，0.07，0.10，0.13 m3/h的试验；夹带剂分别为水、乙醇和乙酸乙酯的试验；乙醇为夹带剂，用量分别为原料的10%、15%、20%、25%、30%的试验。迷迭香精油提取率按提取出的精油占原料总量的百分比计。

1.3.2 超临界CO2萃取法提取迷迭香精油的响应面试验[6-8]

根据单因素试验的结果，选取了萃取时间、萃取温度和萃取压力可能对提取率影响较大的因素，设计Box-Behnken试验，响应面试验因素和水平见表1。

表1 响应面试验因素与水平

2 结果与分析

2.1 夹带剂种类的确定

分别以水、乙醇和乙酸乙酯作为夹带剂进行超临界CO2萃取法提取迷迭香精油，结果见表2。

表2 不同夹带剂对提取率的影响

由表2可知，乙醇和乙酸乙酯作为夹带剂结果差不多，但考虑到安全和便利性，选用乙醇作为以后试验的夹带剂。

2.2 夹带剂用量对提取率的影响

以乙醇为夹带剂，用量分别是10%、15%、20%、25%、30%进行试验，结果见表3。

表3 夹带剂用量对提取率的影响

由表3可知，随着夹带剂用量的增加，超临界CO2萃取法提取迷迭香精油的提取率不断增大，当夹带剂用量提高到20%后，继续增大夹带剂的用量，迷迭香精油的提取率增加不多，所以综合考虑超临界CO2萃取法提取迷迭香精油成本，以乙醇为夹带剂的用量为20%最佳。

2.3 萃取时间对提取率的影响

以超临界CO2萃取法提取迷迭香精油，萃取时间分别为2，2.5，3，3.5，4 h进行试验，结果见表4。

表4 萃取时间对提取率的影响

由表4可知，萃取时间对提取率的影响比较平稳。

2.4 萃取温度对提取率的影响

萃取温度对提取率有较大影响，不同萃取温度的提取率也不同，萃取温度对提取率的影响见表5。

表5 萃取温度对提取率的影响

由表5可知，萃取温度升高，提取率增大，这是因为温度高时萃取物的扩散和溶解效率增加，有利于萃取，但当萃取温度达到50 ℃后，提取率增大已不明显，而且温度如果继续提高，对迷迭香精油的效能损失也会越大。

2.5 萃取压力对提取率的影响

萃取压力对提取率的影响结果见表6。

表6 萃取压力对提取率的影响

由表6可知，增大萃取压力，可以有效增加CO2的极性, 增加迷迭香精油中极性化合物的含量，从而提高了产品的提取率。当萃取压力达到18 MPa时提取率达到最大值。

2.6 CO2的流速对提取率的影响

CO2的流速对提取率的影响结果见表7。

表7 CO2的流速对提取率的影响

理论上，CO2的流速越大，CO2的使用量也越多，其溶解能力越强，提取率也应越高。但由表7可知，迷迭香精油的提取率随着CO2流速的增大呈先升高后平稳的趋势，即当CO2的使用量增大到一定量后，迷迭香精油的溶解度逐渐下降，因此选择CO2流速为0.04 m3/h。

2.7 响应面试验结果

应用Design-Expert软件得到响应面试验设计及结果，见表8。

表8 响应面试验设计及结果

对结果进行分析拟合，得到二次回归方程。根据编码因子得出的最终方程式为：

提取率(Y)=1.94+0.028A+0.026B+0.046C-0.040AB+0.005000AC-0.028BC-0.084A2-0.11B2-0.067C2。

根据实际因素得出的最终方程式为：

提取率(Y)=-4.04775+0.71300A+0.13237B+0.17569C-0.004AB+0.00125AC-0.0006875BC-0.08425A2-0.0010675B2-0.00417188C2。

对得到的提取率响应面二次模型进行方差分析，结果见表9。

表9 方差分析表

续 表

模型的F值为94.78，且P<0.0001，说明该模型具有极显著性。只有0.01%的可能性，因为噪音而产生如此大的“F型值”。P<0.0500表示模型项差异显著，在这种情况下，A、B、C、AB、BC、A2、B2、C2是重要的模型项。P>0.1000表示模型项不显著，失拟项的P=0.2984>0.05，说明失拟项不显著。根据各因素F值大小可以得出，3个因素对提取率的影响是C萃取压力>A萃取时间>B萃取温度。

2.8 响应面分析

为了考察萃取时间、萃取温度和萃取压力及其交互作用对提取率的影响，固定其他因素条件不变，获得任意两个因素及交互作用对提取率影响的响应面图，结果见图1。

图1 各因素交互作用对提取率的影响

由图1可知，交互作用与提取率为正相关关系，两因素交互作用的重要性由AB、BC、AC依次递减。

对方程式的求解，预测提取的最佳工艺条件为：萃取时间3.16 h、萃取温度50.49 ℃、萃取压力17.37 MPa，迷迭香精油提取率可达1.94786%。考虑实际操作的要求，修正最佳工艺条件为：萃取时间3 h、萃取温度50.5 ℃、萃取压力17.5 MPa，实际迷迭香精油提取率为1.94%，与预测结果相差不大，由此可见，应用响应面试验优化超临界CO2萃取迷迭香精油的工艺确实可行，具有实际的效果。

3 结论

根据响应面试验优化超临界CO2萃取迷迭香精油工艺试验结果，采用超临界CO2萃取法提取迷迭香精油的工艺条件为：以乙醇为夹带剂，用量为原料的20%，在萃取时间3 h、萃取温度50.5 ℃、萃取压力17.5 MPa、CO2流速0.04 m3/h的条件下，迷迭香精油的平均提取率达1.94%。