香草蘭超臨界CO2萃取工藝優化

羅由萍 崔勝華 鄧鵬飛 于長江 吳秀寧

摘要：使用國產超臨界CO2萃取中試裝置，利用均勻設計法研究了香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）的超臨界萃取工藝。以萃取壓力、萃取溫度、夾帶劑乙醇用量和萃取時間為考察因素，確定最佳萃取工藝條件為萃取壓力30.9 MPa、萃取溫度53.1 ℃、夾帶劑乙醇用量1.53 mL/g、萃取時間135 min，此條件下香蘭素的萃取率為19.56 mg/g。

關鍵詞：香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）；超臨界CO2萃取；均勻設計

中圖分類號：TQ654 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）08-1899-02

香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）又名香子蘭、香莢蘭、香果蘭，屬于蘭科（Orchidaceae）植物[1]。作為最受歡迎的食用香料之一，其廣泛應用于食品、飲料、香水和制藥工業[2]。香草蘭含有200多種揮發性芳香族香氣成分，其中只有26種成分含量超過1 mg/kg，主要香氣成分為香蘭素（Vanillin），含量為1.0%～2.0%。雖然合成的香蘭素可以廉價得到，但由于天然的香蘭素擁有獨特的風味，此外還有一定的抗菌、抗毒活性，故天然香蘭素具有很高的經濟價值。為了提高香蘭素的萃取率，科學家們付出了不懈的努力。傳統的提取方法是用乙醇或乙醇的水溶液萃取，或輔以微波或超聲波強化萃取。超臨界CO2流體萃取法（Supercritical CO2 fluid extraction，SFE）是一種新型的分離方法，它結合了溶劑萃取和蒸餾兩種功能特點。這種方法利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響對不同成分進行萃取，而后改變體系的壓力或溫度，將已提取的成分基本上或完全地析出，最終達到提取和分離的目的。由于超臨界流體具有較低的黏度和較高的擴散系數，比傳統的有機溶劑能更有效地穿透多孔性的物質，故能得到更高的萃取率。試驗采用國產超臨界CO2萃取中試裝置，利用均勻設計法設計試驗方案，對香草蘭中香蘭素的超臨界CO2萃取工藝進行研究，并對試驗結果進行回歸分析，以得到最優的萃取工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料

香草蘭豆莢由中國熱帶農業科學院香料飲料研究所提供，香蘭素標準品（99%）購自Acros公司，丁香酚（99%）購自Acros公司，CO2（99.9%）購自海南佳騰化工氣體有限公司，HA121-50-01（02）型超臨界流體萃取裝置購自南通市華安超臨界萃取有限公司，RT-02A型粉碎機購自臺灣泓荃制藥機械公司，BT124S型電子天平購自賽多利斯科學儀器（北京）有限公司，HP6890/5973MSD型氣質聯用儀購自美國惠普公司。

1.2 方法

1.2.1 超臨界CO2萃取工藝 將香草蘭豆莢低溫干燥，用粉碎機粉碎，取10 g粉末置于2 L萃取釜中進行萃取。萃取完成后，將萃取物用無水乙醇定容至250 mL，用氣相色譜分析香蘭素的含量。選擇萃取壓力、萃取溫度、夾帶劑乙醇用量及萃取時間為工藝條件，利用均勻設計法設計試驗方案，考察不同工藝條件下香蘭素的萃取率，并求得最佳工藝條件。固定的工藝參數為分離溫度為40 ℃，分離壓力分別為12 MPa（分離釜1）和7 MPa（分離釜2），萃取劑流量為15 L/h。

1.2.2 萃取工藝條件的設計 使用均勻設計法設計試驗方案[3]。選取萃取壓力（x1）、萃取溫度（x2）、夾帶劑乙醇用量（x3）及萃取時間（x4）為考察因素，以香蘭素萃取率（y）為考察指標。試驗因素與水平見表1。

1.2.3 氣相色譜分析 將HP-5MS型毛細管柱（30 m×250 μm×0.25 μm）程序升溫，起始溫度為50 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升溫到240 ℃，保持至分析完成。載氣為He（99.99%），進樣口溫度為280 ℃，壓力為26.4 kPa，總流量為44 mL/min，分流比為40∶1。以丁香酚作內標物[4]。

1.2.4 氣質分析 采用全掃描采集模式和電子倍增器電壓模式，增益系數為1.00，結果EM電壓為1 282 V，離子源溫度為230 ℃，四級桿溫度為150 ℃，溶劑遲緩2.0 min。

2 結果與分析

2.1 超臨界CO2萃取工藝的回歸模型

利用超臨界CO2萃取香草蘭豆莢中的香蘭素，9個水平下的香蘭素萃取率分別為7.28、10.51、10.11、8.95、10.89、18.37、15.40、9.18和6.41 mg/g。使用統計軟件SPSS對試驗結果進行逐步回歸分析，得到如下二次多項式回歸模型： ■=-160.893+6.574x1+2.712x2+1.690x3-0.023x4-0.048x12+0.009x22-0.087x1x2。此回歸模型的R2為0.967，說明回歸的擬合度非常高；回歸部分的F為41.78，模型整體的P為0，小于顯著水平0.05，說明所建立的回歸方程是顯著的[5]；模型中常數項和4個自變量系數的P分別為0.001、0.008、0.005、0.011、0.001，其都小于0.05顯著性水平。利用所得模型在相應區間求極值，利用Excel線性規劃求解，得到最優條件為：x1=30.9 MPa，x2=53.1 ℃，x3=1.53 mL/g，x4=135 min。此時，根據所得回歸方程，香草蘭豆莢中香蘭素理論萃取率為22.53 mg/g。

2.2 驗證試驗結果

根據上述得到的最佳工藝參數，按照相同的試驗方法和步驟，3次重復，得到實測萃取率的平均值為19.56 mg/g，與預測值相差不大，說明該均勻設計試驗比較成功。

2.3 萃取物氣相色譜-質譜研究結果

所得香草蘭萃取物為淡黃色液體，比用普通溶劑萃取的產物顏色淺。將萃取物用氣相色譜-質譜進行成分鑒定，所得結果與NIST08.L譜圖庫進行檢索比對，結合已知文獻[6，7]，鑒定出6個主要成分，結果如表2所示。香草蘭的超臨界CO2萃取物組分總離子流圖見圖1。

3 結論

利用均勻設計法，使用國產超臨界CO2萃取中試裝置，萃取香草蘭中的芳香成分。優化的工藝參數為萃取壓力30.9 MPa，萃取溫度53.1 ℃，夾帶劑乙醇用量1.53 mL/g，萃取時間135 min，每克香草蘭豆莢中能得到香蘭素19.56 mg，萃取率為19.56 mg/g。為利用國產超臨界CO2萃取裝置從香草蘭中萃取香蘭素的工業化打下了基礎。

參考文獻：

[1] 王佩珍. 試論我國熱帶地區栽培香草蘭的可行性[J]. 熱帶作物研究，1986（4）：53-58.

[2] SINHA A K，SHARMA U K，SHARMA N. A comprehensive review on vanilla flavor：Extraction， isolation and quantification of vanillin and others constituents[J]. International Journal of Food Sciences and Nutrition，2008，59（4）：299-326.

[3] 曾昭君. 均勻設計及其應用[M]. 北京：中國醫藥科技出版社，2005.

[4] NY/T 713-2003，香草蘭豆莢中香蘭素的測定[S].

[5] 陳勝可. SPSS統計分析從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2010.

[6] SOSTARIC T，BOYCE M，SPICKETT E. Analysis of the volatile components in vanilla extracts and flavorings by solid-phase microextraction and gas chromatography[J]. J Agric Food Chem，2000，48（12）：5802-5807.

[7] PEREZ-SILVA A，ODOUX E，BRAT P，et al. GC-MS and GC-olfactometry analysis of aroma compounds in a representative organic aroma extract from cured vanilla （Vanilla planifolia G. Jackson） beans[J]. Food Chemistry，2006，99（4）：728-735.