響應面法優化微波輔助水蒸氣蒸餾提取板栗花精油工藝

邵明輝，王雪青，*，宋文軍，王素英，趙國強，付慶偉

（1.天津市食品與生物技術重點實驗室，天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津300134；2.唐山遷西縣板栗產業研究發展中心，河北唐山064300）

響應面法優化微波輔助水蒸氣蒸餾提取板栗花精油工藝

邵明輝1，王雪青1，*，宋文軍1，王素英1，趙國強2，付慶偉2

（1.天津市食品與生物技術重點實驗室，天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津300134；2.唐山遷西縣板栗產業研究發展中心，河北唐山064300）

利用響應面優化設計和SAS軟件數據分析相結合的方法，以料液比、微波功率和提取時間為自變量，精油提取率為響應值，研究各個自變量以及其交互作用對微波輔助水蒸氣蒸餾法（MAHD）提取板栗花精油得率的影響。根據二次回歸模型和實際操作的可行性，得到修正后最佳提取工藝參數為：料液比1∶24（g/mL），微波功率300W，提取時間17min，在上述優化條件下，精油提取率為0.647%±0.030%。

板栗花，精油，微波輔助水蒸氣蒸餾，響應面法

板栗花為殼斗科（Fagceae）栗屬植物栗（Castanea mollissima Blume）的雄性花序［1］，其雄雌花比例懸殊，高達2349∶1，為了提高板栗產量，常需要疏除90%～95%雄花，因此大量雄花被當作垃圾丟棄，不僅污染環境，更造成極大的資源浪費。板栗花資源豐富，香氣怡人，富含多種活性物質，除了黃酮類物質之外，還含有一些揮發性的芳香物質，如芳樟醇、壬醛、苯乙酮等［2］。目前，有研究報道采用水蒸氣蒸餾［3］和CO2超臨界萃取［4］法提取板栗花精油，不同的提取方法，精油含量不同，一般在0.621%～1.16%之間。

植物精油的傳統提取方法有水蒸氣蒸餾、索氏提取等，近年來發展了一些新的提取方法如超聲波萃取、CO2超臨界萃取和微波萃取等［5］。傳統的水蒸氣蒸餾法，提取過程能耗高、效率低［6］，所得精油質量高。新萃取技術，如CO2超臨界萃取，其裝置復雜，得率雖高，但產品為油脂浸膏，增加了分離純化環節，較難得到高質量精油［7］。而微波萃取以其設備簡單、溶劑消耗少、萃取時間短、節能環保等優點受到廣大科研工作者的青睞［8］。馬斌等［9］研究了在相同功率下傳統水蒸氣蒸餾和微波輔助提取橙皮揮發油的過程，發現微波輔助提取精油的時間由原來的135min縮短至15min，可見，微波輔助提取是具有良好發展前景的一種新工藝。

目前，采用此技術研究報道了肉桂［10］、扁杏仁［11］、竹葉［12］等多種植物精油的提取工藝，但尚未見板栗花精油的研究報道。本研究以板栗花為原料，采用微波輔助水蒸氣蒸餾提取板栗花精油，應用響應面法進一步優化提取條件，以確定板栗花精油最佳提取工藝，為進一步的研究和工業化生產提供科學依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

板栗花由河北省唐山市遷西縣板栗研究發展中心提供，采摘后于避光處晾干，粉碎過40目篩，保存備用；正己烷分析純。

MAS-Ⅰ型常壓微波輔助合成/萃取反應儀上海新儀微波化學科技有限公司；HX-1050恒溫循環器北京博醫康實驗儀器有限公司；DS-1高速組織搗碎機上海標本模型廠；RE-52A旋轉蒸發器上海亞榮生化儀器廠；Φ24mm揮發油提取器天津玻璃儀器廠。

1.2實驗方法

1.2.1板栗花精油提取及提取率計算［13］準確稱取10.0g板栗花粉末與蒸餾水按不同的料液比混合，置于500mL的磨口圓底燒瓶中，在揮發油提取器中加入10mL的正己烷為捕集溶劑，用MAS-Ⅰ型微波萃取器為輔助加熱設備，設置溫度為100℃，按照實驗設計進行提取。提取結束后，分離上層油相并洗滌回流管和揮發油提取器內壁2～3次，合并油相，無水硫酸鈉干燥，在旋轉蒸發器上減壓蒸餾，回收溶劑，得到的板栗花精油在室溫下揮盡溶劑至質量恒重后稱量，并計算提取率。每組實驗重復三次，取平均值。板栗花精油提取率按下式計算：

式中：m為板栗花精油質量（g）；n為板栗花質量（g）。

1.2.2單因素實驗為了探索板栗花精油在微波提取過程中各影響因素的變化規律，首先進行單因素實驗，以料液比、微波功率和提取時間作為考察因素，以板栗花精油提取率作為評價指標，分別考察這三個因素對板栗花精油提取率的影響，每組實驗平行三次，結果取平均值。

1.2.2.1料液比對提取率的影響在微波功率為300W，提取時間15min的條件下，以1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30等5個不同的料液比對板栗花精油進行提取。

1.2.2.2微波功率對提取率的影響在料液比為1∶20，提取時間15min的條件下，以100、200、300、400、500W等5個不同的微波功率對板栗花精油進行提取。

1.2.2.3提取時間對提取率的影響在微波功率為300W，料液比為1∶20的條件下，以5、10、15、20、25min等5個不同的提取時間對板栗花精油進行提取。

1.2.3響應面優化設計實驗根據Box-Behnken中心組合實驗設計原理［14］，以料液比、微波功率和提取時間三個因素為自變量，分別以x1、x2和x3表示，按方程Xi=（xi-x0）/△x對自變量進行編碼（Xi為編碼值，xi為真實值，x0為實驗中心值，△x為變化步長），自變量的編碼值-1、0和1分別代表自變量的低、中和高水平，精油得率y為響應值，確定三因素三水平的最佳參數進行響應面分析。實驗設計因素水平編碼表見表1。

表1　響應面實驗因素水平編碼表Table 1　Factors and levels of response surface experiments

1.3數據處理

2　結果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1料液比對精油提取率的影響不同料液比對板栗花精油提取率的影響見圖1。如圖1所示，精油提取率隨料液比的增大而增大，當料液比為1∶20時，精油提取率達到最大，為0.628%±0.03%，比1∶15時的提取率（0.537%±0.02%）提高了17%（p＜0.01），之后基本趨于穩定。

物料用量一定的前提下，溶劑用量越大，物料與溶劑接觸越充分，接觸面濃度差越大，滲透壓也越大，精油越易滲出［15］，當達到一定值后，提取率不再明顯增大。分析其原因，一方面由于提取一定時間后物料中的精油含量逐漸減少，難以溶出；另一方面，料液比增大，微波在穿透溶劑過程中發生衰減，達到基本物質的微波能減少［16］，物料中的精油不再溶出，提取率趨于穩定。

圖1　料液比對精油提取率的影響Fig.1　Effect of the solid-solvent ratio on the yield of essential oils

2.1.2微波功率對精油提取率的影響不同的微波功率對板栗花精油提取率的影響見圖2。如圖2所示，精油提取率隨微波功率的增大而增大，當微波功率增至300W時，精油提取率達到最大，為0.628%± 0.03%；之后隨著功率的增加，提取率呈現略微下降趨勢，當微波功率為500W時，提取率為0.562%±0.05%，比最大值下降了11%（p＜0.01）。

微波通過高頻電磁波穿透萃取介質以及植物細胞，從而改變了萃取介質以及細胞的溫度和壓力。當微波能量較小，如微波功率300W之前，由于較低的微波能量不足以使板栗花細胞壁破裂，只是起到加熱的作用，提取率較低；隨著微波功率的增大，微波能量充分地被細胞吸收而使其內部迅速升溫，壓力增大導致細胞以及細胞壁破碎，使得細胞壁與細胞之間的精油迅速滲出，提取率顯著增大［17］；微波功率繼續增大，微波能量過高，使得體系熱量過于集中，造成大量水蒸氣猛烈上涌，溶劑蒸汽化加劇，冷凝效率降低，造成部分揮發性成分隨急劇噴發的水蒸氣溢出到外界環境而損失，提取率降低。程謙偉等［18］在微波輔助提取百香果籽油研究中發現提取率隨微波功率的增大呈先增大后減小的趨勢，與本實驗結果一致。

圖2　微波功率對精油提取率的影響Fig.2　Effect of the microwave power on the yield of essential oils

2.1.3提取時間對精油提取率的影響不同提取時間對板栗花精油提取率的影響見圖3。如圖3所示，提取初始，精油提取率隨著時間的延長顯著（p＜0.05）增大，在提取15min后趨勢變緩，之后基本保持穩定，此時提取率為0.628%±0.03%，比10min時的提取率（0.572%±0.02%）增大了9.8%（p＜0.01）。

圖3　提取時間對精油提取率的影響Fig.3　Effect of the extraction time on the yield of essential oils

提取時間影響精油的提取率，這可能是由于提取時間越長，微波對物料作用越徹底，相應提取率也越高。當提取一定時間后，物料中精油含量減少，溶液體系的滲透壓也隨之平衡，提取率趨于穩定。從節約能源和實際生產考慮，提取時間在15min左右為宜。微波輔助在15min左右就可以完成板栗花精油的充分提取，而采用水蒸氣蒸餾的時間為180min［3］，表明微波輔助提取大大提高了萃取效率，有效地節省了提取時間。冉軍艦等［19］在研究微波法萃取櫻桃仁油時發現，提取率在15min前隨提取時間顯著增大，達到15min后，提取過程趨于平衡，提取率不再有明顯升高，實驗結果與本實驗基本一致。

2.2響應面優化設計實驗

根據單因素實驗結果，對板栗花精油提取工藝進行響應面分析，其具體結果見表2。

表2　響應面實驗設計及結果Table 2　Scheme and experimental results of the response surface design

采用SAS 9.1.3軟件對實驗數據進行方差分析，結果見表3。以精油提取率（Y）為因變量，料液比（X1）、微波功率（X2）和提取時間（X3）為自變量，進行多項式擬合回歸，回歸方程如下：

Y=-1.04415+0.04492X1+0.0046345X2+ 0.04464X3+0.000012X1X2+0.00082X1X3+0.000034X2X3-0.001328X12-0.00000797X22-0.002268X32

由表3可知，二次回歸模型的F=279.18，p＜0.0001；失擬性檢驗的F=5.59，p=0.065＞0.05，相關系數為0.9972，由方程的顯著性檢驗可知，該方程的模型擬合達到極其顯著；失擬性分析表明，該回歸方程無失擬因素存在，回歸模型與實測值能較好地擬合。方差分析結果表明，方程的一次項中X1（料液比）、X2（微波功率）和X3（提取時間）對響應值影響極顯著（p＜0.01），二次項X12、X22、X32和交互項X1X3、X2X3對響應值的影響也均極顯著（p＜0.01），由此可以說明，各具體實驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系。各因素的F值反映了其對響應值的重要性，F值越大，表明對響應值的影響越大，即重要性越大。從方差分析結果可知，各因素對提取率的影響大小順序為：微波功率＞料液比＞提取時間。

采用Design-Expert.V8.0.6.1軟件處理得響應面分析圖，考察所擬合的響應曲面的形狀，分析料液比、微波功率和提取時間對板栗花精油提取率的影響，結果見圖4～圖6。

表3　回歸方程的方差分析結果Table 3　Variance analysis of regression equation

圖5　料液比和提取時間對提取率交互影響的響應面圖Fig.5　Response surface plot for interactive effect of the solid-solvent ratio and extraction time on extraction efficiency of Chestnut flower essential oil

圖6　微波功率和提取時間對提取率交互影響的響應面圖Fig.6　Response surface plot for interactive effect of the microwave power and extraction time on extraction efficiency of Chestnut flower essential oil

二維等高線圖和三維球面圖形象地反映了各個自變量對響應值交互影響的關系。圓形的等高線表明兩自變量之間的交互影響是不顯著的；橢圓形的等高線表明兩自變量之間的交互影響是顯著的［20］。由圖4～圖6可知，料液比和提取時間之間的交互作用對提取率的影響最顯著；微波功率和提取時間的交互作用次之；料液比和微波功率的交互作用不顯著。

2.3最佳實驗條件預測與驗證

通過二次回歸模型的預測，得到最佳實驗條件為：料液比1∶23.62，微波功率344.11W，提取時間16.69min，提取率最優值為0.656%。為了檢測響應面法所得結果的可靠性，采用上述優化條件提取板栗花精油，考慮到實際操作的可行性和生產便利性，將提取工藝參數修正為料液比1∶24，微波功率300W，提取時間17min。按照上述修正條件進行實驗結果的驗證，重復3次，實際提取率為0.647%±0.03%，與理論值相比，相對誤差約為1.37%。由此表明，建立的模型與實際情況基本吻合，響應面法對微波輔助水蒸氣蒸餾提取板栗花精油的優化工藝條件準確可靠，具有較好的應用價值。微波輔助水蒸氣蒸餾提取的板栗花精油與采用傳統水蒸氣蒸餾法制備的精油色澤、性狀沒有差異，常溫下為淡黃色透明，同時伴有濃厚的板栗花氣味的油狀液體，同時比水蒸氣蒸餾時間縮短了165min，得率提高了近4.2%［3］。

3　結論

通過單因素實驗和響應面分析法優化了微波輔助水蒸氣蒸餾提取板栗花精油的工藝，擬合了料液比、微波功率和提取時間三個因素對精油提取率的回歸模型，經檢驗證明，該模型能較好地與實際值擬合。根據二次回歸模型和實際操作的可行性，得到修正后最佳提取工藝參數為：料液比1∶24（g/mL），微波功率300W，提取時間17min，提取率為0.647%±0.030%。

［1］吳雪輝，江南，梁穎詩，等.微波提取板栗花中黃酮類物質的工藝研究［J］.食品工業科技，2006，36（8）：106-109.

［2］王浩然，魏福祥，桂建業.板栗花揮發油成分的提取與應用研究［J］.河北科技大學學報，2011，32（4）：384-390.

［3］趙文越，王雪青，邵明輝，等.水蒸氣蒸餾法制備板栗花精油及其抑菌活性［J］.食品研究與開發，2014，35（13）：48-53.

［4］張建旺.板栗花中黃酮及揮發類物質的研究［D］.秦皇島：河北科技師范學院，2012.

［5］楊君，張獻忠，高宏建，等.天然植物精油提取方法研究進展［J］.中國食物與營養，2012，25（9）：31-35.

［6］Rivera L L，Vilarem G.Hydrodistillation of caraway by direct induction heating assisted by a magnetic field process［J］.Flavour and Fragrance Journal，2007，22（3）：178-183.

［7］孫國峰，李鳳飛，楊文江，等.花椒有效成分的CO2超臨界萃取工藝［J］.食品與生物技術學報，2011，30（6）：899-904.

［8］Ferhat M A，Meklati B Y，Smadja J，et al.An improved microwave Clevenger apparatus for distillation of essential oils from orange peel［J］.Journal of Chromatography A，2006，1112（1）：121-126.

［9］馬斌.微波輔助提取植物中揮發油的方法研究［D］.重慶：重慶大學，2010.

［10］宋賢良，吳雪輝，高強，等.微波輔助水蒸氣蒸餾提取肉桂油的研究［J］.食品科技，2007（11）：93-96.

［11］賈曉艷，張清安，張霞，等.響應面法優化微波輔助提取扁杏仁油工藝及成分分析［J］.中國糧油學報，2011，26（3）：60-63.

［12］楊蘭，吳肖，甘羿.響應面法優化竹葉精油的微波輔助提取工藝［J］.食品工業科技，2010，36（8）：280-282.

［13］應麗亞.玫瑰精油化學成分及其功能性研究［D］.杭州：浙江大學，2012.

［14］Boxg E P，Behnken D W.Some new three level designs for the study of quantitative variables［J］.Technometrics，1960（2）：455-475.

［15］張佰清，李龍杰，張艷艷.響應面法優化微波輔助提取樹莓籽油工藝［J］.食品科學，2011，32（4）：92-96.

［16］趙文英，朱慶書，金青.微波輔助提取蒼耳子油的研究［J］.食品科技，2008，15（2）：203-205.

［17］扶慶權，候佩，邵陽.微波輔助提取羅勒籽油的響應面法優化［J］.食品工業科技，2013，34（5）：251-254.

［18］程謙偉，孟陸麗，何仁，等.響應面優化微波輔助提取百香果籽油工藝研究［J］.糧食與油脂，2010，12（5）：20-22.

［19］冉軍艦，盧奎，朱雨瑩，等.微波法萃取櫻桃仁油［J］.食品科學，2007，28（12）：146-149.

Optimization of microwave-assisted hydro distillation extraction process of essential oil from Chestnut flower by response surface methodology

SHAO Ming-hui1，WANG Xue-qing1，*，SONG Wen-jun1，WANG Su-ying1，ZHAO Guo-qiang2，FU Qing-wei2
（1.Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology，College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China；2.Qianxi Chestnut Industry Research and Development Center，Tangshan 064300，China）

Effects of the solid-solvent ratio，microwave power and extraction time and their interaction on extraction rate of the essential oil from the Chestnut flower，extracted by the microwave-assisted hydro distillation，were researched and preparing technology was optimized using response surface design and data analyzed by SAS software.According to quadratic regression model and the feasibility of actual operation，the optimum extraction parameters were as follows:the solid-solvent ratio 1∶24（g/mL），microwave power 300W and extraction time 17min.Under the optimized conditions，the actual oil yield was 0.647%±0.030%.

Chestnut flower；essential oil；microwave-assisted hydro distillation；response surface methodology

TS201.1

B

1002-0306（2015）10-0233-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.10.040

2014-08-14

邵明輝（1989-），男，碩士研究生，研究方向：天然活性物質的研究與開發方面的研究。

王雪青（1964-），女，博士，教授，主要從事天然活性物質的研究與開發方面的研究。

天津市高等學校創新團隊建設規劃資助項目（TD12-5049）；天津市高校科技發展基金資助項目（20120603）；唐山遷西縣板栗產業研究發展中心資助項目（G11034）。