響應面優(yōu)化超臨界CO2萃取牛至油工藝研究

劉軍海，李志洲，王俊宏

（陜西理工學院化學與環(huán)境科學學院，陜西漢中723000）

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響應面優(yōu)化超臨界CO2萃取牛至油工藝研究

劉軍海*，李志洲，王俊宏

（陜西理工學院化學與環(huán)境科學學院，陜西漢中723000）

試驗采用提取率較高的超臨界CO2萃取技術(shù)萃取牛至油。在單因素試驗基礎上通過響應面試驗優(yōu)化了牛至油的超臨界CO2萃取工藝，確定的最優(yōu)萃取工藝參數(shù)為：萃取壓力35 Mpa，萃取溫度50℃，CO2流率3.6 L/min，萃取時間3 h，此條件下牛至油得率達到5.82%。

牛至油；超臨界CO2；Box-Benhnken試驗設計；萃取

牛至油是從牛至全草中提取的揮發(fā)性油，其主要成分為酚類物質(zhì)，具有增強動物機體免疫力，抗菌、抗氧化、抗腫瘤和抗球蟲等作用（王雙和馬現(xiàn)永，2010）。此外，還能提高動物體內(nèi)消化酶活性，增強營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，改善飼料轉(zhuǎn)化率，促進動物生長；同時還可增強動物機體的抗應激能力及生產(chǎn)性能，降低飼養(yǎng)成本（劉德穩(wěn)，2009；張莉和宋代軍，2009；胡驍飛等，2004）。本試驗采用響應面優(yōu)化超臨界CO2萃取牛至油的工藝條件。

1　材料與方法

1.1試驗材料牛至，九月份的云南產(chǎn)牛至，50℃恒溫干燥后粉碎過60目篩，6℃貯藏在冰箱中待用；乙醇為分析純；蒸餾水為實驗室自制。

DHG-9075A型電熱鼓風箱（上海一恒科技有限公司）；FW117中草藥粉碎機（天津泰斯特儀器有限公司）；BS110電子分析天平（北京賽多利天平有限公司）；KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；RE-52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；SCF-CO2萃取實驗裝置（石家莊特科生化設備有限公司）。

1.2試驗方法超聲波提取：稱取4份40 g備用牛至粉末放入500 mL錐形瓶中，按照料液比為1∶15（g/mL）的標準加入體積分數(shù)為90%的乙醇，超聲波溫度設定在50℃，超聲波頻率為60 kHz，此條件下分別對牛至油提取1、1.5、2、2.5 h，提取完成后減壓蒸發(fā)掉乙醇即得牛至油。

水蒸氣蒸餾：稱取4份40 g備用牛至粉末放入裝有沸石的水蒸氣蒸餾裝置的硬質(zhì)圓底燒瓶中，加水搖勻，置于電熱套中緩慢加熱至沸騰，保持微沸狀態(tài)，分別提取1、1.5、2、2.5 h，計算牛至油不同提取時間的得率。

超臨界CO2萃取：稱取4份40 g備用牛至粉末裝于超臨界萃取裝置中，設定萃取溫度為50℃，CO2流率為3.5 L/min，在35 Mpa條件下分別萃取1、1.5、2、2.5 h，萃取完成后，溶解了牛至油的超臨界CO2經(jīng)過降壓閥進行節(jié)流膨脹變?yōu)槌簹怏w直接與牛至油分離，等待10 min測定接收瓶中牛至油的質(zhì)量，計算牛至油得率。

1.3牛至油得率計算公式得率/%=牛至油質(zhì)量/牛至粉末質(zhì)量×100。

1.4試驗設計

1.4.1單因素試驗設計超臨界CO2萃取的影響因素包括萃取壓力、萃取溫度、CO2流率及萃取時間，單因素試驗對四個因素在提取過程中對牛至油得率的影響進行探討。試驗過程將其他三個因素設為定值，單獨討論一個因素的水平變化對牛至油得率的影響，為響應面優(yōu)選試驗優(yōu)選合適的設計水平。

1.4.2響應面試驗設計以單因素試驗的萃取壓力（X1）、萃取溫度（X2）、CO2流率（X3）三個因素作為響應面優(yōu)化試驗的考察對象，固定萃取時間為3 h，以牛至油得率（Y）為指標，通過Box-Benhnken中心組合進行三因素三水平的響應面優(yōu)化試驗，優(yōu)選出超臨界CO2萃取牛至油的工藝條件，試驗設計見表1。

表1　響應面試驗設計

2　結(jié)果與分析

2.1各提取方法提取效果比較由圖1可知，三種提取方法提取的牛至油，其得率均隨提取時間的延長而增大，提取2.0 h后，水蒸氣蒸餾法和超聲波提取法的得率增幅不大，而超臨界CO2萃取還有較大的增幅，2.5 h時各提取方法所對應的牛至油得率分別為3.0%、4.1%、5.4%。超臨界CO2萃取技術(shù)利用CO2在超臨界狀態(tài)下對牛至油極強的溶解性來達到快速萃取的目的，萃取完成后降壓即可將CO2釋放得到純凈的牛至油，萃取率高且無化學殘留，能將萃取和純化一體化，克服了水蒸氣蒸餾提取時間長及雜質(zhì)含量高等問題，與超聲波提取技術(shù)相比，降低了提取后分離操作的費用，減少了工序，因此確定超臨界CO2萃取技術(shù)作為牛至油萃取的最終方法。

圖1　各提取方法提取結(jié)果比較

2.2單因素試驗結(jié)果及討論

2.2.1萃取壓力對牛至油得率的影響稱取5份40 g的備用牛至粉末于超臨界萃取裝置中，設定萃取溫度為45℃，CO2流率為3 L/min，萃取2.0 h，研究20、25、30、35、40 Mpa 5個不同萃取壓力下牛至油得率的變化，結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著壓力的增大，牛至油的得率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，壓力為35 Mpa時牛至油得率最大。壓力增大會使CO2的密度增大，減小超臨界CO2和牛至油分子間距，促進牛至油溶解且增大了傳質(zhì)速率；但壓力過大導致CO2密度增大的同時黏度也隨著增大，傳質(zhì)效果不理想，同時也會導致牛至中其他雜質(zhì)的溶解，萃取的選擇性變差，牛至油得率不增反減，因此選擇35Mpa為較佳的萃取壓力，優(yōu)選的響應面優(yōu)化試驗萃取壓力水平為30～40 Mpa。

圖2　萃取壓力對牛至油得率的影響

2.2.2萃取溫度對牛至油得率的影響稱取5份40 g的備用牛至粉末于超臨界萃取裝置中，設定萃取壓力為30 Mpa，CO2流率為3 L/min，萃取2.0 h，研究35、40、45、50、55℃5個不同萃取溫度下牛至油得率的變化，結(jié)果見圖3。由圖3可知，35～40℃牛至油得率增長較快，40～50℃范圍內(nèi)牛至油得率呈小幅度增長，超過50℃后牛至油得率迅速下降。超臨界狀態(tài)下分子熱運動能加快牛至油在CO2中的溶解，同時隨著溫度的升高，牛至油的飽和蒸汽壓增大，利于萃取。但是溫度過高使超臨界CO2密度下降，溶劑效應減弱，溶解度降低，因此牛至油得率迅速減小，綜合考慮選擇50℃為較佳的萃取溫度，優(yōu)選的響應面優(yōu)化試驗萃取溫度水平為45～55℃。

圖3　萃取溫度對牛至油得率的影響

2.2.3CO2流率對牛至油得率的影響稱取5份40 g的備用牛至粉末于超臨界萃取裝置中，設定萃取壓力為30 Mpa，萃取溫度45℃，萃取2.0 h，研究2、2.5、3、3.5、4 L/min 5個不同CO2流率下牛至油得率的變化，結(jié)果見圖4。由圖4可知，CO2流率和牛至油得率呈正相關(guān)，流率大于3 L/min牛至油得率緩慢增長，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于CO2流率的增加一方面減少了傳質(zhì)時間，而另一方面卻增加濃度差強化了傳質(zhì)，在這兩方面作用下牛至油萃取基本處于動態(tài)平衡，考慮到增大CO2流率對萃取效果并無太大促進作用，為了減少溶劑消耗，選擇3.5 L/min為較佳的CO2流率，優(yōu)選的響應面優(yōu)化試驗CO2流率水平為3.0～4.0 L/min。

圖4　CO2流率對牛至油得率的影響

2.2.4萃取時間對牛至油得率的影響稱取5份40 g的備用牛至粉末于超臨界萃取裝置中，設定萃取壓力為30 Mpa，萃取溫度45℃，CO2流率為3 L/min，研究1、1.5、2、2.5、3 h 5個不同萃取時間下牛至油得率的變化，結(jié)果見圖5。由圖5可知，萃取時間越長，牛至油得率越大；萃取時間超過2.5 h后得率增加緩慢，考慮到再延長萃取時間的經(jīng)濟價值及其他較難萃取成分的溶出會影響牛至油品質(zhì)兩方面原因，選擇3 h為較佳的萃取時間。

圖5　萃取時間對牛至油得率的影響

3　響應面試驗結(jié)果及分析

在單因素試驗基礎上，固定每個試驗萃取時間為3 h，選擇萃取壓力（A）、萃取溫度（B）及CO2流率（C）三個因素作為響應面優(yōu)化試驗的考察對象，以牛至油得率為指標，進行響應面優(yōu)化試驗。結(jié)果見表2，方差分析見表3。表2中共有15個試驗點，1～12為析因試驗，用來分析各因素的不同水平的組合對牛至油得率的影響，13～15為零點試驗，用來檢測模型的誤差及模型的可靠性。

由表3方差分析結(jié)果可知，萃取溫度和CO2流率對牛至油提取的影響均達到了極顯著統(tǒng)計水平（0.01）；F檢驗反映的是回歸模型的有效性，F(xiàn)值越大，說明此因素對提取率的影響越顯著，因此各因素對牛至油得率的影響大小順序為萃取壓力＞CO2流率＞萃取時間。各平方項X1X1、X2X2、X3X3也均達到了極顯著統(tǒng)計水平（0.01）。

表2　響應面試驗結(jié)果

模型的Pr值為0.001793，達到了極顯著統(tǒng)計水平；失擬項Pr值為0.0632（Pr＜0.05），不顯著，說明模型無失擬因素存在；相關(guān)系數(shù)R2=97.46%，說明僅有2.54%的因變量變化不能用此方程解釋，調(diào)整系數(shù)R2Adj=92.89%，說明試驗所用模型擬合度高，誤差小；模型的變異系數(shù)CV=2.06%，說明模型的重現(xiàn)性好，因此模型可用于超臨界CO2萃取牛至油試驗結(jié)果的預測和分析。

表3　方差分析結(jié)果

采用SAS8.01統(tǒng)計軟件RsReg程序包對表2的試驗結(jié)果進行多元回歸擬合分析，擬合方程為：

擬合方程的一次項系數(shù)均為正，二次項系數(shù)均為負，表明這三個因素都對超臨界CO2萃取牛至油有正效應并且存在固定值使得牛至油得率達到最大。SAS程序預測的牛至油最大得率為5.8685%，所對應的各因素的最佳值為：X1= 0.624489、X2=0.090299、X3=0.185139。將模型預測的各因素最佳值回代入表1，求得最佳工藝條件為：萃取壓力35.31 Mpa，萃取溫度50.45℃，CO2流率3.59 L/min，為了方便實際操作，設定萃取壓力為35 Mpa，萃取溫度50℃，CO2流率為3.6 L/min。在萃取3h的條件下進行驗證試驗，平行測定3次，提取率分別為5.82%、5.84%、5.80%，取平均值5.82%為最佳超臨界CO2萃取條件下的牛至油得率，與試驗預測的最大得率值誤差僅為0.83%。

4　結(jié)論

在單因素試驗基礎上，通過響應面試驗優(yōu)化了超臨界CO2萃取牛至油的工藝條件，得到的最佳萃取工藝參數(shù)為：萃取壓力35 Mpa，萃取溫度50℃，CO2流率3.6 L/min，萃取時間3h，此條件下的牛至油得率為5.82%。

［1］胡驍飛，魏鳳仙，邱駿，等.牛至油在畜禽飼料中的應用前景［J］.中國飼料，2004，14：13～14.

［2］劉德穩(wěn).牛至油對仔豬生產(chǎn)性能的影響［J］.飼料與畜牧，2009，5：48～50.

［3］王芳，王吉譚，孫信權(quán).牛至油研究進展及其在畜牧業(yè)中應用［J］.中國飼料，2005，1：12～14.

［4］王雙，馬現(xiàn)永.植物抗生素-牛至油在畜禽生產(chǎn)中的應用［J］.飼料研究，2010，4：9～11.

［5］張莉，宋代軍.牛至油對肉雞生產(chǎn)性能和血液指標的影響［J］.中國飼料，2009，4：25～27.

The supercritical CO2extraction technology as oregano oil extraction method for it’s higher extraction tatio was applied.The supercritical CO2extraction conditions of oregano oil were optimized through the response surface test based on the single factors experiments.The results showed that the optimum conditions were as follows：extraction pressure of 35 MPa，extraction temperature of 45℃，CO2flow rate of 3.6 L/min，extraction time of 3 h，the extraction rate of oregano oil were 5.82%.

oregano oil；supercritical CO2；Box-Benhnken experiment design；extraction

S816.7

A

1004-3314（2016）05-0017-04

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20160504

陜西省教育廳2012年科學研究項目計劃（12JK0602）