BBD設計-響應面法優(yōu)化千層金精油浸提工藝

李海貝，徐芳菲，顧雯月，羅傲雪

(四川農(nóng)業(yè)大學風景園林學院，四川 溫江 611130)

千層金(Melaleuca bracteata)為桃金娘科白千層屬的常綠喬木，又名黃金寶樹、黃金香柳。研究表明千層金具有油腺點，香味濃郁，揮發(fā)性精油含量高，主要成分為甲基丁香酚、肉桂酸甲酯、3,4,5-三甲氧基苯甲酸甲酯、大根香葉烯D[1]。千層金精油對紫色桿菌的抗菌效果最顯著，對銅綠假單胞菌、紅色粘質(zhì)沙雷氏菌、白色粘質(zhì)沙雷氏菌均有一定的抑菌活性[2]。同時也具有很強的殺螨蟲[3]活性和驅蟲性[4]，是目前世界上珍貴的化妝品香料之一，被廣泛用于醫(yī)藥、化妝品、食品和日用化妝品行業(yè)。

目前提取千層金油主要采用水蒸餾法和有機溶劑萃取法。如秦榮秀[5]采用水蒸氣蒸餾工藝提取千層金油，得到千層金油層含量為0.55%，芳香水中含揮發(fā)性成分約為0.14%，千層金枝葉揮發(fā)油的總產(chǎn)率為0.69%。葉征美[1]采用有機溶劑萃取法得到精油提取得率4.51%。對比水蒸餾法和有極溶劑萃取法，浸提法提取精油提取率高、提取精油純度高，相比有機溶劑萃取法提取過程簡單，被廣泛應用與植物精油的提取，如廖玉琴[6]等采用浸提法通過正交試驗對檸檬精油的提取工藝進行優(yōu)化，劉小金[7]等采用乙醚浸提法分別提取了檀香邊材和心材的精油。

本研究采用浸提法，通過設計BBD實驗優(yōu)化了千層金精油的提取工藝。研究不同工藝參數(shù)(浸提時間、浸提轉速、料液比)對千層金精油的影響規(guī)律，確定千層金精油浸提法提取的最佳工藝條件。

1 實驗材料與方法

1.1 材料與儀器

生長狀況良好的千層金葉片(四川農(nóng)業(yè)大學成都校區(qū))、紫外可見分光光度計(上海美譜達儀器有限公司)；電子分析天平(奧斯豪儀器有限公司)；旋轉蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器)；高速粉碎機(永康市久品工貿(mào)有限公司)； HY-3型調(diào)速振蕩機(常州國華電器有限公司)；DHG-9245型電熱恒溫鼓風干燥機(上海一恒科技有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 浸提法單因素實驗

1.2.1.1 千層金質(zhì)量與石油醚體積比例

以千層金質(zhì)量與石油醚體積的比例為自變量，設置浸提轉速為180r/min,浸提時間為2h，分別進行實驗得到千層金精油的提取率，千層金葉片質(zhì)量與石油醚體積的比例如表1所示。

表1 千層金葉片質(zhì)量與石油醚體積的比例

1.2.1.2 轉速對提取率的影響

控制千層金質(zhì)量與石油醚體積的比例為10∶200，然后將所制混合物放入圓底燒瓶，將圓底燒瓶置于振蕩器振蕩，時間控制為2h，轉速為變量，分別設置為120 r/min，150 r/min，180 r/min，210 r/min，240 r/min。

1.2.1.3 浸提時間對提取率的影響

控制千層金質(zhì)量與石油醚體積的比例為10：200，后將所制混合物放入圓底燒瓶，將圓底燒瓶置于振蕩器振蕩，轉速設置為180r/min，浸提時間分別設置為1h，2h，3h，4h，5h。

1.2.2 響應面實驗設計

采用Design-Expert8 軟件對實驗進行三因素三變量的Box-Behnken實驗設計，如表1所示，將本研究選擇的三個獨立變量指定為X1,X2,X3和將三個水平編碼規(guī)定為+ 1、0、-1，分別對應高值、中間值和低值.

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果

表2 料液比對千層金精油提取率的影響

從數(shù)據(jù)可以看出，在千層金質(zhì)量、浸提時間、浸提轉速一定的情況下，千層金精油提取率隨著石油醚的增加而增加，在料液比1∶200時達到最高。隨著石油醚進一步增加，提取出的千層金精油顏色變淡、氣味減弱、純度降低，雖然提取率值增加但效率變低。

表3 浸提時間對千層金精油提取率的影響

從數(shù)據(jù)可以看出，在千層金質(zhì)量、浸提轉速、料液比一定的情況下，千層金精油提取率隨著浸提時間的增加而增加，在浸提時間為3h時達到最高。隨著浸提時間進一步增加，提取出的千層金精油顏色變淡、氣味減弱、純度降低，雖然提取率值增加但效率變低。

表4 浸提轉速對千層金精油提取率的影響

從數(shù)據(jù)可以看出，在千層金質(zhì)量、浸提時間、料液比一定的情況下，千層金精油提取率隨著浸提轉速的增加先增加后降低，在浸提轉速為210r/s時達到最高。

2.2 響應面法實驗結果

響應面優(yōu)化千層金精油浸提法提取的結果分析 以A(浸提時間)、B(料液比)、C(浸提轉速)為自變量，以千層金精油的提取率為響應值，用Design-Expert 8. 0. 0軟件進行三因素三水平的響應面數(shù)據(jù)分析得到結果(見表5、6)。綜合分析表中數(shù)據(jù)結果，得到回歸方程為Y=4.61+0.71A+0.17B-0.21C+0.89AB-0.095AC-0.26BC+0.73A2+0.19B2+0.077C2。

表5 響應面分析因素和水平

表6 響應面分析試驗設計及結果

表7 響應面回歸模型方差分析

表7(續(xù))

2.3 響應面圖與等高線圖分析

響應面是響應值對各實驗因素所構成的三維空間曲線圖因素對響應值影響越顯著，曲面就會越陡峭[9]。而等高線的形狀則反映了兩因素交互作用顯著的程度，橢圓形代表交互作用顯著，接近圓形說明兩因素交互作用不明顯。觀察等高線圖可以發(fā)現(xiàn)圓心處為極值存在的條件[10]。

由圖1可知，當沿著浸提時間(A)，料液比(B)分別向峰值移動，隨著料液比和浸提時間的增加，千層金精油的提取率不斷增加，料液比(B)為0.06，浸提時間(A)2.75h左右出現(xiàn)極值，料液比(B)方向等高線密度明顯高于浸提時間(A)方向等高線密度，說明料液比對千層金精油提取率的影響大于浸提時間。

圖1 Y=f(A,B)的等高線圖和響應面

由圖2可知，當沿著浸提時間(A)，浸提轉速(C)分別向峰值移動隨著浸提時間和浸提轉速的增加，千層金精油的提取率不斷增加，后下降，在浸提時間(A)為2.95h左右，浸提轉速(C)為205r/s時出現(xiàn)極值，浸提時間(A)方向等高線密度明顯高于浸提轉速(C)方向等高線密度，說明浸提時間對千層金精油提取率的影響大于浸提轉速。

圖2 Y=f(A,C)的等高線圖和響應面

由圖3可知，當沿著料液比(B)，浸提轉速(C)分別向峰值移動，隨著料液比和浸提轉速的增加，千層金精油的提取率不斷增加，且料液比(B)為0.05左右，浸提轉速(C)為205r/s時出現(xiàn)極值，后千層金精油提取率增加不明顯。料液比(B)方向等高線密度明顯高于浸提轉速(C)方向等高線密度，說明料液比對千層金精油提取率的影響大于浸提轉速。

圖3 Y=f(B,C)的等高線圖和響應面

綜上所述，利用響應面分析、多元回歸方程等手段分析浸提時間(A)、料液比(B)、浸提轉速(C)對千層金精油提取率的影響，3因素對千層金精油提取率的影響順序為浸提時間>浸提轉速>料液比。

2.4 最佳實驗預測

通過Design-Expert 8. 0. 0軟件進行數(shù)據(jù)分析，得到千層金精油提取的最佳條件是：浸提時間(A)為3.2h、料液比(B)為0.05、浸提轉速(C)為180 rad/s，預計千層金精油的提取率為7.95%。

2.5 驗證實驗

按照由響應面法得出的最佳工藝參數(shù)提取千層金精油，在此條件下得到的千層金精油的提取率為7.73%，與預測值接近，無顯著性差異。說明由響應面法得出的模型是可靠、準確的。

3 結論

在千層金精油浸提法提取的三個提取工藝因素-浸提時間、料液比、浸提轉速中，料液比和浸提轉速的交互作用對千層金精油提取率的影響達到顯著水平，浸提時間和浸提轉速的交互作用對千層金精油提取率的影響不顯著，3因素對千層金精油提取率的影響順序為料液比>浸提時間>浸提轉速。優(yōu)化提取條件浸提時間(A)為3.2h、料液比(B)為0.05、浸提轉速(C)為180 r/s，預計千層金精油的提取率為7.95%。