正交試驗優化超臨界CO2流體萃取淮山多糖工藝

楊孝輝，郭 君

(湖南化工職業技術學院，湖南株洲 412004)

淮山在我國有廣泛的種植，是傳統的藥食同源植物［1］。研究表明，淮山含有的淮山多糖具有降低血糖［2］、調節和增強免疫功能、抗氧化、抗衰老、抗突變作用［3］。目前淮山多糖的提取方法主要有熱水浸提法、堿法提取［4］、酶輔助浸提法、微波輔助提取法［5］、超聲波輔助提取法等［3］，這些方法提取溫度高，使淮山多糖生物活性降低，同時使用的溶劑量較大，造成后續分離的困難。采用超臨界CO2流體萃取淮山多糖，萃取溫度低、所用萃取溶劑少，能夠在保持多糖萃取物生物活性的同時降低后續分離難度。本試驗以淮山多糖的萃取率為考察指標，在單因素試驗的基礎上采用正交試驗優化超臨界CO2流體萃取淮山多糖的萃取條件，為淮山多糖的進一步研究和開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器與試劑

淮山(購自株洲市湘天橋菜市場);HA121－50－01超臨界萃取裝置(江蘇南通華安超臨界萃取有限公司);UV－2550紫外可見分光光度計(島津制作所);分析天平(島津AUW220D);乙醚;無水葡萄糖;苯酚;硫酸。所用試劑均為分析純，試驗用水均為新制蒸餾水。

1.2 實驗方法

1.2.1 淮山多糖的測定［6－7］

準確稱取干燥至衡重的無水葡萄糖標準品1g，配成濃度為0.1mg/mL的葡萄糖對照品貯備液，從中分別精密吸取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1 mL 置于 25 mL 具塞試管中，各加水至 2.0 mL，各加5%苯酚溶液1.5 mL，振搖混勻，滴加硫酸5.0 mL，迅速振搖均勻，于50℃下放置30min，照紫外可見分光光度法于490nm波長下測定吸光度值，以樣品濃度為橫坐標，以吸光度值為縱坐標繪制標準曲線，得回歸方程為:y=6.2586x－0.0038，R2=0.9991。同法測定淮山提取物吸光度值，對照標準曲線計算淮山多糖含量，計算萃取率。

淮山多糖萃取率(%)=c×V/m×100

c:淮山多糖質量濃度;m:淮山樣品質量(g);V:經超臨界萃取所得萃取物樣品溶液體積(mL)。

1.2.2 超臨界CO2流體萃取淮山多糖單因素試驗

1.2.2.1 淮山樣品預處理

取新鮮的淮山去除雜質、洗凈，60℃干燥至含水量小于5%，粉碎成40目的顆粒，用10倍量的乙醚浸提3次脫脂，樣品揮去乙醚，干燥，備用。

1.2.2.2 超臨界CO2流體萃取溫度對淮山多糖萃取率的影響

分別稱取經乙醚脫脂處理的40目淮山樣品300g，固定萃取壓力為35MPa、萃取時間為2h、夾帶劑為100mL 90%乙醇，分別設定萃取溫度為20、30、40、50、60℃進行萃取。萃取物按1.2.1方法測定淮山多糖，分別計算不同溫度條件下淮山多糖的萃取率。

1.2.2.3 超臨界CO2流體萃取壓力對淮山多糖萃取率的影響

分別稱取經乙醚脫脂處理的40目淮山樣品300g，固定萃取溫度為50℃、萃取時間為2h、夾帶劑為100mL 90%乙醇，分別設定萃取壓力為20、25、30、35、40 MPa進行萃取。萃取物按1.2.1方法測定淮山多糖，分別計算不同萃取壓力條件下淮山多糖的萃取率。

1.2.2.4 超臨界CO2流體萃取時間對淮山多糖萃取率的影響

分別稱取經乙醚脫脂處理的40目淮山樣品300g，固定萃取壓力為35MPa、萃取溫度為50℃、夾帶劑為100 mL 90%乙醇，分別設定萃取時間為 1、1.5、2、2.5、3 h 進行萃取。萃取物按1.2.1方法測定淮山多糖，分別計算不同萃取時間條件下淮山多糖的萃取率。

1.2.2.5 超臨界CO2流體萃取夾帶劑用量對淮山多糖萃取率的影響

分別稱取經乙醚脫脂處理的40目淮山樣品300g，固定萃取壓力為35MPa、萃取時間為2h、萃取溫度為50℃，分別設定90%乙醇作為夾帶劑的用量為 0、50、100、150、200mL進行萃取。萃取物按1.2.1方法測定淮山多糖，分別計算不同夾帶劑用量條件下淮山多糖的萃取率。

1.2.2.6 淮山粒度對淮山多糖萃取率的影響

取新鮮的淮山去除雜質、洗凈，60℃干燥至含水量小于5%，分別粉碎成粒度為10、30、50、70、90目的淮山顆粒，用10倍量的乙醚浸提3次脫脂，樣品揮去乙醚，干燥;分別稱取經乙醚脫脂處理的淮山樣品300 g，固定萃取壓力為35MPa、萃取時間為2 h、萃取溫度為50℃，夾帶劑為100 mL 90%乙醇，考察不同粒度樣品其淮山多糖萃取率。

1.2.3 正交試驗設計

根據單因素實驗結果，選取超臨界CO2流體萃取溫度、萃取壓力、萃取時間、夾帶劑用量4個因素，每個因素設計3個水平，以淮山多糖萃取率為考察指標，按L9(34)正交表設計正交試驗優化萃取工藝，正交試驗的因素水平表見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table1 Factors and levels for orthogonal array design

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 超臨界CO2流體萃取溫度對淮山多糖萃取率的影響

圖1 萃取溫度對淮山多糖萃取率的影響Fig.1 The relationship between the extraction temperature and the extraction rate

由圖1可見溫度對淮山多糖萃取率的影響明顯。在20～40℃范圍內，隨著溫度的升高，淮山多糖萃取率不斷提升，這可能是由于溫度升高，加速了CO2流體的熱運動，同時也提高了多糖分子熱運動，加速了淮山多糖的溶出;在40～50℃范圍內，淮山多糖萃取率隨溫度升高變化不大，這可能是由于淮山原料顆粒內外多糖轉移達到平衡所致;萃取溫度高于50℃時，萃取率隨溫度的升高而下降，這可能是在壓力一定的情況下，超臨界CO2流體密度隨著溫度升高而降低，溶劑化效應下降，淮山多糖在其中的溶解度降低導致萃取率下降;也可能是部分多糖在較高溫度下被氧化、分解，導致多糖萃取率降低。

2.1.2 超臨界CO2流體萃取壓力對淮山多糖萃取率的影響

圖2 萃取壓力對淮山多糖萃取率的影響Fig.2 The relationship between the extraction pressure and the extraction rate

超臨界CO2流體壓力是影響淮山多糖萃取率的重要因素。由圖2可以看出，在20～30MPa范圍內，淮山多糖的萃取率隨著壓力的增大在不斷升高，這可能是因為在溫度一定的條件下下超臨界CO2流體的密度隨壓力的升高而升高，淮山多糖的溶解度隨之加大，多糖溶出增加導致的;淮山多糖的萃取率在30～40MPa范圍內隨超臨界CO2流體壓力的提高變化不大，這可能和萃取壓力增加，超臨界CO2流體密度增加，擴散性降低，淮山多糖傳質速率降低量與壓力升高導致的溶解度增大量達到平衡有關。同時萃取壓力增大也會導致設備、操作費用的升高。

2.1.3 超臨界CO2流體萃取時間對淮山多糖萃取率的影響

圖3 萃取時間對淮山多糖萃取率的影響Fig.3 The relationship between the extraction time and the extraction rate

由圖3可以看出萃取時間能夠明顯影響淮山多糖的萃取率。在1～2h時間范圍內，淮山多糖的萃取率隨萃取時間的延長而提高，這可能是因為淮山多糖在短時間內不能充分溶出，萃取時間延長，淮山多糖從原料顆粒中充分溶出導致的。在2～2.5h時間范圍內，淮山多糖的溶出達到平衡，表現為萃取率隨萃取時間的延長變化不大;在2.5～3h時間范圍內，可能是因為有部分淮山多糖被氧化、分解，故表現為萃取率隨萃取時間的延長而降低。

2.1.4 超臨界CO2流體萃取夾帶劑用量對淮山多糖萃取率的影響

圖4 萃取夾帶劑用量對淮山多糖萃取率的影響Fig.4 The relationship between the extraction cosolvent and the extraction rate

夾帶劑用量能明顯改變超臨界CO2流體的萃取性能。由圖4可知在夾帶劑用量為0的情況下，由于超臨界CO2流體的弱極性和淮山多糖的不揮發性，淮山多糖的萃取率較低;當夾帶劑加入量在0～100mL范圍內增加時，超臨界CO2流體的極性改變，淮山多糖萃取率隨之提高;夾帶劑加入量在100～200mL范圍內增加時，萃取率變化不大，這可能是超臨界CO2流體的極性在此范圍內變化不大，對淮山多糖的溶解性改變不大導致的。

圖5 淮山樣品粒度對淮山多糖萃取率的影響Fig.5 The relationship between the particle size and the extraction rate

2.1.5 淮山粒度對淮山多糖萃取率的影響

淮山樣品粒度在10～50目范圍內增加時，淮山多糖的萃取率隨之增加，這可能是由于顆粒減小，超臨界CO2流體能夠進入顆粒內部進行充分交換的原因。當粒度在50～70目范圍內增加時，淮山多糖萃取率變化不明顯;當粒度在70～100目范圍內增加時，淮山多糖的萃取率減少，這可能是較小的淮山顆粒堵塞萃取隔板小孔，使萃取產物不能及時轉移到分離缸造成的;還可能是淮山顆粒較小，短時間內溶出大量的淮山多糖，部分多糖被氧化、分解，從而導致萃取率降低。在萃取過程中，淮山樣品粒度較小時會發生結塊現象，影響萃取效率。根據試驗結果綜合考慮，固定淮山樣品粒度為40目。

2.2 正交試驗

表2 正交試驗結果Table2 Results of orthogonal experimental design

由表2中極差分析結果可知，超臨界CO2流體萃取淮山多糖的各因素影響依次為萃取壓力(B)＞萃取溫度(A)＞夾帶劑用量(D)＞萃取時間(C)。在試驗設計參數范圍內，優化得到的最佳萃取方案為B2A3D3C3，即萃取壓力35MPa、溫度45℃、90%乙醇作為夾帶劑用量150 mL、時間2.5 h。

2.3 驗證實驗

按照正交試驗得到的超臨界CO2流體萃取淮山多糖的最佳工藝條件，即萃取壓力35MPa、溫度45℃、90%濃度乙醇作為夾帶劑用量150 mL、時間2.5 h，萃取淮山多糖，平行做3次，淮山多糖平均值為0.32%，高于正交試驗表中每一項試驗結果，確定B2A3D3C3為最佳萃取方案。

3 結論

在單因素試驗的基礎上通過正交試驗優選得出超臨界CO2流體萃取淮山多糖的最佳工藝條件:萃取壓力35MPa、溫度45℃、90%濃度乙醇作為夾帶劑用量150 mL、時間2.5 h，在此條件下淮山多糖萃取率高。