響應面優化超臨界萃取紅松松針揮發油的工藝

陳麗娜，劉晨，王譯晗，王肖濛，陳豆豆

長春大學食品科學與工程學院（長春 130022）

紅松又名果松、海松等，屬松科類植物，含油量高、成材率高，材質優良，易采集，主要分布在中國東北地區[1-4]。紅松松針含有多種生物活性物質，具有鎮痛、鎮靜、解熱、抗炎、抑菌等藥理功效[5-7]。紅松松針含有豐富的精油，主要為萜烯、萜醇、酚酯類成分，其應用廣泛，主要作為香精香料類物質應用于化妝品工業[1,8-11]。

試驗采用超臨界CO2萃取技術對紅松松針揮發油進行提取并對其萃取工藝進行優化，可避免有機溶劑浸出法引起的有機溶劑殘留及水蒸氣蒸餾法萃取溫度過高、萃取率低的問題，且最大限度地保證生物活性物質的生理活性，為松針的開發利用及其在化妝品工業的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

紅松松針（采自吉林省靖宇縣）；CO2（純度99.9%，食品級，長春市氧氣廠）。

1.2 試驗儀器與設備

HA220-50-06超臨界萃取裝置（南通華安）；QP-2010氣相色譜-質譜聯用儀（島津）；DZF-6250真空干燥箱；WF260萬能粉碎機。

1.3 樣品制備

稱取新鮮的紅松松針，粉碎至粒徑280 μ m，待用。

1.4 試驗方法

1.4.1 紅松松針揮發油萃取率計算

1.4.2 超臨界CO2流體萃取單因素篩選

采用單因素試驗對影響松針揮發油萃取率的超臨界萃取工藝條件進行篩選和分析，稱取300 g處理過的紅松松針原料，在一定壓力、溫度、萃取時間及CO2流量下進行萃取，計算萃取率。

1.4.3 響應面試驗確定超臨界流體萃取紅松松針揮發油最佳工藝

根據單因素試驗，選定萃取溫度、萃取時間、萃取壓力3個考察因素及其變化水平，設計三因素三水平共17個試驗點的響應面試驗設計方案，建立數學回歸模型，反映不同因素之間的交互影響，對超臨界CO2流體萃取工藝進行優化，試驗因素設計見表1。每個試驗點做3個重復取平均值，評價指標為原料的揮發油萃取率（%）。采用設計專家軟件（Design-Expert software 8.0.6）中的響應面設計法進行數據分析。

表1 超臨界流體萃取松針揮發油工藝響應面試驗因素水平表

1.4.4 松針揮發油成分分析[11]

將萃取得到的松針揮發油采用氣質聯用對其成分進行分析。GC-MS條件：進樣口溫度200 ℃，接口溫度230 ℃，分流比1︰50，離子源溫度230 ℃，柱溫采用程序升溫，初始溫度35 ℃，保持5 min，以0.1 ℃/min升至40 ℃，保持10 min，以0.1 ℃/min升至50 ℃，保持10 min，以0.5 ℃/min升至80 ℃，保持10 min，以2 ℃/min升至150 ℃，保持10 min，以5 ℃/min升至180℃，保持20 min。掃描范圍35～450。所得譜圖經譜庫檢索結合手工檢索進行組分定性。

2 結果與分析

2.1 超臨界CO2流體萃取單因素篩選

2.1.1 萃取溫度對松針揮發油萃取率的影響

溫度是影響超臨界CO2萃取的一個重要因素，從圖1可知，溫度從20 ℃升高到60 ℃時，松針揮發油提取率隨著溫度升高呈上升趨勢；因此，響應面試驗的萃取溫度水平范圍為40，50和60 ℃。

圖1 溫度與萃取率的關系

2.1.2 萃取時間對松針揮發油萃取率的影響

由圖2可以看出，隨著萃取時間的延長，松針揮發油萃取率增加，但延長至4 h后，增加幅度不大。萃取開始時，超臨界CO2與松針粉未充分接觸，萃取率低，隨著萃取時間延長，松針粉中的揮發油充分溶出，萃取率增加。考慮到時間越長，機器及各方面能耗越大，因此通過單因素試驗確定響應面試驗的萃取時間水平為2，3和4 h。

圖2 時間與萃取率的關系

2.1.3 CO2流量對松針揮發油萃取率的影響

根據圖3可知，CO2流量對萃取率的影響不顯著，因此在設計響應面時不作為主要因素進行設計。在試驗操作過程中，考慮到CO2流量越大，調節試驗條件所需時間越長，造成的試驗誤差越大，另外從耗能方面考慮，選擇CO2流量為25 L/h。

圖3 流量與萃取量的關系

2.1.4 萃取壓力對松針揮發油萃取率的影響

萃取壓力是超臨界萃取過程中的重要操作參數之一，直接影響被萃取物在流體介質中的溶解度，從圖4結果分析可知，當壓力從15 MPa上升至25 MPa時，松針揮發油萃取率大幅度增加，隨之再增加到35 MPa時，萃取率緩慢增加，幅度不大；從經濟角度和安全方面綜合考慮，萃取壓力過大將會導致設備的投資和損耗費用大幅增加，因此響應面試驗的萃取壓力水平選擇20，25和30 MPa。

圖4 壓力與萃取率的關系

2.2 超臨界CO2流體萃取松針揮發油響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗結果分析[9-12]

采用超臨界萃取紅松松針揮發油，以松針揮發油提取率為評價指標，響應面試驗結果及方差分析見表2和表3。

采用響應面試驗設計建立模型優化超臨界萃取紅松松針揮發油工藝。通過自變量和因變量得到一個在給定范圍內預測響應值的回歸方程：萃取率（%）=0.53+0.056A+0.14B+0.19C+0.032AB-0.010AC-0.010BC-0.039A2-0.029B2+0.093C2。得到模型的決定系數為0.959 9。

從表3中可以看出，就所得回歸方程模型（p＜0.001），可充分表明3個因素之間的關系。在給定水平范圍內，萃取溫度、萃取時間和萃取壓力均為影響松針揮發油萃取率顯著的因素，其中萃取壓力對松針揮發油萃取率的影響最大，萃取時間次之，萃取溫度最小。根據建立的數學模型進行參數最優化分析，超臨界萃取松針揮發油最佳參數條件為：萃取溫度59℃、萃取時間4 h、萃取壓力30 MPa。在此條件下萃取率模型的預測值為0.94%，實際得到的萃取率值為0.92%。預測值與實際值擬合良好。

表2 紅松松針揮發油超臨界萃取工藝響應面試驗設計及結果

表3 試驗方差分析表

2.2.2 因素交互作用[9,12]

利用Design-Expert軟件對試驗數據進行二次多元回歸擬合，3個因素之間的交互作用見圖5～圖7。由圖5可以看出，當萃取溫度不變時，萃取率隨著萃取時間延長而逐漸增加；當萃取時間不變時，萃取率隨著萃取溫度的升高而增加。萃取時間為4 h，由圖6可以看出當萃取溫度不變時，萃取率隨著萃取壓力增大而增加；當萃取壓力不變時，萃取率隨著萃取溫度升高逐漸增加。萃取溫度為50 ℃，由圖7可以看出當萃取壓力不變時，萃取率隨著萃取時間延長而增加；當萃取時間不變時，萃取率隨著萃取壓力增大而增加。

2.3 松針揮發油成分分析

采用GC-MS對萃取的松針揮發油成分進行分析，得到了16種成分，由表4可以看出，松針揮發油的主要成分為莰烯、2-茨醇、α-蒎烯、羅勒烯、乙酸冰片、γ-杜松烯和β-石竹烯等萜烯類物質。

圖5 萃取溫度和萃取時間對萃取率的交互影響

圖6 萃取溫度和萃取壓力對萃取率的交互影響

圖7 萃取壓力和萃取時間對萃取率的交互影響

表4 松針揮發油成分分析

3 結論與討論

通過響應面試驗設計對超臨界萃取萃取紅松松針揮發油工藝條件進行優化，取得最佳超臨界萃取紅松松針揮發油條件為：萃取溫度59 ℃、萃取時間4 h、萃取壓力30 MPa。在此條件下萃取率預測值為0.94%，驗證試驗所得萃取率為0.92%。所得回歸模型擬合情況良好。通過GC-MS對得到的揮發油進行分析，其主要成分為莰烯、2-茨醇、α-蒎烯、羅勒烯、乙酸冰片、γ-杜松烯和β-石竹烯等萜烯類物質。

采用超臨界萃取紅松松針揮發油，通過超臨界萃取不添加化學試劑，得到的松針揮發油萃取率高、安全無毒，可以作為香精類成分添加到化妝品中，從而開發新的香精種類，拓展香精領域、化妝品領域發展，并提供理論依據。