響應面法優化亞臨界萃取金絲小棗工藝

何峰，劉偉，袁琳，馮文寧，王劉勝，趙暉*

1. 河北中煙工業有限責任公司技術中心（石家莊 050051）；2. 廣東中煙工業有限責任公司技術中心（廣州 510385）

金絲小棗其名源于其成熟后掰開時清晰可見的果肉之間縷縷相連晶瑩剔透的糖絲。金絲小棗又名西河紅棗，是一種具有獨特風味的棗中珍品[1]，品種具有20余種，皮薄肉厚，核小汁多，香甜可口，且富含糖類、維生素、氨基酸、生物堿、黃酮和多肽等成分，可降血脂、血壓和膽固醇，保肝護肝，增強免疫力，具有一定的抗氧化性和免疫活性[2-8]。

亞臨界液體萃取（SLE）是一種以高飽和壓力下的液體作為溶劑，在亞臨界狀態與待分離物質接觸，使其依次按極性大小、沸點高低、分子量大小把成分選擇性萃取出來的技術。作為一種綠色環保技術在天然植物提取領域內得到廣泛而深入研究[9-18]。國內未見采用亞臨界萃取金絲小棗的提取工藝，試驗旨在建立一種亞臨界萃取金絲小棗萃取物新工藝，并采用中心組合試驗設計-響應面法對其進行優化，為開發一種新的萃取金絲小棗萃取物工藝提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

金絲小棗（河北滄州）；無水乙醇、丁烷、四氟乙烷等（均為分析純）。

1.2 儀器及設備

CBE-50+1L亞臨界萃取設備（河南省亞臨界生物技術有限公司）；RE-52AA型旋轉蒸發器（上海亞榮生化儀器廠）；SHB-I11循環水式真空（鄭州長城科工有限公司）；6890N/5973N氣相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent公司）；100 μm聚二甲基硅氧烷SPME纖維頭（美國Supelco公司）；AB204-S電子天平（瑞士Mettler Toledo公司）。

1.3 流程與方法

1.3.1 試驗流程

1.3.2 試驗方法

用蒸餾水將金絲小棗沖洗干凈后放入烘箱，40 ℃烘干，除去棗核后，用粉碎機將其粉碎，過30目篩，用天平精確稱取500 g，放入亞臨界萃取器中進行萃取，收集金絲小棗萃取物，進行GC/MS分析，并采用色譜峰面積歸一化法，并根據lgA分別考察單因素料液比、次數、時間、壓力和溫度對萃取效果的影響。

GC/MS分析條件：

氣相色譜（GC）分析條件：HP-5彈性石英毛細管柱（50 m×0.32 mm×0.52 μm）；進樣口溫度250℃；進樣量1.0 μL；載氣，氦氣（純度＞99.99%）；柱流速1.0 mL/min；分流比5∶1。升溫程序：50 ℃保持1 min，以2 ℃/min升至150 ℃，以5 ℃/min升至250℃保持5 min，以10 ℃/min升至280 ℃后運行5 min；傳輸線溫度280 ℃。質譜（MS）分析條件：離子源，EI源；電離能量70 eV；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；質量掃描范圍30～550 amu；標準譜庫，HP WILEY6.L和NIST98.L。

1.3.3 金絲小棗提取工藝優化

采用Box-Behnken的中心組合設計原理優化金絲小棗提取工藝。在1.3.2的基礎上，采用Box-Behnken中心組合設計法選取3個因素作為主自變量，將金絲小棗萃取量作為響應值，對其提取工藝進行優化設計。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 料液比的影響

圖1中顯示金絲小棗的萃取量隨液料比的變化趨勢。結果表明，隨著溶劑增加，萃取量不斷提高，且在液料比3∶1 mL/g之后，隨溶劑量增加提高不顯著。但隨著溶劑增加，給后處理工序增加困難，延長溶劑回收時間，使生產效率降低，增加試驗成本。因此綜合考慮，在保證萃取效果的同時，盡量減少成本，故選擇液料比3∶1 mL/g為宜。

圖1 液料比對萃取量的影響

2.1.2 萃取時間的影響

圖2中顯示金絲小棗的萃取量隨著不同萃取時間的變化趨勢。結果表明，萃取效率隨著時間延長呈上升趨勢，30 min時，萃取效果變化顯著，之后變化效果較小。因此，綜合考慮試驗成本及萃取時間對萃取效果的影響等因素，故選擇萃取時間30 min為宜。

2.1.3 萃取次數的影響

圖3中顯示金絲小棗的萃取量隨著不同萃取次數的變化趨勢。結果表明，萃取效率隨著次數延長呈上升趨勢，在2次時萃取效果變化顯著，故選擇萃取次數2次為宜。

圖2 萃取時間對萃取量的影響

圖3 萃取次數對萃取量的影響

2.1.4 萃取溫度的影響

圖4中顯示金絲小棗的萃取量隨著不同萃取溫度的變化趨勢。結果表明，萃取效率隨著溫度延長呈上升趨勢，萃取溫度30 ℃時，萃取效果變化顯著，之后變化效果較小。因此，綜合考慮試驗成本及萃取溫度對萃取效果的影響等因素，故選擇萃取時間30 ℃為宜。

圖4 萃取溫度對萃取量的影響

2.1.5 萃取壓強的影響

圖5中顯示金絲小棗的萃取量隨著不同壓強的變化趨勢。結果表明，萃取效果隨著時間延長呈上升趨勢，0.4 MPa時萃取效果顯著，故選擇萃取壓強0.4 MPa。

2.2 中心組合設計試驗及結果分析

2.2.1 因素及水平的選取

綜合2.1的試驗結果，萃取溫度和壓力對金絲小棗萃取量變化不顯著，因此，響應面試驗中不作為評價因素進行條件優化。故選取料液比、萃取次數和萃取時間為考察因素，萃取量lgA響應值，采用Design-Expert 8.0.5b統計分析軟件進行三因素三水平數據擬合，因素與水平見表1。

圖5 萃取壓力對萃取量的影響

表1 響應面分析因素與水平表

2.2.2 Box-Behnken試驗與結果

單因素試驗確定了液料比、萃取時間和萃取次數3個因素，依據BBD試驗設計原理，利用Design-Expert 8.0.5b設計三因素三水平共17個試驗點的響應面分析試驗，并將Z1、Z2和Z3作如下變換：A=（Z1-3）/1，B=（Z2-30）/10，C=（Z3-2）/1，以A、B、C為自變量，以萃取率（Z）為響應值，按表2試驗號進行試驗，得到回歸分析表（表3）和響應面分析3D曲面圖（圖6～圖9）。

響應值與各因素進行回歸擬合后，得到回歸方程為：Z=6.98+0.44A+0.016B+0.42C-0.54AB+0.23AC-0.22BC-0.93A2-0.33B2+0.093C2（R2=0.955 8）。其中，A，料液比；B，萃取時間；C，萃取次數。

模型的可靠性可從方差分析及相關系數進行考察。由方差分析可知，模型的F=16.83，回歸決定系數R2=0.955 8，p=0.000 6＜0.001，表明響應值擬合度，即所采用的二次方程模型極具顯著性，表明試驗設計可靠。失擬項可反映所用模型和試驗擬合的程度即二者的差異程度，而試驗失擬項p=0.274 0＞0.05，表明無失擬因素存在，因此可用該回歸方程代替試驗真實點對試驗結果進行分析。從表3中各個p值可以看出，對萃取結果的影響排序依次為料液比、萃取次數和時間。

表2 響應面分析方案及試驗結果

表3 Box-Behnken試驗結果分析

圖6 響應面優化工藝模型等高線疊加圖

圖7 液料比和萃取時間對萃取率的交互影響

圖8 萃取次數和萃取時間對萃取率的交互影響

圖9 液料比和萃取次數對萃取率的交互影響

2.2.3 因素間的交互影響

圖6～圖9直觀反映各因素間的交互作用對響應值的影響，液料比和萃取次數對金絲小棗萃取效果的交互效應最為顯著，其次是液料比和萃取時間，最后為萃取時間和萃取次數，曲線圖由陡峭逐漸向平滑過渡。

2.3 金絲小棗提取工藝條件確定及驗證

通過Design-Expert 8.0.5b統計分析軟件分析可得，模型的極值點：A=0.098，B=0.399，C=0.975。經轉換可得到最優提取條件為：液料比3.1∶1（mL/g）、萃取時間34 min、萃取次數3次、最大萃取率Z=7.39%。通過對最優條件進行實驗室驗證，得到萃取率為7.36%，表明響應面法能夠較好的對亞臨界萃取金絲小棗的提取工藝進行回歸分析和優化，與實際情況符合度很好。

3 結論

試驗以95%的乙醇溶液為萃取溶劑，建立一種亞臨界萃取金絲小棗的新工藝，并采用中心組合試驗設計-響應面法對其進行優化。依據回歸分析確定的最優提取工藝為：萃取溶劑95%乙醇溶液、萃取溫度40 ℃、萃取壓力0.4 MPa、液料比3.1∶1（mL/g）、萃取時間34 min、萃取次數3次。此時最大萃取率為7.39%。試驗驗證萃取率為7.36%，表明通過響應面法建立一個較好的預測試驗結果的二次方程模型。