響應(yīng)曲面優(yōu)化微波輔助提取槐花精油的工藝

賀瑩

呂梁學(xué)院生命科學(xué)系（呂梁 033000）

槐花是豆科植被槐樹的花朵與蓓蕾，它的形狀是錐形的，花序生長在頂部；花萼像鐘一樣的形狀，前端有5個(gè)淺的裂紋；花冠顏色呈乳白，短爪向外彎曲，部分脈絡(luò)呈紫色[1]。槐花味道較苦，性質(zhì)相對(duì)溫和，不具毒性。花蕾還能被用作食材，能做甜點(diǎn)、粥、炒菜和燜飯等，在藥膳方面也有不可小覷的功效[2]。

槐花精油被普遍利用于醫(yī)療藥品、食物保健、化妝品等產(chǎn)業(yè)，具有其獨(dú)特的組成和生物活性[3]。槐花精油是一種純天然的植物提取物，在抗菌、抑菌中具備很強(qiáng)的優(yōu)勢，比有相同功效的化學(xué)合成物質(zhì)在抗菌和抑菌方面表現(xiàn)得更好，這表明了精油可以作為植物殺菌劑[4]。大量的研究表明槐花精油在抑制大腸桿菌時(shí)，其功能顯著。在抑制一些病原菌時(shí)抑菌作用也較強(qiáng)[5]。槐花精油是具有研究價(jià)值與發(fā)展前景的中草藥，在香妝品等產(chǎn)業(yè)上是具有研究意義和發(fā)展前景的芳香油植物資源，具有良好的應(yīng)用前景。因此探索優(yōu)化槐花揮發(fā)油提取工藝擁有十分重要的意義[6]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 材料及藥品

槐花，產(chǎn)于河南省三門峽；無水乙醇，購于天津市凱通精細(xì)化工有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

DFT-100粉碎機(jī)（溫嶺市林大機(jī)械有限公司）；RE-5298旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；GZX-9146MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博訊實(shí)業(yè)有限公司）；CPA225D電子天平：溫賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城科工貿(mào)有限公司）；XH-300B微波超聲波組合合成/萃取儀（北京祥鵠科技發(fā)展有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 槐花精油的提取[7]

將槐花放入50 ℃的干燥箱中放置5 h，用粉碎機(jī)將其破碎，用80目濾篩進(jìn)行細(xì)分，精確稱量20.0 g槐花粉置于500 mL三口瓶中，以液料比10∶1（mL/g）加入無水乙醇，放入600 W的微波超聲波組合合成/萃取儀中萃取6 min。結(jié)束后，通過抽濾分離出濾液，將濾液置于60 ℃的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中進(jìn)行減壓濃縮，加入無水硫酸鈉，之后過濾，稱質(zhì)量，計(jì)算提取率。

1.2.2 槐花精油提取的單因素試驗(yàn)

1.2.2.1 不同液料比對(duì)槐花精油提取率的影響[8-9]

在固定提取的功率600 W、萃取時(shí)間6 min的情況下，設(shè)定不同液料比（6∶1，8∶1，10∶1，12∶1和14∶1 mL/g）對(duì)槐花精油進(jìn)行提取。

1.2.2.2 不同萃取功率對(duì)槐花精油提取率的影響[10-11]在固定液料比10∶1（mL/g）、萃取時(shí)間6 min的情況下，設(shè)定不同提取功率（300，400，500，600和700 W）對(duì)槐花精油進(jìn)行提取。

1.2.2.3 不同萃取時(shí)間對(duì)槐花精油提取率的影響[12]在固定提取功率600 W、液料比10∶1（mL/g）的情況下，設(shè)定不同萃取時(shí)間（2，4，6，8和10 min）對(duì)槐花精油進(jìn)行提取。

1.2.3 響應(yīng)曲面的試驗(yàn)方法

通過單因素試驗(yàn)，進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)；通過Design-Expert 8.0軟件，分析槐花精油提取的最佳工藝方案[13]。

2.2 仙居縣古樹分布區(qū)類型和變型 全縣現(xiàn)有古樹中含13個(gè)屬的科為殼斗科(Fagaceae)，有1 389株，占總數(shù)的28.46%；含有6個(gè)屬的科有薔薇科(Rosaceae)、榆科(Ulmaceae)和柏科(Cupressaceae)，共有250株，占總數(shù)的5.12%；含2～5個(gè)屬的科有20科，共有3 140株，占總數(shù)的64.34%。按照世界種子植物科的分布區(qū)類型[9]和中國種子植物屬的分布區(qū)類型[10] 標(biāo)準(zhǔn)劃分，可將仙居縣古樹科和屬的分布區(qū)類型分別劃分為10、20個(gè)類型(表2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 槐花精油提取單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同液料比對(duì)槐花精油提取率的影響

由圖1可知，槐花精油的提取率會(huì)伴隨著液料比的增加而提高，當(dāng)液料比達(dá)到10∶1（mL/g）時(shí)，精油的提取率到達(dá)最大值；當(dāng)液料比高于10∶1（mL/g）時(shí)，精油提取率逐漸降低。這是因?yàn)闊o水乙醇含量較低時(shí)，槐花粉末不能被充分濕潤；當(dāng)無水乙醇含量適量時(shí)，分子擴(kuò)張的提高有利于槐花精油的提取；而無水乙醇含量太多，溶劑對(duì)微波有較強(qiáng)的吸收作用，會(huì)降低到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部的輻射，使槐花精油的提取率降低。此外，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，無水乙醇的用量太大，不利于節(jié)約成本。因此，選擇液料比10∶1（mL/g）較佳。

圖1 液料比對(duì)槐花精油提取率的影響

2.1.2 不同萃取功率對(duì)槐花精油提取率的影響

由圖2可知，在萃取功率增大的狀況下，精油提取率會(huì)提高。將萃取功率提高，原材料可以吸收更多的微波能，槐花與無水乙醇會(huì)快速升溫，使分子擴(kuò)散速度加快，因此萃取的效率增大，精油萃取更加完全。當(dāng)萃取功率為500 W時(shí)，精油提取率到達(dá)最大。繼續(xù)加大萃取功率，提取率開始下降，可能是無水乙醇的溫度升高，達(dá)到沸點(diǎn)，揮發(fā)逃逸，降低了提取率。另外，600 W與700 W時(shí)，精油中對(duì)熱敏感成分可能會(huì)被破壞，產(chǎn)品的品質(zhì)被影響。因此，選擇萃取功率500 W較佳。

2.1.3 不同萃取時(shí)間對(duì)槐花精油提取率的影響

由圖3可知，萃取時(shí)間在2～4 min階段，槐花精油提取率呈現(xiàn)快速增長的趨勢，這是由于設(shè)定的時(shí)間增長，槐花揮發(fā)油不斷被溶解出來。4 min提取率達(dá)到最大值，為0.614%。4 min之后精油提取率開始降低，這是因?yàn)樵O(shè)定時(shí)間太久，精油被降解揮發(fā)，造成了槐花揮發(fā)油的提取率降低，故選擇萃取時(shí)間4 min最適。

圖2 萃取功率對(duì)槐花精油提取率影響

圖3 萃取時(shí)間對(duì)槐花提取率的影響

2.2 槐花精油提取率的響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 槐花精油提取率的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.2.2 槐花精油提取率的模型的建立及方差分析

用響應(yīng)面軟件對(duì)響應(yīng)值與各因素進(jìn)行回歸擬合，得到槐花精油提取工藝中3個(gè)因素之間的二次回歸方程：Y=+0.608 6+0.084 1A+0.035 3B+0.036 1C+0.033 0AB+0.010 8AC+0.027 5BC-0.204 4A2-0.093 2B2-0.131 4C2。

以提取率為響應(yīng)值，根據(jù)表1的結(jié)果，使用Design-Expert 8.0對(duì)槐花精油提取工藝的模型進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表2。

表2 回歸模型方差分析

回歸方程的各個(gè)變量是否能夠明顯地影響響應(yīng)值可用F值判斷來確定，回歸模型內(nèi)p值可以斷定各個(gè)變量對(duì)響應(yīng)值是否有明顯的影響，p值如果很小，說明相應(yīng)變量的顯著影響很強(qiáng)；失擬項(xiàng)能夠用來說明模型和試驗(yàn)數(shù)值擬合的情況，也就是它們之間差異的程度。從表3中可得出，回歸模型呈極顯著（p＜0.000 1）；失擬項(xiàng)呈現(xiàn)不明顯（p＞0.05），由此可看出構(gòu)建的方程能夠有效地表示各變量與槐花精油提取率的關(guān)系。該模型的決定系數(shù)R2=0.994 5，表明模型能用來說明響應(yīng)面中的可變性，也能用以槐花揮發(fā)油提取工藝的優(yōu)化。模型內(nèi)，自變量A、A2、B2和C2對(duì)槐花揮發(fā)油提取率的影響為極顯著（p＜0.000 1），交互相中AC與BC對(duì)槐花精油提取率的影響達(dá)到顯著水平（p＞0.05）。

2.2.3 槐花精油提取率的響應(yīng)面及等高線分析結(jié)果

分析響應(yīng)面下建立的回歸模型，考察三個(gè)因素間交互作用與響應(yīng)值之間的響應(yīng)曲面圖及等高線圖，結(jié)果見圖4～圖6。從等高線圖中可以得出，圓形代表不顯著，橢圓形代表顯著，AB與BC對(duì)槐花精油的提取率有著顯著影響，圖中等高線呈現(xiàn)橢圓，而AC的等高線圖可以看出其圖形近似圓形，所以AC不顯著，這一點(diǎn)從p＞0.05也可看出。響應(yīng)曲面圖的形態(tài)能夠表現(xiàn)試驗(yàn)中各個(gè)因素交互作用的水平。從回歸模型中能夠看出，一次項(xiàng)A項(xiàng)偏回歸系數(shù)極顯著，從圖4和圖5中A的響應(yīng)面曲線很陡，說明液料比對(duì)槐花精油提取率有顯著影響；C項(xiàng)回歸系數(shù)顯著，說明萃取時(shí)間對(duì)精油提取率有顯著影響，圖4～圖6中時(shí)間的響應(yīng)面曲線較陡，也可以說明這點(diǎn)；回歸方程中A、B、C前擬合系數(shù)的大小能夠看出相關(guān)因素對(duì)響應(yīng)值的作用效果。從試驗(yàn)回歸模擬方程中可以看出，A、B、C的擬合系數(shù)分別為0.084 1，0.035 3和0.036 1，即三個(gè)因素對(duì)槐花精油提取率的影響表現(xiàn)為：液料比＞萃取時(shí)間＞萃取功率。

圖4 液料比與萃取功率的交互作用對(duì)提取率的影響

圖5 液料比與萃取時(shí)間的的交互作用對(duì)提取率的影響

圖6 萃取功率與萃取時(shí)間的交互作用對(duì)提取率的影響

2.3 最佳工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

響應(yīng)面軟件優(yōu)化后的最佳液料比為10.462∶1（mL/g），萃取功率為525.84 W，萃取時(shí)間為4.346 min。根據(jù)實(shí)際情況，為了便于操作，確定最終試驗(yàn)條件為：液料比10∶1（mL/g），萃取功率526 W，萃取時(shí)間4.3 min。平行操作3次，求平均值，實(shí)際槐花精油提取率為0.631%。與預(yù)測值0.626%接近，表明此回歸方程和實(shí)際情況擬合很好，可以很好地表現(xiàn)出實(shí)際變化的規(guī)律。

3 結(jié)論

槐花精油中存在著多種具有應(yīng)用價(jià)值的成分，不僅可以作為藥用還可以食用，在化妝品等產(chǎn)業(yè)上也有很大的利用價(jià)值，提取槐花精油是其進(jìn)一步開發(fā)與利用槐花資源的理論依據(jù)。試驗(yàn)以槐花磨成粉作為原料，選用微波輔助提取法提取出槐花精油，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，通過響應(yīng)面分析對(duì)其工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后得到的工藝條件為：液料比10∶1（mL/g）、萃取功率526 W、萃取時(shí)間4.3 min。此條件下精油的提取率為0.631%，回歸方程預(yù)測值為0.626%，實(shí)際值與理論預(yù)測值基本一致。