響應面法優化香茅精油超臨界CO2萃取工藝

李 禎

(咸陽職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

香茅精油具有強烈檸檬香味，其主要化學成分為萜類化合物，其中香茅醛類化合物的含量最高[1-2]。香茅精油化學成分組成及含量與生長環境、采收時間、種源、萃取方法等有關[3-5]。香茅精油具有消腫止痛、抑菌、抗氧化、抗腫瘤、保護胃黏膜、治療感冒發燒與跌打損傷等多種藥理作用[6-9]，在食品加工[10]、醫療保健[11]、美容化妝[12]、驅蚊殺蟲[13]、保鮮防腐[14]等領域具有較好的應用前景。香茅精油的萃取技術對精油的產量與品質影響較大。目前，香茅精油的萃取主要采用水蒸氣蒸餾法，該法費時費力，能耗高，同時高溫易導致精油中熱敏性成分分解，且收率較低。而超臨界流體萃取法操作溫度較低，可有效防止熱敏性成分的分解，同時綠色環保，后處理簡單，可通過改變操作溫度和操作壓力調節流體密度、黏度及傳質性能，使溶質在超臨界流體中的溶解度發生變化[15]。因此，作者采用超臨界CO2萃取香茅精油，通過單因素實驗和響應面法對萃取工藝進行優化。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

香茅干草段，亳州四時堂藥業有限責任公司。粉碎，過40目篩，備用。

食品級CO2氣體，純度99.99%，西安亞太液化氣有限公司。

HA221-50-06型超臨界流體萃取裝置，江蘇華安超臨界設備有限公司；FA1004B型電子分析天平，上海佑科儀器儀表有限公司；WFC-210型中藥粉碎機，北京維博創機械設備有限公司。

1.2 香茅精油的萃取

采用超臨界CO2萃取香茅精油。稱取100 g香茅草粉末裝入料筒，密封萃取釜；CO2氣體加熱加壓后通入萃取釜，待釜內達到設定的溫度與壓力后，進行連續萃取，開啟反應釜出口閥門，CO2流量為15 L·h-1，經過兩級分離釜降壓，萃取一定時間后收集產品，稱重，按下式計算香茅精油收率：

1.3 萃取工藝的優化

首先采用單因素實驗考察萃取溫度(20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃)、萃取壓力(15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa)、萃取時間(20 min、40 min、60 min、80 min、100 min、120 min)對香茅精油收率的影響；然后采用響應面法優化香茅精油的超臨界CO2萃取工藝，以萃取溫度、萃取壓力、萃取時間為自變量，以香茅精油收率為考察指標，設計15組實驗，利用Design Expert軟件分析數據。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 萃取溫度對香茅精油收率的影響(圖1)

圖1 萃取溫度對香茅精油收率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on yield of citronella essential oil

由圖1可以看出，隨著萃取溫度的升高，香茅精油收率逐漸升高，當萃取溫度達到35 ℃時，收率達到最高；繼續升高萃取溫度，收率則緩慢下降。溫度對超臨界流體的影響主要在兩方面：一是影響超臨界流體的密度，二是影響超臨界流體的傳質能力。具體表現在升高萃取溫度，分子運動速率加快，溶質及溶劑分子擴散能力提升，傳質能力增強，從而使香茅精油溶解度升高，收率升高；但萃取溫度過高，超臨界CO2密度減小，溶劑化能力降低，密度減小對收率的影響大于傳質能力增強的影響，因此溶解度降低，收率呈下降趨勢。綜合分析，萃取溫度取35 ℃較為適宜。

2.1.2 萃取壓力對香茅精油收率的影響(圖2)

圖2 萃取壓力對香茅精油收率的影響Fig.2 Effect of extraction pressure on yield of citronella essential oil

由圖2可以看出，隨著萃取壓力的升高，香茅精油收率逐漸升高，當萃取壓力達到25 MPa時，收率達到最高；繼續升高萃取壓力，收率略微下降并趨于穩定。壓力對超臨界流體的影響主要在兩方面：一是壓力升高，超臨界流體密度增大，有利于傳質；二是壓力升高，超臨界流體黏度增大，對傳質不利。具體表現在升高萃取壓力，超臨界CO2密度增大，溶質及溶劑分子間傳質距離縮短，傳質速率加快，從而使香茅精油收率逐漸升高；但萃取壓力過高，致使超臨界CO2黏度增大對收率的影響大于密度增大的影響，導致傳質速率減慢，香茅精油溶解度降低，收率下降。考慮到高壓操作對萃取設備的要求較高，會增加設備投資，同時增加操作難度和操作危險程度。綜合分析，萃取壓力取25 MPa較為適宜。

2.1.3 萃取時間對香茅精油收率的影響(圖3)

由圖3可以看出，隨著萃取時間的延長，香茅精油收率快速升高，在萃取時間為80 min時，收率達到最高；繼續延長萃取時間，收率升幅趨緩。這是因為，開始萃取時，香茅精油溶質分子還未完全溶解在溶劑中，所以收率較低；隨著萃取時間的延長，溶質分子逐漸溶解并達到飽和，所以收率在快速升高后會趨于穩定。綜合分析，萃取時間取80 min較為適宜。

2.2 響應面法實驗結果

2.2.1 響應面法實驗設計

圖3 萃取時間對香茅精油收率的影響Fig.3 Effect of extraction time on yield of citronella essential oil

以香茅精油收率為考察指標，以萃取溫度、萃取壓力、萃取時間為考察因素，采用響應面法優化香茅精油超臨界CO2萃取工藝。響應面法實驗的因素與水平見表1，結果見表2。

表1 響應面法實驗的因素與水平

表2 響應面法實驗設計與結果

2.2.2 響應面分析

采用Design Expert軟件對表2數據進行方差分析(表3)，擬合得到模型回歸方程為：Y=3.98+0.0062A+0.0175B+0.0513C+0.0075AB-0.02AC+0.0075BC-0.0767A2-0.0892B2-0.0467C2。

表3 方差分析

通過軟件繪制各因素交互作用對香茅精油收率影響的響應面圖及等高線圖，如圖4所示。

由圖4可以看出，萃取溫度(A)與萃取時間(C)的交互作用對香茅精油收率影響的等高線圖呈橢圓形，表明萃取溫度與萃取時間的交互作用對香茅精油收率的影響最強。這一點從表3中也可以證實，AC的F值為5.03，遠大于AB、BC的F值，表明AC交互作用對香茅精油收率的影響最強，而AB交互作用、BC交互作用對香茅精油收率的影響相當。

圖4 各因素交互作用對香茅精油收率影響的響應面圖及等高線圖Fig.4 Response surface plot and contour plot for effect of interaction between each factor on yield of citronella essential oil

綜合分析結果，確定超臨界CO2萃取香茅精油的最優工藝條件為：萃取溫度38.5 ℃、萃取壓力25.7 MPa、萃取時間88.3 min，軟件預測該條件下香茅精油收率為3.96%。為了驗證軟件預測結果的可靠性，結合實際操作將最優工藝條件調整為：萃取溫度39 ℃、萃取壓力26 MPa、萃取時間88 min。

2.2.3 工藝驗證

在最優工藝條件(萃取溫度39 ℃、萃取壓力26 MPa、萃取時間88 min)下，采用超臨界CO2萃取香茅精油，3次萃取得到的香茅精油平均收率為3.95%，與預測結果接近，證明優化的萃取工藝可用于香茅精油的萃取。

3 結論

采用超臨界CO2對香茅精油進行萃取，降低熱敏性成分的分解及其它溶劑的引入，保證了精油的品質。通過單因素實驗與響應面法確定了超臨界CO2萃取香茅精油的最優工藝條件為：萃取溫度39 ℃、萃取壓力26 MPa、萃取時間88 min，在此條件下，香茅精油的平均收率為3.95%。