八角茴香精油的超臨界萃取工藝研究

李 禎，侯黨社，張 娟，任小賽

（咸陽職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

八角茴香，亦稱八角，是一種最為常用的調味料，為常綠喬木，主要分布在中國廣西西部和南部，廣東、云南等省也有種植［1］。八角茴香是一種藥食同源的珍貴經濟樹種［2-5］，不僅可用于食品調味、保鮮［6-9］，還是一種常用的中藥，性溫，味辛，歸肝、腎、脾、胃經，主治寒疝腹痛、胃寒嘔吐、脘腹疼痛、寒濕腳氣等［10-12］。八角茴香精油是從八角茴香果實中提取的一種天然香料油，既保留了八角茴香的功效，又便于儲存和運輸［13］。

八角茴香精油的提取方法主要集中在水蒸氣蒸餾、有機溶劑萃取、超聲波提取等［14-16］，但都具有一定的局限性。而隨著綠色提取技術的發展，越來越多的提取方法被應用于天然產物的提取，超臨界萃取技術萃取條件溫和，萃取溫度、萃取壓力較低，能夠防止精油中的熱敏性物質分解，萃取產品中無溶劑殘留、產品品質較高且安全，可實現連續性生產［17-20］。本研究采用響應曲面法設計試驗，以八角茴香精油的收率為優化指標，考察萃取溫度、萃取壓力、萃取時間對八角茴香精油收率的影響，獲取最優工藝條件，以期為八角茴香精油的工業化生產提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料：八角茴香果實，購于市場；CO2氣體，純度99.99%，食品級，西安亞太液化氣有限公司。

主要儀器：HA221-50-06型超臨界萃取設備，江蘇華安超臨界設備公司；BS-124-S型電子分析天平，賽多利斯科學儀器有限公司；DZF-6020型干燥箱，上海一恒科技有限公司；WFC-210型粉碎機，北京維博創機械設備有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品預處理 選取優質八角茴香果實，洗凈，低溫烘干24 h，粉碎，篩分，留取40目顆粒置于干燥器中待用。

1.2.2 萃取試驗 稱量100 g八角茴香粉末置于料筒，安裝密封，保證氣密性。安裝完成后開啟水浴加熱，高壓泵對CO2氣體加壓，換熱器對CO2氣體加熱之后進入萃取釜，待釜內CO2氣體溫度壓力達到試驗條件后，開始試驗。開啟萃取釜出口閥門，經過一級、二級分離釜進行減壓分離，在出口處分別收集產品，試驗過程連續萃取，待達到萃取時間，關閉閥門停止萃取并收集稱量產品。八角茴香精油的收率（Y）用式（1）進行計算：

考察CO2流體超臨界狀態下各因素對八角茴香精油收率的影響，選取影響較顯著的3個因素作為響應曲面分析的3因素，利用Design Expert軟件設計試驗，進行分析，獲取最優萃取工藝條件。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 萃取溫度對八角茴香精油收率的影響 試驗條件為萃取壓力20 MPa，萃取時間80 min，CO2流量為25 L/h，萃取溫度分別設定為30、35、40、45、50℃，考察萃取溫度對八角茴香精油收率的影響，試驗結果如圖1所示。由圖1可知，萃取溫度逐漸升高有利于提高精油收率。起始溫度為30℃時收率較低，是由于溫度未達到CO2的超臨界溫度，流體的傳質能力較差，收率較低。而溫度持續升高精油收率逐漸降低，這主要是因為溫度升高，超臨界CO2的密度降低，致使超臨界CO2流體的溶劑化效應下降，溶解度降低，八角茴香精油收率降低。因此，需綜合考察溶質傳質能力及溶劑化效應對精油收率的影響，由試驗結果可知，萃取溫度選取35℃為宜。

圖1 萃取溫度對八角茴香精油收率的影響

2.1.2 萃取壓力對八角茴香精油收率的影響 試驗條件為萃取溫度35℃，萃取時間80 min，CO2流量為25 L/h，萃取壓力分別設定為8、10、15、20、25 MPa，考察萃取壓力對八角茴香精油收率的影響，試驗結果如圖2所示。由圖2可知，萃取壓力的升高有利于提高精油收率。起始壓力為8 MPa時，精油收率最低，這是由于壓力較小，超臨界CO2密度較小，傳質速率較低，因此收率較低；而隨著壓力的升高，超臨界CO2的密度升高，分子間傳質距離縮短，溶質傳質速率增大，從而使精油溶解度增加；但壓力持續升高，精油收率增加幅度大大降低，這是因為壓力增大，超臨界CO2黏度增加，傳質速率下降，導致溶解度降低。因此，綜合考慮操作難度、設備投資費用及安全性，萃取壓力選取15 MPa為宜。

圖2 萃取壓力對八角茴香精油收率的影響

2.1.3 萃取時間對八角茴香精油收率的影響 試驗條件為萃取溫度35℃，萃取壓力15 MPa，CO2流量為25 L/h，萃取時間分別設定為40、60、80、100、120 min，考察萃取時間對八角茴香精油收率的影響，試驗結果如圖3所示。由圖3可知，萃取時間的延長有利于提高精油收率。起始萃取時間為40 min，時間延長，八角茴香精油的收率呈現大幅上升后逐漸趨于平緩。這主要是由于試驗剛剛開始，精油還未充分溶解在超臨界CO2中，因此起始收率較低；隨著萃取時間的延長，精油逐漸釋放并充分溶解，達到溶解平衡，因此收率曲線逐漸趨于平緩，而繼續延長萃取時間，精油收率基本保持不變。因此，萃取時間選取80 min為宜。

圖3 萃取時間對八角茴香精油收率的影響

2.2 響應面法優化試驗

2.2.1 響應面法試驗結果 綜合分析單因素試驗結果，以萃取溫度、萃取壓力及萃取時間作為優化超臨界CO2中萃取八角茴香精油的主要因素，各因素與水平見表1所示。并以八角茴香精油收率作為優化指標，利用響應面法進行優化，結果如表2所示。

表1 響應面法試驗因素及水平

表2 響應面法試驗設計及試驗數據

2.2.2 響應面分析 采用Design Expert.11軟件對表2中15組試驗數據進行分析，結果如表3所示，所得回歸方程為：

由表3中方差分析結果可知，模型P=0.000 3＜0.01，為顯著，說明該模型具有統計學意義；失擬項P=0.164 2＞0.05，為不顯著，說明該模型與試驗結果擬合程度較好，差異較小，無失擬因素；相關系數R2=0.988 4，說明該模型只有1.16%的變異不能用該模型解釋。校正決定系數R2adj=0.967 7＞0.80，進一步證明該模型與試驗結果擬合程度較好，可用于對超臨界CO2流體萃取八角茴香精油的工藝進行初步分析及預測。綜合分析表中，萃取溫度、萃取壓力、萃取時間三因素的F與P大小可得，三因素對八角茴香精油收率的影響效應順序為萃取溫度＞萃取壓力＞萃取時間。

表3 響應面法試驗各因素方差分析

三因素交互作用對八角茴香精油收率的影響效應如圖4所示。由圖4中三因素交互作用響應曲面圖、等高線圖及表3中方差分析數據，綜合分析可知，萃取溫度和萃取壓力、萃取溫度和萃取時間交互作用對精油收率的影響等高線接近圓形，交互作用影響效應較弱。萃取壓力和萃取時間等高線呈橢圓形較扁，說明萃取壓力和萃取時間交互作用對精油收率的影響較大。表3中AB、AC、BC三項的F也可反映出交互作用對精油收率的影響效應，F越大，交互作用影響效應越強，交互作用對八角茴香精油收率的影響效應順序為BC＞AB＞AC。

圖4 三因素交互作用對八角茴香精油收率的影響

經上述試驗分析，確定八角茴香精油的最優萃取工藝為萃取溫度37.1℃，萃取壓力17.4 MPa，萃取時間96.7 min，預測精油收率9.16%。結合實際對操作條件進行圓整：萃取溫度為37℃，萃取壓力為17 MPa，萃取時間為95 min。

2.2.3 工藝驗證 試驗條件為萃取溫度37℃，萃取壓力17 MPa，CO2流量25 L/h，萃取時間95 min時進行3次驗證試驗，所得八角茴香精油平均收率為9.1%，與響應面分析結果基本吻合，說明此方法可用于進行超臨界CO2萃取八角茴香精油的工藝研究，優化所得工藝條件可靠。

3 結論

本研究通過單因素試驗考察萃取溫度、萃取壓力、萃取時間對超臨界CO2萃取八角茴香精油收率的影響，并通過響應面分析確定萃取最優工藝條件為萃取溫度37℃，萃取壓力17 MPa，CO2流量為25 L/h，萃取時間95 min，平均收率為9.1%。利用響應面分析可有效降低試驗次數，降低試驗成本，并準確預估交互作用對精油收率的影響效應，數據結果可靠，具備參考價值，可為后續進一步研究及擴大規模進行工業化生產提供基礎數據。