響應面法優化超聲輔助提取枇杷花精油的工藝研究

李文英，孫曉明，汪志平，鄭靜威，何宇城，王劍峰

（1. 浙江師范大學 行知學院，浙江 金華 321004；2. 蘭溪市鴻香生物科技有限公司，浙江 金華 321004）

0 引言

枇杷是薔薇科植物，作為我國傳統藥食同源植物，人們常食用其果實，并以葉、花為中藥[1]。枇杷花主要成分為三萜類、黃酮和酚類、揮發油等，具有清肺止咳、降逆止嘔等藥理作用，在治療咳嗽方面有顯著功效，廣泛應用于醫藥衛生、保健品、食品和日化品行業。枇杷花香味香醇獨特，目前對其香味成分及含量已有較全面研究，但尚未有枇杷花作為精油進行開發利用，且在商業種植中，常通過疏花來提高枇杷果品質，使得近60%枇杷花被浪費[2]，利用率低。

現有的植物精油提取方法有水蒸氣蒸餾法、微波輔助提取法、有機溶劑萃取法等[3]，超聲波也被廣泛應用于植物有效成分的提取，可使植物組織細胞破裂，使細胞中成分進入溶劑中，利于精油的提取[4-5]。故采用超聲波輔助石油醚提取枇杷花精油，并進行響應面試驗法確定其最佳工藝條件，以達到為枇杷花精油提取產業化提供一定理論參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

枇杷花采集于蘭溪市女埠街道穆塢村，樹齡6 年，果未熟；石油醚，浙江三鷹化學試劑有限公司提供。

電子天平，上海精密科學儀器有限公司產品；料理機，廣東美的生活電器制造有限公司產品；超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產品；旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠產品。

1.2 枇杷花中精油的提取

將枇杷花用料理機粉碎，過80 目篩，稱取粉碎處理的枇杷花粉20 g 置于燒杯中，加入一定量石油醚，置于超聲波清洗器中按一定功率提取，通過抽濾得到石油醚和枇杷花精油混合物，將混合液體旋蒸濃縮，最終得到枇杷花精油[6]。

1.3 單因素試驗

取枇杷花粉末20 g，在中間條件料液比1∶11，超聲時間60 min，超聲功率200 W 的基礎上，分別考查不同料液比（1∶9，1∶10，1∶11，1∶12，1∶13），超聲時間（30，45，60，75，90 min），超聲功率（100，150，200，250，300 W） 對枇杷花精油提取率的影響。

1.4 響應面試驗法

采用響應面法（三因素三水平） Box-behnken 的中心組合設計[7-8]。考查響應面法分析3 個因素對響應值的影響，同時優化枇杷花精油的提取工藝。

Box-behnken 中心組合試驗因素與水平設計見表1。

表1 Box-behnken 中心組合試驗因素與水平設計

1.5 數據統計與分析

響應面試驗數據使用Design Expert 8.0.6 軟件進行統計與分析[9]。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 料液比對枇杷花精油得率的影響料液比對精油得率的影響見圖1。

圖1 料液比對精油得率的影響

由圖1 可知，隨著料液比的增加，精油得率先上升后下降，可能是因為一開始料液比過小，精油不能被充分提取，隨著料液比增大，枇杷花中其他脂溶性成分競爭性溶解量增加[10]，導致枇杷花精油得率下降。

2.1.2 超聲時間對枇杷花精油得率的影響

超聲時間對精油得率的影響見圖2。

由圖2 可知，30~60 min 時精油得率隨著超聲時間的增加而提高，超聲時間越長，精油溶解越充分，超過60 min 后，精油得率下降，可能原因是精油中部分不穩定物質被破壞[11]。

圖2 超聲時間對精油得率的影響

2.1.3 超聲功率對枇杷花精油得率的影響

超聲功率對精油得率的影響見圖3。

圖3 超聲功率對精油得率的影響

由圖3 可知，枇杷花精油得率在200 W 之前隨著超聲功率的增加而提高，因為分子擴散速度隨著超聲功率的增大而增加，得率上升。在200 W 之后，超聲功率過高，降低了石油醚對植物組織內部的滲透程度[12]，精油得率下降。

2.2 響應面法優化枇杷花中精油的提取工藝

響應面設計與結果見表2。

表2 響應面設計與結果

利用Design Expert 8.0.6 軟件對數據進行多項式數學模型推算，獲得回歸模型公式：

得率Y=2.45-0.056A+0.18B+0.09C-0.12AB+0.22AC-0.18BC-0.27A2-0.32B2-0.29C2.

模型方差分析見表3。

表3 模型方差分析

由表3 可知，該模型的p＜0.01，具有顯著性差異，失擬項＞0.05，不顯著，說明該多項式數學模型對試驗擬合度較好。B對得率有顯著性影響，A2，B2和C2對得率有極顯著影響。

超聲時間和料液比對枇杷花精油得率的影響見圖4，超聲功率和料液比對枇杷花精油得率的影響見圖5，超聲時間和超聲功率對枇杷花精油得率的影響見圖6。

圖4 超聲時間和料液比對枇杷花精油得率的影響

圖5 超聲功率和料液比對枇杷花精油得率的影響

由圖4 ~圖6 可知，當提取功率不變時，精油得率隨著料液比的增加先上升后降低，這可能是因為當料液比過小時，精油不能被充分提取，料液比過大，精油在水溶液中的溶解量隨之增大，降低了提取率。精油得率也隨著提取時間的增加先上升后下降，可能是因為隨著時間的增加，精油不斷被溶解出來，隨著時間的近一步增加，精油開始揮發降解，得率變低。當時間一定時，精油得率隨著提取功率的增加先增大后減小，主要原因可能是在微波的作用下，石油醚和枇杷花升溫，使得分子擴散速度增大，因此精油得率上升，繼續加大提取功率時，分子熱運動加速，造成了部分精油揮發逃逸，而且精油中部分熱敏性物質被分解破壞，導致得率下降。

圖6 超聲時間和超聲功率對枇杷花精油得率的影響

通過Design Expert 8.0.6 軟件對響應面數據進行優化，得到最佳工藝為料液比1∶10.82，超聲時間64.69 min，超聲功率199.5 W 時，理論得率可達到2.48%。

2.3 驗證試驗

為檢驗響應面法優化工藝制得的精油得率是否較高，在最佳工藝條件下，進行3 次平行試驗，測得精油的平均得率為2.45%。實際得率與預測理論得率較為接近，模型較好，擬合度高，表明響應面法優化枇杷花精油提取工藝是可行的。

3 結論

以枇杷花粉碎后的粉末為原料，通過3 個不同的因素（料液比、提取時間和提取功率） 進行響應面法的優化，最終得到了枇杷花精油提取工藝參數為料液比1∶10.82，超聲時間64.69 min，超聲功率199.5 W，在最佳工藝下，精油得率達2.45%，為枇杷花精油提取工藝提供理論基礎。