响应面法优化超临界CO2萃取北五味子藤茎油工艺

李 斌，孟宪军*，李元甦，汪艳群，傅俊范，薛 雪，王 栋

(沈阳农业大学食品学院，辽宁省农产品深加工重点实验室，辽宁 沈阳 110161)

响应面法优化超临界CO2萃取北五味子藤茎油工艺

李 斌，孟宪军*，李元甦，汪艳群，傅俊范，薛 雪，王 栋

(沈阳农业大学食品学院，辽宁省农产品深加工重点实验室，辽宁 沈阳 110161)

利用超临界CO2萃取技术，在单因素试验的基础上，采用中心组合响应面法，建立北五味子藤茎挥发油超临界CO2萃取的回归模型。研究结果表明，萃取压力、萃取温度、CO2流速对萃取率的影响显著，萃取压力和CO2流速以及萃取温度和CO2流速的交互效应影响显著，解析矩阵可知，在萃取压力36.32MPa，萃取温度42.27℃、CO2流速17.01L/h，预测最大萃取率为0.432%，验证实验证实该方程有很好的拟合度。该方法具有萃取率高、污染小、节约能源的特点。

北五味子；藤茎；油；超临界CO2萃取；响应面法

北五味子藤茎为木兰科植物五味子(Schisandra chinensis(Turcz.)Baill)的干燥藤茎，习称“山花椒藤”，民间用其作为调味品。《中华人民共和国药典》中规定其果实、种子、藤茎均可入药[1]。目前关于北五味子的研究主要集中在果实和种子中木脂素[2]、挥发油、多糖[3]等成分的研究上，而关于藤茎研究较少。北五味子丰富的藤茎资源还未引起人们足够的重视，资源优势并未转化为产品优势和经济优势。北五味子藤茎中油脂含量达0.38%～0.45%，是一种优质的功能油脂，具有较好的开发利用前景。

超临界流体萃取是近30年来发展较快的新一代化工分离技术。处于临界点附近的超临界流体对溶质具有极高的溶解能力，而且温度或压力的微小变化就可极大的改变超临界流体对溶质的溶解度，从而达到选择性地萃取、分离化合物的目的。因此，通过变化温度或压力，超临界流体充当着多种溶剂的角色[4]。因二氧化碳临界温度和临界压力低(31.06℃，7.39MPa)，对中、低分子质量和非极性的天然产物有较强的亲和力，而且具有环境友好的特点[5]，超临界二氧化碳技术已被广泛用于功能性油脂如核桃油[6]、芹菜籽油[7]、南瓜籽油[8]、橙皮油[9]、沙棘油[10]、杏仁油[11]、大蒜油[12]等油脂的提取过程中。超临界二氧化碳萃取北五味子藤茎油具有操作温度低、选择性好、分离一步完成、萃取无残留等特点。

本实验拟以超临界CO2流体萃取为手段，选择Central Composite设计和响应曲面(RSM)分析方法，研究萃取压力、萃取温度、CO2流速等因素对藤茎油萃取率的影响以及它们之间的交互作用，从而确定超临界CO2萃取北五味子藤茎油的适宜工艺，以期为北五味子藤茎资源的深加工利用提供基础研究。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

北五味子藤茎由抚顺青松药业有限公司提供，经真空干燥箱50℃条件下干燥至平均含水量6%，粉碎过筛备用。

食用级CO2(纯度99.9%) 沈阳气体制造厂。HA121-50-2型超临界萃取装置 华安超临界萃取有限公司；DXF-6009型真空干燥箱 上海精宏实验设备有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

北五味子藤茎→除杂→干燥→粉碎→过筛→装料→超临界萃取→减压分离→粗提物→离心分离、精滤→萃取油脂

1.2.2 藤茎油萃取率的计算

1.3 中心组合试验设计

根据相关参考文献实验结果，采用Design Expert软件(Vision 7.0.0.1, stat-Ease.Inc., Minneapolis, MN.USA)设计[13-15]，以中心组合试验设计实验法优化最佳提取方法，选取3个主要的因素萃取压力、萃取温度、CO2流速作为自变量，以萃取率作为响应函数，采用响应曲面分析法，通过回归得出自变量与响应函数之间的统计模型，确定提取北五味子藤茎挥发油最佳工艺参数。

本试验按照方程xi=(Xi－X0)/ΔX对自变量进行编码，其中xi为自变量的编码值，Xi为自变量的真实值，ΔX为自变量的变化，本试验因素编码及水平见表1。

表1 试验因素水平及编码表Table1 Factors and levels in the orthogonal array design

北五味子藤茎挥发油的萃取率作为评价指标(响应值)的预测模型由最小二乘法拟合的二次多项式方程为：

式中：Y为预测响应值；β0为常数值；βi为线性系数；βii为二次项系数；βij为交互项系数。

2 结果与分析

2.1 模型的建立与显著性分析

表2 萃取率试验值与模型预测值Table2 Comparison between experimental and model predicted value of oil extraction yield

根据RSM设计，选取20个试验点，以萃取压力、萃取温度、CO2流速3个因素作为自变量，以萃取率作为RSM响应值。表2为萃取率试验值与模型预测值。结果进行二次多项回归拟和，获得了预测相应值(Y)与萃取压力、萃取温度、CO2流速的二次回归方程：

Y= 0.42＋0.026x1＋0.023x2＋0.034x3－0.00125x1x2－0.019x1x3－0.016x2x3－0.041x12－0.041x22－0.049x32

表3 回归模型方差分析Table3 Variance analysis for the developed quadratic polynomial model

对模型方程进行方差分析表明，该方程显著，结果见表3。通过校正决定系数(R2Adj)和相关系数(R)来验证。此处R2Adj=0.9564，表明大约有95%的萃取率变异分布在所研究的3个相关因素中，其总变异度仅有5%不能由该模型来解释；相关系数R为0.9884，表明提取率的实测值和预测值间有很好的拟合度；失拟项P=0.1566＞0.05，表明方程的拟合不足检验不显著，二次响应曲面回归方程能够很好的拟合本实验所得的结果，自变量与响应值之间线性关系显著，该模型可以用于萃取率试验的理论预测。

表4 回归方程系数显著性检验Table4 Significance test for regression coefficients of the developed quadratic polynomial model

由表4可知，因素x1、x2、x3都对提取效果的线性效应显著；因素x12、x22、x32对提取效果的曲面效应显著；x1x3、x2x3对提取效果的交互影响显著，x1x2对提取效果的交互影响不显著。

2.2 超临界CO2萃取北五味子藤茎挥发油的等高线图和响应面分析与优化

图1表明在萃取时间90min、原料粒度60目条件下，萃取温度和萃取压力对萃取率影响的响应面图和等高线图。从等高线可以看出，萃取压力和萃取温度的交互作用不显著，因为等高线的形状反映交互效应的大小，椭圆表示两因素交互作用显著。当萃取压力不变时，随着温度的上升，萃取率先递增后递减，当处理萃取压力在中间水平条件下，萃取率变化较大，并且在萃取温度为中间水平时，萃取率相对较大。在萃取温度不变时，萃取压力同样有上述规律。从响应面图可以看出，当处理萃取压力处于中间水平，处理萃取温度处于中间水平，可以获得较高的萃取率。

图1 温度和压力交互影响萃取率的响应面图及等高线图Fig.1 Response surface and contour plots depicting the interactive effects of extraction temperature and extraction pressure on oil extraction yield

图2 压力和CO2流速交互影响提取率的响应面图及等高线图Fig.2 Response surface and contour plots depicting the interactive effects of extraction pressure and CO2 flow rate on oil extraction yield

图2表明在萃取时间90min、原料粒度60目条件下，萃取压力和CO2流速对萃取率的响应面图和等高线图。萃取温度对超临界流体溶解能力的影响是比较复杂的。在不同压力范围内，温度对流体溶解度有所不同。在高压区(大于25MPa)，超临界CO2流体密度高，可压缩性小，温度升高对流体密度改变小，但可明显提高溶质的蒸汽压和扩散系数，流体溶解能力大大提高。在低压区，温度升高可使流体密度急剧降低，溶解能力的下降程度远大于升温对溶质的蒸汽压和扩散系数的提高幅度，从而使萃取降低。从等高线可以看出，其交互作用显著。当萃取压力一定时，随着CO2流速的上升，萃取率变化不大。当CO2流速一定时，随着压力的上升，萃取率先递增后递减；当CO2流速为低水平时，萃取率变化不大，在高水平条件下，萃取率变化较大。从响应面图可以看出，当萃取压力处于较高水平，CO2流速处于较高水平时，可以获得较高的萃取率。可以推测最大提取率在高压高CO2流速区。

图3 温度和CO2流速交互影响提取率的响应面图及等高线图Fig.3 Response surface and contour plots depicting the interactive effects of extraction temperature and CO2flow rate on oil extraction yield

图3 表明在萃取时间90min、原料粒度60目条件下，萃取温度和CO2流速对萃取率的响应面图和等高线图。从等高线可以看出，可以看出其交互作用显著。当萃取温度一定时，随着CO2流速的上升，萃取率变化不大；当CO2流速一定时，随着温度的上升，萃取率先递增后递减。当CO2流速在较高水平时，萃取率变化较大，并且在萃取温度为中间水平时，萃取率相对较大。从响应面图可以看出，当处理萃取温度处于中间水平，CO2流速处于较高水平时，可以获得较高的萃取率，推测最大萃取率在中温高流速区。

2.3 模型验证及最佳萃取条件的确定

对前面所获得的第一个模型方程系数进行显著性检验，x1x2项不显著，舍去该项优化模型，可以得到优化后的回归方程为：

去掉x1x2项后方程中=0.9620，表明调整后的模型比调整前的模型对提取率变异的描述准确程度提升；而R2=0.9770，表明调整后的模型和调整前的模型在实测值和预测值拟合度基本一致。利用优化后的模型，通过对二次多项式数学模型的解逆矩阵，求出最大萃取率的工艺条件：萃取压力36.32MPa、萃取温度42.27℃、CO2流速17.01L/h，预测100g原料能萃取油0.432g。

为了验证回归模型的有效性，根据推断的最佳工艺参数和实际操作过程中的可行性进行验证实验，在萃取压力36MPa、萃取温度42℃、CO2流速17L/h，分别进料300g，萃取90min的条件下进行3组实验。结果表明实际测量值接近预测值，说明该模型是合理有效的，具有一定的实际指导意义。

表5 验证实验结果Table5 Results of validation of optimal extraction conditions

3 结 论

利用统计学方法建立了超临界CO2萃取北五味子藤茎挥发油的二次多项数学模型。通过对模型响应面图及等高线图进行分析，获得影响萃取率的最佳萃取条件，并利用模型方程对萃取率进行预测。由二次多项回归系数显著性检验表明：萃取压力、萃取温度、CO2流速都对提取效果的线性效应显著；萃取压力与CO2流速、萃取温度与CO2流速对提取效果的交互影响显著，萃取压力与萃取温度对提取效果的交互影响不显著。由萃取率的二次多项式回归方程可知，在萃取压力36.32MPa，萃取温度42.27℃、CO2流速17.01L/h，预测100g原料能萃取油0.432g。验证实验证明了实际测量值与预测值之间具有良好的拟合度，说明该模型是合理有效的具有一定的参考价值。

参考文献：

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Optimization of Supercritical Fluid Carbon Dioxide Extraction of Oil from Caculis of Schisandra chinensis (Turcz.) Baill by Response Surface Methodology

LI Bin， MENG Xian-jun*，LI Yuan-su，WANG Yan-qun，FU Jun-fan，XUE Xue，WANG Dong
(Liaoning Provincial Key Laboratory of Further Processing of Food, College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China)

Based on the single factor experimental results, response surface methodology (RSM) was employed to optimize the process conditions for extracting essential oil form the caculis of Schisandra chinensis (Turcz.) Baill with supercritical fluid carbon dioxide (SF-CO2). A three-factor, five-level central composite design (CCD) was used to provide experimental data for establishing a regression model describing the SF-CO2extraction. Extraction pressure, extraction temperature, CO2flow rate and cross-interaction between extraction pressure or temperature and CO2 flow rate exhibited a significant effect on oil extraction yield. The optimal extraction conditions were found to be: extraction pressure, 36.32 MPa; extraction temperature, 42.27 ℃; and CO2flow rate,17.01 L/h. The extraction yield of oil was 0.432% under these optimal extraction conditions, which was in good agreement with the value predicted by the regression model. This method is characterized by low energy consumption and pollution as well as high efficiency.

Schisandra chinensis (Turcz.) Baill；caculis；oil；supercritical fluid CO2extraction；response surface methodology

TS224.4

A

1002-6630(2010)20-0132-05

2010-01-26

李斌(1979—)，男，讲师，博士研究生，研究方向为天然产物提取及功能性食品开发。E-mail：libinsyau@163.com

*通信作者：孟宪军(1960—)，男，教授，博士，研究方向为食品深加工及综合利用。E-mail：mengxjsy@126.com