可视化优化超临界CO2萃取茶树花精油工艺

许 静，孙益民,*，邹 莉，方追追，纵 看，王 举

（1.安徽师范大学化学与材料科学学院，功能性分子固体教育部重点实验室，安徽 芜湖 241000；2.安徽瑞研新材料技术研究院，安徽 芜湖 241000）

可视化优化超临界CO2萃取茶树花精油工艺

许 静1，孙益民1,*，邹 莉1，方追追1，纵 看1，王 举2

（1.安徽师范大学化学与材料科学学院，功能性分子固体教育部重点实验室，安徽 芜湖241000；2.安徽瑞研新材料技术研究院，安徽 芜湖241000）

采用超临界CO2技术对茶树花精油的萃取进行较为系统研究。选择萃取压力、萃取温度、静态萃取时间、动态萃取时间及分离温度5个影响因素，以萃取量为试验指标，运用多因素多水平可视化设计法安排试验，以多因素多水平可视化优化法对试验数据进行分析优化，得到优化的工艺范围：萃取压力19～22 MPa、萃取温度50～60℃、静态萃取时间30～50 min、动态萃取时间80～100 min、分离温度40～50℃。3组验证实验得到的萃取物质量在优化区内8 g以上，研究证明多因素多水平可视化优化方法可以实际应用。

超临界CO2萃取；茶树花；多因素多水平可视化优化

我国第一部药学专著《神农百草经》记载“神农尝百草，日遇七十二毒，得荼而解”，据考证这里的“荼”就指茶叶，可见古人对茶叶的利用是从药用开始的。长期以来，人们对于茶的研究大都局限于芽叶，而忽视了具有相似化学成分的茶树花[1]。自著名茶学专家徐纪英[2]提出茶树花的开发利用课题利用以来，茶树花得到了生物、化学工作者、药物专家们的关注。近年来，随着对茶树花研究的深入，发现其含有包括蛋白质、茶多糖、茶多酚、黄酮类化合物、活性抗氧化物质在内多种有益物质和活性成分。其中茶多酚[3]、蛋白质[4]等物质与茶叶中同类物质含量相当甚至更高。这些成分具有抑菌[5]、降糖降血脂[6]、抗氧化[7-10]、抗癌防癌增强免疫力[11-12]等功效。我国茶树资源丰富，据不完全统计每年全国可采鲜花400多万吨。传统大多数的茶树花一般作为农林废余物处理，造成了资源的浪费，所以对该资源的开发利用具有社会效益与经济效益。

目前，国内外对茶树花中有效成分的提取方法主要有：压榨法、溶剂萃取法[4]、超声波辅助萃取法[13]、超临界流体萃取法[14-15]。压榨法工艺简单、操作灵活，但是萃取过程能耗大、效率低，得到产品纯度差。溶剂法与超声波法需要有机溶剂参与，在产品后期除溶剂提纯时会存在溶剂残留，造成产品质量下降。超临界萃取法同时具有萃取和蒸馏两种功能，萃取速度快、选择性好、并适用于热敏性物质、溶质与溶剂易分离。本实验采用超临界萃取法进行提取研究，通过调节萃取及分离温度、压力来控制萃取过程。以茶树花精油萃取量为试验指标，采用本课题组多年工业实践提出的多因素多水平设计法（multifactor and multilevel visualizing design method，m2VD）安排试验，研究静态萃取时间、动态萃取时间、萃取压力、萃取温度、分离温度对萃取量的影响，提出多因素多水平可视化优化法（multifactor and multilevel visualizing optimization method，m2VO），可以通过观察试验数据的图示，找到公有区域，便捷地得出在试验研究范围内萃取茶树花精油优化工艺的参数区间。课题组已经在多个领域成功运用多因素多水平可视化设计和分析方法，如工业配方设计（沥青混料配方[16]、改性聚丙烯的配方[17]）；环境检测（多种重金属的同时分析）；机械产品的结构设计（空气射流排污泵）；天然产物提取（熊果酸[18]、辣椒碱[19]、辣椒籽油[20]、亚麻籽油[21]、油茶籽油[22]）以及数字药学等，为工业化生产提供可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1材料与试剂

茶树花干花 安徽桐城市中义乡杨头村。

CO2（食品级） 马鞍山新桦气体有限公司。

1.2仪器与设备

HA221-50-06-C型超临界CO2萃取仪 江苏华安超临界萃取有限公司；JY502电子天平 上海民桥精密科学仪器有限公司；标准筛 上虞市大地分样筛厂；WG-43电热恒温箱 天津市泰斯特仪器有限公司；WF-111型高速中药粉碎机 江阴市新友机械制造有限公司。

1.3方法

1.3.1超临界CO2萃取茶树花精油的工艺流程

图1 超临界萃取茶树花精油流程示意图Fig.1 Schematic diagram of supercritical carbon dioxide ext raction process for essential oil from tea flower

根据图1的流程示意图，以茶树花干花为原料，用粉碎机粉碎过筛（20目），100℃电热鼓风干燥箱干燥，密封并贮存于较为干燥的环境下。称取150 g已干燥好的茶树花干花样品置于萃取釜中，打开超临界萃取仪电源，并启动冷循环制冷，调节萃取釜、分离釜1、分离釜2的温度，待温度达到平衡后打开CO2泵，待3个釜达到预定值，关闭萃取釜的进出口，其他不变，保持萃取釜压力，记录时间，即为静态萃取；达到预定静态萃取时间打开萃取釜进出口，保持萃取釜流通，开始动态萃取，并在设定动态萃取时间内分次从分离釜下收集茶树花精油，称质量、记录，最后计算总质量。整个萃取过程需时刻注意调节3个釜的压力使其接近预定值。

1.3.2超临界CO2萃取茶树花精油试验设计与优化

不同于正交试验设计，m2VD方法是将影响因素水平准均匀地（在精确均匀值附近随机扰动）分布在因素空间中，本试验在5维空间中设计10个试验点，提高了试验水平数；m2VD设计试验具有结果复杂非线性特点，不宜采用方差和极差分析法进行分析，响应面法、回归分析法或逐步回归分析法虽然能够建立定量关系，但大量的事实证明这些方法在工业应用中效果不佳，偏差较大。本研究提出m2VO，尝试以图解法解决此类问题。将试验条件中的每两个因素对萃取量指标作图，得到“部分”试验结果的直观图，将多组同考察因素（横坐标）图叠加，找出其中一定试验指标条件下的因素公有区域，确定优化的工艺范围。经过对优化区间的验证实验，方法在此组试验中有效可行。

采用线性回归分析：相关性r2= 0.835，F值为4.052，概率P值为0.100，不能拒绝零假设，影响不显著；响应面分析相关性r2= 0.983，对于m2VO法优化区间内3个验证实验条件计算预报值误差分别为18%、17%和19%。如果用其寻找优化区间，由于在5维空间，有多个凸起，“区间”分散，不易找到公有的、可靠的优化区间。

2 结果与分析

2.1多因素多水平试验与结果

表1 多因素多水平设计及试验结果Table 1 Multifactor and multilevel design with experimental results

取150.00 g茶树花干花粉末用超临界CO2进行萃取，采用m2VD设计安排试验，并采用m2VO法分析考察萃取压力、静态萃取时间、动态萃取时间、萃取温度、分离温度5个因素对茶树花精油萃取量的影响，表1为试验设计及结果。每个条件做3个平行试验，组间平方和为143.502，组内平方和0.129，方差齐性检验值2.807，概率P值0.000，当显著性水平α为0.05时，小于显著性水平，应拒绝零假设，试验条件不同对萃取量影响显著。

由表1可见，m2VD设计试验结果不具有整齐可比性，采用传统方法建立定量关系效果不佳，偏差较大。m2VO方法对试验结果进行分析研究是将试验数据绘制成2.5维图，横纵两个坐标分别为影响因素，图中曲线为萃取量。此方法可同时考察两个因素与试验指标之间的关系，提高了图解分析的效率。将多个两两因素影响关系重叠作图，找出公有区域可以获得优化工艺参数范围。

2.2可视化优化分析试验结果

试验观察发现部分萃取量超过8 g，为了实现萃取量的最大化和便于图示分析，截取2.5维图中萃取量大于等于8 g的部分进行分析，图2中的曲线为茶树花精油等萃取量线，通过对曲线分析，研究萃取压力、分离温度、静态分离时间、动态分离时间、萃取温度5个因素对茶树花精油提取量的影响，并通过各因素的重叠区间，即合集原则准确得出最佳试验工艺区间。

2.2.1茶树花精油萃取压力优化

图2 萃取压力与萃取温度对萃取量的影响Fig.2 Effects of extraction pressure and temperature on oil yield

图2为萃取压力与萃取温度对萃取量的影响。萃取压力对萃取量的影响规律在不同的萃取温度条件下是不同的。在萃取温度较低（40℃）时萃取量低于8 g，在萃取温度较高时，萃取效率提高，可以通过切割萃取温度截面得知，见图3、4。

以此操作步骤对其他试验因素做同样分析处理，并且将其叠加到萃取压力为横坐标的同一幅图上，取其公有区可以得到关于萃取压力的优化区间。

图3 萃取温度为45 ℃时萃取压力对萃取量的影响Fig.3 Influence of extraction pressure on oil yield at 45 ℃

图4 萃取温度为60 ℃时萃取压力对萃取量的影响Fig.4 Influence of extraction pressure on oil yield at 60 ℃

图5 萃取压力与萃取温度、动态萃取时间、静态萃取时间、分离温度对萃取量的影响Fig.5 Effects of interactions of extraction pressure with extraction temperature, static extraction time, dynamic extraction time and separation temperature on oil yield

以萃取压力为横轴，萃取温度、静态萃取时间、动态萃取时间、分离温度同时为纵轴作图，以黑色虚线围划公有区，图5显示了萃取量达到8 g以上的公有萃取压力区。该区域即为压力优化区，但在1 9～22 MPa范围内，公有区纵向贯穿较深，匹配的其他4个因素范围较大，可信度高。对于植物细胞油脂萃取，压力的影响极为重要。升高压力，茶树花精油在超临界CO2中的溶解度相应增大，提高萃取效率。但过高的压力会导致CO2流体黏度增大，产物扩散速率减慢，降低了萃取效率，因此影响到茶树花提取物的量，且对提取设备安全性能要求较高，导致能源消耗与制备成本增加。因此实际生产可选择萃取压力可以在19～22 MPa小范围内波动。

2.2.2茶树花精油萃取温度优化

图6 萃取温度与萃取压力、分离温度、动态萃取时间、静态萃取时间对萃取量的影响Fig.6 Effects of interactions of extraction temperature with separation temperature, dynamic extraction time and static extraction time on oil yield

以萃取温度为横轴，萃取压力、分离温度、动态萃取时间及静态萃取时间为纵轴作图即可得到图6。由图6可见，萃取温度有两个重合区域。这是因为萃取温度对萃取效率的影响较为复杂。一方面升高温度超临界CO2的密度下降，溶剂化效应降低，导致待萃取物质在其中的溶解度下降，不利于萃取；另一方面，温度越高萃取物的蒸汽压越高，萃取物的溶解平衡质量浓度越大，越有利于萃取。亦即温度在不同范围区间对于萃取过程呈现方向相反的影响，对于 不同的温度范围，影响程度也不相同，同时由于诸如萃取压力分离温度等因素水平的不同，对萃取效率的影响也不尽相同。通过对图6分析可知，虽然出现了两个重合区域，但两区域仅仅是纵轴坐标不相连，横轴坐标是有重合性的，由此仍可得出萃取温度优化区在47～66℃范围内。考虑生产成本，实际操作中可在此范围内选择50～60℃间进行。

2.2.3茶树花精油静态萃取时间优化

图7 静态萃取时间与萃取压力、萃取温度、动态萃取时间、分离温度对萃取量的影响Fig.7 Effects of interactions of static extraction time with extraction pressure, extraction temperature, dynamic extraction time and separation temperature on oil yield

在一定萃取压力、萃取温度工艺条件下，给出一定时间静态浸渍物料，有利于胞腔[23]内外萃取物的萃取溶解，使得萃取物能够充分向超临界CO2相中扩散。设置一定工艺条件，静态浸泡有利于待萃取物质在超临界CO2与物料间达到平衡，特别是处于未破碎细胞内部的有效成分能够充分向超临界CO2相中扩散。

由图7可看出，重合区域出现在30～50 min范 围内，分析该区域内数据可发现除受压力影响的数值外，其他数据变化不大，说明在30 min时，体系已接近溶解平衡，继续延长时间对萃取量的增加也没有更多益处。实际操作中为缩短萃取时间，可选择在此优化区域内较短时间进行。

2.2.4茶树花精油动态萃取时间优化

由于静态浸渍处理，在动态萃取开始时，萃取釜中的超临界CO2中萃取物已达一定程度的溶解平衡，因此浸渍后动态萃取时间可适当缩短。随萃取时间延长，胞腔内酯溶性物质会逐步扩散到外部流体，直至完全扩散。但萃取过程中溶质间的碰撞缔合作用会使之聚沉而减小溶质在超临界流体中的溶解度，因此过长的动态萃取时间对提高萃取率反而不利。观察图8可发现一较大的重叠区，即60～120 min。分析该区域数据，60～80 min区域纵向跨度较小，动态萃取时间对提取量影响受萃取温度、分离温度影响较大，而100～120 min区域等萃取量线较80～100 min区稀疏，且萃取量在8 g左右，亦少于80～100 min区。据此，动态萃取时间最优区间可选取80～100 min。

图8 动态萃取时间与萃取压力、静态萃取时间、萃取温度、分离温度对萃取量的影响Fig.8 Effects of interactions of dynamic extraction time with extraction pressure, static extraction time and extraction temperature on oil yield

2.2.5茶树花精油分离温度优化

萃取过程结束后，超临界流体携带萃取物进入分离釜，通过调控温度分离萃取产物与CO2。对分离温度与萃取压力、萃取温度、静态萃取时间、动态萃取时间关系作图9，可得最优分离温度范围40～50℃。

图9 分离温度与萃取压力、萃取温度、动态萃取时间、静态萃取时间对萃取量的影响Fig.9 Effects of separation temperature with extraction pressure, extraction temperature, dynamic extraction time and static extraction time on oil yield

2.3验证实验结果

可视化优化方法找出了试验优化的工艺范围：萃取压力19～22 MPa、萃取温度50～60℃、静态萃取时间30～50 min、动态萃取时间80～100 min、分离温度40～50℃。采用同批原料在上述优化区内随机进行实验：萃取压力20 MPa、萃取温度53℃、静态萃取时间35 min、动态萃取时间90 min、分离温度45℃，得到萃取量为10.923 g；萃取压力21 MPa、萃取温度50℃、静态萃取时间35 min、动态萃取时间100 min、分离温度50℃，得到萃取量为11.539 g；萃取压力21 MPa、萃取温度52℃、静态萃取时间40 min、动态萃取时间100 min、分离温度50℃，得到萃取量为11.675 g。

3 结 论

以萃取压力、萃取温度、静态萃取时间、动态萃取时间、分离温度为试验因素，萃取量为试验指标，采用自主研发的m2VD进行试验设计，采用本研究提出的m2VO可视化优化方法对茶树花精油的萃取工艺进行研究，以优势区重叠原则为指导，兼之考虑实际制备成本和效率，分析找到此试验范围内的优化工艺范围。验证实验证明了在解决多因素多水平试验研究中m2VO法行之有效。

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Visual Optimization of Extraction Process of Tea Flower Oil with Supercritical Carbon Dioxide

XU Jing1, SUN Yimin1,*,ZOU Li1, FANG Zhuizhui1, ZONG Kan1, WANG Ju2

(1. Key Laboratory of Functional Molecular Solids, Ministry of Education, College of Chemistry and Materials Science, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China; 2. Anhui Rereasearch Institute of New Materials Technology, Wuhu 241000, China)

This paper reports a systematic investigation of the supercritical carbon dioxide extraction of essential oil from tea flower. Extraction pressure, temperature, static extraction time, dynamic extraction time and separation temperature were chosen as main variables influencing extraction efficiency. The multifactor and multilevel visual design method (m2VD) was applied to design the experiments and the experimental data were analyzed by the multifactor and multilevel visual optimization method (m2VO) to optimize the extraction conditions. Over 8 g of the essential oil was obtained when three parallel experiments were conducted under the following conditions: extraction pressure 19-22 MPa, extraction temperature 50-60℃,static extraction time 30-50 min, dynamic extraction time 80-100 min and separation temperature 40-50℃.The present study indicates that the m2VO method holds promise for practical application.

supercritical carbon dioxide extraction; tea flower; multifactor and multilevel visual optimization

TQ041；TQ420.66

A

1002-6630（2015）12-0065-05

2014-11-25

许静（1990—），女，硕士研究生，研究方向为生物质材料热力学。E-mail：jing891218@126.com

*通信作者：孙益民（1954—），男，教授，博士，研究方向为天然产物提取、生物质材料物理化学。E-mail：mysun@mail.ahnu.edu.cn