响应面法优化柚皮精油的超临界CO2萃取工艺

张　嫱，杨　馨（北方民族大学生命科学与工程学院，宁夏银川750021）

响应面法优化柚皮精油的超临界CO2萃取工艺

张嫱，杨馨
（北方民族大学生命科学与工程学院，宁夏银川750021）

摘要：以平和琯溪蜜柚柚皮为原材料，运用响应面法优化超临界CO2萃取技术提取柚皮精油。根据BOX（Box-Benhnken）试验设计原理，确定萃取压力、萃取温度、萃取时间及二氧化碳流量对精油萃取率的影响。结果表明：超临界二氧化碳萃取柚皮精油的最佳工艺条件为萃取温度为59.97℃、萃取压力为25 MPa、萃取时间为150 min、二氧化碳流量为15 L/h，在此萃取条件下，柚皮香精油的萃取出油率为5.62%。

关键词：柚皮精油；超临界流体萃取；响应面分析

平和琯溪蜜柚是芸香科双子叶植物，是福建省平和县著名的地方传统水果。蜜柚果大，果皮占总重的45%左右，柚皮中除了含有水分、维生素、矿物质等人体必需营养素之外，同时还含有如黄酮类化合物、类柠檬苦素、香精油、天然色素等，具有较高的保健和药用价值[1]。其中柚皮精油可以滋养组织细胞，舒缓支气管炎，改善肥胖、水肿及淋巴腺系统疾病，增加体力，利尿，抗感染等，有些柚皮精油还能抗忧郁，是季节性精神失调的调节剂[2-3]。

由于柚皮香精油的特殊芳香，使得无法化学合成，同时也不能使用其他柑橘类代替。柚皮占到了柚子总重量的45%左右，但在实际生活中，柚皮一般都是作为垃圾处理，这不仅是对资源的极大浪费，也造成了环境污染。为此，本文以柚皮精油为对象，研究了响应面超临界流体对精油提取的影响。

1　材料与方法

1.1材料与设备

柚皮：平和琯溪蜜柚果皮；乙醇（分析纯）：宁夏亿利源工贸有限公司；CO2气体（99.99%）：银川伟丽气体工贸公司；FW100高速万能粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司；HH-2数显恒温水浴锅：国华电器有限公司；超临界CO2萃取设备（HA120-05-02）：江苏南通华安超临界萃取有限公司；电子天平YP2001N：上海精密科学仪器有限公司。

1.2方法

1.2.1样品预处理

柚皮切成2 cm～3 cm小块，烘箱低温烘干，粉碎机粉碎后过40目筛，制成粉末样品备用。

1.2.2单因素试验

称取一定量的柚皮粉末，装入萃取罐中进行超临界CO2萃取。分别对萃取温度、萃取时间、萃取压力、CO2流量进行单因素试验，探讨其对萃取效果的影响。

1.2.3响应面设计

在单因素试验的基础上，应用Box-Behnken中心组合进行四因素三水平的试验设计，以柚皮精油提取率为响应值，采用响应面法进行分析[4]，试验设计见表1。

表1　因素水平表Table 1　Vairables and levels in Box-Benhnken experimental design

2　结果与分析

2.1萃取压力对柚皮精油萃取率的影响

改变萃取压力，通过测定不同压力下的柚皮精油得率，可知压力对出油率的影响如图1所示。

图1　萃取压力对柚皮精油得率的影响Fig.1　The effect of extraction pressure

由图1可知，精油萃取率随着萃取压力的升高而增大，当萃取压力超过18 MPa时，出现了较大幅度的升高，而在25 MPa之后得率开始下降。究其原因是在压力相对较低时，增大压力会在一定程度上增加流体的密度，并且减少了分子间的传质阻力与传质距离，从而增加溶质和溶剂之间的传质效率，提高了萃取率。在高压下流体密度较大，其可压缩性较小，溶解能力就会受到限制，因此随着压力的增大，萃取的选择性就会下降，从而使得精油得率降低。

2.2萃取温度对柚皮精油萃取率的影响

在萃取过程中，其他条件不变，只改变萃取温度，通过测定不同温度下的柚皮精油得率，可知萃取温度对出油率的影响如图2所示。

由图2可知，当温度在30℃即低于超临界温度时，柚皮精油的萃取率几乎为0，当温度高于超临界温度后，萃取率较明显。当温度超过45℃后，随着温度的升高，萃取率逐渐的增大，当大于55℃时，萃取率下降，因此萃取温度在55℃时为最佳。这可能是CO2的黏度随着萃取温度的升高在下降，使得其传质系数增加，有利于提高溶质的扩散系数，并且溶质的蒸汽压升高使溶解度增大，有利于提高萃取得率。但是随着温度的越来越高，CO2流体的密度减小，导致溶解度下降，从而使萃取得率降低。

2.3萃取时间的影响

保持萃取压力和萃取温度不变，改变不同的萃取时间，通过测定不同时间下的柚皮精油得率，可知萃取时间对出油率的影响如图3所示。

图2　萃取温度对柚皮精油得率的影响Fig.2　The effect of extraction temprerature

图3　萃取时间对柚皮精油得率的影响Fig.3　The effect of extraction time

由图3可知，提取率随时间的延长呈逐渐上升的趋势，萃取时间在120 min后，柚皮精油萃取率已趋于稳定，时间的延长萃取率变化很小，从经济效益方面考虑，选择萃取时间为120 min。

2.4CO2流量对柚皮精油出油率的影响

保持萃取压力、萃取温度及萃取时间不变，改变不同的CO2流量，通过测定不同CO2流量下的柚皮精油得率，可知CO2流量对出油率的影响如图4所示。

图4　CO2流量对柚皮精油得率的影响Fig.4　The effect of CO2flow

由图4可知，随着流量的增大柚皮出油率也会随着增加，其增加幅度较大。当CO2流量在20 L/h左右时萃取率最大，随着流量的增大，萃取得率出现了下降，表明CO2流量在20 L/h是最佳的。

2.5响应面法优化柚皮精油超临界提取的条件

响应面法优化柚皮精油超临界提取的条件及结果分别见表2和表3。

表2　响应面试验设计及结果Table 2　Box-Behnken experimental design matrix and corresponding experimental values

表3　响应面方差分析Table 3　Analysis of variance for pomelo skin oil yield with extraction conditions

从表2和表3中可看出，在模型项中F值等于27.96时意味着该模型是显著模型，P值<0.000 1，说明因变量（萃取得率）与自变量z1，z2，z3，z4间的回归方程关系是极显著的，因此方程可用。采用Design-Expert8.0软件对所得数据进行ANOVA分析，结果见表3。4个因素经过拟合得到的二次多元回归方程为：

2.6等高线图和响应面分析

等高线图和响应面分析见图5～图8。

图5　萃取温度与萃取时间对萃取率影响的响应面和等高线图Fig.5　Reponses surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction temperature and time on pomelo skin oil yield

RSM图形是特定的响应面Y对应的因素A、B、C、D构成的一个三维空间在二维平面的等高图，可以直观反映各因素对响应值的影响。从以上响应面和等高图可知，萃取温度和时间，萃取温度和萃取压力的交互作用较显著，萃取压力和时间，萃取时间和CO2流量的交互性较弱。

2.7验证试验

为验证回归模型的有效性，利用最佳工艺条件进行验证试验。由回归方程得最佳为萃取温度59.97℃，萃取压力为25 MPa，萃取时间为150 min，CO2流量为15 L/h，在最佳的条件下萃取率为5.631 19%。为了验证该参数，设计了5组平行试验，得到的精油萃取率为5.62%，与理论值5.63%相差不大。由此证明试验模型合理，试验结果理想。

图6　萃取压力与萃取时间对萃取率影响的响应面和等高线图Fig.6　Reponses surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction pressure and time on pomelo skin oil yield

图7　萃取压力与萃取温度对萃取率影响的响应面和等高线图Fig.7　Reponses surface plot and contour plot showing the interactive effects of extraction pressure and temperature on pomelo skin oil yield

3　结论

响应面分析法是通过中心组合试验研究几种试验因素间交互作用的一种回归分析方法，具有试验次数少、周期短，得到的回归方程精确度高等优点。本研究将响应面优化和超临界萃取结合，模拟得到多项式回归方程，直观的掌握各因素对柚皮精油萃取率的影响程度：萃取温度>萃取时间>萃取压力>CO2流量。经过分析得到最佳工艺参数为萃取温度59.97℃，萃取压力为25MPa，萃取时间为150min，CO2流量为15L/h，精油萃取率为5.62%。与传统提取方法相比，萃取时间短，无溶剂污染，操作工艺简单，为进一步开发高附加值的柚皮精油提供科学参考。

参考文献：

[1]司辉清,沈强,庞晓莉,等．国内外天然香精油提取及检测技术最新研究进展[J]．食品工业科技,2010,31(2):374-377

[2]王丹,周才琼．植物精油在可食性抗菌膜中的应用[J]．食品工业科技,2014,35(1):349-352

[3]Xiaodong Ma,Ouyang Feng.Adsorption properties of biomass-based activated carbon prepared with spent coffee grounds and pomelo skin by phosphoric acid activation[J].Applied Surface Science,2013 (268):566-570

[4]徐向宏,何明珠．实验设计与Design-Expert、SPSS应用[M]．北京:科学出版社,2010:147-154

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.20.026

收稿日期：2014-12-05

作者简介：张嫱（1980—），女（汉），讲师，硕士研究生，研究方向：天然产物的结构与功效研究。

Optimization of Supercritical CO2Fluid Extraction of Pomelo Peel Oil Using Response Surface Methodology

ZHANG Qiang，YANG Xin
（Life Sciences&Engineering College，BeiFang University of Nationalities，Yinchuan 750021，Ningxia，China）

Abstract：The production of naringin of Guanxi honey pomelo，used carbon dioxide as a medium by supercritical fluid extraction technology to pomelo peel essential oil from pomelo skin，response surface methodology（RSM）was employed to optimize the extraction.According to the principle of Box-Behnken central composite design，extraction pressure，extraction temperature，extraction time and carbon dioxide flow rate were chosen as response factors，extraction mass as response value，and a four-factor and three levels central composite design was adopted to determine the influence of various technological conditions.The results showed that better extraction conditions were 59.97℃of temperature，25 MPa of extracting pressure，150min of period，15 L/h of CO2flow rate.Under these conditions，the yield of pomelo skin oil was 5.62%.

Key words：pomelo skin oil；supercritical fluid extraction；response surface methodology