响应面优化微波辅助提取花椒精油的工艺研究

黄志远，刘长玲

(1.长春医学高等专科学校，长春 130031；2.吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022)

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)是芸香科花椒属落叶小乔木的果实，因在我国陕川一带种植广

泛，故又名“川椒”[1,2]。作为“八大调味料”之一，花椒味辛而麻，独特的芳香使其广泛应用于食品烹饪中，如川菜中常使用花椒增香提味，以此增加菜肴的口感。花椒经过提取加工可得到花椒精油，其成分主要包括柠檬烯、花椒烯、花椒酰胺以及植物甾醇和不饱和有机酸等[3]，该类物质是花椒香味的主要来源，可作为高档的调味品、香料用在食品行业，同时研究发现花椒精油还有较强的药理活性，如杀虫杀菌、止痛止痒的功效[4,5]。

花椒精油的巨大开发前景使得该产品的提取已成为现阶段食药行业的研究热点。目前，有关花椒精油的提取方法主要有压榨法、水蒸气蒸馏法、浸取法、微波法等[6-8]，其中压榨法、水蒸气蒸馏法、浸取法存在出油率不高或者能耗较大的缺点，使其在工业放大过程中受到了一定的限制，微波法由于提取方便、提取时间短、耗能少、有效成分得率高等特点而广泛用在植物精油的工业提取中[9]。本文在前人研究的基础上采用微波辅助提取花椒精油，并通过响应面法对工艺条件进行优化分析，以期为花椒精油的工业化生产提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

1.1.1 主要试剂

花椒：产地四川汉源；无水乙醇：苏州欧特化工有限公司。

1.1.2 主要仪器

FW-100型高速万能粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司；BSM-2200.2型电子天平 上海涵金科技有限公司；WBFY-201型微波反应器 上海耀特仪器设备有限公司；HH-6型数显恒温水浴锅 常州润华电器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 花椒精油的提取

花椒精油的提取采用高经梁等人的方法[10]。将花椒放入60 ℃的恒温干燥箱中干燥4 h，用粉碎机粉碎，过60目筛，精密称取20.0 g花椒粉末置于500 mL的锥形瓶中，按液料比10∶1(mL/g)加入无水乙醇后，放入600 W的微波反应器中预处理6 min。预处理结束后，将锥形瓶放入60 ℃的恒温水浴锅中浸提2 h，收集挥发油，称重，计算提取率。

1.2.2 单因素试验

单因素试验按1.2.1步骤进行，分别对不同液料比(6∶1，8∶1，10∶1，12∶1，14∶1)、微波功率(300，400，500，600，700，800 W)、微波处理时间(2，4，6，8，10 min)、提取温度(40，50，60，70，80，90 ℃)进行考察，观察各试验条件下花椒精油的提取率，各条件下试验重复3次。

1.2.3 响应面优化试验

以单因素的试验结果为依据，采用Box-Benhnken试验设计对花椒精油提取工艺进行响应面优化，试验设计见表1，试验重复3次。

表1 花椒精油提取的响应面试验设计方案及结果Table 1 The response surface experimental design and results of Zanthoxylum bungeanum essential oils' extraction

1.2.4 花椒精油提取率的计算

花椒精油提取率=花椒精油质量/花椒粉质量×100%。

2 结果

2.1 单因素优化试验

图1 各提取条件对花椒精油提取率的影响Fig.1 Effects of extraction conditions on extraction rates of essential oils from Zanthoxylum bungeanum

由图1中A可知，花椒精油提取率随着液料比的增加而增加，当液料比达到10∶1后，花椒精油提取率开始下降。这是因为液料比较低时，花椒粉末得不到充分浸润；液料比较高时，分子扩散和传质速率的提高有利于花椒精油的提取； 液料比过高时，溶剂对微波吸收作用加强，到达细胞内部辐射减少，花椒精油提取率下降。因此，选择液料比10∶1较为合适。

由图1中B可知，随着微波功率的增加，花椒精油呈先快速增加而后出现一定程度的下降。随着微波功率增加，分子扩散加快，提取率增加，但当微波功率过大时，锥形瓶局部升温过快，造成花椒精油中热敏感物质的降解，导致提取率下降。因此，选择微波功率500 W为宜。

由图1中C可知，随着微波处理时间的延长，花椒精油提取率呈现先升后降的趋势，当微波处理4 min时，花椒精油提取率达到最大，为7.69%。增加微波处理时间可以提高花椒精油的提取率，但是时间过长花椒精油发生降解，导致其提取率下降。因此，选择微波处理时间4 min较佳。

由图1中D可知，花椒精油提取率随着提取温度的增加而快速增加，当温度为60 ℃时，花椒精油提取率最大，达到7.78%，随后提取率开始下降。这是因为温度升高，分子运动加剧，细胞破裂，花椒精油提取率提高，温度过高时，花椒精油发生降解或氧化，导致其提取率下降。因此，选择提取温度60 ℃较为适宜。

2.1.1 响应面试验设计与结果

在单因素试验结果的基础上，采用Box-Benhnken中心组合试验设计原理，以液料比10∶1、微波功率500 W、微波处理时间4 min、提取温度60 ℃为中心点，以提取率为响应值，通过 Design Expert 8.0软件程序进行四因素三水平试验设计，试验方案设计与结果见表1。

2.1.2 方差分析与显著性检验

应用Design Expert 8.0软件对响应值和各因素进行回归拟合，得到花椒精油提取率(Y)与液料比(A)、微波功率(B)、微波处理时间(C)、提取温度(D)4个因素间的二次回归方程为：

Y=-107.470+3.855A+0.225B-0.086C+1.293D-3.038E-003AB-0.024AC-3.750E-003AD-1.750E-004BC+2.325E-004BD+4.500E-003CD-0.095A2-2.062E-004B2+0.020C2-0.012D2。

以提取率为响应值，根据表1试验结果，对花椒精油提取工艺模型进行回归分析，结果见表2。

表2 花椒精油提取二次多项式模型的方差分析Table 2 The variance analysis of quadratic polynomial model for Zanthoxylum bungeanum essential oils' extraction

由表2可知，回归模型P<0.0001，失拟项P>0.05，说明该模型可以很好地描述各花椒精油提取条件和提取率的关系；同时，该模型决定系数R2=0.9978，表明该模型可以解释响应面中99.78%的可变性，可以用于花椒精油提取最佳条件的确定。模型中根据F值大小可知，影响花椒精油提取效果的因素按主次顺序排列为：液料比(A)>微波功率(B)>微波处理时间(C)>提取温度(D)，其中一次项中因素A和B对花椒精油提取率影响最为显著，交互项中AB和BD对花椒精油提取率影响最为显著。

2.1.3 响应面分析

图2 各因素交互效应对花椒精油提取率的影响Fig.2 Interactive effects of various factors on the extraction rates of essential oils from Zanthoxylum bungeanum

响应曲面图可以直观地反映各因素相互作用对响应值的影响。其中曲线越陡峭，等高线越近似椭圆，表明该交互作用越强，对响应值影响越显著，反之则说明交互作用越弱，对响应值的影响越不显著[11,12]。由图2可知，液料比与微波功率、微波功率与提取温度的交互作用对花椒精油的提取率影响比较显著，这与上述方差分析和显著性检验正好相符。

2.2 验证试验

通过上述响应面试验分析，确定了微波辅助提取花椒精油的最佳工艺条件为液料比10.32∶1，微波功率502.00 W，微波处理时间6.00 min，提取温度60.24 ℃，在此条件下花椒精油提取率的最大理论预测值为7.96%。考虑实际过程中试验的可操作性，将工艺条件优化为液料比10.3∶1，微波功率502 W，微波处理时间6 min，提取温度60 ℃。在优化条件下进行3次验证，得到花椒精油提取率平均值为8.01%，与模型预测值接近，说明该模型对微波辅助提取花椒精油工艺条件的模拟是可靠的。

3 结论

本文以干花椒粉为研究对象，选用微波辅助提取法，通过单因素试验和响应面分析对其工艺参数进行优化，得到各参数对花椒精油提取率的影响大小顺序为：液料比>微波功率>微波处理时间>提取温度，优化后的最佳的工艺条件为：液料比10.3∶1、微波功率502 W、微波处理时间6 min、提取温度60 ℃，此条件下精油提取率为8.01%，回归方程所得的理论预测值为7.96%，实际值与理论预测值基本一致。本研究为花椒精油的微波工业提取利用以及作为食品调味料的合理开发提供了一定的科学依据，至于花椒精油中具体活性成分及含量差异，仍需要进一步的研究和探索。

[1]周婷,蒲彪,姜欢笑.花椒麻味物质的研究进展[J].食品工业科技,2014,35(10):386-388.

[2]林洪斌,张凤芳,曹东,等.花椒调味油制备及工艺优化[J].中国调味品,2015,40(8):90-93.

[3]张怀予,王军节,陈园凡,等.水蒸气蒸馏法提取花椒精油及挥发性成分分析[J].食品与发酵工业,2014,40(7):166-172.

[4]梁辉,赵镭,杨静,等.花椒化学成分及药理作用的研究进展[J].华西药学杂志,2014,29(1):91-94.

[5]祝瑞雪,曾维才,赵志峰,等.汉源花椒精油的化学成分分析及其抑菌作用[J].食品科学,2011,32(17):85-88.

[6]罗凯,朱琳,阚建全.水蒸汽蒸馏、溶剂萃取、同时蒸馏萃取法提取花椒挥发油的效果比较[J].食品科技,2012,37(10):234-236.

[7]杨潇,芮光伟,蒋珍菊.三种不同方法提取花椒挥发油中化学成分的GCMS/AMDIS比较分析[J].中国调味品,2014,39(5):118-121.

[8]吴素玲,孙晓明,张锋伦,等.微波辅助提取青花椒精油的适宜参数[J].中国野生植物资源,2014,33(6):6-8.

[9]房信胜,王超,马伟志,等.微波辅助提取-气相色谱-质谱联用快速分析花椒挥发油[J].食品科学,2011,32(8):262-266.

[10]高经梁,刘玉兰,张惠娟,等.微波对花椒精油提取的辅助作用[J].中国调味品,2012,37(9):33-35.

[11]李颖畅,张笑,吕艳芳,等.响应面优化超声波辅助提取紫菜多酚[J].中国食品学报,2014,14(9):82-89.

[12]滕晓焕,李家洲,蔡群娣,等.响应面分析优化酶辅助水提紫苏叶挥发油的工艺研究[J].中国调味品,2016,41(1):72-76.