Box-Behnken响应曲面法优化大蒜精油萃取工艺

李 祯

(咸阳职业技术学院 医药化工学院，陕西 咸阳 712000)

大蒜精油主要成分为含硫化合物[1]的多种珍贵天然物质的混合物，除具有杀毒、杀菌的作用外[2]，还可提高机体免疫功能，降低血压、血脂，阻止癌细胞扩散，对糖尿病、冠心病有一定作用[3]。目前已广泛应用于食品、保健品、临床、及畜牧养殖业。

目前，对大蒜精油的提取技术研究较为广泛，主要采用溶剂浸提[4]和水蒸气蒸馏[5]等方法，但均存在一定的局限。将超临界流体作为溶剂萃取天然产物的研究越来越深入，其具有操作温度和操作压力较低的特点，较低的操作温度能够防止天然产物中热敏性物质的分解，且萃取得到的产物易于分离无溶剂残留，由于操作、分离简单易控制，因此能够实现连续化工业生产，特别适用于天然产物的提取[6～8]。笔者采用Box-Behnken响应曲面法对SC-CO2萃取大蒜精油进行工艺优化[9～10]。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜大蒜，市场购买；二氧化碳气体，纯度99.99%，食品级。

SC-CO2萃取装置，型号HA221-50-06；电子分析天平，型号FA1004B。

1.2 试验方法

1.2.1 样品预处理 选取新鲜大蒜，去皮，洗净，粉碎至3 mm左右粒度后待用。

1.2.2 萃取试验 称取100 g大蒜(mL)置于料筒中密封，放入1L萃取釜中，CO2气体经过加压液化并换热进入萃取釜内，待达到试验设定温度及压力后，开始连续萃取，最后分离、收集并精确称量所得精油质量(m2)。其收率(Y)计算公式如下：

选取对收率影响较为显著的萃取压力(A)、萃取温度(B)、萃取时间(C)三个因素，设计试验，考察其对收率的影响。在此基础上，再利用Design Expert 11软件设计了15组试验，以获得精油的最优萃取条件。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 压力对收率的影响 设定SC-CO2萃取体系温度45 ℃、时间80 min，考察压力为20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa时精油的收率(图1)。

结果表明，收率随着压力升高增幅较快，当压力增加至30 MPa后收率平缓上升。这主要是由于初始试验时压力较小，随着试验的进行，压力升高SC-CO2的密度增大，传质速率增大，溶剂溶解度增大，因此升高压力有利于提高溶解度。但压力过高时对设备的耐压要求较高，导致设备投资费用以及操作维护费用升高，并且压力过高安全隐患较大。因此综合考虑，选择30 MPa作为最佳萃取压力。

2.1.2 温度对收率的影响 设定SC-CO2萃取体系压力30 MPa、时间80 min，考察温度为35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃时精油的收率(图2)。

图2温度对收率的影响

结果表明，收率随着温度的升高呈现先上升再降低的趋势，当温度为45 ℃时，收率最高。这主要是由于高温会使SC-CO2的黏度降低，从而使其传质能力增强，因此溶质溶解度增加；当温度继续升高SC-CO2密度降低，溶剂化能力降低，溶质溶解度下降。因此综合考虑，选择45 ℃为最佳萃取温度。

2.1.3 时间对收率的影响 设定SC-CO2萃取体系压力30 MPa、萃取温度45 ℃，考察时间为20 min、40 min、60 min、80 min、100 min时精油的收率(图3)。

图3时间对收率的影响

结果表明，收率随着时间增加逐渐上升，80 min后趋于平缓。这是主要是由于初始试验时，溶质在SC-CO2中还未能充分溶解，导致收率较低；随着时间延长，溶质逐渐达到充分溶解，因此80 min后收率趋于稳定，而时间继续延长对收率增加作用不大，因此，选择80 min为最佳萃取时间。

2.2 Box-Behnken响应曲面法优化试验

2.2.1 Box-Behnken响应曲面法试验结果 以上述试验结果作为依据，将压力、温度和时间作为萃取工艺优化的三个主要因素，收率作为萃取工艺优化的指标，采用Box-Behnken响应曲面法对萃取工艺条件进行优化(表1、表2、表3)。

表1 Box-Behnken试验因素及水平

表2 Box-Behnken试验设计及萃取试验数据

2.2.2 建立模型 利用Design Expert 11软件对表2中试验结果进行方差分析和多元回归方程拟合，各因素方差分析结果见表3，所得回归方程如下。

Y=0.7267+0.0388A+0.0075B+0.0238C-0.005AB-0.0025AC+0.005BC-0.0171A2-0.0796B2-0.0221C2

表3 Box-Behnken试验各因素方差分析

注：***极显著(p<0.000 1)；**较显著(p<0.01)；*显著(p<0.05)。

2.2.3 三因素交互作用的Box-Behnken响应曲面法分析结果 利用Design Expert 11软件拟合得到响应曲面图及等高线图(图4)，分析三因素间交互作用对收率的影响效应。

由图4可知，2 b等高线接近圆形，说明AC交互作用较弱，1 b、3 b为椭圆形，说明AB、BC交互作用较强。

2.2.4 验证最优工艺条件 利用Design Expert 11软件进一步分析，最优的萃取工艺条件为：A=35.00 MPa，B=45.16 ℃，C=89.71 min，收率预测值为0.754%。鉴于试验操作的可行性，对A、B、C进行圆整：A=35 MPa，B=45 ℃，C=90 min。在此条件下进行三次验证试验，得到平均收率为0.74%，与Box-Behnken响应曲面法预测值基本吻合，说明利用Box-Behnken响应曲面法优化所得工艺条件可靠。

3 结论

采用SC-CO2作为溶剂萃取大蒜精油，选取对收率影响较为显著的压力、温度、时间作为三因素，利用Box-Behnken响应曲面法分析了三个因素对收率的交互影响作用，利用软件分析获取最优的萃取工艺条件为压力35 MPa，温度45 ℃，时间90 min，平均收率为0.74%，与Box-Behnken响应曲面法预测值基本吻合，证明此法结果可靠，具备实际参考价值，可为实现工业化大规模生产提供参考依据。