响应曲面优化微波辅助提取槐花精油的工艺

贺莹

吕梁学院生命科学系（吕梁 033000）

槐花是豆科植被槐树的花朵与蓓蕾，它的形状是锥形的，花序生长在顶部；花萼像钟一样的形状，前端有5个浅的裂纹；花冠颜色呈乳白，短爪向外弯曲，部分脉络呈紫色[1]。槐花味道较苦，性质相对温和，不具毒性。花蕾还能被用作食材，能做甜点、粥、炒菜和焖饭等，在药膳方面也有不可小觑的功效[2]。

槐花精油被普遍利用于医疗药品、食物保健、化妆品等产业，具有其独特的组成和生物活性[3]。槐花精油是一种纯天然的植物提取物，在抗菌、抑菌中具备很强的优势，比有相同功效的化学合成物质在抗菌和抑菌方面表现得更好，这表明了精油可以作为植物杀菌剂[4]。大量的研究表明槐花精油在抑制大肠杆菌时，其功能显著。在抑制一些病原菌时抑菌作用也较强[5]。槐花精油是具有研究价值与发展前景的中草药，在香妆品等产业上是具有研究意义和发展前景的芳香油植物资源，具有良好的应用前景。因此探索优化槐花挥发油提取工艺拥有十分重要的意义[6]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 材料及药品

槐花，产于河南省三门峡；无水乙醇，购于天津市凯通精细化工有限公司。

1.1.2 仪器与设备

DFT-100粉碎机（温岭市林大机械有限公司）；RE-5298旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）；GZX-9146MBE电热鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司）；CPA225D电子天平：温赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）；XH-300B微波超声波组合合成/萃取仪（北京祥鹄科技发展有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 槐花精油的提取[7]

将槐花放入50 ℃的干燥箱中放置5 h，用粉碎机将其破碎，用80目滤筛进行细分，精确称量20.0 g槐花粉置于500 mL三口瓶中，以液料比10∶1（mL/g）加入无水乙醇，放入600 W的微波超声波组合合成/萃取仪中萃取6 min。结束后，通过抽滤分离出滤液，将滤液置于60 ℃的旋转蒸发仪中进行减压浓缩，加入无水硫酸钠，之后过滤，称质量，计算提取率。

1.2.2 槐花精油提取的单因素试验

1.2.2.1 不同液料比对槐花精油提取率的影响[8-9]

在固定提取的功率600 W、萃取时间6 min的情况下，设定不同液料比（6∶1，8∶1，10∶1，12∶1和14∶1 mL/g）对槐花精油进行提取。

1.2.2.2 不同萃取功率对槐花精油提取率的影响[10-11]在固定液料比10∶1（mL/g）、萃取时间6 min的情况下，设定不同提取功率（300，400，500，600和700 W）对槐花精油进行提取。

1.2.2.3 不同萃取时间对槐花精油提取率的影响[12]在固定提取功率600 W、液料比10∶1（mL/g）的情况下，设定不同萃取时间（2，4，6，8和10 min）对槐花精油进行提取。

1.2.3 响应曲面的试验方法

通过单因素试验，进行响应面试验；通过Design-Expert 8.0软件，分析槐花精油提取的最佳工艺方案[13]。

2.2 仙居县古树分布区类型和变型 全县现有古树中含13个属的科为壳斗科(Fagaceae)，有1 389株，占总数的28.46%；含有6个属的科有蔷薇科(Rosaceae)、榆科(Ulmaceae)和柏科(Cupressaceae)，共有250株，占总数的5.12%；含2～5个属的科有20科，共有3 140株，占总数的64.34%。按照世界种子植物科的分布区类型[9]和中国种子植物属的分布区类型[10] 标准划分，可将仙居县古树科和属的分布区类型分别划分为10、20个类型(表2)。

2 结果与分析

2.1 槐花精油提取单因素试验结果

2.1.1 不同液料比对槐花精油提取率的影响

由图1可知，槐花精油的提取率会伴随着液料比的增加而提高，当液料比达到10∶1（mL/g）时，精油的提取率到达最大值；当液料比高于10∶1（mL/g）时，精油提取率逐渐降低。这是因为无水乙醇含量较低时，槐花粉末不能被充分湿润；当无水乙醇含量适量时，分子扩张的提高有利于槐花精油的提取；而无水乙醇含量太多，溶剂对微波有较强的吸收作用，会降低到达细胞内部的辐射，使槐花精油的提取率降低。此外，从经济角度出发，无水乙醇的用量太大，不利于节约成本。因此，选择液料比10∶1（mL/g）较佳。

图1 液料比对槐花精油提取率的影响

2.1.2 不同萃取功率对槐花精油提取率的影响

由图2可知，在萃取功率增大的状况下，精油提取率会提高。将萃取功率提高，原材料可以吸收更多的微波能，槐花与无水乙醇会快速升温，使分子扩散速度加快，因此萃取的效率增大，精油萃取更加完全。当萃取功率为500 W时，精油提取率到达最大。继续加大萃取功率，提取率开始下降，可能是无水乙醇的温度升高，达到沸点，挥发逃逸，降低了提取率。另外，600 W与700 W时，精油中对热敏感成分可能会被破坏，产品的品质被影响。因此，选择萃取功率500 W较佳。

2.1.3 不同萃取时间对槐花精油提取率的影响

由图3可知，萃取时间在2～4 min阶段，槐花精油提取率呈现快速增长的趋势，这是由于设定的时间增长，槐花挥发油不断被溶解出来。4 min提取率达到最大值，为0.614%。4 min之后精油提取率开始降低，这是因为设定时间太久，精油被降解挥发，造成了槐花挥发油的提取率降低，故选择萃取时间4 min最适。

图2 萃取功率对槐花精油提取率影响

图3 萃取时间对槐花提取率的影响

2.2 槐花精油提取率的响应面优化

2.2.1 槐花精油提取率的响应面试验设计与结果

表1 响应面试验设计与结果

2.2.2 槐花精油提取率的模型的建立及方差分析

用响应面软件对响应值与各因素进行回归拟合，得到槐花精油提取工艺中3个因素之间的二次回归方程：Y=+0.608 6+0.084 1A+0.035 3B+0.036 1C+0.033 0AB+0.010 8AC+0.027 5BC-0.204 4A2-0.093 2B2-0.131 4C2。

以提取率为响应值，根据表1的结果，使用Design-Expert 8.0对槐花精油提取工艺的模型进行回归分析，结果见表2。

表2 回归模型方差分析

回归方程的各个变量是否能够明显地影响响应值可用F值判断来确定，回归模型内p值可以断定各个变量对响应值是否有明显的影响，p值如果很小，说明相应变量的显著影响很强；失拟项能够用来说明模型和试验数值拟合的情况，也就是它们之间差异的程度。从表3中可得出，回归模型呈极显著（p＜0.000 1）；失拟项呈现不明显（p＞0.05），由此可看出构建的方程能够有效地表示各变量与槐花精油提取率的关系。该模型的决定系数R2=0.994 5，表明模型能用来说明响应面中的可变性，也能用以槐花挥发油提取工艺的优化。模型内，自变量A、A2、B2和C2对槐花挥发油提取率的影响为极显著（p＜0.000 1），交互相中AC与BC对槐花精油提取率的影响达到显著水平（p＞0.05）。

2.2.3 槐花精油提取率的响应面及等高线分析结果

分析响应面下建立的回归模型，考察三个因素间交互作用与响应值之间的响应曲面图及等高线图，结果见图4～图6。从等高线图中可以得出，圆形代表不显著，椭圆形代表显著，AB与BC对槐花精油的提取率有着显著影响，图中等高线呈现椭圆，而AC的等高线图可以看出其图形近似圆形，所以AC不显著，这一点从p＞0.05也可看出。响应曲面图的形态能够表现试验中各个因素交互作用的水平。从回归模型中能够看出，一次项A项偏回归系数极显著，从图4和图5中A的响应面曲线很陡，说明液料比对槐花精油提取率有显著影响；C项回归系数显著，说明萃取时间对精油提取率有显著影响，图4～图6中时间的响应面曲线较陡，也可以说明这点；回归方程中A、B、C前拟合系数的大小能够看出相关因素对响应值的作用效果。从试验回归模拟方程中可以看出，A、B、C的拟合系数分别为0.084 1，0.035 3和0.036 1，即三个因素对槐花精油提取率的影响表现为：液料比＞萃取时间＞萃取功率。

图4 液料比与萃取功率的交互作用对提取率的影响

图5 液料比与萃取时间的的交互作用对提取率的影响

图6 萃取功率与萃取时间的交互作用对提取率的影响

2.3 最佳工艺验证试验

响应面软件优化后的最佳液料比为10.462∶1（mL/g），萃取功率为525.84 W，萃取时间为4.346 min。根据实际情况，为了便于操作，确定最终试验条件为：液料比10∶1（mL/g），萃取功率526 W，萃取时间4.3 min。平行操作3次，求平均值，实际槐花精油提取率为0.631%。与预测值0.626%接近，表明此回归方程和实际情况拟合很好，可以很好地表现出实际变化的规律。

3 结论

槐花精油中存在着多种具有应用价值的成分，不仅可以作为药用还可以食用，在化妆品等产业上也有很大的利用价值，提取槐花精油是其进一步开发与利用槐花资源的理论依据。试验以槐花磨成粉作为原料，选用微波辅助提取法提取出槐花精油，进行单因素试验，通过响应面分析对其工艺条件进行优化。优化后得到的工艺条件为：液料比10∶1（mL/g）、萃取功率526 W、萃取时间4.3 min。此条件下精油的提取率为0.631%，回归方程预测值为0.626%，实际值与理论预测值基本一致。