玫瑰精油的提取及影响因素分析

曹 原， 李朝艳

(1.南阳理工学院信息工程学院 河南 南阳 473004；2.南阳理工学院生物与化学工程学院 河南 南阳 473004)

0 引言

从玫瑰花中提取出的玫瑰精油，是香料调香中最重要、最常用的名贵花香调料，被广泛应用于食品、化妆品及烟草中[1]，从玫瑰花中提取精油的方法主要有机械压榨法、水蒸气蒸馏法[2，3]、浸取法[4]和超临界萃取法[5，6]，机械压榨法出油快，成分不纯，仅在手工作坊采用；水蒸气蒸馏法是目前工业生产中应用较多的一种方法，出油率约为万分之一，需要消耗大量的时间和能量，且在高温作用下，精油香味受到一定破坏；浸取法也是传统方法，它利用有机溶剂萃取玫瑰花，制备玫瑰浸膏，再用乙醇萃取浸膏，得到精油，出油率约为万分之三，精油中易含有有机溶剂，香味受到一定影响；超临界萃取法出油率约为千分之一，产品无异味，香味丰满，因此该方法受到人们的普遍关注。不过即使采用超临界萃取，玫瑰精油的得率仍不高[7-9]，而玫瑰精油价格昂贵，因此提高玫瑰精油提取率是企业增加产量，创造经济效益的有效手段。响应面分析能通过较少的实验次数对影响反应的多个参数进行建模和分析[10]，近似构造一个具有明确表达形式的多项式，从而可以寻找到参数交互作用影响下的最佳响应值。本研究针对玫瑰精油得率低的问题，利用超临界技术提取玫瑰精油，并且在单因素分析的基础上，利用反应面法对工艺参数进行了优化，考察了超临界萃取过程中的萃取压力、萃取剂流量、萃取温度及其交互作用对玫瑰精油得率的影响，以提高玫瑰精油的得率。

1 实验

1.1 原料及仪器

HA121-50-01型CO2超临界萃取仪，江苏南通华安超临界设备有限公司；95%乙醇，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司；干玫瑰花，新疆喀什玫源公司提供。

1.2 实验过程

称取2 kg玫瑰干花置于蒸馏釜中，加入4 L浓度为10%的盐水，总加料量不超过釜容积的60%，馏出液冷却保持在30 ℃左右，蒸馏2 h。冷凝液经油水分离器分为油层和玫瑰露，玫瑰露返回蒸馏釜复蒸。粗油层在萃取压力25 MPa，萃取温度50 ℃，CO2流量为25 L/h条件下萃取120 min，得到的玫瑰精油直接利用气相色谱-质谱联用仪进行检测。

1.3 分析方法

玫瑰精油得率的测定：得率(mg·g-1)=萃取后的油重量/玫瑰干花重量

1.4 数据分析

利用ORIGIN 8.0 软件对单因素实验数据结果进行整理，采用 Design-Expert 8.0软件设计响应面试验，根据单因素试验结果确定响应面试验各因素的水平范围，选用 Box-Behnken 模型对响应面各数据试验点进行分析及优化。

2 结果与讨论

2.1 影响因素分析

2.1.1 压力

利用超临界CO2法萃取玫瑰精油，临界压力是影响得率的一个重要因素，压力增高，CO2密度增大，对精油的溶解能力增强，有利于萃取的进行；但是随着压力的增高，CO2流速增大，导致精油的传质时间缩短，同时，压力的增大也会导致萃取过程中传质困难。在萃取温度为55 ℃，CO2流量为20 L·h-1，萃取时间为150 min条件下，考察不同超临界压力下玫瑰精油的得率，结果如图1(a)所示。

2.1.2 温度

超临界温度对玫瑰精油得率的影响也具有双重性：一方面，萃取过程中，随着温度的升高，精油中的挥发组分溶解度和扩散系数增大，有利于萃取；另一方面，温度升高，CO2密度变小，萃取能力下降，不过当压力超过25 MPa以后CO2密度随着温度的变化较小，因此在高于25 MPa压力条件下，温度高有利于精油得率的提高。不过在解吸过程中，温度高又会引起精油挥发性组分的散失，在萃取压力25 MPa，CO2流量为20 L·h-1，萃取时间为150 min条件下，考察不同超临界温度下玫瑰精油的得率，结果如图1(b)所示。

2.1.3 CO2流量

CO2流量是影响玫瑰精油得率的一个重要因素，CO2流量大，相当于溶剂与溶质比例大，精油收率高，但是CO2流量过大，溶剂与溶质接触不充分，也会引起精油收率下降。在萃取压力25 MPa，CO2流量为20 L·h-1，萃取温度为50 ℃，萃取时间为120 min条件下，考察不同CO2流量下玫瑰精油的得率，结果如图1(c)所示。

2.1.4 萃取时间

萃取时间也同样是影响玫瑰精油得率的一个重要因素，萃取时间短，精油萃取不完全，得率低，萃取时间长，精油杂质多，质量低，而且生产周期长，设备损耗也大。在超临界压力为25 MPa，超临界温度为50 ℃，CO2流量为25 L·h-1条件下，考察不同萃取时间对精油得率的影响(如图1(d)所示)。

图1 超临界萃取条件对玫瑰精油收率的影响

通过图1(a)可以看出，在超临界压力在15～35 MPa区间范围内，随着压力的变化，精油得率最高为0.862 mg·g-1，因此初步确定适宜的超临界压力为25 MPa。通过图1(b)可以看出，在35～60 ℃区间，随着温度的变化，精油的得率最高达0.881 mg·g-1，因此初步确定适宜的超临界温度为50 ℃。通过图1(c)可以看出，在CO2流量为15～35 L·h-1的范围内，随着CO2流量的变化，精油得率最高达0.903 mg·g-1，因此初步确定适宜的CO2流量为25 L·h-1。通过图1(d)可以看出，在萃取时间为40～140 min范围内，当萃取时间达到120 min后，精油的得率维持在0.920 mg·g-1基本维持不变，因此初步确定适宜的精油萃取时间为120 min。

2.2 响应面实验

在单因素实验的基础上，根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理，选取超临界压力(Z1)，超临界温度(Z2)，CO2流量(Z3)作为影响因素，并分别对其进行如下变换，X1=(Z1-25)/5，X2=(Z2-50)/5，X3=(Z3-25)/5，以X1、X2、X3为自变量，玫瑰精油得率为响应值，采用3因素3水平的响应面分析方法进行实验，使用Design-Expert 8.0软件设计3因素3水平共17个响应面分析实验。Box-Behnken实验设计见表1。

2.2.1 模型建立及方差分析

应用Design Expert 8.0软件，对表2中的数据进行多元回归拟合，选择对响应值显著的各项，得到

表1 响应面实验方案及结果

精油得率的全模型二次响应曲面方程

Y(精油得率) =0.96+0.017×X1+0.024×X2-0.042×X3+1.237E-003×X1×X2+0.012×X1×X3+0.012×X2×X3-0.050×X12-0.053×X22-0.041×X32

(1)

对模型进行方差分析，结果见表2。

表2 玫瑰精油得率模型的方差分析结果(全模型)

由表2可知，模型P值不大于0.0002，表明模型方程回归极显著；另外，失拟的P值为0.9572，大于0.05，失拟不显著，表明该方程对实验拟合情况好，实验误差小。综上说明可用该回归方程代替实验真实点对实验结果进行分析和预测。

各项系数的P值越小，说明该项越显著。从表3可知，对于超临界萃取模型来说，一次项X3为极显著影响因素，X1、X2与平方项X12、X22、X32为显著性影响因素，即在各影响因素中，CO2流量 (X3)的影响最大，其次是超临界温度(X2)和超临界压力(X1)；而各交互影响因素P值中X1·X3值较小，X2·X3、X1·X2相对较大，因此3个因素中相互超临界压力与CO2流量相互影响较大，超临界温度与其他两个因素相互之间影响较小。

2.2.2 响应面曲面分析与优化

超临界萃取玫瑰精油优化的响应面等高线图直观地反映了各因素对响应值的影响，超临界压力和CO2流量对玫瑰精油得率的影响如图2(a)所示，超临界温度和CO2流量对玫瑰精油得率的影响如图2(b)所示，超临界压力和超临界温度对玫瑰精油得率的影响如图2(c)所示。

图2 各因素条件对玫瑰精油收率影响的等高线图

图2(a)至图2(c)经数学分析可知，玫瑰精油的最大得率为0.94 mg·g-1。结合二次回归模型的数学分析结果，超临界萃取的最优化条件为：超临界压力25.56 MPa，超临界温度50.86 ℃，CO2流量22.65 L/h。

3 结论

采用超临界萃取的手段从玫瑰干花中提取玫瑰精油，通过单因素实验确定了超临界压力、超临界温度和CO2流量及超临界萃取时间的适宜工艺条件范围，通过Design Expert 8.0对超临界压力、超临界温度和CO2流量进行了反应面分析，并对其进了回归方程优化，在此基础上，获得了最优化条件：超临界压力25.56 MPa，超临界温度50.86 ℃，CO2流量22.65 L/h，萃取时间120 min。