响应面法优化水蒸气蒸馏提取芫荽精油的工艺研究

王东营，董颖，孟雨东，汪学德*， 任翔

(1.河南工业大学 粮油食品学院，郑州 450001；2.河南中英科创弹射企业孵化器有限公司，郑州 450001)

植物精油是从植物的根、茎、叶、花、果实、种子等组织中提取出来的芳香性油状液体，享有“液体黄金”的美誉[1]。植物精油主要由挥发性、具有一定活性的小分子物质组成，不仅可以增香赋味，而且能够抗菌消炎、防腐驱虫、食疗保健等，因此其广泛应用于护肤品、保健品、肉制品以及天然药品的研发利用[2-4]。

芫荽(CoriandrumsativumL.)俗称香菜，为伞形科芫荽属一年或两年生草本植物，具有独特的芳香气味，可以去腥提鲜、增进食欲[5-6]。其茎叶清脆鲜嫩，富含蛋白质、脂肪、矿物质、维生素、胡萝卜素，以及钙、铁、镁、磷等微量元素[7-9]。传统中医理论认为，芫荽辛温香窜，具有发汗透疹、调食下气、辟禽鱼之毒的功效，主治小儿麻痹、痢疾下血、食物积滞等病症[10-12]。现有研究表明，芫荽精油是芫荽体现生理活性的重要功能因子，其含有的黄酮类、酚类、脂肪醛类以及维生素等活性成分具有抗菌、抗氧化、抗病毒、抗焦虑和镇痛等生理功效[13-17]。

目前，精油的主要提取方法有水蒸气蒸馏法[18]、溶剂萃取法[19]、超临界萃取法[20]等，其中水蒸气蒸馏法具有安全性高、操作简单、成本低等优点，从而得到广泛应用。然而，水蒸气蒸馏法容易受到提取条件的影响[21-22]，因此，本研究以芫荽为原料，采用水蒸气蒸馏法探究液料比、蒸馏时间以及浸泡时间对芫荽精油得率的影响，并通过响应面法优化工艺条件，旨在提高芫荽精油的得率，为芫荽精油的提取和开发利用提供理论依据和试验基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜芫荽：购于河南省郑州市丹尼斯红专路店，产自河南中牟。

1.2 试验方法

1.2.1 芫荽精油的提取

芫荽经筛选、清洗、切段、阴干后，收集备用。准确称取干燥的芫荽50 g于2000 mL平底烧瓶中，按照试验设计中的液料比添加去离子水，浸泡一定时间后，连接并固定蒸馏装置。调节加热套的温度，使平底烧瓶中的混合物保持微沸的状态，当第一滴液滴馏出时开始计时，蒸馏到规定时间后关闭加热套，使其自然冷却至室温，收集精油提取器中浅黄绿色油状液，利用无水硫酸钠脱除水分，将混合物离心分离取上清液即得到芫荽精油。称量其质量后计算芫荽精油得率。

式中：Y表示芫荽精油得率，%；m表示芫荽精油的质量，g；M表示芫荽质量，g。

1.2.2 单因素试验

1.2.2.1 液料比对芫荽精油得率的影响

准确称取50 g干燥的芫荽置于平底烧瓶中，在蒸馏时间6 h、浸泡时间0 h的条件下，探究液料比(V水∶W芫荽)9，12，15，18，21(mL/g)对芫荽精油得率的影响。

1.2.2.2 蒸馏时间对芫荽精油得率的影响

准确称取50 g干燥的芫荽置于平底烧瓶中，在液料比12(mL/g)、浸泡时间0 h的条件下，探究蒸馏时间6，9，12，15，18 h对芫荽精油得率的影响。

1.2.2.3 浸泡时间对芫荽精油得率的影响

准确称取50 g干燥的芫荽置于平底烧瓶中，在液料比12(mL/g)、蒸馏时间6 h的条件下，探究浸泡时间6，9，12，15，18 h对芫荽精油得率的影响。

1.2.3 响应面法优化试验

依据单因素试验结果，利用Box-Behnken设计原理，以液料比(A)、蒸馏时间(B)、浸泡时间(C)作为响应变量，以芫荽精油得率作为响应值(Y)，设计3因素3水平试验方案。试验因素和水平设计见表1。

表1 Box-Benhnken试验设计因素和水平Table 1 The factors and levels of Box-Benhnken test design

1.3 数据处理

所有试验均重复3次。试验数据使用Excel 2016进行统计分析，采用GraphPad Prism 8软件绘制折线图，运用Design-Expert V8.0.6软件进行响应面分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 液料比对芫荽精油得率的影响

由图1可知，芫荽精油得率随着液料比的增加呈现先上升后下降的趋势，在液料比为15(mL/g)时，精油得率最高，达0.44%；由此表明合适的液料比可使芫荽与水蒸气的接触更加充分，从而提高精油的得率。当液料比相对较低时，水不能完全浸润芫荽样品，导致精油得率偏低。而随着液料比的增加，组织细胞液与外界环境浓度差变大，芫荽细胞吸水胀破，使更多的精油分散至水中，并伴随水蒸气馏出，从而使精油得率增加[23]。但当液料比过大时，一方面导致分散在水中的精油浓度降低，另一方面容易产生暴沸现象，两者均不利于芫荽精油的提取，因此精油得率下降[24]。

图1 液料比对精油得率的影响Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on the extraction yield of essential oils

2.1.2 蒸馏时间对芫荽精油得率的影响

由图2可知，蒸馏时间从6 h增加至9 h时，芫荽精油得率上升；当蒸馏时间为9 h时，芫荽精油得率达最大值0.45%；此后，随着蒸馏时间的继续增加，芫荽精油得率下降。蒸馏时间较短时，芫荽样品中精油残留率高，得率低。蒸馏时间稍长时，芫荽试样中的精油萃取得更彻底，从而得率提高。蒸馏时间过长时，不仅造成资源浪费，而且导致精油挥发分解，因此精油得率下降[25]。

图2 蒸馏时间对精油得率的影响Fig.2 Effect of distillation time on the extraction yield of essential oils

2.1.3 浸泡时间对芫荽精油得率的影响

由图3可知，芫荽精油得率随着浸泡时间的延长呈现先上升后下降的趋势，浸泡时间为9 h时，精油得率达最大值0.43%。水作为载体将芫荽内部精油运输到表面，当浸泡时间短时，水不能渗入到芫荽的内部，对其浸润不彻底，导致部分精油残留在内部，精油得率低。当浸泡9 h时，芫荽浸润充分，精油得率高。但浸泡时间过长时，精油在水中的分解量加大，损失增多，因此得率下降[26]。

图3 浸泡时间对精油得率的影响Fig.3 Effect of soaking time on the extraction yield of essential oils

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1 响应面试验结果

响应面试验设计及结果见表2。

表2 响应面试验设计与结果Table 2 Box-Behnken test design and results

2.2.2 回归模型的建立及显著性分析

依据表2的试验结果，对液料比、蒸馏时间及浸泡时间进行多项式拟合，建立多元二次回归方程：Y=0.05-0.010A+0.00375B+0.00125C-0.005AB-0.005AC+0.022BC-0.017A2-0.059B2-0.039C2。

由表3可知，模型的F=33.28，P=0.0001<0.01，表明此模型具有统计学意义。失拟项的F=5.83，P=0.0607>0.05，说明此模型可以描述各提取工艺条件与芫荽精油得率的关系。模型决定系数R2=0.9772，调整后R2=0.9478>0.8，表明响应值的变化有97.72%源自所选的3个因素，且模型的拟合程度较好，因此，该回归方程可以用来预测芫荽精油得率随所选工艺条件的变化。此外，比较表3中F值大小可知，影响精油得率多少的因素依次为A>B>C。通过比较P值大小可知，A对芫荽精油得率的影响显著，BC、A2、B2、C2对芫荽精油得率的影响极显著(P<0.01)。

表3 响应面二次模型的方差分析Table 3 The variance analysis for response surface quadratic model

续 表

2.2.3 各因素交互作用的分析

等高线图和响应面图可用来反映两因素间交互作用对响应值的影响。在等高线图中，越接近圆形两因素间的交互作用越弱，越接近椭圆形两因素间的交互作用越强；在响应面图中，曲面越陡峭，响应值变化越快，两因素间的交互作用越强[27]。

由图6中(a)可知，等高线图为椭圆形，表明蒸馏时间和浸泡时间之间交互作用显著(P<0.05)。通过响应面图的曲面坡度对比可知，图6中(b)曲线陡峭，表明蒸馏时间与浸泡时间之间相互作用较强，两者组合对芫荽精油得率的影响显著(P<0.05)；图4中(b)曲线较平缓，表明液料比与蒸馏时间之间交互作用较弱，两者组合对芫荽精油得率的影响不显著(P>0.05)；图5中(b)与图4中(b)曲线趋势类似，表明液料比与浸泡时间之间交互作用较弱，两者组合对芫荽精油得率的影响不显著(P>0.05)。此外，精油得率与液料比、蒸馏时间和浸泡时间3个因素均呈现开口向下的抛物线关系，表明在试验选取的范围内，存在最佳点使精油得率达到最大值。

图4 液料比和蒸馏时间的等高线图和响应面图Fig.4 Contour and response surface diagrams of the interaction of liquid-solid ratio and distillation time

图5 液料比和浸泡时间的等高线图和响应面图Fig.5 Contour and response surface diagrams of the interaction of liquid-solid ratio and soaking time

图6 蒸馏时间和浸泡时间的等高线图和响应面图Fig.6 Contour and response surface diagrams of the interaction of distillation time and soaking time

2.2.4 验证试验

模型预测得到芫荽精油的最优工艺条件为：液料比14.05(mL/g)、蒸馏时间9.16 h、浸泡时间9.16 h，在此工艺条件下芫荽精油预测得率为0.500%。考虑到试验的实际操作性，将条件调整为：液料比14.0(mL/g)、蒸馏时间9.2 h、浸泡时间9.2 h，进行3次平行试验，芫荽精油的得率为(0.496±0.041)%，与模型预测值存在0.80%的相对误差，由此可证明通过响应面法优化的提取工艺切实可行，适用于芫荽精油的提取。

3 结论

本试验采用水蒸气蒸馏的方式提取芫荽精油，依据单因素试验结果，通过响应面法优化提取芫荽精油的工艺。试验结果表明，响应变量对响应值大小的影响顺序依次为液料比>蒸馏时间>浸泡时间。通过模型预测获得芫荽精油提取的最佳工艺条件为液料比14.0(mL/g)、蒸馏时间9.2 h、浸泡时间9.2 h，芫荽精油的得率为(0.496±0.041)%，与模型预测值存在0.80%的相对误差，证明通过响应面法优化得到的芫荽精油提取工艺可靠，具备参考价值，可为实现工业化大规模生产提供理论依据和试验基础。