賀東亮，張恒慧，李靜舒，劉青業(yè)，*

（1.太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原030008；2.中北大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，山西太原030051；3.山西廣播電視大學(xué)農(nóng)醫(yī)學(xué)院，山西太原030001）

綠薄荷（Mentha canadensis L.）系唇形科薄荷屬，為多年生宿根性草本植物[1]，其莖葉中提取的精油具有濃烈的清涼香味，是一種重要的天然香料，其用途廣泛，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高?，F(xiàn)代研究表明薄荷精油是一類(lèi)植物次生代謝物，其主要成分是薄荷醇、薄荷酮和薄荷呋喃，具有增香、殺菌、抗氧化和抗病毒等生物活性[2]，可用于高級(jí)化妝品、高檔保健食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前，薄荷精油的提取主要采用水蒸氣蒸餾法和溶劑萃取法，兩者均存在一定的不足。水蒸氣蒸餾法操作溫度偏高，易使一些低沸點(diǎn)的精油成分損失，從而影響產(chǎn)品的得率和產(chǎn)品的品質(zhì)[3-4]；溶劑萃取法會(huì)產(chǎn)生少量的溶劑殘留。超臨界流體萃取技術(shù)（Supercritical fluid extraction,SFE）是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型分離技術(shù)，具有萃取溫度低、操作方便、提取率高、產(chǎn)品無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，非常適合于提取高附加值的植物精油，可最大程度地保持植物精油的天然本色[7-8]。響應(yīng)面分析法（Response surface methodology,RSM）是將多因素試驗(yàn)中因素與指標(biāo)之間的關(guān)系用多元二次回歸方程進(jìn)行近似擬合，研究因素與響應(yīng)值之間、因素與因素之間的相互關(guān)系，能夠縮短試驗(yàn)周期，提高試驗(yàn)效率[9]。本研究以綠薄荷葉為原料，應(yīng)用超臨界CO2萃取技術(shù)提取薄荷精油，并采用響應(yīng)面法對(duì)萃取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為薄荷精油大規(guī)模提取提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

綠薄荷葉：2017年9月采收于太原市南寨公園中草藥園，在恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)100℃殺青10 min，60℃干燥4 h，粉碎后過(guò)20目篩備用；CO2（CO2≥99.9%）：沈陽(yáng)市信利盛興氣體公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SFE230-50-06型超臨界CO2萃取裝置：海安華達(dá)石油儀器有限公司；FW400A高速萬(wàn)能能粉碎機(jī)：常州市偉嘉儀器制造有限公司；SC-400振動(dòng)篩：新鄉(xiāng)市高新區(qū)山川機(jī)械有限公司；BS224S電子天平：北京賽多利斯天平有限公司。

1.3 方法

1.3.1 萃取工藝流程

薄荷葉粉→稱(chēng)重→裝入萃取罐→設(shè)定萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間、CO2流量→在超臨界狀態(tài)下萃取→由分離罐獲得薄荷精油

1.3.2 萃取操作要點(diǎn)

準(zhǔn)確稱(chēng)取5 kg經(jīng)預(yù)處理的薄荷葉原料裝入萃取罐中，設(shè)定各個(gè)參數(shù)，待系統(tǒng)溫度和壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，萃取結(jié)束后從分離罐中取出精油，按公式（1）計(jì)算提取率。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

分別考察了萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間以及CO2流量4個(gè)因素對(duì)精油的影響，單因素試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 單因素試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levers

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Design-Expert 8.0.1軟件，選取萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間3個(gè)主要影響因素為自變量，以精油得率為響應(yīng)值，依據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)[10-11]，試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)因素水平編碼表Table 2 Factors and levers in the Box-Behnken experimental design

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 萃取壓力對(duì)薄荷精油得率的影響

萃取溫度為45℃，萃取時(shí)間為2 h，CO2流量為30 L/h，萃取壓力分別為 10、15、20、25、30 MPa，研究萃取壓力對(duì)薄荷精油得率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 萃取壓力對(duì)薄荷精油得率的影響Fig.1 Effect of extraction pressure on the yield of mint essential oil

隨著萃取壓力的升高，精油得率增大，當(dāng)壓力為15 MPa時(shí)，得率達(dá)到最大值，隨著壓力的進(jìn)一步增大，得率逐漸降低。萃取壓力主要是通過(guò)影響超臨界流體的密度來(lái)影響油精的得率[12]，壓力升高，CO2流體密度增大，有利于萃取過(guò)程；當(dāng)壓力超過(guò)一定數(shù)值后，CO2流量密度和黏度過(guò)大，傳質(zhì)效率變差，不利于萃取[13]，并且高壓會(huì)在實(shí)際的生產(chǎn)中造成一定的安全隱患，因此，萃取壓力選15 MPa為宜。

2.1.2 萃取溫度對(duì)薄荷精油得率的影響

萃取壓力為15 MPa，萃取時(shí)間為2 h，CO2流量為30 L/h，萃取溫度分別為 35、40、45、50、55 ℃，研究萃取溫度對(duì)薄荷精油得率的影響，結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)溫度在45℃以下時(shí)，精油得率隨溫度的升高而增加，主要是由于溫度升高加快了分子熱運(yùn)動(dòng)，提高了溶質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)和擴(kuò)散速度，從而對(duì)溶質(zhì)萃取有利[14]；當(dāng)溫度從45℃升至50℃時(shí)，精油得率幾乎沒(méi)有增加，隨著溫度的進(jìn)一步增加，精油得率呈下降趨勢(shì)，主要是由于溫度升高，CO2流體密度就會(huì)降低，溶解能力也下降，從而導(dǎo)致萃取得率降低，因此選擇萃取溫度45℃～50℃為宜。

圖2 萃取溫度對(duì)薄荷精油得率的影響Fig.2 The effect of extraction temperature on the yield of mint essential oil

2.1.3 萃取時(shí)間對(duì)薄荷精油得率的影響

萃取壓力為15 MPa，萃取溫度為45℃，CO2流量為 30 L/h，萃取時(shí)間分別為 1、1.5、2、2.5、3 h，研究萃取時(shí)間對(duì)薄荷精油得率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 萃取時(shí)間對(duì)薄荷精油得率的影響Fig.3 The effect of extraction time on the yield of mint essential oil

隨著萃取時(shí)間的增加，精油得率不斷升高，當(dāng)萃取時(shí)間達(dá)到2.5 h后精油得率增長(zhǎng)緩慢，曲線趨于水平；隨著萃取時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，被萃取物的含量逐漸降低，導(dǎo)致單位時(shí)間、單位能耗內(nèi)獲得的精油量減少，同時(shí)，萃取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使一些重質(zhì)成分和色素溶出[15]，精油品質(zhì)變差，因此，萃取時(shí)間選2.5 h為宜。

2.1.4 CO2流量對(duì)薄荷精油得率的影響

萃取壓力為15 MPa，萃取溫度為45℃萃取時(shí)間為 2.5 h，CO2流量分別為 20、25、30、35、40 L/h，研究CO2流量對(duì)薄荷精油得率的影響，結(jié)果如圖4所示。

CO2流量對(duì)精油提取率的影響是雙重的，一方面，流量增加能增大溶質(zhì)的濃度差，有利于萃??；另一方面，流量的增加減少了流體與物料之間的接觸時(shí)間，不利于提高精油的得率[14]。由圖4可見(jiàn)，CO2流量在20 L/h～40 L/h范圍內(nèi)，精油得率無(wú)明顯變化，因此，選擇CO2流量為20 L/h即可滿(mǎn)足要求。

圖4 二氧化碳流量對(duì)薄荷精油得率的影響Fig.4 The effect of carbon dioxide flow on the yield of mint essential oil

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理，以萃取壓力（X1）、萃取溫度（X2）和萃取時(shí)間（X3）為考察因素，以精油得率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三水平實(shí)驗(yàn)方案，共設(shè)計(jì)了17組試驗(yàn)，其中包括5組中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of response surface experiments

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗(yàn)

采用Design Expert 8.0.1軟件對(duì)表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多元回歸擬合，建立多元二次回歸方程：Y=3.24-0.052X1+0.058X2-0.06X3-0.16X1X2-0.2X1X3+0.12X2X3-0.19X12-0.31X22-0.36X32，其方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 各因素方差分析表Table 4 Analysis of variance for each factor

由表4數(shù)據(jù)可見(jiàn)，模型的顯著水平p＜0.000 1，表明所建立的二次多項(xiàng)模型極顯著，本試驗(yàn)的方法是可靠的。模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.990 8，說(shuō)明響應(yīng)值的變化有99.08%來(lái)源于所選變量，表明模型能很好地反映試驗(yàn)條件的變化；校正決定系數(shù)R2Adj為0.979 0，表明僅有總變異的2.1%不能由該模型來(lái)解釋?zhuān)皇M項(xiàng)（p=0.834 7＞0.05）在α=0.05水平上不顯著，表明數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)結(jié)果擬合良好，可以用該模型預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，殘差均由誤差引起。在模型各參數(shù)中，X2、X3影響較顯著，X1影響顯著，說(shuō)明試驗(yàn)所選因素對(duì)精油得率均有顯著影響，各影響因素主次順序?yàn)閄3（萃取時(shí)間）X2＞（萃取溫度）＞X1（萃取壓力）。

2.2.3 各因素交互作用的響應(yīng)面分析

通過(guò)二次多項(xiàng)回歸方程擬合得出響應(yīng)面分析的曲面圖，對(duì)任意兩因素交互作用影響精油得率的效應(yīng)進(jìn)行分析。等高線圖的形狀可以反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，圓形表示兩因素的交互作用影響不顯著，橢圓表示兩因素的交互作用影響顯著[16]。

圖5表示萃取壓力和萃取溫度的交互作用對(duì)薄荷精油得率的影響效應(yīng)。

由圖5等高線可以看出，萃取壓力和萃取溫度的交互作用顯著。萃取時(shí)間固定在0水平時(shí)，精油得率隨著萃取壓力和萃取溫度的增加而先增加后降低，其中萃取溫度對(duì)得率的曲線較為陡峭，說(shuō)明在萃取過(guò)程中溫度對(duì)得率的影響大于壓力。圖6表示萃取壓力和萃取時(shí)間的交互作用對(duì)薄荷精油得率的影響效應(yīng)。

圖5 壓力與溫度對(duì)精油得率影響的響應(yīng)面與等高線圖Fig.5 Response surface and contour line of the pressure and temperature for extraction rate

圖6 壓力與時(shí)間對(duì)精油得率影響的響應(yīng)面與等高線圖Fig.6 Response surface and contour line of the pressure and time for extraction rate

由等高線圖可知，萃取壓力和萃取時(shí)間的交互作用影響顯著。當(dāng)把萃取溫度固定在0水平時(shí)，隨著萃取壓力和時(shí)間的增加精油得率呈先增大后降低的趨勢(shì)，當(dāng)溫度一定時(shí)，壓力增加會(huì)使CO2流體的密度增加，流體的溶劑化效應(yīng)增強(qiáng)，萃取率上升，當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，流體的粘度升高，不利于溶質(zhì)擴(kuò)散，對(duì)萃取不利。圖7表示萃取溫度和萃取時(shí)間的交互作用對(duì)薄荷精油得率的影響效應(yīng)。

圖7 溫度與時(shí)間對(duì)精油得率影響的響應(yīng)面與等高線圖Fig.7 Response surface and contour line of the temperature and time for extraction rate

由等高線呈橢圓形可知，萃取溫度和萃取時(shí)間的交互效應(yīng)顯著。

2.2.4 最優(yōu)工藝條件的確定及驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由Design Expert 8.0.1軟件分析，得出最優(yōu)工藝條件為：萃取壓力14.02 MPa、萃取溫度40.72℃、萃取時(shí)間1.5 h，精油得率預(yù)測(cè)值為3.25%?？紤]到試驗(yàn)實(shí)際操作的局限性，將驗(yàn)證性試驗(yàn)條件設(shè)置為：萃取壓力14 MPa、萃取溫度41℃、萃取時(shí)間1.5 h，在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，薄荷精油的平均得率為3.21%，與預(yù)測(cè)值基本相同，說(shuō)明采用響應(yīng)面法優(yōu)化的工藝條件可靠性好，具有使用價(jià)值。

3 結(jié)論

采用超臨界CO2萃取技術(shù)提取薄荷精油，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)響應(yīng)面法分析了萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間3個(gè)因素對(duì)精油得率的影響，建立了二次多項(xiàng)式回歸模型，方差分析顯著性檢驗(yàn)表明薄荷精油萃取率的影響因素依次為：萃取時(shí)間＞萃取溫度＞萃取壓力。優(yōu)化后確定的最佳工藝條件為：萃取壓力14 MPa、萃取溫度41℃、萃取時(shí)間1.5 h，在該條件下，薄荷精油的得率為3.21%，本研究結(jié)果為超臨界CO2萃取薄荷精油的規(guī)?；a(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)和參考。

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