陳麗娜，劉晨，王譯晗，王肖濛，陳豆豆

長春大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（長春 130022）

紅松又名果松、海松等，屬松科類植物，含油量高、成材率高，材質(zhì)優(yōu)良，易采集，主要分布在中國東北地區(qū)[1-4]。紅松松針含有多種生物活性物質(zhì)，具有鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜、解熱、抗炎、抑菌等藥理功效[5-7]。紅松松針含有豐富的精油，主要為萜烯、萜醇、酚酯類成分，其應(yīng)用廣泛，主要作為香精香料類物質(zhì)應(yīng)用于化妝品工業(yè)[1,8-11]。

試驗(yàn)采用超臨界CO2萃取技術(shù)對(duì)紅松松針揮發(fā)油進(jìn)行提取并對(duì)其萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化，可避免有機(jī)溶劑浸出法引起的有機(jī)溶劑殘留及水蒸氣蒸餾法萃取溫度過高、萃取率低的問題，且最大限度地保證生物活性物質(zhì)的生理活性，為松針的開發(fā)利用及其在化妝品工業(yè)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

紅松松針（采自吉林省靖宇縣）；CO2（純度99.9%，食品級(jí)，長春市氧氣廠）。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

HA220-50-06超臨界萃取裝置（南通華安）；QP-2010氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（島津）；DZF-6250真空干燥箱；WF260萬能粉碎機(jī)。

1.3 樣品制備

稱取新鮮的紅松松針，粉碎至粒徑280 μ m，待用。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 紅松松針揮發(fā)油萃取率計(jì)算

1.4.2 超臨界CO2流體萃取單因素篩選

采用單因素試驗(yàn)對(duì)影響松針揮發(fā)油萃取率的超臨界萃取工藝條件進(jìn)行篩選和分析，稱取300 g處理過的紅松松針原料，在一定壓力、溫度、萃取時(shí)間及CO2流量下進(jìn)行萃取，計(jì)算萃取率。

1.4.3 響應(yīng)面試驗(yàn)確定超臨界流體萃取紅松松針揮發(fā)油最佳工藝

根據(jù)單因素試驗(yàn)，選定萃取溫度、萃取時(shí)間、萃取壓力3個(gè)考察因素及其變化水平，設(shè)計(jì)三因素三水平共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，建立數(shù)學(xué)回歸模型，反映不同因素之間的交互影響，對(duì)超臨界CO2流體萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)見表1。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)做3個(gè)重復(fù)取平均值，評(píng)價(jià)指標(biāo)為原料的揮發(fā)油萃取率（%）。采用設(shè)計(jì)專家軟件（Design-Expert software 8.0.6）中的響應(yīng)面設(shè)計(jì)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表1 超臨界流體萃取松針揮發(fā)油工藝響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表

1.4.4 松針揮發(fā)油成分分析[11]

將萃取得到的松針揮發(fā)油采用氣質(zhì)聯(lián)用對(duì)其成分進(jìn)行分析。GC-MS條件：進(jìn)樣口溫度200 ℃，接口溫度230 ℃，分流比1︰50，離子源溫度230 ℃，柱溫采用程序升溫，初始溫度35 ℃，保持5 min，以0.1 ℃/min升至40 ℃，保持10 min，以0.1 ℃/min升至50 ℃，保持10 min，以0.5 ℃/min升至80 ℃，保持10 min，以2 ℃/min升至150 ℃，保持10 min，以5 ℃/min升至180℃，保持20 min。掃描范圍35～450。所得譜圖經(jīng)譜庫檢索結(jié)合手工檢索進(jìn)行組分定性。

2 結(jié)果與分析

2.1 超臨界CO2流體萃取單因素篩選

2.1.1 萃取溫度對(duì)松針揮發(fā)油萃取率的影響

溫度是影響超臨界CO2萃取的一個(gè)重要因素，從圖1可知，溫度從20 ℃升高到60 ℃時(shí)，松針揮發(fā)油提取率隨著溫度升高呈上升趨勢；因此，響應(yīng)面試驗(yàn)的萃取溫度水平范圍為40，50和60 ℃。

圖1 溫度與萃取率的關(guān)系

2.1.2 萃取時(shí)間對(duì)松針揮發(fā)油萃取率的影響

由圖2可以看出，隨著萃取時(shí)間的延長，松針揮發(fā)油萃取率增加，但延長至4 h后，增加幅度不大。萃取開始時(shí)，超臨界CO2與松針粉未充分接觸，萃取率低，隨著萃取時(shí)間延長，松針粉中的揮發(fā)油充分溶出，萃取率增加。考慮到時(shí)間越長，機(jī)器及各方面能耗越大，因此通過單因素試驗(yàn)確定響應(yīng)面試驗(yàn)的萃取時(shí)間水平為2，3和4 h。

圖2 時(shí)間與萃取率的關(guān)系

2.1.3 CO2流量對(duì)松針揮發(fā)油萃取率的影響

根據(jù)圖3可知，CO2流量對(duì)萃取率的影響不顯著，因此在設(shè)計(jì)響應(yīng)面時(shí)不作為主要因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)操作過程中，考慮到CO2流量越大，調(diào)節(jié)試驗(yàn)條件所需時(shí)間越長，造成的試驗(yàn)誤差越大，另外從耗能方面考慮，選擇CO2流量為25 L/h。

圖3 流量與萃取量的關(guān)系

2.1.4 萃取壓力對(duì)松針揮發(fā)油萃取率的影響

萃取壓力是超臨界萃取過程中的重要操作參數(shù)之一，直接影響被萃取物在流體介質(zhì)中的溶解度，從圖4結(jié)果分析可知，當(dāng)壓力從15 MPa上升至25 MPa時(shí)，松針揮發(fā)油萃取率大幅度增加，隨之再增加到35 MPa時(shí)，萃取率緩慢增加，幅度不大；從經(jīng)濟(jì)角度和安全方面綜合考慮，萃取壓力過大將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的投資和損耗費(fèi)用大幅增加，因此響應(yīng)面試驗(yàn)的萃取壓力水平選擇20，25和30 MPa。

圖4 壓力與萃取率的關(guān)系

2.2 超臨界CO2流體萃取松針揮發(fā)油響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析[9-12]

采用超臨界萃取紅松松針揮發(fā)油，以松針揮發(fā)油提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及方差分析見表2和表3。

采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立模型優(yōu)化超臨界萃取紅松松針揮發(fā)油工藝。通過自變量和因變量得到一個(gè)在給定范圍內(nèi)預(yù)測響應(yīng)值的回歸方程：萃取率（%）=0.53+0.056A+0.14B+0.19C+0.032AB-0.010AC-0.010BC-0.039A2-0.029B2+0.093C2。得到模型的決定系數(shù)為0.959 9。

從表3中可以看出，就所得回歸方程模型（p＜0.001），可充分表明3個(gè)因素之間的關(guān)系。在給定水平范圍內(nèi)，萃取溫度、萃取時(shí)間和萃取壓力均為影響松針揮發(fā)油萃取率顯著的因素，其中萃取壓力對(duì)松針揮發(fā)油萃取率的影響最大，萃取時(shí)間次之，萃取溫度最小。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)化分析，超臨界萃取松針揮發(fā)油最佳參數(shù)條件為：萃取溫度59℃、萃取時(shí)間4 h、萃取壓力30 MPa。在此條件下萃取率模型的預(yù)測值為0.94%，實(shí)際得到的萃取率值為0.92%。預(yù)測值與實(shí)際值擬合良好。

表2 紅松松針揮發(fā)油超臨界萃取工藝響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 試驗(yàn)方差分析表

2.2.2 因素交互作用[9,12]

利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，3個(gè)因素之間的交互作用見圖5～圖7。由圖5可以看出，當(dāng)萃取溫度不變時(shí)，萃取率隨著萃取時(shí)間延長而逐漸增加；當(dāng)萃取時(shí)間不變時(shí)，萃取率隨著萃取溫度的升高而增加。萃取時(shí)間為4 h，由圖6可以看出當(dāng)萃取溫度不變時(shí)，萃取率隨著萃取壓力增大而增加；當(dāng)萃取壓力不變時(shí)，萃取率隨著萃取溫度升高逐漸增加。萃取溫度為50 ℃，由圖7可以看出當(dāng)萃取壓力不變時(shí)，萃取率隨著萃取時(shí)間延長而增加；當(dāng)萃取時(shí)間不變時(shí)，萃取率隨著萃取壓力增大而增加。

2.3 松針揮發(fā)油成分分析

采用GC-MS對(duì)萃取的松針揮發(fā)油成分進(jìn)行分析，得到了16種成分，由表4可以看出，松針揮發(fā)油的主要成分為莰烯、2-茨醇、α-蒎烯、羅勒烯、乙酸冰片、γ-杜松烯和β-石竹烯等萜烯類物質(zhì)。

圖5 萃取溫度和萃取時(shí)間對(duì)萃取率的交互影響

圖6 萃取溫度和萃取壓力對(duì)萃取率的交互影響

圖7 萃取壓力和萃取時(shí)間對(duì)萃取率的交互影響

表4 松針揮發(fā)油成分分析

3 結(jié)論與討論

通過響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)超臨界萃取萃取紅松松針揮發(fā)油工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，取得最佳超臨界萃取紅松松針揮發(fā)油條件為：萃取溫度59 ℃、萃取時(shí)間4 h、萃取壓力30 MPa。在此條件下萃取率預(yù)測值為0.94%，驗(yàn)證試驗(yàn)所得萃取率為0.92%。所得回歸模型擬合情況良好。通過GC-MS對(duì)得到的揮發(fā)油進(jìn)行分析，其主要成分為莰烯、2-茨醇、α-蒎烯、羅勒烯、乙酸冰片、γ-杜松烯和β-石竹烯等萜烯類物質(zhì)。

采用超臨界萃取紅松松針揮發(fā)油，通過超臨界萃取不添加化學(xué)試劑，得到的松針揮發(fā)油萃取率高、安全無毒，可以作為香精類成分添加到化妝品中，從而開發(fā)新的香精種類，拓展香精領(lǐng)域、化妝品領(lǐng)域發(fā)展，并提供理論依據(jù)。