响应面法优化香茅精油超临界CO2萃取工艺

2021-07-28李祯

化学与生物工程 2021年7期

李祯

(咸阳职业技术学院，陕西咸阳 712000)

香茅精油具有强烈柠檬香味，其主要化学成分为萜类化合物，其中香茅醛类化合物的含量最高[1-2]。香茅精油化学成分组成及含量与生长环境、采收时间、种源、萃取方法等有关[3-5]。香茅精油具有消肿止痛、抑菌、抗氧化、抗肿瘤、保护胃黏膜、治疗感冒发烧与跌打损伤等多种药理作用[6-9]，在食品加工[10]、医疗保健[11]、美容化妆[12]、驱蚊杀虫[13]、保鲜防腐[14]等领域具有较好的应用前景。香茅精油的萃取技术对精油的产量与品质影响较大。目前，香茅精油的萃取主要采用水蒸气蒸馏法，该法费时费力，能耗高，同时高温易导致精油中热敏性成分分解，且收率较低。而超临界流体萃取法操作温度较低，可有效防止热敏性成分的分解，同时绿色环保，后处理简单，可通过改变操作温度和操作压力调节流体密度、黏度及传质性能，使溶质在超临界流体中的溶解度发生变化[15]。因此，作者采用超临界CO2萃取香茅精油，通过单因素实验和响应面法对萃取工艺进行优化。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

香茅干草段，亳州四时堂药业有限责任公司。粉碎，过40目筛，备用。

食品级CO2气体，纯度99.99%，西安亚太液化气有限公司。

HA221-50-06型超临界流体萃取装置，江苏华安超临界设备有限公司；FA1004B型电子分析天平，上海佑科仪器仪表有限公司；WFC-210型中药粉碎机，北京维博创机械设备有限公司。

1.2 香茅精油的萃取

采用超临界CO2萃取香茅精油。称取100 g香茅草粉末装入料筒，密封萃取釜；CO2气体加热加压后通入萃取釜，待釜内达到设定的温度与压力后，进行连续萃取，开启反应釜出口阀门，CO2流量为15 L·h-1，经过两级分离釜降压，萃取一定时间后收集产品，称重，按下式计算香茅精油收率：

1.3 萃取工艺的优化

首先采用单因素实验考察萃取温度(20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃)、萃取压力(15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa)、萃取时间(20 min、40 min、60 min、80 min、100 min、120 min)对香茅精油收率的影响；然后采用响应面法优化香茅精油的超临界CO2萃取工艺，以萃取温度、萃取压力、萃取时间为自变量，以香茅精油收率为考察指标，设计15组实验，利用Design Expert软件分析数据。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 萃取温度对香茅精油收率的影响(图1)

图1 萃取温度对香茅精油收率的影响Fig.1 Effect of extraction temperature on yield of citronella essential oil

由图1可以看出，随着萃取温度的升高，香茅精油收率逐渐升高，当萃取温度达到35 ℃时，收率达到最高；继续升高萃取温度，收率则缓慢下降。温度对超临界流体的影响主要在两方面：一是影响超临界流体的密度，二是影响超临界流体的传质能力。具体表现在升高萃取温度，分子运动速率加快，溶质及溶剂分子扩散能力提升，传质能力增强，从而使香茅精油溶解度升高，收率升高；但萃取温度过高，超临界CO2密度减小，溶剂化能力降低，密度减小对收率的影响大于传质能力增强的影响，因此溶解度降低，收率呈下降趋势。综合分析，萃取温度取35 ℃较为适宜。

2.1.2 萃取压力对香茅精油收率的影响(图2)

图2 萃取压力对香茅精油收率的影响Fig.2 Effect of extraction pressure on yield of citronella essential oil

由图2可以看出，随着萃取压力的升高，香茅精油收率逐渐升高，当萃取压力达到25 MPa时，收率达到最高；继续升高萃取压力，收率略微下降并趋于稳定。压力对超临界流体的影响主要在两方面：一是压力升高，超临界流体密度增大，有利于传质；二是压力升高，超临界流体黏度增大，对传质不利。具体表现在升高萃取压力，超临界CO2密度增大，溶质及溶剂分子间传质距离缩短，传质速率加快，从而使香茅精油收率逐渐升高；但萃取压力过高，致使超临界CO2黏度增大对收率的影响大于密度增大的影响，导致传质速率减慢，香茅精油溶解度降低，收率下降。考虑到高压操作对萃取设备的要求较高，会增加设备投资，同时增加操作难度和操作危险程度。综合分析，萃取压力取25 MPa较为适宜。

2.1.3 萃取时间对香茅精油收率的影响(图3)

由图3可以看出，随着萃取时间的延长，香茅精油收率快速升高，在萃取时间为80 min时，收率达到最高；继续延长萃取时间，收率升幅趋缓。这是因为，开始萃取时，香茅精油溶质分子还未完全溶解在溶剂中，所以收率较低；随着萃取时间的延长，溶质分子逐渐溶解并达到饱和，所以收率在快速升高后会趋于稳定。综合分析，萃取时间取80 min较为适宜。

2.2 响应面法实验结果

2.2.1 响应面法实验设计

图3 萃取时间对香茅精油收率的影响Fig.3 Effect of extraction time on yield of citronella essential oil

以香茅精油收率为考察指标，以萃取温度、萃取压力、萃取时间为考察因素，采用响应面法优化香茅精油超临界CO2萃取工艺。响应面法实验的因素与水平见表1，结果见表2。

表1 响应面法实验的因素与水平

表2 响应面法实验设计与结果

2.2.2 响应面分析

采用Design Expert软件对表2数据进行方差分析(表3)，拟合得到模型回归方程为：Y=3.98+0.0062A+0.0175B+0.0513C+0.0075AB-0.02AC+0.0075BC-0.0767A2-0.0892B2-0.0467C2。

表3 方差分析

通过软件绘制各因素交互作用对香茅精油收率影响的响应面图及等高线图，如图4所示。

由图4可以看出，萃取温度(A)与萃取时间(C)的交互作用对香茅精油收率影响的等高线图呈椭圆形，表明萃取温度与萃取时间的交互作用对香茅精油收率的影响最强。这一点从表3中也可以证实，AC的F值为5.03，远大于AB、BC的F值，表明AC交互作用对香茅精油收率的影响最强，而AB交互作用、BC交互作用对香茅精油收率的影响相当。

图4 各因素交互作用对香茅精油收率影响的响应面图及等高线图Fig.4 Response surface plot and contour plot for effect of interaction between each factor on yield of citronella essential oil

综合分析结果，确定超临界CO2萃取香茅精油的最优工艺条件为：萃取温度38.5 ℃、萃取压力25.7 MPa、萃取时间88.3 min，软件预测该条件下香茅精油收率为3.96%。为了验证软件预测结果的可靠性，结合实际操作将最优工艺条件调整为：萃取温度39 ℃、萃取压力26 MPa、萃取时间88 min。

2.2.3 工艺验证

在最优工艺条件(萃取温度39 ℃、萃取压力26 MPa、萃取时间88 min)下，采用超临界CO2萃取香茅精油，3次萃取得到的香茅精油平均收率为3.95%，与预测结果接近，证明优化的萃取工艺可用于香茅精油的萃取。