响应面优化超临界CO2萃取牛至油工艺研究

刘军海，李志洲，王俊宏

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723000）



响应面优化超临界CO2萃取牛至油工艺研究

刘军海*，李志洲，王俊宏

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723000）

试验采用提取率较高的超临界CO2萃取技术萃取牛至油。在单因素试验基础上通过响应面试验优化了牛至油的超临界CO2萃取工艺，确定的最优萃取工艺参数为：萃取压力35 Mpa，萃取温度50℃，CO2流率3.6 L/min，萃取时间3 h，此条件下牛至油得率达到5.82%。

牛至油；超临界CO2；Box-Benhnken试验设计；萃取

牛至油是从牛至全草中提取的挥发性油，其主要成分为酚类物质，具有增强动物机体免疫力，抗菌、抗氧化、抗肿瘤和抗球虫等作用（王双和马现永，2010）。此外，还能提高动物体内消化酶活性，增强营养物质的吸收，改善饲料转化率，促进动物生长；同时还可增强动物机体的抗应激能力及生产性能，降低饲养成本（刘德稳，2009；张莉和宋代军，2009；胡骁飞等，2004）。本试验采用响应面优化超临界CO2萃取牛至油的工艺条件。

1　材料与方法

1.1试验材料牛至，九月份的云南产牛至，50℃恒温干燥后粉碎过60目筛，6℃贮藏在冰箱中待用；乙醇为分析纯；蒸馏水为实验室自制。

DHG-9075A型电热鼓风箱（上海一恒科技有限公司）；FW117中草药粉碎机（天津泰斯特仪器有限公司）；BS110电子分析天平（北京赛多利天平有限公司）；KQ-500DE型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；RE-52CS旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）；SCF-CO2萃取实验装置（石家庄特科生化设备有限公司）。

1.2试验方法超声波提取：称取4份40 g备用牛至粉末放入500 mL锥形瓶中，按照料液比为1∶15（g/mL）的标准加入体积分数为90%的乙醇，超声波温度设定在50℃，超声波频率为60 kHz，此条件下分别对牛至油提取1、1.5、2、2.5 h，提取完成后减压蒸发掉乙醇即得牛至油。

水蒸气蒸馏：称取4份40 g备用牛至粉末放入装有沸石的水蒸气蒸馏装置的硬质圆底烧瓶中，加水摇匀，置于电热套中缓慢加热至沸腾，保持微沸状态，分别提取1、1.5、2、2.5 h，计算牛至油不同提取时间的得率。

超临界CO2萃取：称取4份40 g备用牛至粉末装于超临界萃取装置中，设定萃取温度为50℃，CO2流率为3.5 L/min，在35 Mpa条件下分别萃取1、1.5、2、2.5 h，萃取完成后，溶解了牛至油的超临界CO2经过降压阀进行节流膨胀变为常压气体直接与牛至油分离，等待10 min测定接收瓶中牛至油的质量，计算牛至油得率。

1.3牛至油得率计算公式得率/%=牛至油质量/牛至粉末质量×100。

1.4试验设计

1.4.1单因素试验设计超临界CO2萃取的影响因素包括萃取压力、萃取温度、CO2流率及萃取时间，单因素试验对四个因素在提取过程中对牛至油得率的影响进行探讨。试验过程将其他三个因素设为定值，单独讨论一个因素的水平变化对牛至油得率的影响，为响应面优选试验优选合适的设计水平。

1.4.2响应面试验设计以单因素试验的萃取压力（X1）、萃取温度（X2）、CO2流率（X3）三个因素作为响应面优化试验的考察对象，固定萃取时间为3 h，以牛至油得率（Y）为指标，通过Box-Benhnken中心组合进行三因素三水平的响应面优化试验，优选出超临界CO2萃取牛至油的工艺条件，试验设计见表1。

表1　响应面试验设计

2　结果与分析

2.1各提取方法提取效果比较由图1可知，三种提取方法提取的牛至油，其得率均随提取时间的延长而增大，提取2.0 h后，水蒸气蒸馏法和超声波提取法的得率增幅不大，而超临界CO2萃取还有较大的增幅，2.5 h时各提取方法所对应的牛至油得率分别为3.0%、4.1%、5.4%。超临界CO2萃取技术利用CO2在超临界状态下对牛至油极强的溶解性来达到快速萃取的目的，萃取完成后降压即可将CO2释放得到纯净的牛至油，萃取率高且无化学残留，能将萃取和纯化一体化，克服了水蒸气蒸馏提取时间长及杂质含量高等问题，与超声波提取技术相比，降低了提取后分离操作的费用，减少了工序，因此确定超临界CO2萃取技术作为牛至油萃取的最终方法。

图1　各提取方法提取结果比较

2.2单因素试验结果及讨论

2.2.1萃取压力对牛至油得率的影响称取5份40 g的备用牛至粉末于超临界萃取装置中，设定萃取温度为45℃，CO2流率为3 L/min，萃取2.0 h，研究20、25、30、35、40 Mpa 5个不同萃取压力下牛至油得率的变化，结果见图2。由图2可知，随着压力的增大，牛至油的得率呈现先增大后减小的趋势，压力为35 Mpa时牛至油得率最大。压力增大会使CO2的密度增大，减小超临界CO2和牛至油分子间距，促进牛至油溶解且增大了传质速率；但压力过大导致CO2密度增大的同时黏度也随着增大，传质效果不理想，同时也会导致牛至中其他杂质的溶解，萃取的选择性变差，牛至油得率不增反减，因此选择35Mpa为较佳的萃取压力，优选的响应面优化试验萃取压力水平为30～40 Mpa。

图2　萃取压力对牛至油得率的影响

2.2.2萃取温度对牛至油得率的影响称取5份40 g的备用牛至粉末于超临界萃取装置中，设定萃取压力为30 Mpa，CO2流率为3 L/min，萃取2.0 h，研究35、40、45、50、55℃5个不同萃取温度下牛至油得率的变化，结果见图3。由图3可知，35～40℃牛至油得率增长较快，40～50℃范围内牛至油得率呈小幅度增长，超过50℃后牛至油得率迅速下降。超临界状态下分子热运动能加快牛至油在CO2中的溶解，同时随着温度的升高，牛至油的饱和蒸汽压增大，利于萃取。但是温度过高使超临界CO2密度下降，溶剂效应减弱，溶解度降低，因此牛至油得率迅速减小，综合考虑选择50℃为较佳的萃取温度，优选的响应面优化试验萃取温度水平为45～55℃。

图3　萃取温度对牛至油得率的影响

2.2.3CO2流率对牛至油得率的影响称取5份40 g的备用牛至粉末于超临界萃取装置中，设定萃取压力为30 Mpa，萃取温度45℃，萃取2.0 h，研究2、2.5、3、3.5、4 L/min 5个不同CO2流率下牛至油得率的变化，结果见图4。由图4可知，CO2流率和牛至油得率呈正相关，流率大于3 L/min牛至油得率缓慢增长，这种现象的出现是由于CO2流率的增加一方面减少了传质时间，而另一方面却增加浓度差强化了传质，在这两方面作用下牛至油萃取基本处于动态平衡，考虑到增大CO2流率对萃取效果并无太大促进作用，为了减少溶剂消耗，选择3.5 L/min为较佳的CO2流率，优选的响应面优化试验CO2流率水平为3.0～4.0 L/min。

图4　CO2流率对牛至油得率的影响

2.2.4萃取时间对牛至油得率的影响称取5份40 g的备用牛至粉末于超临界萃取装置中，设定萃取压力为30 Mpa，萃取温度45℃，CO2流率为3 L/min，研究1、1.5、2、2.5、3 h 5个不同萃取时间下牛至油得率的变化，结果见图5。由图5可知，萃取时间越长，牛至油得率越大；萃取时间超过2.5 h后得率增加缓慢，考虑到再延长萃取时间的经济价值及其他较难萃取成分的溶出会影响牛至油品质两方面原因，选择3 h为较佳的萃取时间。

图5　萃取时间对牛至油得率的影响

3　响应面试验结果及分析

在单因素试验基础上，固定每个试验萃取时间为3 h，选择萃取压力（A）、萃取温度（B）及CO2流率（C）三个因素作为响应面优化试验的考察对象，以牛至油得率为指标，进行响应面优化试验。结果见表2，方差分析见表3。表2中共有15个试验点，1～12为析因试验，用来分析各因素的不同水平的组合对牛至油得率的影响，13～15为零点试验，用来检测模型的误差及模型的可靠性。

由表3方差分析结果可知，萃取温度和CO2流率对牛至油提取的影响均达到了极显著统计水平（0.01）；F检验反映的是回归模型的有效性，F值越大，说明此因素对提取率的影响越显著，因此各因素对牛至油得率的影响大小顺序为萃取压力＞CO2流率＞萃取时间。各平方项X1X1、X2X2、X3X3也均达到了极显著统计水平（0.01）。

表2　响应面试验结果

模型的Pr值为0.001793，达到了极显著统计水平；失拟项Pr值为0.0632（Pr＜0.05），不显著，说明模型无失拟因素存在；相关系数R2=97.46%，说明仅有2.54%的因变量变化不能用此方程解释，调整系数R2Adj=92.89%，说明试验所用模型拟合度高，误差小；模型的变异系数CV=2.06%，说明模型的重现性好，因此模型可用于超临界CO2萃取牛至油试验结果的预测和分析。

表3　方差分析结果

采用SAS8.01统计软件RsReg程序包对表2的试验结果进行多元回归拟合分析，拟合方程为：

拟合方程的一次项系数均为正，二次项系数均为负，表明这三个因素都对超临界CO2萃取牛至油有正效应并且存在固定值使得牛至油得率达到最大。SAS程序预测的牛至油最大得率为5.8685%，所对应的各因素的最佳值为：X1= 0.624489、X2=0.090299、X3=0.185139。将模型预测的各因素最佳值回代入表1，求得最佳工艺条件为：萃取压力35.31 Mpa，萃取温度50.45℃，CO2流率3.59 L/min，为了方便实际操作，设定萃取压力为35 Mpa，萃取温度50℃，CO2流率为3.6 L/min。在萃取3h的条件下进行验证试验，平行测定3次，提取率分别为5.82%、5.84%、5.80%，取平均值5.82%为最佳超临界CO2萃取条件下的牛至油得率，与试验预测的最大得率值误差仅为0.83%。

4　结论

在单因素试验基础上，通过响应面试验优化了超临界CO2萃取牛至油的工艺条件，得到的最佳萃取工艺参数为：萃取压力35 Mpa，萃取温度50℃，CO2流率3.6 L/min，萃取时间3h，此条件下的牛至油得率为5.82%。

［1］胡骁飞，魏凤仙，邱骏，等.牛至油在畜禽饲料中的应用前景［J］.中国饲料，2004，14：13～14.

［2］刘德稳.牛至油对仔猪生产性能的影响［J］.饲料与畜牧，2009，5：48～50.

［3］王芳，王吉谭，孙信权.牛至油研究进展及其在畜牧业中应用［J］.中国饲料，2005，1：12～14.

［4］王双，马现永.植物抗生素-牛至油在畜禽生产中的应用［J］.饲料研究，2010，4：9～11.

［5］张莉，宋代军.牛至油对肉鸡生产性能和血液指标的影响［J］.中国饲料，2009，4：25～27.

The supercritical CO2extraction technology as oregano oil extraction method for it’s higher extraction tatio was applied.The supercritical CO2extraction conditions of oregano oil were optimized through the response surface test based on the single factors experiments.The results showed that the optimum conditions were as follows：extraction pressure of 35 MPa，extraction temperature of 45℃，CO2flow rate of 3.6 L/min，extraction time of 3 h，the extraction rate of oregano oil were 5.82%.

oregano oil；supercritical CO2；Box-Benhnken experiment design；extraction

S816.7

A

1004-3314（2016）05-0017-04

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20160504

陕西省教育厅2012年科学研究项目计划（12JK0602）