响应面法优化超临界CO2萃取花椒油的工艺

孙 婧，吴建华，甘 笛

(陕西中医药大学 药学院，陕西 咸阳 712046)

花椒属于芸香科花椒属植物，是一种常见的调味料[1]。花椒还是一种珍贵的药材，在治疗呕吐、抗炎、镇静等方面有着独特的功效[2-3]。其中花椒提取物在医疗、保健等行业[4-5]有着广泛的用途。

花椒油的提取主要有溶剂法[6]、超声波辅助提取法[7]、水酶法等[8]。超临界CO2萃取作为一种绿色的提取技术被广泛用于食品与医药行业的物质分离过程[9-10]。该技术不采用有机溶剂，保证了萃取物无溶剂残留；操作温度适宜，防止目标物质的氧化和逸散；以CO2为萃取剂，保证了操作的安全性和经济性[9-10]。由于目前对超临界CO2萃取花椒油及其工艺优化的研究较少，所以本文基于花椒油在超临界CO2中有良好的溶解度与扩散性，采用多元二次回归寻优的Box-Behnken Design响应面法对其萃取工艺进行优化[11]，以期为后续中试放大萃取花椒油提供一定的基础与方向，同时也为研究花椒油的药理与活性提供基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

含籽未开裂花椒，由四川某采购站所购；CO2，食用级。

HA 220-50-06型超临界萃取仪，江苏南通华安超临界萃取公司；FA1004B型电子分析天平；粉碎机；恒温干燥箱。

1.2 实验方法

1.2.1 花椒预处理

将未开裂的含籽花椒置于50℃恒温干燥箱中烘干3 h，按照GB/T 5009.3—2016测定烘干后花椒含水量为2.28%，最后采用粉碎机对颗粒较为饱满的花椒粉碎，过40目筛。

1.2.2 超临界CO2萃取花椒油

准确称取20 g花椒粉置于萃取釜中，然后通入CO2进行连续萃取，通过改变萃取温度(35、40、45、50、55℃)、萃取压力(16、18、20、22、24 MPa)、萃取时间(60、75、90、105、120 min)进行超临界CO2萃取实验，最后分离出超临界CO2流体以获得花椒油。对萃取物精确称量，计算花椒油的萃取率(Y)。

Y=m1/m0×100%

式中：m1为花椒萃取物的质量，g；m0为花椒总质量，g。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 萃取温度的影响

固定萃取压力20 MPa、萃取时间60 min，研究不同萃取温度对花椒油萃取率的影响，结果如图1所示。

图1 萃取温度对花椒油萃取率的影响

由图1可知，花椒油的萃取率随着萃取温度的升高呈先增大后减小的趋势。这是因为温度升高增加了分子的扩散运动，导致花椒油容易被萃取出来，使萃取率增大。但萃取温度过高时，一方面可能发生氧化破坏了花椒油的结构，或者发生聚合导致萃取率下降，另一方面降低了CO2流体的密度，降低了花椒油的溶解效果，因此萃取率下降。当萃取温度为45℃时，花椒油的萃取率最高，为14.5%。综上，适宜的萃取温度为45℃。

2.1.2 萃取压力的影响

固定萃取温度45℃、萃取时间60 min，研究不同萃取压力对花椒油萃取率的影响，结果如图2所示。

图2 萃取压力对花椒油萃取率的影响

由图2可知，花椒油萃取率随萃取压力的增大基本呈上升趋势。这是因为压力升高，增加了花椒油在CO2中的溶解度，使萃取率升高。但萃取压力超过20 MPa后，萃取率不再增加，此时因为花椒中的油脂已经基本萃取完，若继续增加压力，对萃取率基本无影响，同时过高的压力也会增加投资费用，而且实验操作较为危险，此外还有可能萃取花椒中色素等成分[12]。综上，适宜的萃取压力为20 MPa。

2.1.3 萃取时间的影响

固定萃取温度45℃、萃取压力20 MPa，研究不同萃取时间对花椒油萃取率的影响，结果如图3所示。

图3 萃取时间对花椒油萃取率的影响

由图3可知，随着萃取时间的延长，花椒油萃取率呈先增大后略减小的趋势。当萃取时间为90 min时，花椒油萃取基本完全，萃取率达到最大，为15.2%。这是因为若萃取时间较短，花椒中的油脂在CO2中溶解不完全，导致萃取率较小，而萃取时间过长，花椒油容易发生聚合现象，使得萃取率略有降低。综上，适宜的萃取时间为90 min。

2.2 响应面优化实验

在单因素实验基础上，以萃取温度(A)、萃取压力(B)、萃取时间(C)为因素，萃取率(Y)为指标，采用Box-Behnken响应面实验进行优化。响应面实验因素水平见表1，响应面实验设计及结果见表2，方差分析见表3。

表1 响应面实验因素水平

对萃取温度、萃取压力、萃取时间3个因素回归拟合后，所得的回归方程如下。

Y=15.88-1.12A-0.21B-0.11C-0.15AC-0.025BC-0.93A2-1.1B2-0.65C2

表2 响应面实验设计及结果

表3 方差分析

由表3可知，模型的P<0.000 1，极显著，失拟项的P为0.600 2，大于0.05，说明没有失拟因素。根据F可知，影响花椒油萃取率的因素主次顺序依次为萃取温度>萃取压力>萃取时间。

采用响应面软件中的Optimization对影响花椒油萃取率的3个因素进一步进行优化，得到最优的萃取工艺条件为：萃取温度41.97℃，萃取压力19.81 MPa，萃取时间89.53 min。预测花椒油萃取率最大为16.23%。

2.3 验证实验

根据实验实际情况，微调并圆整了最优的萃取条件，在萃取温度42℃、萃取压力19.8 MPa、萃取时间90 min条件下进行3组重复性验证实验，结果见表4。

表4 重复性验证实验结果 %

序号萃取率与预测值相对误差116.10.80215.82.65316.20.18

由表4可知，3组重复性验证实验得到的花椒油平均萃取率为16%，误差均在5%的合理误差范围内，这与响应面预测值吻合度较高，证明响应面分析设计结果是合理可靠的。

3 结 论

在单因素实验基础上，采用响应面法优化得到了花椒油最优的萃取工艺条件为：萃取温度42℃，萃取压力19.8 MPa，萃取时间90 min。在最优条件下，花椒油平均萃取率为16%，与预测值较为吻合，同时证明响应面分析设计结果合理可靠。