八角精油生产工艺响应面优化及其对火锅底料风味的影响

马钤，郭川川

(四川天味食品集团股份有限公司，成都 610200)

八角茴香(Illiciumverum)，俗称八角，是最常用的调味香料之一，其香气浓郁，可以烹调各种美味菜肴[1]。八角干果含有5%～10%的茴香油，其主要特征香气成分是茴香脑[2-3]。八角精油作为食品加工中的调味原料，具有独特的香气和甜味[4]，在肉制品、泡菜、烟草、饮料等食品工业中被广泛使用[5-7]。八角精油运用于食品中除了增香作用外，还具有防腐和抗氧化等作用[8-10]。

目前，精油的提取方法主要有水蒸气蒸馏法、溶剂萃取法、超声波辅助萃取法等[11]，这些传统方法具有费时费力、溶剂残留、提取效率低等缺点。而超临界CO2提取法是一种绿色的工业化生产精油的方法[12]，使用CO2萃取的精油无化学污染并且萃取能力强、操作温度较低，能防止热敏性物质的功能性被破坏[13-14]，但由于其设备昂贵，尚未在八角精油的工业化生产中普遍应用。因此，本试验选取超临界CO2萃取法进行研究，对萃取压力、温度、时间、CO2流量4个因素进行单因素试验研究，并根据单因素试验结果进一步进行了响应面工艺优化，获得八角精油的最佳生产工艺参数，并将最优工艺下生产的八角精油运用于牛油火锅底料中，以期为从事八角精油生产工作的科技人员提供参考借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

新鲜八角：购于广西市藤县古龙镇；3P多功能热泵干燥车间：广东凯能电器科技有限公司；WFJ-60食品香料粉碎机：购于江阴市普友粉体设备有限公司；99.9% CO2：购于成都科源气体有限公司；HA 231-50-25超临界萃取装置：南通华安超临界萃取设备公司。

1.2 试验方法

1.2.1 八角粉制备

将新鲜八角置于多功能热泵干燥车间中，设置温度60 ℃连续干燥，调节水分约至10%。将干燥好的八角用食品干燥粉碎机粉碎，过60目筛，制得的八角粉于常温(25 ℃)干燥储藏室储藏。

1.2.2 萃取工艺单因素试验

称取600 kg粉碎后的八角粉装入萃取罐中，分别设置萃取压力为10，15，20，25，30 MPa，设置固定萃取温度为38 ℃，萃取时间为3 h，萃取流量为12 mL/min，解吸压力为6 MPa，解吸温度为45 ℃，研究萃取压力对精油得率的影响；称取600 kg粉碎后的八角粉装入萃取罐中，设置萃取压力为25 MPa，分别设置萃取温度为30，34，38，42，46 ℃，萃取时间为3 h，萃取流量为12 mL/min，解吸压力为6 MPa，解吸温度为45 ℃，研究萃取温度对精油得率的影响；称取600 kg粉碎后的八角粉装入萃取罐中，设置萃取压力为25 MPa，萃取温度为38 ℃，分别设置萃取时间为1.5，2，2.5，3，3.5 h，萃取流量为12 mL/min，解吸压力为6 MPa，解吸温度为45 ℃，研究萃取时间对精油得率的影响；称取600 g粉碎后的八角粉，装入萃取罐中，设置萃取压力为25 MPa，萃取温度为38 ℃，萃取时间为3 h，萃取流量为8，10，12，14，16 mL/min，解吸压力为6 MPa，解吸温度为45 ℃，研究CO2流量对精油得率的影响。

1.2.3 萃取工艺响应面设计

在单因素试验结果的基础上，采用响应面法优化八角精油的生产工艺。以八角精油的得率为响应值，萃取的压力、温度、时间和CO2流量为自变量，设置1.68，1，0，1，1.68 5个编码水平，通过中心组合旋转设计建立模型。

1.2.4 八角与其精油在牛油火锅底料中的复配

用八角精油来替代原牛油火锅底料中的部分八角，八角和其精油按5∶5复配比例方案进行(5∶5方案是指10份八角原料中用5份原料，剩余的5份萃取成精油，然后全部添加或者只添加其中的1，2，3，4份，具体添加比例根据风味和成本而定)，本次试验另外5份萃取成精油全部加入，运用专业的香精语言对其和原产品进行感官风味分析。

1.2.5 牛油火锅底料的香精语言分析

每块手工牛油老火锅底料(90 g)加700 mL纯水，烹煮10 min后，由受过专业训练的感官评定团队(24人)运用香精语言(见表1)分析精进版本和原产品的风味特征，进行风味比对，并挖掘异同点。

表1 香精语言及其描述Table 1 The essence language and its description

1.2.6 数据处理

单因素分析有3次独立重复，结果进行完全随机设计的方差分析。结果用平均值±标准差表示。响应面分析采用Design Expert V8.0.6数据处理。所有数据采集均使用Microsoft Office Excel 2010和DPS 7.5(数据处理系统)执行平均差异在P<0.05水平被认为是显著的。

2 结果与讨论

2.1 萃取压力对八角精油得率的影响

CO2超临界萃取压力对八角精油得率的影响见图1。

图1 萃取压力对精油得率的影响Fig.1 Effect of extraction pressure on the yield of essential oil

由图1可知，随着萃取压力的上升，八角精油得率总体呈先上升后趋于平缓增加的趋势。当萃取压力由10 MPa上升到25 MPa时，八角精油的得率显著增加(P<0.05)，且萃取压力为20～25 MPa，精油得率的增长率高于10～20 MPa；当萃取压力由25 MPa上升到30 MPa时，呈缓慢增加趋势，但不显著(P>0.05)。

压力是影响CO2超临界萃取的关键因素之一。随着超临界流体压力的增加，不同化合物的溶解度普遍急剧增加。特别是在临界压力附近，各种化合物的溶解度参数的增加值可达到两个数量级以上。研究发现超临界的溶解能力与压力的关系可用超临界流体的密度表示，其溶解能力一般随着密度的增加而增加。在临界点附近，压力对密度的影响特别明显，流体的密度随压力的增加而迅速提高，溶解度增加效应越大。超过此范围则压力对密度增加的影响变小，溶解度增加效应也趋于缓慢。当底物和其他因素一定时，随着压力的进一步增大，精油得率不再增加，考虑设备的承受能力和成本效益，有必要对萃取压力进行进一步优化。

2.2 萃取温度对八角精油得率的影响

CO2超临界萃取温度对八角精油得率的影响见图2。

图2 萃取温度对精油得率的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of essential oil

由图2可知，随着萃取温度的增加，八角精油得率总体呈先上升后下降的趋势。当萃取温度由30 ℃上升到38 ℃时，八角精油得率显著增加(P<0.05)，且萃取温度由34 ℃增长至38 ℃时，精油得率的增长率高于30～34 ℃；当萃取温度由38 ℃上升到46 ℃时，八角精油得率连续显著降低(P<0.05)，且萃取温度由38 ℃增长42 ℃时的精油得率下降率高于42～46 ℃。

温度对超临界萃取的影响比压力更为复杂，主要包含两个方面：温度对超临界流体密度的影响和温度对物质蒸汽压的影响。一般来说，随着温度的升高，密度降低，使物质在超临界CO2流体中的溶解度下降。而温度对物质蒸汽压也有一定的影响，随着温度的升高，物质的蒸汽压增大，使物质的溶解度增大，这两个相反的影响导致在一定压力下等压溶解度的最低点。在最低温度以下，前者占优势，溶解度呈下降趋势;在最低温度以上，后者占优势，溶解度呈上升趋势。

2.3 萃取时间对八角精油得率的影响

CO2超临界萃取时间对八角精油得率的影响见图3。

图3 萃取时间对精油得率的影响Fig.3 Effect of extraction time on the yield of essential oil

由图3可知，随着萃取时间的增加，八角精油得率总体呈先上升后趋于平缓增加的趋势。当萃取时间由1.5 h上升至3.0 h时，八角精油得率显著增加(P<0.05)；当萃取时间由3 h上升到3.5 h时，不再有显著变化(P>0.05)。

萃取时间对萃取率的影响可以从底物的量与萃取时间的关系来考虑。在萃取底物及其他因素一定时，八角精油的最大萃取量是一定的。随着萃取时间的延长萃取率相应增加，但增加的曲线斜率逐渐减小，最后趋近于平缓，所以一般萃取时间控制在内。

2.4 CO2流量对八角精油得率的影响

CO2超临界萃取流量对八角精油得率的影响见图4。

图4 CO2流量对精油得率的影响Fig.4 Effect of CO2 flow rate on the yield of essential oil

由图4可知，随着萃取流量的增加，八角精油得率总体呈先上升后趋于平稳的趋势。当萃取流量由8 mL/min上升到12 mL/min时，八角精油得率显著增加(P<0.05)，且萃取流量由8 mL/min增长到10 mL/min时，精油得率的增长率高于10～12 mL/min；当萃取流量由12 mL/min上升到14 mL/min时，八角精油得率无显著性变化(P>0.05)。

流量是萃取过程中的一个经济型指标，也是影响得率的重要因素之一。流量的变化对萃取率的影响应从两个方面考虑：流量对传质速率的影响和流量对萃取时间的影响。流量的增加导致萃取器内流速增加，萃取时间减少，不利于萃取；随着流量的增加，与物质间的传质速率提高，从而使萃取速率增大。

2.5 响应面优化

2.5.1 响应面试验方案及结果

为了进一步优化CO2超临界萃取生产八角精油的生产工艺，根据单因素试验结果，分别选择萃取压力20～30 MPa、温度34～42 ℃、时间2.5～3.8 h、流量10～14 mL/min为优化区间，编码水平为-1.68，-1.00，0.00，+1.00，+1.68，采用7个中心旋转设计了21组响应面优化工艺试验，响应面试验因素及水平见表2，方案及结果见3。

表2 响应面试验因素及水平Table 2 The factors and levels of response surface test

表3 响应面试验方案及结果Table 3 Response surface test scheme and results

2.5.2 显著性及方差分析

CO2超临界萃取八角精油响应面优化生产工艺的显著性及方差分析结果见表4，优化模型见式(1)。

表4 显著性及方差分析Table 4 The significance and variance analysis

R =-95.8963+0.7488A+5.4809B+6.8735C-3.8795D+0.0245AB-0.0095AC+0.0324AD+0.0231BC+0.1335BD+0.0188CD-0.0346A2-0.1012B2-1.1313C2-0.0733D2。

式(1)

由表4可知，优化模型的P<0.05，F值=53.6517>0.05，说明所用的模型有统计学意义；失拟项的P值=0.0878>0.05，F值=4.7499>0.05说明所用模型具有可靠性。模型中因素A，B，C，D分别为P(A)<0.0001，P(B)=0.0561，P(C)=0.0012，P(D)=0.0035，由此可以看出，P(A)D>C。但交互项中P(AB)、P(BD)<0.05，二次项P(B2)<0.05对八角精油得率有显著影响，因此因素B也是不可忽略的重要因素。

2.5.3 最优工艺及验证

超临界CO2萃取八角精油得率的变化可以在响应面上反映，见图5。

图5 八角精油得率的响应面优化Fig.5 Response surface optimization of the yield of star anise essential oil

八角精油得率的变化随着萃取压力和萃取温度的变化而变化(见图5中A)，萃取压力和萃取时间(见图5中B)、萃取压力和CO2流量(见图5中C)、萃取温度和萃取时间(见图5中D)、萃取温度和CO2流量(见图5中E)、萃取时间和CO2流量(见图5中F)也有相应的变化趋势。八角精油最大得率出现在图5中的以下条件中：图5中A的萃取压力和萃取温度分别为28 MPa和38 ℃，图5中B的萃取压力和萃取时间分别为28 MPa和3 h，图5中C的萃取压力和CO2流量分别为28 MPa和13 mL/min，图5中D的萃取温度和萃取时间分别为38 ℃和3 h，图5中E的萃取温度和CO2流量分别为38 ℃和13 mL/min，图5中F的萃取时间和CO2流量分别为3 h和13 mL/min。

对八角精油响应面试验结果进行最优拟合分析，并对模型预测的最优工艺进行了验证，结果见表5。以R的最大值为优化目标，在A，B，C和D选择的工艺范围内进行了最优响应面拟合。最佳工艺条件为：当A，B，C和D分别为29.27 MPa、37.56 ℃、3.41 h和13.84 mL/min时，R1最大为14.46%。

表5 响应面最优拟合及结果验证Table 5 The optimal fitting of response surface and result verification

对模型预测的最优工艺进行了验证，结果显示：在模型预测的最优工艺条件下，试验所得R实际值为14.13%，与预测值的相对误差为-2.3%(<5%)，表明预测结果是可靠的。

2.6 八角精油对牛油火锅底料风味的影响

牛油火锅底料在原配方的基础上使用八角精油改进后，整体风味方向和标准样基本保持一致，但在牛脂、木香、酱香、花香等方面略有变化，见图6。

图6 八角精油对牛油火锅底料风味的影响Fig.6 Effect of star anise essential oil on the flavor of butter hotpot seasoning

由图6可知，煮沸10 min后，测试样和标准样的风味比对，整体酱香有所上升；整体油香上升；八角的风味强度有所上升，木香明显上升，但果香、花香下降比较明显；整体的厚实感均略有所下降。

3 结论

以单因素的方式分析了萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流量对超临界CO2萃取八角精油得率的影响。在此基础上，利用响应面法对超临界CO2萃取八角精油的生产工艺进行了优化，结果表明：当萃取压力为29.27 MPa，提取温度为37.56 ℃，萃取时间为3.41 h，CO2流量为13.84 mL/min时，八角精油最大得率为14.46%，试验验证所得实际值为14.13%，与预测值的相对误差为-2.3%(<5%)。八角与其萃取的精油可以复配使用，使用后整体风味保持一致，但在牛脂、木香、酱香、花香等方面略有变化，在实际生产中可以根据风味和成本确定具体复配比例。