八角茴香精油的超临界萃取工艺研究

李 祯，侯党社，张 娟，任小赛

（咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000）

八角茴香，亦称八角，是一种最为常用的调味料，为常绿乔木，主要分布在中国广西西部和南部，广东、云南等省也有种植［1］。八角茴香是一种药食同源的珍贵经济树种［2-5］，不仅可用于食品调味、保鲜［6-9］，还是一种常用的中药，性温，味辛，归肝、肾、脾、胃经，主治寒疝腹痛、胃寒呕吐、脘腹疼痛、寒湿脚气等［10-12］。八角茴香精油是从八角茴香果实中提取的一种天然香料油，既保留了八角茴香的功效，又便于储存和运输［13］。

八角茴香精油的提取方法主要集中在水蒸气蒸馏、有机溶剂萃取、超声波提取等［14-16］，但都具有一定的局限性。而随着绿色提取技术的发展，越来越多的提取方法被应用于天然产物的提取，超临界萃取技术萃取条件温和，萃取温度、萃取压力较低，能够防止精油中的热敏性物质分解，萃取产品中无溶剂残留、产品品质较高且安全，可实现连续性生产［17-20］。本研究采用响应曲面法设计试验，以八角茴香精油的收率为优化指标，考察萃取温度、萃取压力、萃取时间对八角茴香精油收率的影响，获取最优工艺条件，以期为八角茴香精油的工业化生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

主要材料：八角茴香果实，购于市场；CO2气体，纯度99.99%，食品级，西安亚太液化气有限公司。

主要仪器：HA221-50-06型超临界萃取设备，江苏华安超临界设备公司；BS-124-S型电子分析天平，赛多利斯科学仪器有限公司；DZF-6020型干燥箱，上海一恒科技有限公司；WFC-210型粉碎机，北京维博创机械设备有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品预处理 选取优质八角茴香果实，洗净，低温烘干24 h，粉碎，筛分，留取40目颗粒置于干燥器中待用。

1.2.2 萃取试验 称量100 g八角茴香粉末置于料筒，安装密封，保证气密性。安装完成后开启水浴加热，高压泵对CO2气体加压，换热器对CO2气体加热之后进入萃取釜，待釜内CO2气体温度压力达到试验条件后，开始试验。开启萃取釜出口阀门，经过一级、二级分离釜进行减压分离，在出口处分别收集产品，试验过程连续萃取，待达到萃取时间，关闭阀门停止萃取并收集称量产品。八角茴香精油的收率（Y）用式（1）进行计算：

考察CO2流体超临界状态下各因素对八角茴香精油收率的影响，选取影响较显著的3个因素作为响应曲面分析的3因素，利用Design Expert软件设计试验，进行分析，获取最优萃取工艺条件。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 萃取温度对八角茴香精油收率的影响 试验条件为萃取压力20 MPa，萃取时间80 min，CO2流量为25 L/h，萃取温度分别设定为30、35、40、45、50℃，考察萃取温度对八角茴香精油收率的影响，试验结果如图1所示。由图1可知，萃取温度逐渐升高有利于提高精油收率。起始温度为30℃时收率较低，是由于温度未达到CO2的超临界温度，流体的传质能力较差，收率较低。而温度持续升高精油收率逐渐降低，这主要是因为温度升高，超临界CO2的密度降低，致使超临界CO2流体的溶剂化效应下降，溶解度降低，八角茴香精油收率降低。因此，需综合考察溶质传质能力及溶剂化效应对精油收率的影响，由试验结果可知，萃取温度选取35℃为宜。

图1 萃取温度对八角茴香精油收率的影响

2.1.2 萃取压力对八角茴香精油收率的影响 试验条件为萃取温度35℃，萃取时间80 min，CO2流量为25 L/h，萃取压力分别设定为8、10、15、20、25 MPa，考察萃取压力对八角茴香精油收率的影响，试验结果如图2所示。由图2可知，萃取压力的升高有利于提高精油收率。起始压力为8 MPa时，精油收率最低，这是由于压力较小，超临界CO2密度较小，传质速率较低，因此收率较低；而随着压力的升高，超临界CO2的密度升高，分子间传质距离缩短，溶质传质速率增大，从而使精油溶解度增加；但压力持续升高，精油收率增加幅度大大降低，这是因为压力增大，超临界CO2黏度增加，传质速率下降，导致溶解度降低。因此，综合考虑操作难度、设备投资费用及安全性，萃取压力选取15 MPa为宜。

图2 萃取压力对八角茴香精油收率的影响

2.1.3 萃取时间对八角茴香精油收率的影响 试验条件为萃取温度35℃，萃取压力15 MPa，CO2流量为25 L/h，萃取时间分别设定为40、60、80、100、120 min，考察萃取时间对八角茴香精油收率的影响，试验结果如图3所示。由图3可知，萃取时间的延长有利于提高精油收率。起始萃取时间为40 min，时间延长，八角茴香精油的收率呈现大幅上升后逐渐趋于平缓。这主要是由于试验刚刚开始，精油还未充分溶解在超临界CO2中，因此起始收率较低；随着萃取时间的延长，精油逐渐释放并充分溶解，达到溶解平衡，因此收率曲线逐渐趋于平缓，而继续延长萃取时间，精油收率基本保持不变。因此，萃取时间选取80 min为宜。

图3 萃取时间对八角茴香精油收率的影响

2.2 响应面法优化试验

2.2.1 响应面法试验结果 综合分析单因素试验结果，以萃取温度、萃取压力及萃取时间作为优化超临界CO2中萃取八角茴香精油的主要因素，各因素与水平见表1所示。并以八角茴香精油收率作为优化指标，利用响应面法进行优化，结果如表2所示。

表1 响应面法试验因素及水平

表2 响应面法试验设计及试验数据

2.2.2 响应面分析 采用Design Expert.11软件对表2中15组试验数据进行分析，结果如表3所示，所得回归方程为：

由表3中方差分析结果可知，模型P=0.000 3＜0.01，为显著，说明该模型具有统计学意义；失拟项P=0.164 2＞0.05，为不显著，说明该模型与试验结果拟合程度较好，差异较小，无失拟因素；相关系数R2=0.988 4，说明该模型只有1.16%的变异不能用该模型解释。校正决定系数R2adj=0.967 7＞0.80，进一步证明该模型与试验结果拟合程度较好，可用于对超临界CO2流体萃取八角茴香精油的工艺进行初步分析及预测。综合分析表中，萃取温度、萃取压力、萃取时间三因素的F与P大小可得，三因素对八角茴香精油收率的影响效应顺序为萃取温度＞萃取压力＞萃取时间。

表3 响应面法试验各因素方差分析

三因素交互作用对八角茴香精油收率的影响效应如图4所示。由图4中三因素交互作用响应曲面图、等高线图及表3中方差分析数据，综合分析可知，萃取温度和萃取压力、萃取温度和萃取时间交互作用对精油收率的影响等高线接近圆形，交互作用影响效应较弱。萃取压力和萃取时间等高线呈椭圆形较扁，说明萃取压力和萃取时间交互作用对精油收率的影响较大。表3中AB、AC、BC三项的F也可反映出交互作用对精油收率的影响效应，F越大，交互作用影响效应越强，交互作用对八角茴香精油收率的影响效应顺序为BC＞AB＞AC。

图4 三因素交互作用对八角茴香精油收率的影响

经上述试验分析，确定八角茴香精油的最优萃取工艺为萃取温度37.1℃，萃取压力17.4 MPa，萃取时间96.7 min，预测精油收率9.16%。结合实际对操作条件进行圆整：萃取温度为37℃，萃取压力为17 MPa，萃取时间为95 min。

2.2.3 工艺验证 试验条件为萃取温度37℃，萃取压力17 MPa，CO2流量25 L/h，萃取时间95 min时进行3次验证试验，所得八角茴香精油平均收率为9.1%，与响应面分析结果基本吻合，说明此方法可用于进行超临界CO2萃取八角茴香精油的工艺研究，优化所得工艺条件可靠。

3 结论

本研究通过单因素试验考察萃取温度、萃取压力、萃取时间对超临界CO2萃取八角茴香精油收率的影响，并通过响应面分析确定萃取最优工艺条件为萃取温度37℃，萃取压力17 MPa，CO2流量为25 L/h，萃取时间95 min，平均收率为9.1%。利用响应面分析可有效降低试验次数，降低试验成本，并准确预估交互作用对精油收率的影响效应，数据结果可靠，具备参考价值，可为后续进一步研究及扩大规模进行工业化生产提供基础数据。