响应面法优化超声辅助水蒸气蒸馏法提取玫瑰精油的工艺研究

安比芳 陈创业 乔桂芳 陶永霞 刘天志

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.03.020

引文格式：安比芳，陈创业，乔桂芳，等.响应面法优化超声辅助水蒸气蒸馏法提取玫瑰精油的工艺研究[J].中国调味品，2024，49（3）：118-124.

AN B F， CHEN C Y， QIAO G F， et al.Optimization of extraction process of rose essential oil by ultrasonic-assisted steam distillation method using response surface methodology[J].China Condiment，2024，49（3）：118-124.

摘要：为提高玫瑰精油的出油率，优化实际应用中水蒸气蒸馏法从玫瑰花中提取精油的工艺，试验采用超声辅助水蒸气蒸馏法从新疆大马士革鲜玫瑰中提取精油。基于单因素试验，采用Box-Behnken中心组合试验设计原理，以料液比、蒸馏时间、超声时间、超声功率作为响应因素，玫瑰精油得率作为响应值，对超声辅助水蒸气蒸馏法提取玫瑰精油的工艺进行了优化。结果表明，最佳精油提取工艺条件：采用超声辅助水蒸气蒸馏法用水蒸气蒸馏提取裝置对鲜玫瑰样品进行加热冷凝回流提取精油，待水沸腾时开始计时，在料液比1∶4 （g/mL）、蒸馏时间4 h、超声时间25 min、超声功率200 W时，玫瑰精油得率达到0.080 2%。在该工艺条件下提取的玫瑰精油呈淡黄色，香气纯正，令人愉悦，该研究结果可为玫瑰精油的提取奠定技术基础。

关键词：大马士革玫瑰；超声辅助；水蒸气蒸馏法；精油；响应面法；工艺优化

中图分类号：TS324.4      文献标志码：A      文章编号：1000-9973（2024）03-0118-07

Optimization of Extraction Process of Rose Essential Oil by Ultrasonic-Assisted

Steam Distillation Method Using Response Surface Methodology

AN Bi-fang1， CHEN Chuang-ye1， QIAO Gui-fang1， TAO Yong-xia1*， LIU Tian-zhi2

（1.College of Food Science and Pharmacy， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052，

China； 2.Xinjiang Hotan Sunshine Desert Rose Co.， Ltd.， Hotan 848000， China）

Abstract： In order to improve the oil yield of rose essential oil and optimize the process of extracting essential oil from rose using steam distillation method in practical application， ultrasonic-assisted steam distillation method is used to extract essential oil from fresh Rosa damascena Mill. in Xinjiang. Based on single factor test， Box-Behnken central combination test design principle is used， with solid-liquid ratio， distillation time， ultrasonic time and ultrasonic power as the response factors and the yield of rose essential oil as the response value， the extraction process of essential oil from rose by ultrasonic-assisted steam distillation method is optimized. The results show that the best process conditions for the extraction of essential oil are as follows： the ultrasonic-assisted steam distillation method is used to heat， condense and reflux fresh rose samples using steam distillation extraction device for extracting essential oil. The time is counted when the water boiles. The yield of rose essential oil reaches 0.080 2% when the solid-liquid ratio is 1∶4 （g/mL）， the distillation time is 4 h， the ultrasonic time is 25 min and the ultrasonic power is 200 W. The rose essential oil extracted under these process conditions is light yellow in color with pure and pleasant aroma. The results of this study can lay a technical foundation for the extraction of rose essential oil.

Key words： Rosa damascena Mill.; ultrasonic-assisted; steam distillation method; essential oil;response surface methodology; process optimization

收稿日期：2023-09-16

基金项目：新疆维吾尔自治区重点研发专项（2522HXKT1）

作者简介：安比芳（1994—），女，硕士，研究方向：香气成分检测与农产品加工。

*通信作者：陶永霞（1979—），女，副教授，硕士，研究方向：食品营养与活性物质。

大马士革玫瑰是蔷薇科、蔷薇属，集观赏和药食两用为一体的落叶直立丛生灌木，在伊朗、保加利亚、土耳其、法国、摩洛哥等地区被大面积种植，中国在20世纪80年代引种大马士革玫瑰，栽培历史悠久[1]。目前在甘肃、山东、川南、新疆等地大面积种植[2]。玫瑰花含有丰富的活性物质，如多酚、黄酮、多糖、蛋白质、花青素和花色苷等，同时还含有人体需要的18种氨基酸及微量元素。玫瑰精油是从鲜玫瑰的花朵中提取出来的芳香性油状液体，由于其得率低且价格昂貴，“液体黄金”成为玫瑰精油的代名词[3]。玫瑰精油中含有多种香气成分，如香茅醇、香叶醇、β-石竹烯等，是高级香水、香料中的重要原料之一，因此被广泛应用于食品、化妆品、烟草以及饲料产品的研发利用中[4-6]。它具有抗氧化、抗焦虑、抑菌、美容护肤、抗癌等功效[7-13]。

目前，精油成熟的提取方法包括水蒸气蒸馏[14-15]、有机溶剂萃取[16]、超临界CO2萃取[17]、高压脉冲电场结合水蒸气蒸馏[18]等。李琴等[19]采用超声波协同水蒸气蒸馏法提取茴香精油，马擎等[20]采用超声辅助水蒸气蒸馏法提取柠檬精油，丁华等[21]采用超声辅助提取香茅精油，李文英等[22]、孙凤蕊[23]采用响应面法分别优化超声辅助从枇杷花、肉桂中提取精油。但是采用超声辅助水蒸气蒸馏法提取玫瑰精油的研究鲜少见到。因此，本文将利用超声辅助水蒸气蒸馏技术，研究不同的料液比、蒸馏时间、超声时间和超声功率对大马士革玫瑰精油得率的影响，结合响应面法优化工艺参数，并与未超声条件下提取的大马士革玫瑰精油得率作对比，以期为提高大马士革玫瑰精油提取工艺提供基础及理论依据。

1  材料和方法

1.1  试验材料

大马士革鲜玫瑰花：新疆和田瑰觅玫瑰有限公司；蒸馏水：新疆农业大学实验室；精油分装瓶：网购。

1.2  试剂

15%氯化钠（分析纯）：新疆盐湖制盐有限责任公司。

1.3  主要仪器与设备

DLSB-5/20低温冷却液循环泵  郑州长城科工贸有限公司；XMP-10H超声波清洗仪  小美超声仪器（昆山）有限公司；SXKW数控电热套  北京市永光明医疗仪器有限公司；JSB30-1电子计重称  上海浦春计量仪器有限公司；挥发油测定器  天长市华唐实验设备科技有限公司；三口圆底烧瓶、空心塞、冷凝管  鼎盛化玻仪器有限公司。

1.4  试验方法

1.4.1  精油得率计算方法

玫瑰精油得率（%）=mM×100%。

式中：m为玫瑰精油质量，g;M为新鲜玫瑰花质量，g。

1.4.2  单因素试验

1.4.2.1  料液比对玫瑰精油得率的影响

称取500 g新疆大马士革玫瑰置于5 000 mL三口圆底烧瓶中，加入15%的氯化钠，料液比分别为1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6，超声功率200 W，超声时间25 min，蒸馏时间4 h，考察料液比对玫瑰精油得率的影响，试验重复3次，结果取平均值。

1.4.2.2  蒸馏时间对玫瑰精油得率的影响

称取500 g新疆大马士革玫瑰置于5 000 mL三口圆底烧瓶中，加入15%的氯化钠，料液比1∶4，超声功率200 W，超声时间25 min，分别蒸馏2，3，4，5，6 h，考察蒸馏时间对玫瑰精油得率的影响，试验重复3次，结果取平均值。

1.4.2.3  超声时间对玫瑰精油得率的影响

称取500 g新疆大马士革玫瑰置于5 000 mL三口圆底烧瓶中，加入15%的氯化钠，料液比1∶4，超声功率200 W，超声时间分别为15，20，25，30，35 min，蒸馏时间4 h，考察超声时间对玫瑰精油得率的影响，试验重复3次，结果取平均值。

1.4.2.4  超声功率对玫瑰精油得率的影响

称取500 g新疆大马士革玫瑰置于5 000 mL三口圆底烧瓶中，加入15%的氯化钠，料液比1∶4，超声功率分别为160，180，200，220，240 W，超声时间25 min，蒸馏时间4 h，考察超声功率对玫瑰精油得率的影响，试验重复3次，结果取平均值。

1.4.3  响应面优化试验

参照邵良伟等的方法[24-27]，稍作修改。依据Box-Benhnken中心组合设计原理，通过单因素试验，以料液比、蒸馏时间、超声时间、超声功率作为自变量，大马士革玫瑰精油得率作为因变量，对试验因素进行响应面分析，试验因素水平见表1。

1.4.4  对比试验

为了确定超声辅助水蒸气蒸馏法能够提高玫瑰精油的得率，在筛选出的条件下，称取500 g新疆大马士革鲜玫瑰花，加入15%的氯化钠，料液比为1∶4，蒸馏4 h，不采用超声条件通过水蒸气蒸馏法从新疆大马士革玫瑰中提取精油，试验重复3 次，并计算精油得率，结果取平均值，以验证超声辅助能够提高大马士革玫瑰精油得率的结论。

1.4.5  数据处理

试验重复进行3次。使用Excel和SPSS 26软件进行数据的整理和分析，使用Origin 2022和Design-Expert 13软件进行绘图。

2  结果及分析

2.1  单因素试验结果分析

2.1.1  料液比对大马士革玫瑰精油得率的影响

由图1可知，料液比直接影响玫瑰精油的得率。当料液比为1∶2时，精油得率为0.030 3%，这是由于料液比过小，物料与水蒸气接触不完全，挥发性成分不易溶出，进而导致玫瑰精油得率低；随着料液比的增加，在一定程度上提高了精油得率，物料与溶液渗透体系浓度差变大，挥发性成分溶出速度加快，大马士革玫瑰精油的得率逐渐提高，当料液比控制在1∶4时，玫瑰精油得率达到0.074 6%；料液比过大时，蒸馏水会导致精油溶解，精油损失变大，导致玫瑰精油得率显著降低。选定蒸馏时间为4 h、超声功率为200 W、超声时间为25 min，研究料液比对新疆大马士革玫瑰精油得率的影响，当料液比为1∶4时新疆大马士革玫瑰精油得率最高。

2.1.2  蒸馏时间对大马士革玫瑰精油得率的影响

由图2可知，蒸馏时间也是影响玫瑰精油得率的主要因素，随着蒸馏时间的增加，玫瑰精油的得率不断增加。当蒸馏时间为2 h时，玫瑰精油的得率为0.027 2%，这是由于蒸馏时间过短，水蒸气不能充分将玫瑰中的挥发性成分带出而导致精油得率降低；当蒸馏时间为4 h时，玫瑰精油得率为0.084 1%，达到最高。但当蒸馏时间为5，6 h时，玫瑰中挥发性成分的溶出达到了临界值，玫瑰精油的得率趋于稳定的状态，选定料液比为1∶4、超声功率为200 W、超声时间为25 min，研究蒸馏时间对新疆大马士革玫瑰精油得率的影响，提取新疆大马士革玫瑰精油的最佳蒸馏时间为4 h。

2.1.3  超声时间对大马士革玫瑰精油得率的影响

由图3可知，超声技术是利用超强的穿透力击碎细胞，从而加速有效成分进入溶剂，促进提取。目前，通过超声辅助水蒸气蒸馏法提取玫瑰精油的方法鲜少见到，本研究发现，随着超声时间的增加，玫瑰精油的得率不断提高，但超声时间过长反而会导致精油的得率下降。当超声时间为15 min时，玫瑰精油得率为0.061 3%，可能是由于玫瑰的细胞组织没有被完全击破，挥发性成分未能完全溶出；当超声时间为25 min时，玫瑰精油得率达到最高，为0.087 2%，此时挥发性成分进入溶剂，被水蒸气带出，促进挥发性成分的提取；当超声时间超过25 min时，玫瑰精油得率逐渐下降，这是由于超声时间过长，玫瑰细胞壁破裂，有大量杂质溢出，部分挥发性成分被杂质带走，导致玫瑰精油得率下降。选定料液比为1∶4、蒸馏时间为4 h、超声功率为200 W，研究超声时间对新疆大马士革玫瑰精油得率的影响，超声时间为25 min时玫瑰精油得率最高。

2.1.4  超声功率对大马士革玫瑰精油得率的影响

由图4可知，随着超声波功率逐渐增强，精油得率明显增加。当超声功率小于200 W时，超声波在一定程度上对细胞壁的破裂以及精油的提取起到促进作用，使分子的扩散速度随着超声功率的增大而加快[28]，玫瑰精油的得率增加。当超声功率大于200 W時会明显降低溶剂对玫瑰组织内部的渗透程度，因其超声波的热量会导致新疆大马士革玫瑰精油挥发，从而降低了玫瑰精油的得率。选定料液比为1∶4、蒸馏时间为4 h、超声时间为25 min，研究超声功率对新疆大马士革玫瑰精油得率的影响，最适宜的超声功率为200 W。

2.2  响应面法优化试验

2.2.1  响应面试验设计与结果

以单因素试验为基础，新疆大马士革玫瑰精油得率为指标，采用Design-Expert 8.0.6软件进行Box-Behnken试验设计，确定玫瑰精油提取最佳工艺参数，试验设计及结果见表2。

2.2.2  响应面结果分析

对表2中的试验数据进行二次多项回归拟合，得到大马士革玫瑰精油得率（Y）对料液比（A）、蒸馏时间（B）、超声时间（C）、超声功率（D）的多元回归方程为Y=0.081 2+0.003 0A+0.003 9B+0.003 5C+0.002 0D－0.001 0AB－0.002 0AC－0.002 5AD－0.001 9BC－0.002 2BD－0.002 2CD－0.004 7A2－0.006 2B2－0.004 7C2－0.004 1D2。该回归模型的方差分析结果见表3。

由表3可知，大马士革玫瑰精油得率回归模型的P<0.000 1＜0.01，表现为极显著，而失拟项的P=0.625 4>0.05，表现为不显著，可见该模型可靠，试验进行过程中干扰因素对试验结果的影响较小。另外，该回归模型的R2=0.979 2，RAdj2=0.958 5，说明该模型的拟合程度较好。综上所述，本试验设计的模型可以用来分析提取大马士革玫瑰精油时响应值和因素值之间的关系及变化情况，并对工艺进行优化。由表3中的F值可知，4个因素对精油得率的影响次序为B（蒸馏时间）>C（超声时间）>A（料液比）>D（超声功率）。在模型中，一次项A、B、C、D和二次项A2、B2、C2、D2均有极显著性（P<0.01），说明各自变量与因变量间具有良好的线性关系，而在对综合玫瑰精油得率的交互中，发现AB之间交互作用不显著（P>0.05），AC、AD、BC、BD、CD之间交互作用极显著（P<0.01）。由于AC、AD、BC、BD、CD这5组因素之间存在明显的交互作用，所以对这5组因素进行响应面分析，研究各因素之间的详细交互规律，响应面回归模型分析得到的响应曲面图和等高线图见图5～图9。

由图5～图9可知，在相应的试验范围内，4个响应因素都具有响应极值，并且5组因素间的交互作用结果与方差分析结果一致。在对各响应因素的交互作用对综合得分影响的响应面及等高线进行分析的基础上，与软件计算回归模型相结合可以预测出当料液比（A）为1∶4 （g/mL）、蒸馏时间（B）为4.25 h、超声时间（C）为25.15 min、超声功率（D）为199.88 W时，大马士革玫瑰精油得率可达到0.080 0%。

2.3  最佳工艺条件试验验证

为检验回归模型的预测值与试验实际值之间的可信度，以新疆大马士革玫瑰精油得率最大值对提取条件参数进行了验证。考虑到生产实际条件和试验的可操作性，将各提取条件的值分别选定为料液比1∶4 （g/mL）、超声功率200 W、超声25 min后蒸馏4 h提取新疆大马士革玫瑰精油，保持试验条件不变，重复3次平行验证试验，得出大马士革玫瑰精油得率的平均值为0.080 2%，此条件下的实际值和回归模型中大马士革玫瑰精油得率的预测值0.080 0%仅相差0.000 2%。因此，通过模糊数学评定和响应面法对最佳工艺参数进行优化，得到的提取新疆大马士革玫瑰精油最优工艺条件下的回归模型和实际试验相符，对今后采用超声辅助水蒸气蒸馏法提取玫瑰精油的工艺参数选择具有一定指导意义。

2.4  对比试验结果

由表4可知，未超声水蒸气提取的大马士革玫瑰精油得率为0.061 0%，超声辅助水蒸气蒸馏法提取的新疆大马士革玫瑰精油得率为0.080 2%，由此可知，适宜的超声条件能够提高新疆大马士革玫瑰精油的得率，超声后的精油得率在未超声的基础上增加了0.019 2%，本试验与付晓等[29]研究的利用超声辅助法提取硬尖神香草精油，陈长锴等[30]利用超声辅助蒸馏法从胡椒叶中提取精油的结论一致，都达到了提高玫瑰精油得率的目的，进而验证超声辅助水蒸气蒸馏法提取玫瑰精油得率的方法可行，且得到的玫瑰精油呈淡黄色，玫瑰香气浓郁、纯正。

3  结论

通过单因素试验并结合响应面优化法对新疆大马士革玫瑰精油得率进行计算，以玫瑰精油得率为响应值进行响应面优化试验，试验结果表明，料液比、蒸馏时间、超声时间、超声功率对新疆大马士革玫瑰精油的得率均有极显著的影响，并且影响的主次顺序为蒸馏时间（B）>超声时间（C）>料液比（A）>超聲功率（D），同时，AC、AD、BC、BD、CD这5组因素间交互作用极显著。得出提取新疆大马士革玫瑰精油得率最优的条件是料液比1∶4 （g/mL）、蒸馏时间4 h、超声时间25 min、超声功率200 W，在此条件下提取的玫瑰精油得率的平均值为0.080 2%，结果表明，本试验建立的回归模型与试验结果具有较好的一致性，因此该回归模型可以作为预测设定试验因素条件下的大马士革玫瑰精油得率的工艺参数响应值。对比试验结果也表明，超声辅助水蒸气蒸馏法能够在未超声辅助的基础上提高玫瑰精油的得率。如今随着社会群体生活质量的提升，人们对香气成分产品的需求愈加迫切，但纯天然的精油价格昂贵而导致精油产品的价格让人望而却步，因此在确保精油品质的同时提高精油得率、降低产品价格成为目前急需解决的问题，该试验对这一热点话题进行研究，发现研究结果可靠，该方法能够达到提高玫瑰精油得率的目的，且提取得到的大马士革玫瑰精油呈淡黄色，澄清透明，香气纯正，无异味，故该研究可以为工业化生产提取大马士革玫瑰精油和其他相关的植物精油提供参数借鉴。

参考文献：

[1]苏铁，林智熠，侯政杰，等.木本植物精油研究进展[J].世界林业研究，2021，34（4）：61-66.

[2]姜楠南，张玉，房义福，等.玫瑰种质资源与综合利用研究进展[J].山东林业科技，2016，46（6）：105-108.

[3]张瑞，唐四叶.玫瑰精油的提取方法及研究现状[J].轻工科技，2020，36（10）：30-31，45.

[4]邓永飞，何惠欢，马瑞佳，等.植物精油在食品行业中的应用[J].中国调味品，2020，45（6）：181-184，200.

[5]吕凤.植物精油在化妆品中的功效应用[N].中国医药报，2021-12-14（7）.

[6]张勇，龚盛昭，徐梦漪.化妆品中精油及其载运系统应用研究进展[J].香料香精化妆品，2021（5）：103-109.

[7]BARATTA M T， DORMAN H， DEANS S G， et al. Antimicrobial and antioxidant properties of some commercial essential oils[J].Flavour & Fragrance Journal，2015，13（4）：235-244.

[8]EL-GARAWANI I， NABI S E， NAFIE E， et al. Foeniculum vulgare and Pelargonium graveolens essential oil mixture triggers the cell cycle arrest and apoptosis in MCF-7 cells[J].Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry，2019，19（9）：1103-1113.

[9]姚光明.玫瑰精油的高效提取与抗氧化性及微胶囊化研究[D].长春：吉林大学，2016.

[10]WANG H H， LIU Y， CAI K， et al. Antibacterial polysaccharide-based hydrogel dressing containing plant essential oil for burn wound healing[J].Burns Trauma，2021，9：41.

[11]FENG K L. Dietary citrus peel essential oil ameliorates hypercholesterolemia and hepatic steatosis by modulating lipid and cholesterol homeostasis[J].Food & Function，2020，11（8）：7217-7230.

[12]丁鸣，马晓红，张楠，等.2种玫瑰精油对小鼠的抗焦虑作用[J].上海交通大学学报（农业科学版），2019，37（6）：25-29.

[13]刘薇.牡丹花精油在化妆品中的应用研究进展[J].中国洗涤用品工业，2021（9）：92-97.

[14]严汉彬，韩珍，徐艳，等.水蒸气蒸馏法提取山苍子精油的工艺研究[J].安徽农业科学，2021，49（21）：200-201，222.

[15]马钤，胡涛，郭川川，等.盐析辅助水蒸气蒸馏法提取甘松精油及其挥发性香气成分分析[J].中国酿造，2023，42（3）：235-240.

[16]吴启康，田晓静，高丹丹，等.有机溶剂萃取法提取挥发油研究进展[J].农产品加工，2018（10）：58-59，62.

[17]庞敏，崔秀明.超临界CO2提取葛缕子精油及其成分分析[J].食品与机械，2022，38（1）：175-179，194.

[18]周亚军，李圣桡，王淑杰，等.高壓脉冲电场协同酶法辅助提取玫瑰精油工艺优化[J].食品科学，2020，41（6）：270-277.

[19]李琴，于有伟，张少颖，等.超声波协同水蒸气蒸馏法提取茴香精油的研究[J].中国调味品，2020，45（3）：23-26.

[20]马擎，屈岩峰，贺书珍，等.超声辅助水蒸气蒸馏法提取柠檬精油的工艺优化[J].热带农业科学，2019，39（8）：82-87.

[21]丁华，王建清.香茅精油的超声辅助提取及成分分析[J].中国调味品，2017，42（3）：141-145.

[22]李文英，孙晓明，汪志平，等.响应面法优化超声辅助提取枇杷花精油的工艺研究[J].农产品加工，2022（6）：30-32，36.

[23]孙凤蕊.肉桂油提取工艺的研究及优化[D].青岛：青岛科技大学，2019.

[24]邵良伟，邹强，张弛松，等.基于模糊数学评定与响应面法优化毛霉型豆豉制曲工艺[J].中国调味品，2021，46（3）：18-23，28.

[25]马晓宁，秦令祥，丁昱婵，等.响应面优化超声波辅助提取杏鲍菇多糖的工艺及其抗疲劳活性测定研究[J].中国食品添加剂，2023，34（3）：273-279.

[26]古丽乃再尔·斯热依力，黄文书，阿丽旦·苏力唐麦麦提，等.响应面法优化洋葱浆馕中复配防腐剂的配方[J].食品工业科技，2022，43（14）：283-292.

[27]古丽乃再尔·斯热依力，阿衣古丽·阿力木，白羽嘉，等.复配改良剂对洋葱浆馕品质的影响[J].食品工业科技，2022，43（3）：298-307.

[28]王利利，顾晶晶，葛笑兰，等.超声辅助水蒸气蒸馏法提取野香花精油及其抗菌活性分析[J].武汉轻工大学学报，2021，40（2）：8-13.

[29]付晓，王莹，兰卫.超声辅助水蒸气蒸馏提取硬尖神香草精油的工艺优化[J].化学与生物工程，2022，39（2）：19-22.

[30]陈长锴，樊志国，赵凤翔，等.基于低共熔溶剂法超声辅助蒸馏提取胡椒叶精油的工艺优化及其GC-MS分析[J].食品工业科技，2020，41（20）：135-141.