李 禎

(咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)藥化工學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

大蒜精油主要成分為含硫化合物[1]的多種珍貴天然物質(zhì)的混合物，除具有殺毒、殺菌的作用外[2]，還可提高機(jī)體免疫功能，降低血壓、血脂，阻止癌細(xì)胞擴(kuò)散，對(duì)糖尿病、冠心病有一定作用[3]。目前已廣泛應(yīng)用于食品、保健品、臨床、及畜牧養(yǎng)殖業(yè)。

目前，對(duì)大蒜精油的提取技術(shù)研究較為廣泛，主要采用溶劑浸提[4]和水蒸氣蒸餾[5]等方法，但均存在一定的局限。將超臨界流體作為溶劑萃取天然產(chǎn)物的研究越來(lái)越深入，其具有操作溫度和操作壓力較低的特點(diǎn)，較低的操作溫度能夠防止天然產(chǎn)物中熱敏性物質(zhì)的分解，且萃取得到的產(chǎn)物易于分離無(wú)溶劑殘留，由于操作、分離簡(jiǎn)單易控制，因此能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)，特別適用于天然產(chǎn)物的提取[6～8]。筆者采用Box-Behnken響應(yīng)曲面法對(duì)SC-CO2萃取大蒜精油進(jìn)行工藝優(yōu)化[9～10]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮大蒜，市場(chǎng)購(gòu)買；二氧化碳?xì)怏w，純度99.99%，食品級(jí)。

SC-CO2萃取裝置，型號(hào)HA221-50-06；電子分析天平，型號(hào)FA1004B。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品預(yù)處理 選取新鮮大蒜，去皮，洗凈，粉碎至3 mm左右粒度后待用。

1.2.2 萃取試驗(yàn) 稱取100 g大蒜(mL)置于料筒中密封，放入1L萃取釜中，CO2氣體經(jīng)過(guò)加壓液化并換熱進(jìn)入萃取釜內(nèi)，待達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定溫度及壓力后，開始連續(xù)萃取，最后分離、收集并精確稱量所得精油質(zhì)量(m2)。其收率(Y)計(jì)算公式如下：

選取對(duì)收率影響較為顯著的萃取壓力(A)、萃取溫度(B)、萃取時(shí)間(C)三個(gè)因素，設(shè)計(jì)試驗(yàn)，考察其對(duì)收率的影響。在此基礎(chǔ)上，再利用Design Expert 11軟件設(shè)計(jì)了15組試驗(yàn)，以獲得精油的最優(yōu)萃取條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 壓力對(duì)收率的影響 設(shè)定SC-CO2萃取體系溫度45 ℃、時(shí)間80 min，考察壓力為20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa時(shí)精油的收率(圖1)。

結(jié)果表明，收率隨著壓力升高增幅較快，當(dāng)壓力增加至30 MPa后收率平緩上升。這主要是由于初始試驗(yàn)時(shí)壓力較小，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，壓力升高SC-CO2的密度增大，傳質(zhì)速率增大，溶劑溶解度增大，因此升高壓力有利于提高溶解度。但壓力過(guò)高時(shí)對(duì)設(shè)備的耐壓要求較高，導(dǎo)致設(shè)備投資費(fèi)用以及操作維護(hù)費(fèi)用升高，并且壓力過(guò)高安全隱患較大。因此綜合考慮，選擇30 MPa作為最佳萃取壓力。

2.1.2 溫度對(duì)收率的影響 設(shè)定SC-CO2萃取體系壓力30 MPa、時(shí)間80 min，考察溫度為35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃時(shí)精油的收率(圖2)。

圖2溫度對(duì)收率的影響

結(jié)果表明，收率隨著溫度的升高呈現(xiàn)先上升再降低的趨勢(shì)，當(dāng)溫度為45 ℃時(shí)，收率最高。這主要是由于高溫會(huì)使SC-CO2的黏度降低，從而使其傳質(zhì)能力增強(qiáng)，因此溶質(zhì)溶解度增加；當(dāng)溫度繼續(xù)升高SC-CO2密度降低，溶劑化能力降低，溶質(zhì)溶解度下降。因此綜合考慮，選擇45 ℃為最佳萃取溫度。

2.1.3 時(shí)間對(duì)收率的影響 設(shè)定SC-CO2萃取體系壓力30 MPa、萃取溫度45 ℃，考察時(shí)間為20 min、40 min、60 min、80 min、100 min時(shí)精油的收率(圖3)。

圖3時(shí)間對(duì)收率的影響

結(jié)果表明，收率隨著時(shí)間增加逐漸上升，80 min后趨于平緩。這是主要是由于初始試驗(yàn)時(shí)，溶質(zhì)在SC-CO2中還未能充分溶解，導(dǎo)致收率較低；隨著時(shí)間延長(zhǎng)，溶質(zhì)逐漸達(dá)到充分溶解，因此80 min后收率趨于穩(wěn)定，而時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)對(duì)收率增加作用不大，因此，選擇80 min為最佳萃取時(shí)間。

2.2 Box-Behnken響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 Box-Behnken響應(yīng)曲面法試驗(yàn)結(jié)果 以上述試驗(yàn)結(jié)果作為依據(jù)，將壓力、溫度和時(shí)間作為萃取工藝優(yōu)化的三個(gè)主要因素，收率作為萃取工藝優(yōu)化的指標(biāo)，采用Box-Behnken響應(yīng)曲面法對(duì)萃取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化(表1、表2、表3)。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素及水平

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及萃取試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.2 建立模型 利用Design Expert 11軟件對(duì)表2中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析和多元回歸方程擬合，各因素方差分析結(jié)果見表3，所得回歸方程如下。

Y=0.7267+0.0388A+0.0075B+0.0238C-0.005AB-0.0025AC+0.005BC-0.0171A2-0.0796B2-0.0221C2

表3 Box-Behnken試驗(yàn)各因素方差分析

注：***極顯著(p<0.000 1)；**較顯著(p<0.01)；*顯著(p<0.05)。

2.2.3 三因素交互作用的Box-Behnken響應(yīng)曲面法分析結(jié)果 利用Design Expert 11軟件擬合得到響應(yīng)曲面圖及等高線圖(圖4)，分析三因素間交互作用對(duì)收率的影響效應(yīng)。

由圖4可知，2 b等高線接近圓形，說(shuō)明AC交互作用較弱，1 b、3 b為橢圓形，說(shuō)明AB、BC交互作用較強(qiáng)。

2.2.4 驗(yàn)證最優(yōu)工藝條件 利用Design Expert 11軟件進(jìn)一步分析，最優(yōu)的萃取工藝條件為：A=35.00 MPa，B=45.16 ℃，C=89.71 min，收率預(yù)測(cè)值為0.754%。鑒于試驗(yàn)操作的可行性，對(duì)A、B、C進(jìn)行圓整：A=35 MPa，B=45 ℃，C=90 min。在此條件下進(jìn)行三次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到平均收率為0.74%，與Box-Behnken響應(yīng)曲面法預(yù)測(cè)值基本吻合，說(shuō)明利用Box-Behnken響應(yīng)曲面法優(yōu)化所得工藝條件可靠。

3 結(jié)論

采用SC-CO2作為溶劑萃取大蒜精油，選取對(duì)收率影響較為顯著的壓力、溫度、時(shí)間作為三因素，利用Box-Behnken響應(yīng)曲面法分析了三個(gè)因素對(duì)收率的交互影響作用，利用軟件分析獲取最優(yōu)的萃取工藝條件為壓力35 MPa，溫度45 ℃，時(shí)間90 min，平均收率為0.74%，與Box-Behnken響應(yīng)曲面法預(yù)測(cè)值基本吻合，證明此法結(jié)果可靠，具備實(shí)際參考價(jià)值，可為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)提供參考依據(jù)。