李 禎，侯黨社，張 娟，任小賽

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

八角茴香，亦稱八角，是一種最為常用的調(diào)味料，為常綠喬木，主要分布在中國廣西西部和南部，廣東、云南等省也有種植［1］。八角茴香是一種藥食同源的珍貴經(jīng)濟(jì)樹種［2-5］，不僅可用于食品調(diào)味、保鮮［6-9］，還是一種常用的中藥，性溫，味辛，歸肝、腎、脾、胃經(jīng)，主治寒疝腹痛、胃寒嘔吐、脘腹疼痛、寒濕腳氣等［10-12］。八角茴香精油是從八角茴香果實(shí)中提取的一種天然香料油，既保留了八角茴香的功效，又便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸［13］。

八角茴香精油的提取方法主要集中在水蒸氣蒸餾、有機(jī)溶劑萃取、超聲波提取等［14-16］，但都具有一定的局限性。而隨著綠色提取技術(shù)的發(fā)展，越來越多的提取方法被應(yīng)用于天然產(chǎn)物的提取，超臨界萃取技術(shù)萃取條件溫和，萃取溫度、萃取壓力較低，能夠防止精油中的熱敏性物質(zhì)分解，萃取產(chǎn)品中無溶劑殘留、產(chǎn)品品質(zhì)較高且安全，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)［17-20］。本研究采用響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以八角茴香精油的收率為優(yōu)化指標(biāo)，考察萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間對八角茴香精油收率的影響，獲取最優(yōu)工藝條件，以期為八角茴香精油的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料：八角茴香果實(shí)，購于市場；CO2氣體，純度99.99%，食品級，西安亞太液化氣有限公司。

主要儀器：HA221-50-06型超臨界萃取設(shè)備，江蘇華安超臨界設(shè)備公司；BS-124-S型電子分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；DZF-6020型干燥箱，上海一恒科技有限公司；WFC-210型粉碎機(jī)，北京維博創(chuàng)機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品預(yù)處理 選取優(yōu)質(zhì)八角茴香果實(shí)，洗凈，低溫烘干24 h，粉碎，篩分，留取40目顆粒置于干燥器中待用。

1.2.2 萃取試驗(yàn) 稱量100 g八角茴香粉末置于料筒，安裝密封，保證氣密性。安裝完成后開啟水浴加熱，高壓泵對CO2氣體加壓，換熱器對CO2氣體加熱之后進(jìn)入萃取釜，待釜內(nèi)CO2氣體溫度壓力達(dá)到試驗(yàn)條件后，開始試驗(yàn)。開啟萃取釜出口閥門，經(jīng)過一級、二級分離釜進(jìn)行減壓分離，在出口處分別收集產(chǎn)品，試驗(yàn)過程連續(xù)萃取，待達(dá)到萃取時(shí)間，關(guān)閉閥門停止萃取并收集稱量產(chǎn)品。八角茴香精油的收率（Y）用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

考察CO2流體超臨界狀態(tài)下各因素對八角茴香精油收率的影響，選取影響較顯著的3個(gè)因素作為響應(yīng)曲面分析的3因素，利用Design Expert軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)，進(jìn)行分析，獲取最優(yōu)萃取工藝條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 萃取溫度對八角茴香精油收率的影響 試驗(yàn)條件為萃取壓力20 MPa，萃取時(shí)間80 min，CO2流量為25 L/h，萃取溫度分別設(shè)定為30、35、40、45、50℃，考察萃取溫度對八角茴香精油收率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，萃取溫度逐漸升高有利于提高精油收率。起始溫度為30℃時(shí)收率較低，是由于溫度未達(dá)到CO2的超臨界溫度，流體的傳質(zhì)能力較差，收率較低。而溫度持續(xù)升高精油收率逐漸降低，這主要是因?yàn)闇囟壬?，超臨界CO2的密度降低，致使超臨界CO2流體的溶劑化效應(yīng)下降，溶解度降低，八角茴香精油收率降低。因此，需綜合考察溶質(zhì)傳質(zhì)能力及溶劑化效應(yīng)對精油收率的影響，由試驗(yàn)結(jié)果可知，萃取溫度選取35℃為宜。

圖1 萃取溫度對八角茴香精油收率的影響

2.1.2 萃取壓力對八角茴香精油收率的影響 試驗(yàn)條件為萃取溫度35℃，萃取時(shí)間80 min，CO2流量為25 L/h，萃取壓力分別設(shè)定為8、10、15、20、25 MPa，考察萃取壓力對八角茴香精油收率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，萃取壓力的升高有利于提高精油收率。起始壓力為8 MPa時(shí)，精油收率最低，這是由于壓力較小，超臨界CO2密度較小，傳質(zhì)速率較低，因此收率較低；而隨著壓力的升高，超臨界CO2的密度升高，分子間傳質(zhì)距離縮短，溶質(zhì)傳質(zhì)速率增大，從而使精油溶解度增加；但壓力持續(xù)升高，精油收率增加幅度大大降低，這是因?yàn)閴毫υ龃?，超臨界CO2黏度增加，傳質(zhì)速率下降，導(dǎo)致溶解度降低。因此，綜合考慮操作難度、設(shè)備投資費(fèi)用及安全性，萃取壓力選取15 MPa為宜。

圖2 萃取壓力對八角茴香精油收率的影響

2.1.3 萃取時(shí)間對八角茴香精油收率的影響 試驗(yàn)條件為萃取溫度35℃，萃取壓力15 MPa，CO2流量為25 L/h，萃取時(shí)間分別設(shè)定為40、60、80、100、120 min，考察萃取時(shí)間對八角茴香精油收率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，萃取時(shí)間的延長有利于提高精油收率。起始萃取時(shí)間為40 min，時(shí)間延長，八角茴香精油的收率呈現(xiàn)大幅上升后逐漸趨于平緩。這主要是由于試驗(yàn)剛剛開始，精油還未充分溶解在超臨界CO2中，因此起始收率較低；隨著萃取時(shí)間的延長，精油逐漸釋放并充分溶解，達(dá)到溶解平衡，因此收率曲線逐漸趨于平緩，而繼續(xù)延長萃取時(shí)間，精油收率基本保持不變。因此，萃取時(shí)間選取80 min為宜。

圖3 萃取時(shí)間對八角茴香精油收率的影響

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果 綜合分析單因素試驗(yàn)結(jié)果，以萃取溫度、萃取壓力及萃取時(shí)間作為優(yōu)化超臨界CO2中萃取八角茴香精油的主要因素，各因素與水平見表1所示。并以八角茴香精油收率作為優(yōu)化指標(biāo)，利用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表2所示。

表1 響應(yīng)面法試驗(yàn)因素及水平

表2 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.2 響應(yīng)面分析 采用Design Expert.11軟件對表2中15組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示，所得回歸方程為：

由表3中方差分析結(jié)果可知，模型P=0.000 3＜0.01，為顯著，說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；失擬項(xiàng)P=0.164 2＞0.05，為不顯著，說明該模型與試驗(yàn)結(jié)果擬合程度較好，差異較小，無失擬因素；相關(guān)系數(shù)R2=0.988 4，說明該模型只有1.16%的變異不能用該模型解釋。校正決定系數(shù)R2adj=0.967 7＞0.80，進(jìn)一步證明該模型與試驗(yàn)結(jié)果擬合程度較好，可用于對超臨界CO2流體萃取八角茴香精油的工藝進(jìn)行初步分析及預(yù)測。綜合分析表中，萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間三因素的F與P大小可得，三因素對八角茴香精油收率的影響效應(yīng)順序?yàn)檩腿囟龋据腿毫Γ据腿r(shí)間。

表3 響應(yīng)面法試驗(yàn)各因素方差分析

三因素交互作用對八角茴香精油收率的影響效應(yīng)如圖4所示。由圖4中三因素交互作用響應(yīng)曲面圖、等高線圖及表3中方差分析數(shù)據(jù)，綜合分析可知，萃取溫度和萃取壓力、萃取溫度和萃取時(shí)間交互作用對精油收率的影響等高線接近圓形，交互作用影響效應(yīng)較弱。萃取壓力和萃取時(shí)間等高線呈橢圓形較扁，說明萃取壓力和萃取時(shí)間交互作用對精油收率的影響較大。表3中AB、AC、BC三項(xiàng)的F也可反映出交互作用對精油收率的影響效應(yīng)，F(xiàn)越大，交互作用影響效應(yīng)越強(qiáng)，交互作用對八角茴香精油收率的影響效應(yīng)順序?yàn)锽C＞AB＞AC。

圖4 三因素交互作用對八角茴香精油收率的影響

經(jīng)上述試驗(yàn)分析，確定八角茴香精油的最優(yōu)萃取工藝為萃取溫度37.1℃，萃取壓力17.4 MPa，萃取時(shí)間96.7 min，預(yù)測精油收率9.16%。結(jié)合實(shí)際對操作條件進(jìn)行圓整：萃取溫度為37℃，萃取壓力為17 MPa，萃取時(shí)間為95 min。

2.2.3 工藝驗(yàn)證 試驗(yàn)條件為萃取溫度37℃，萃取壓力17 MPa，CO2流量25 L/h，萃取時(shí)間95 min時(shí)進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，所得八角茴香精油平均收率為9.1%，與響應(yīng)面分析結(jié)果基本吻合，說明此方法可用于進(jìn)行超臨界CO2萃取八角茴香精油的工藝研究，優(yōu)化所得工藝條件可靠。

3 結(jié)論

本研究通過單因素試驗(yàn)考察萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間對超臨界CO2萃取八角茴香精油收率的影響，并通過響應(yīng)面分析確定萃取最優(yōu)工藝條件為萃取溫度37℃，萃取壓力17 MPa，CO2流量為25 L/h，萃取時(shí)間95 min，平均收率為9.1%。利用響應(yīng)面分析可有效降低試驗(yàn)次數(shù)，降低試驗(yàn)成本，并準(zhǔn)確預(yù)估交互作用對精油收率的影響效應(yīng)，數(shù)據(jù)結(jié)果可靠，具備參考價(jià)值，可為后續(xù)進(jìn)一步研究及擴(kuò)大規(guī)模進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。