响应面分析优化超临界CO2萃取五叶瓜藤种子油工艺

雷华平，周举军，李桂芳，张 辉，王玲娟

(湘南学院 药学院，湖南 郴州 423000)

响应面分析优化超临界CO2萃取五叶瓜藤种子油工艺

雷华平，周举军，李桂芳，张 辉，王玲娟

(湘南学院 药学院，湖南 郴州 423000)

通过单因素实验考察萃取压力和温度对萃取收率的影响。并用响应面分析优化超临界CO2萃取五叶瓜藤种子油工艺参数，依据回归分析确定萃取工艺的影响因子，以萃取收率为响应值作响应面和等值线图。结果表明，超临界CO2萃取五叶瓜藤种子油的最佳工艺条件为：萃取压力40 MPa，萃取温度326 K，萃取收率达到29.40%。

超临界二氧化碳萃取；五叶瓜藤；响应面

五叶瓜藤(HolboelliafargesiiReaub.)为木通科(Lardizabalaceae)八月瓜属(HolboelliaWall.)多年生常绿木质藤本植物，别名野人瓜、紫花牛姆瓜、八月果、预知子等，分布于湖南、四川、湖北、福建、广东、云南和陕西南部[1]。五叶瓜藤果实中含有较多的种子，种子中含有近30%的油脂，其中人体必需的脂肪酸亚油酸的含量相当高，是一种值得开发的保健食用油。

响应面分析法(Response Surface Methodology，简称RSM)系采用多元二次回归方法作为函数估计的工具，将多因子试验中因素与指标的相互关系用多项式近拟，依此可对函数的响应面和等值线进行分析，研究因子与响应面之间、因子与因子之间的相互关系[2]。今天，响应面方法已经成为降低开发成本、优化加工条件、提高产品质量、解决生产过程中的实际问题的一种有效方法，它已广泛地应用于农业、生物、食品、化学、制造等领域。

本文采用“绿色”的超临界CO2萃取技术提取五叶瓜藤种子油。在前期研究基础上[3]，探讨萃取压力和萃取温度等参数对萃取收率的影响，并采用响应面分析法优化了超临界CO2萃取五叶瓜藤种子油的工艺。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

五叶瓜藤种子：五叶瓜藤产自湖南张家界天门山，经吉首大学城乡资源与规划学院廖博儒副教授鉴定为木通科八月瓜属的五叶瓜藤(HolboelliafargesiiReaub.)。将五叶瓜藤果实的果皮与果肉除去，收集种子；然后将其种子置于恒温烘箱内，在45 ℃下烘干，最终测得含水量5.3%，粉碎，放于低温冰箱保存，备用。

CO2：99.9%，食品级，购于长沙鑫湘气体化工有限责任公司。

1.2 主要仪器

超临界CO2萃取装置(HA121-50-02型，江苏南通华安)，干燥箱(DF-42型，日本大和)，低温冰箱(MDF-292AT，日本)。

1.3 实验方法

将粉碎的五叶瓜藤种子装入萃取釜，对萃取釜、分离釜Ⅰ和分离釜Ⅱ分别加热，并启动冷机制冷。当萃取釜、分离釜和冷机储罐的温度都达到实验要求时，从CO2气瓶出来的CO2经冷机储罐冷凝后，通过高压泵打入萃取釜和两个分离釜。当萃取釜和分离釜的压力都达到实验设定值时，开始循环萃取。每间隔30 min，从分离釜Ⅰ和分离釜Ⅱ放料并称重，计算收率。

2 结果与分析

2.1 超临界CO2萃取过程中主要因素对萃取的影响

2.1.1 萃取压力对收率的影响

萃取压力是超临界CO2萃取的主要影响因素之一，一般而言，超临界CO2萃取的萃取收率随压力的升高而升高。图1为萃取温度35 ℃、45 ℃和55 ℃下萃取压力与萃取收率的关系图。如图所示，在同一温度下，随着萃取压力的升高，萃取收率提高。例如萃取温度为45 ℃时，随着萃取压力从25 MPa上升到30 MPa，五叶瓜藤种子油收率从22.75%增加到27.05%。由此可见，萃取压力对五叶瓜藤种子油萃取效果有着明显有利的影响。这是由于压力的升高使得超临界CO2密度增大，对物质的溶解能力增强，更多的组分被萃取出来。

图1 萃取压力对收率的影响

2.1.2 萃取温度对收率的影响

温度是五叶瓜藤种子油萃取的又一重要影响因素。其影响较为复杂，与萃取压力有着密切的联系。图2表明：在萃取压力为25 MPa时，收率随萃取温度的升高下降；在萃取压力为30 MPa时，萃取收率随萃取温度升高先上升再下降；而在萃取压力为35 MPa时，收率随萃取温度的升高而升高。

图2 萃取温度对收率的关系

萃取收率随温度变化所表现出的这种现象，可能是由于温度与压力的耦合作用造成的。一方面温度升高，CO2流体的密度下降，超临界CO2溶解能力下降；另一方面，温度升高，被萃取溶质的挥发性提高和扩散系数增大，使得萃取收率增加[4]。总体上讲，萃取温度对五叶瓜藤种子油收率的影响不如萃取压力显著。

2.2 响应面分析优化超临界CO2萃取参数

在以上单因素实验的基础上，作者进一步进行响应面分析，以寻求最佳工艺条件，其实验设计如表1。

表1 响应面分析及结果

采用SAS软件对表1中12个实验点的响应值进行回归分析，其方差结果见表2。

表2 响应面设计实验结果的方差分析

拟合不足检验用于检查实验数据经过分析处理后得到的二次响应曲面回归方程的可靠性。由表2可知回归方程拟合不足检验显著水平为0.42，方程的拟合不足检验不显著，表明二次响应曲面回归方程能够很好的拟合本实验所得的结果。回归方程一次项和二次项在α=0.01水平上显著，交互项的方差分析说明本实验条件下各因素之间存在着一定的相互影响。从因素检验可看出本实验所取两个因素：压力和温度分别在α=0.01和α=0.05水平上是显著的，说明压力和温度对萃取收率都有着显著的影响，而且压力比温度对超临界萃取有更显著的影响。

各因素经回归拟合后，得回归方程为Y=26.762457+3.094706×P+0.317632×T-1.393427P2+1.349592P×T-2.018427T2

该回归方程的相关系数R2为0.963 8，说明该二次响应曲面回归模型可以很好地拟和实验数据。根据回归模型，做出响应面图，如图3、图4所示。

图3和图4直观地反映了萃取压力和萃取温度对响应值的影响：萃取压力对五叶瓜藤种子油的影响最显著，表现为曲线较陡，且在每个温度下随着压力的增大，收率都增加；萃取温度次之，表现为曲线较为平滑。

对模型的典型分析，得到了回归模型的最优值为28.97%，其最优条件是：萃取压力39.7 MPa、萃取温度325.6K。为检验响应面分析的可靠性，采用上述最优萃取条件进行五叶瓜藤的超临界萃取实验，同时考虑到实际操作的便利，将最佳条件修正为萃取压力40 MPa、萃取温度326 K，实际测得的提取率为29.40%，与理论预测值相比相对误差在2%左右。因此，采用响应面分析法优化得到的萃取条件参数准确可靠，具有实用价值。

图3 回归模型的响应面

图4 响应面的等值线

3 结 论

萃取压力和萃取温度等参数对超临界CO2萃取五叶瓜藤种子油有重要影响。通过响应面分析，不仅可以优化萃取工艺，确定萃取工艺的影响因子，而且能够预测实验范围萃取参数下的萃取收率。因此，响应面分析法对超临界CO2萃取实践有一定的指导作用。

[1] 中国科学院植物研究所.中国高等植物图鉴：第1册[M].北京：科学出版社，1987：756-757.

[2] 慕运动.响应面方法及其在食品工业中的应用[J].郑州工程学院学报，2001，22(3)：91-94.

[3] 雷华平，田启建，卢成英，等.五叶瓜藤种子油超临界CO2萃取及其质量评价[J].中国油脂，2009，34(5)：71-74.

[4] 葛发欢，刘菊研，雷华平，等.中药超临界二氧化碳萃取技术研究[M].北京：中国医药科技出版社，2014.

Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Extraction of the SeedOil ofHolboelliafargesiiReaub. with Response Surface Analysis

Lei Huaping，Zhou Jujun，Li Guifang，Zhang Hui，Wang Lingjuan

(School of Pharmaceutical Sciences，Xiangnan University，Chenzhou 423000，China)

The effects of extraction pressure and temperature on extraction yield were investigated by one-factor tests.And then the extraction of the seed oil ofHolboelliafargesiiReaub. was optimized with response surface analysis.The impact factors were determined by means of regression analysis.The response surface and the contour were graphed with extraction yield as the response value.The results show that the optimum conditions are：the extraction pressure 40 MPa，extraction temperature 326 K，and that the extraction rate is up to 29.4%.

supercritical CO2extraction；HolboelliafargesiiReaub.；response surface

10.3969/j.issn.1006-9690.2017.02.009

2016-07-16

雷华平(1979—)，男，博士，副教授，主要从事天然产物提取分离和分析研究。E-mail：audenlei@163.com

Q543

A

1006-9690(2017)02-0034-03