响应面法优化杭白菊挥发油超临界CO2萃取工艺

孟繁钦 李彦伟 孟令锴 赵玉佳

(1.牡丹江医学院药学院，黑龙江 牡丹江 157011；2.牡丹江医学院红旗医院，黑龙江 牡丹江 157011)

0 引言

杭白菊(chrysanthemum morifolium)为菊科植物菊的干燥头状花絮，性微寒，味苦、甘，具有重要的药用价值[1]。作为杭白菊主要药理活性成分的挥发油，其组成包括单萜、三萜、倍半萜及其简单含氧衍生物，具有抗菌、抗炎、镇痉、解热和抗肿瘤等作用[2-4]。超临界CO2萃取技术是通过控制压力和温度使CO2处于超临界状态，使其与欲分离的物质接触进行萃取，之后使超临界流体恢复为普通气体状态，目标物则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的。文章采用Box-Behnken响应面法，以杭白菊挥发油萃取率为响应指标，研究萃取压力、萃取温度及萃取时间三个影响因素的交互作用，优选超临界CO2萃取杭白菊挥发油的最佳工艺。

1 实验

1.1 材料与仪器

杭白菊，安国市祁澳中药饮片有限公司；CO2气体(纯度≥99.0%)，牡丹江市金瑞气体有限公司。HA220-50-06型超临界萃取装置；AF-20S型中药粉碎机，温岭市奥力中药机械有限公司。

1.2 方法

(1)超临界CO2萃取杭白菊挥发油。称量50g过100目筛的杭白菊粉末装入料筒后，将其置于1L萃取釜中密封。待CO2液化并且萃取温度和萃取压力至设定值后，开始循环萃取，达到萃取时间，收集分离釜内的杭白菊挥发油，精确称量其质量并计算萃取率。杭白菊挥发油萃取率计算公式(1)：

(2)杭白菊挥发油萃取工艺单因素实验。根据经验及相关文献，在固定分离压力5MPa，分离温度40℃的条件下，分别考察不同萃取压力(10、20、30、40MPa)、萃取温度(30、40、50、60℃)及萃取时间(30、60、120、180min)对萃取率的变化影响。

(3)杭白菊挥发油萃取工艺响应面实验。依据单因素实验结果，以杭白菊挥发油萃取率(Y)为响应值，采用 Design-Expert 11软件的Box-Behnken实验设计原理设定萃取压力(A)、萃取温度(B)及萃取时间(C)三个自变量的因素水平，见表1。

表1 Box-Behnken试验因素水平表

(4)验证实验。结合超临界萃取设备操作实际情况的，对最佳工艺条件进行整定。在整定的最优工艺条件下，进行萃取杭白菊挥发油，平行实验3次，得出萃取率平均值。通过比较预测值和实验值验证模型的可靠性，确定最终优化工艺条件。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

(1)不同萃取压力对萃取率的影响。在固定萃取温度为40℃、萃取时间60min的操作条件下，考察了杭白菊挥发油萃取率受不同萃取压力的影响。在萃取压力升高的过程中，杭白菊挥发油萃取率呈现先增大后减小的变化趋势，当萃取压力上升到20MPa时萃取率达最大值。

(2)不同萃取温度对萃取率的影响。在固定萃取压力为20MPa、萃取时间60min的操作条件下，考察了不同萃取温度对杭白菊挥发油萃取率的影响。在萃取温度升高的过程中，杭白菊挥发油萃取率呈现先增大后减小的变化趋势，当萃取温度增大为50℃时萃取率达最大值。

(3)不同萃取时间对萃取率的影响。在固定萃取压力为20MPa、萃取温度为40℃的操作条件下，考察了杭白菊挥发油萃取率受不同萃取时间的影响。在萃取时间不断延长的过程中，杭白菊挥发油萃取率在萃取时间达到120min前呈现不断增大的趋势，时间继续延长后萃取率基本不变。

2.2 杭白菊挥发油萃取工艺响应面实验结果

根据Box-Behnken模型实验法设计的17组实验，各组实验情况见表2。

表2 Box-Behnken实验设计及实验结果

对表2中的实验数据借助Design-Expert 11软件进行多元回归分析，建立二次响应面回归模型，得到以杭白菊挥发油萃取率(Y)为因变量，萃取压力(A)、萃取温度(B)和萃取时间(C)为自变量的回归方程，对该模型进行方差分析，结果见表3，得到二次多项回归方程：Y=4.24+0.2694A+0.1071B-0.1473C+0.0649A B+0.1272AC+0.2305BC-0.4606A2-0.1402B2-0.3434C2。

由响应面实验回归方差分析结果可知，本研究回归模型F=82.63，P＜0.0001，表明模型高度显著。实验所选模型的相关系数R2=09907，实验模型的校正相关系数，说明实验的结果有97.87%受实验因素的影响。杭白菊挥发油得率回归模型能够代表杭白菊挥发油实际萃取得率。对模型进行回归方程系数显著性检验可知，A、B、C、AC、BC、A2、B2、C2对杭白菊挥发油萃取率影响显著(P＜0.05)。杭白菊挥发油萃取率受各个因素的影响不是单纯的线性关系，从表3可知，A＞C＞B，对其萃取工艺影响因素从大到小排序为萃取压力＞萃取时间＞萃取温度。

表3 响应面实验回归方差分析表

2.3 响应面分析结果

采用Design-Expert 11软件对萃取压力、萃取温度、萃取时间3因素间的交互作用进行响应面法分析，依据回归模型绘制出以杭白菊挥发油萃取率为响应值的三维曲面图，结果见图1～3。依据图中三维响应曲面的形状，对影响杭白菊挥发油萃取率的任意两种影响因素的交互效应进行分析与评价。影响因素交互效应的强弱可根据等高线的形状进行判断，形状若呈椭圆形表示因素交互作用显著，若呈圆形则与之相反[5]。从图1～3中可以看出各因素间的交互作用显著，图1显示，当固定萃取时间为120min时，萃取压力从15MPa增大到25MPa，萃取温度从45℃增大到55℃的过程中，杭白菊挥发油萃取率呈现出先升高后降低的趋势；图2显示，当固定萃取温度为50℃时，随着萃取压力(15MPa＜P＜25MPa)与萃取时间(90min＜T＜150min)的增大，杭白菊挥发油萃取率呈现出先升高后降低的趋势；图3显示，当固定萃取压力为20MPa时，随着萃取温度(45℃＜t＜55℃)与萃取时间(90min＜T＜150min)的增大，杭白菊挥发油萃取率呈现出先升高后降低的趋势。由各三维响应曲面图可知，响应值存在最大值，即萃取率最大值点。通过响应面优化，杭白菊挥发油超临界CO2萃取最佳工艺条件为：萃取压力21.77MPa、萃取温度52.41℃、萃取时间120.18min，该条件下杭白菊挥发油萃取率为4.308%。

图1 萃取压力-萃取温度的响应值三维曲面图

图2 萃取压力-萃取时间的的响应值三维曲面图

图3 萃取温度-萃取时间的的响应值三维曲面图

2.4 最优萃取工艺确定与验证

根据响应面优化结果结合设备操作实际情况的可行性，将杭白菊挥发油超临界CO2萃取最佳工艺条件选定为：萃取压力22MPa、萃取温度52℃、萃取时间120min。按此条件进行3次平行实验验证，杭白菊挥发油平均萃取率为4.293%，理论值与实际值之间的相对误差为3.41%，差异不显著，说明该方法与实际情况拟合良好。

3 结语

本研究以杭白菊挥发油萃取率为响应指标，运用响应面法中Box-Behnken模式设计，对超临界CO2萃取杭白菊挥发油工艺中的萃取压力、萃取温度及萃取时间三个影响因素进行实验分析，优选出最佳萃取工艺，为杭白菊资源充分利用提供实验依据，具有一定实用和推广价值。