BBD設(shè)計-響應(yīng)面法優(yōu)化千層金精油浸提工藝

李海貝，徐芳菲，顧雯月，羅傲雪

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，四川 溫江 611130)

千層金(Melaleuca bracteata)為桃金娘科白千層屬的常綠喬木，又名黃金寶樹、黃金香柳。研究表明千層金具有油腺點，香味濃郁，揮發(fā)性精油含量高，主要成分為甲基丁香酚、肉桂酸甲酯、3,4,5-三甲氧基苯甲酸甲酯、大根香葉烯D[1]。千層金精油對紫色桿菌的抗菌效果最顯著，對銅綠假單胞菌、紅色粘質(zhì)沙雷氏菌、白色粘質(zhì)沙雷氏菌均有一定的抑菌活性[2]。同時也具有很強(qiáng)的殺螨蟲[3]活性和驅(qū)蟲性[4]，是目前世界上珍貴的化妝品香料之一，被廣泛用于醫(yī)藥、化妝品、食品和日用化妝品行業(yè)。

目前提取千層金油主要采用水蒸餾法和有機(jī)溶劑萃取法。如秦榮秀[5]采用水蒸氣蒸餾工藝提取千層金油，得到千層金油層含量為0.55%，芳香水中含揮發(fā)性成分約為0.14%，千層金枝葉揮發(fā)油的總產(chǎn)率為0.69%。葉征美[1]采用有機(jī)溶劑萃取法得到精油提取得率4.51%。對比水蒸餾法和有極溶劑萃取法，浸提法提取精油提取率高、提取精油純度高，相比有機(jī)溶劑萃取法提取過程簡單，被廣泛應(yīng)用與植物精油的提取，如廖玉琴[6]等采用浸提法通過正交試驗對檸檬精油的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，劉小金[7]等采用乙醚浸提法分別提取了檀香邊材和心材的精油。

本研究采用浸提法，通過設(shè)計BBD實驗優(yōu)化了千層金精油的提取工藝。研究不同工藝參數(shù)(浸提時間、浸提轉(zhuǎn)速、料液比)對千層金精油的影響規(guī)律，確定千層金精油浸提法提取的最佳工藝條件。

1 實驗材料與方法

1.1 材料與儀器

生長狀況良好的千層金葉片(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū))、紫外可見分光光度計(上海美譜達(dá)儀器有限公司)；電子分析天平(奧斯豪儀器有限公司)；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器)；高速粉碎機(jī)(永康市久品工貿(mào)有限公司)； HY-3型調(diào)速振蕩機(jī)(常州國華電器有限公司)；DHG-9245型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)(上海一恒科技有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 浸提法單因素實驗

1.2.1.1 千層金質(zhì)量與石油醚體積比例

以千層金質(zhì)量與石油醚體積的比例為自變量，設(shè)置浸提轉(zhuǎn)速為180r/min,浸提時間為2h，分別進(jìn)行實驗得到千層金精油的提取率，千層金葉片質(zhì)量與石油醚體積的比例如表1所示。

表1 千層金葉片質(zhì)量與石油醚體積的比例

1.2.1.2 轉(zhuǎn)速對提取率的影響

控制千層金質(zhì)量與石油醚體積的比例為10∶200，然后將所制混合物放入圓底燒瓶，將圓底燒瓶置于振蕩器振蕩，時間控制為2h，轉(zhuǎn)速為變量，分別設(shè)置為120 r/min，150 r/min，180 r/min，210 r/min，240 r/min。

1.2.1.3 浸提時間對提取率的影響

控制千層金質(zhì)量與石油醚體積的比例為10：200，后將所制混合物放入圓底燒瓶，將圓底燒瓶置于振蕩器振蕩，轉(zhuǎn)速設(shè)置為180r/min，浸提時間分別設(shè)置為1h，2h，3h，4h，5h。

1.2.2 響應(yīng)面實驗設(shè)計

采用Design-Expert8 軟件對實驗進(jìn)行三因素三變量的Box-Behnken實驗設(shè)計，如表1所示，將本研究選擇的三個獨立變量指定為X1,X2,X3和將三個水平編碼規(guī)定為+ 1、0、-1，分別對應(yīng)高值、中間值和低值.

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果

表2 料液比對千層金精油提取率的影響

從數(shù)據(jù)可以看出，在千層金質(zhì)量、浸提時間、浸提轉(zhuǎn)速一定的情況下，千層金精油提取率隨著石油醚的增加而增加，在料液比1∶200時達(dá)到最高。隨著石油醚進(jìn)一步增加，提取出的千層金精油顏色變淡、氣味減弱、純度降低，雖然提取率值增加但效率變低。

表3 浸提時間對千層金精油提取率的影響

從數(shù)據(jù)可以看出，在千層金質(zhì)量、浸提轉(zhuǎn)速、料液比一定的情況下，千層金精油提取率隨著浸提時間的增加而增加，在浸提時間為3h時達(dá)到最高。隨著浸提時間進(jìn)一步增加，提取出的千層金精油顏色變淡、氣味減弱、純度降低，雖然提取率值增加但效率變低。

表4 浸提轉(zhuǎn)速對千層金精油提取率的影響

從數(shù)據(jù)可以看出，在千層金質(zhì)量、浸提時間、料液比一定的情況下，千層金精油提取率隨著浸提轉(zhuǎn)速的增加先增加后降低，在浸提轉(zhuǎn)速為210r/s時達(dá)到最高。

2.2 響應(yīng)面法實驗結(jié)果

響應(yīng)面優(yōu)化千層金精油浸提法提取的結(jié)果分析 以A(浸提時間)、B(料液比)、C(浸提轉(zhuǎn)速)為自變量，以千層金精油的提取率為響應(yīng)值，用Design-Expert 8. 0. 0軟件進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面數(shù)據(jù)分析得到結(jié)果(見表5、6)。綜合分析表中數(shù)據(jù)結(jié)果，得到回歸方程為Y=4.61+0.71A+0.17B-0.21C+0.89AB-0.095AC-0.26BC+0.73A2+0.19B2+0.077C2。

表5 響應(yīng)面分析因素和水平

表6 響應(yīng)面分析試驗設(shè)計及結(jié)果

表7 響應(yīng)面回歸模型方差分析

表7(續(xù))

2.3 響應(yīng)面圖與等高線圖分析

響應(yīng)面是響應(yīng)值對各實驗因素所構(gòu)成的三維空間曲線圖因素對響應(yīng)值影響越顯著，曲面就會越陡峭[9]。而等高線的形狀則反映了兩因素交互作用顯著的程度，橢圓形代表交互作用顯著，接近圓形說明兩因素交互作用不明顯。觀察等高線圖可以發(fā)現(xiàn)圓心處為極值存在的條件[10]。

由圖1可知，當(dāng)沿著浸提時間(A)，料液比(B)分別向峰值移動，隨著料液比和浸提時間的增加，千層金精油的提取率不斷增加，料液比(B)為0.06，浸提時間(A)2.75h左右出現(xiàn)極值，料液比(B)方向等高線密度明顯高于浸提時間(A)方向等高線密度，說明料液比對千層金精油提取率的影響大于浸提時間。

圖1 Y=f(A,B)的等高線圖和響應(yīng)面

由圖2可知，當(dāng)沿著浸提時間(A)，浸提轉(zhuǎn)速(C)分別向峰值移動隨著浸提時間和浸提轉(zhuǎn)速的增加，千層金精油的提取率不斷增加，后下降，在浸提時間(A)為2.95h左右，浸提轉(zhuǎn)速(C)為205r/s時出現(xiàn)極值，浸提時間(A)方向等高線密度明顯高于浸提轉(zhuǎn)速(C)方向等高線密度，說明浸提時間對千層金精油提取率的影響大于浸提轉(zhuǎn)速。

圖2 Y=f(A,C)的等高線圖和響應(yīng)面

由圖3可知，當(dāng)沿著料液比(B)，浸提轉(zhuǎn)速(C)分別向峰值移動，隨著料液比和浸提轉(zhuǎn)速的增加，千層金精油的提取率不斷增加，且料液比(B)為0.05左右，浸提轉(zhuǎn)速(C)為205r/s時出現(xiàn)極值，后千層金精油提取率增加不明顯。料液比(B)方向等高線密度明顯高于浸提轉(zhuǎn)速(C)方向等高線密度，說明料液比對千層金精油提取率的影響大于浸提轉(zhuǎn)速。

圖3 Y=f(B,C)的等高線圖和響應(yīng)面

綜上所述，利用響應(yīng)面分析、多元回歸方程等手段分析浸提時間(A)、料液比(B)、浸提轉(zhuǎn)速(C)對千層金精油提取率的影響，3因素對千層金精油提取率的影響順序為浸提時間>浸提轉(zhuǎn)速>料液比。

2.4 最佳實驗預(yù)測

通過Design-Expert 8. 0. 0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到千層金精油提取的最佳條件是：浸提時間(A)為3.2h、料液比(B)為0.05、浸提轉(zhuǎn)速(C)為180 rad/s，預(yù)計千層金精油的提取率為7.95%。

2.5 驗證實驗

按照由響應(yīng)面法得出的最佳工藝參數(shù)提取千層金精油，在此條件下得到的千層金精油的提取率為7.73%，與預(yù)測值接近，無顯著性差異。說明由響應(yīng)面法得出的模型是可靠、準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論

在千層金精油浸提法提取的三個提取工藝因素-浸提時間、料液比、浸提轉(zhuǎn)速中，料液比和浸提轉(zhuǎn)速的交互作用對千層金精油提取率的影響達(dá)到顯著水平，浸提時間和浸提轉(zhuǎn)速的交互作用對千層金精油提取率的影響不顯著，3因素對千層金精油提取率的影響順序為料液比>浸提時間>浸提轉(zhuǎn)速。優(yōu)化提取條件浸提時間(A)為3.2h、料液比(B)為0.05、浸提轉(zhuǎn)速(C)為180 r/s，預(yù)計千層金精油的提取率為7.95%。