香草兰超临界CO2萃取工艺优化

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摘要：使用国产超临界CO2萃取中试装置，利用均匀设计法研究了香草兰（Vanilla planifolia Andrews）的超临界萃取工艺。以萃取压力、萃取温度、夹带剂乙醇用量和萃取时间为考察因素，确定最佳萃取工艺条件为萃取压力30.9 MPa、萃取温度53.1 ℃、夹带剂乙醇用量1.53 mL/g、萃取时间135 min，此条件下香兰素的萃取率为19.56 mg/g。

关键词：香草兰（Vanilla planifolia Andrews）；超临界co2萃取；均匀设计

中图分类号：TQ654 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）08-1899-02

香草兰（Vanilla planifolia Andrews）又名香子兰、香荚兰、香果兰，属于兰科（Orchidaceae）植物[1]。作为最受欢迎的食用香料之一，其广泛应用于食品、饮料、香水和制药工业[2]。香草兰含有200多种挥发性芳香族香气成分，其中只有26种成分含量超过1 mg/kg，主要香气成分为香兰素（Vanillin），含量为1.0%～2.0%。虽然合成的香兰素可以廉价得到，但由于天然的香兰素拥有独特的风味，此外还有一定的抗菌、抗毒活性，故天然香兰素具有很高的经济价值。为了提高香兰素的萃取率，科学家们付出了不懈的努力。传统的提取方法是用乙醇或乙醇的水溶液萃取，或辅以微波或超声波强化萃取。超临界CO2流体萃取法（Supercritical CO2 fluid extraction，SFE）是一种新型的分离方法，它结合了溶剂萃取和蒸馏两种功能特点。这种方法利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响对不同成分进行萃取，而后改变体系的压力或温度，将已提取的成分基本上或完全地析出，最终达到提取和分离的目的。由于超临界流体具有较低的黏度和较高的扩散系数，比传统的有机溶剂能更有效地穿透多孔性的物质，故能得到更高的萃取率。试验采用国产超临界CO2萃取中试装置，利用均匀设计法设计试验方案，对香草兰中香兰素的超临界CO2萃取工艺进行研究，并对试验结果进行回归分析，以得到最优的萃取工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料

香草兰豆荚由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供，香兰素标准品（99%）购自Acros公司，丁香酚（99%）购自Acros公司，CO2（99.9%）购自海南佳腾化工气体有限公司，HA121-50-01（02）型超临界流体萃取装置购自南通市华安超临界萃取有限公司，RT-02A型粉碎机购自台湾泓荃制药机械公司，BT124S型电子天平购自赛多利斯科学仪器（北京）有限公司，HP6890/5973MSD型气质联用仪购自美国惠普公司。

1.2 方法

1.2.1 超临界CO2萃取工艺 将香草兰豆荚低温干燥，用粉碎机粉碎，取10 g粉末置于2 L萃取釜中进行萃取。萃取完成后，将萃取物用无水乙醇定容至250 mL，用气相色谱分析香兰素的含量。选择萃取压力、萃取温度、夹带剂乙醇用量及萃取时间为工艺条件，利用均匀设计法设计试验方案，考察不同工艺条件下香兰素的萃取率，并求得最佳工艺条件。固定的工艺参数为分离温度为40 ℃，分离压力分别为12 MPa（分离釜1）和7 MPa（分离釜2），萃取剂流量为15 L/h。

1.2.2 萃取工艺条件的设计 使用均匀设计法设计试验方案[3]。选取萃取压力（x1）、萃取温度（x2）、夹带剂乙醇用量（x3）及萃取时间（x4）为考察因素，以香兰素萃取率（y）为考察指标。试验因素与水平见表1。

1.2.3 气相色谱分析 将HP-5MS型毛细管柱（30 m×250 μm×0.25 μm）程序升温，起始温度为50 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升温到240 ℃，保持至分析完成。载气为He（99.99%），进样口温度为280 ℃，压力为26.4 kPa，总流量为44 mL/min，分流比为40∶1。以丁香酚作内标物[4]。

1.2.4 气质分析 采用全扫描采集模式和电子倍增器电压模式，增益系数为1.00，结果EM电压为1 282 V，离子源温度为230 ℃，四级杆温度为150 ℃，溶剂迟缓2.0 min。

2 结果与分析

2.1 超临界CO2萃取工艺的回归模型

利用超临界CO2萃取香草兰豆荚中的香兰素，9个水平下的香兰素萃取率分别为7.28、10.51、10.11、8.95、10.89、18.37、15.40、9.18和6.41 mg/g。使用统计软件SPSS对试验结果进行逐步回归分析，得到如下二次多项式回归模型： ■=-160.893+6.574x1+2.712x2+1.690x3-0.023x4-0.048x12+0.009x22-0.087x1x2。此回归模型的R2为0.967，说明回归的拟合度非常高；回归部分的F为41.78，模型整体的P为0，小于显著水平0.05，说明所建立的回归方程是显著的[5]；模型中常数项和4个自变量系数的P分别为0.001、0.008、0.005、0.011、0.001，其都小于0.05显著性水平。利用所得模型在相应区间求极值，利用Excel线性规划求解，得到最优条件为：x1=30.9 MPa，x2=53.1 ℃，x3=1.53 mL/g，x4=135 min。此时，根据所得回归方程，香草兰豆荚中香兰素理论萃取率为22.53 mg/g。

2.2 验证试验结果

根据上述得到的最佳工艺参数，按照相同的试验方法和步骤，3次重复，得到实测萃取率的平均值为19.56 mg/g，与预测值相差不大，说明该均匀设计试验比较成功。

2.3 萃取物气相色谱-质谱研究结果

所得香草兰萃取物为淡黄色液体，比用普通溶剂萃取的产物颜色浅。将萃取物用气相色谱-质谱进行成分鉴定，所得结果与NIST08.L谱图库进行检索比对，结合已知文献[6，7]，鉴定出6个主要成分，结果如表2所示。香草兰的超临界CO2萃取物组分总离子流图见图1。

3 结论

利用均匀设计法，使用国产超临界CO2萃取中试装置，萃取香草兰中的芳香成分。优化的工艺参数为萃取压力30.9 MPa，萃取温度53.1 ℃，夹带剂乙醇用量1.53 mL/g，萃取时间135 min，每克香草兰豆荚中能得到香兰素19.56 mg，萃取率为19.56 mg/g。为利用国产超临界CO2萃取装置从香草兰中萃取香兰素的工业化打下了基础。

参考文献：

[1] 王佩珍. 试论我国热带地区栽培香草兰的可行性[J]. 热带作物研究，1986（4）：53-58.

[2] SINHA A K，SHARMA U K，SHARMA N. A comprehensive review on vanilla flavor：Extraction， isolation and quantification of vanillin and others constituents[J]. International Journal of Food Sciences and Nutrition，2008，59（4）：299-326.

[3] 曾昭君. 均匀设计及其应用[M]. 北京：中国医药科技出版社，2005.

[4] NY/T 713-2003，香草兰豆荚中香兰素的测定[S].

[5] 陈胜可. SPSS统计分析从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2010.

[6] SOSTARIC T，BOYCE M，SPICKETT E. Analysis of the volatile components in vanilla extracts and flavorings by solid-phase microextraction and gas chromatography[J]. J Agric Food Chem，2000，48（12）：5802-5807.

[7] PEREZ-SILVA A，ODOUX E，BRAT P，et al. GC-MS and GC-olfactometry analysis of aroma compounds in a representative organic aroma extract from cured vanilla （Vanilla planifolia G. Jackson） beans[J]. Food Chemistry，2006，99（4）：728-735.