响应面法优化超临界CO2法萃取废弃烟叶中类胡萝卜素的工艺条件

　　摘要：采用超临界CO2法萃取废弃烟叶中类胡萝卜素，以类胡萝卜素提取率为指标，在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken响应面法对萃取工艺的关键因素萃取压力、萃取温度、萃取时间和CO2流速进行优化。结果表明，萃取温度、萃取压力和CO2流速的交互作用对烟叶中类胡萝卜素的提取率影响极显著；萃取压力的影响显著。优化得到超临界CO2法提取烟叶中类胡萝卜素的最优条件为萃取压力23.53 MPa、萃取时间1.72 h、萃取温度50.00 ℃、CO2流速8.05 L/h，此条件下烟叶中类胡萝卜素的提取率为285.1 μg/100 g。
　　关键词：烟草；类胡萝卜素；超临界CO2萃取；响应面法
　　中图分类号：S572；R284.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）03-0654-05
　　烟草中的类胡萝卜素主要包括胡萝卜素和叶黄素，此外还有少量胡萝卜素的含氧衍生物。类胡萝卜素作为烟草中许多重要致香成分的前体物，对烟气香味品质的形成具有重要作用。同时，类胡萝卜素具有抗氧化、抗癌、保护心血管和增强免疫力等多种生物学功能[1-3]。中国是烟草生产大国，每年有450万～500万t出产，产生90万～150万t烟草废弃物[4]。如何充分发挥这些“废弃物”的潜在价值，变废为宝，提高烟叶的利用率是目前亟待解决的问题。
　　超临界流体萃取技术是一项基于高于临界温度和压力的流体对被萃取物具有很好的溶解能力的性能，对物质进行分离和提取的新型分离技术，具有无毒、无害、无污染等优点。采用超临界萃取技术提取类胡萝卜素，所得产品中无溶剂残留，可在较低温度下操作，为类胡萝卜素的提取提供了有效的方法[5-10]。
　　本研究在超临界CO2法萃取废弃烟叶中类胡萝卜素的基础上，采用Box-Behnken响应面法对萃取条件进行优化，对烟草废弃物的综合利用和卷烟加香减害具有重要的现实意义。
　　1 材料与方法
　　1.1 材料与仪器
　　本试验所用废弃烟叶取自青岛卷烟厂。将废弃烟叶在50 ℃下烘干，用植物粉碎机粉碎，过40目筛，将烟粉装袋，贴上标签作为待测样品。
　　主要试剂包括石油醚（沸程60～90 ℃，天津凯通化学试剂有限公司）、无水Na2SO4与无水乙醇（分析纯，天津凯通化学试剂有限公司）、CO2气体（洛阳氮肥厂）等；主要仪器有植物样品粉碎机、试验筛（孔径0.42 mm）、TC-6K型电子天平（常熟双杰测试仪器厂）、752N紫外可见分光光度计（上海仪电分析仪器有限公司）、HL-（5+1）L/50-ⅢBQ型超临界流体（CO2）萃取装置（杭州华黎泵业有限公司）等。
　　1.2 试验方法
　　1.2.1 超临界CO2法提取烟叶中类胡萝卜素 准确称取粉碎得到的烟粉100 g，装入萃取器中，使烟末充分溶于超临界CO2中，设定超临界流体（CO2）萃取装置的萃取温度、萃取压力、CO2流速等条件，萃取一定的时间。
　　1.2.2 萃取液分析 将接收瓶中萃取液经漏斗过滤，取下部透明滤液装入小烧杯中待用。向小烧杯中加入适量无水Na2SO4，充分吸收滤液中的水分后过滤，将滤液移入50 mL的容量瓶中。向容量瓶中加入适量石油醚，定容。溶液混合均匀后，取适量分装入3个比色皿，以石油醚作对照，在450 nm波长处测定溶液的吸光度，并记录数据。计算类胡萝卜素提取率。
　　提取率=A1×C/（A0×m）×V
　　式中，A1为样品在450 nm处的吸光度；C为β-胡萝卜素石油醚标准液的浓度，试验采用10 mg/mL β-胡萝卜素石油醚溶液作为标准液；A0为10 mg/mL β-胡萝卜素石油醚溶液在450 nm处的吸光度，试验中测得为2 500；m为烟叶粉末样品质量（g）；V为样品中总胡萝卜素萃取液的体积（mL）。
　　1.2.3 单因素试验 设置单因素试验分别考察超临界CO2萃取时萃取压力、萃取温度、萃取时间和CO2流速对类胡萝卜素提取率的影响。①萃取压力。萃取温度50 ℃、CO2流速8 L/h、萃取时间2.0 h，萃取压力分别为10、15、20、25、30 MPa。②萃取温度。CO2流速8 L/h、萃取时间2.0 h、萃取压力20 MPa，萃取温度分别为35、40、45、50、55 ℃。③萃取时间。CO2流速8 L/h、萃取时间2.0 h、萃取压力20 MPa、萃取温度50 ℃，萃取时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h。④CO2流速。萃取压力20 MPa、萃取温度50 ℃、萃取时间1.5 h，CO2流速分别为6、7、8、9、10 L/h。
　　1.2.4 响应面试验 采用Design-Expert软件设计响应面试验，根据单因素试验结果确定响应面试验各因素的水平范围，选用Box-Behnken模型，以烟叶中类胡萝卜素的提取率为响应值，做四因素三水平共29个试验点的二次回归正交组合设计试验。
　　2 结果与分析
　　2.1 单因素试验结果
　　2.1.1 萃取压力对类胡萝卜素提取率的影响 在超临界萃取过程中，压力是影响溶解度的主要因素之一，不同萃取压力对烟叶中类胡萝卜素提取率的影响结果见图1。从图1可以看出，试验范围内类胡萝卜素提取率随着萃取压力的增大而升高，萃取压力从10 MPa增大至20 MPa，提取率大幅度升高；当萃取压力从25 MPa增大到30 MPa时，提取率增加缓慢。考虑到压力过大会增加设备投资，故萃取压力选择20 MPa。
　　2.1.2 萃取温度对类胡萝卜素提取率的影响 不同萃取温度对类胡萝卜素提取率的影响结果见图2。从图2可以看出，类胡萝卜素提取率随萃取温度的升高先上升，萃取温度为45 ℃时达到最高，继续升高温度，提取率反而略有下降。萃取温度升高时溶质的饱和蒸汽压上升，会使溶解度增加，但温度上升也会引起CO2密度下降，导致溶解度下降。此外，萃取温度过高会造成类胡萝卜素有效成分的分解，含量下降，因此萃取温度不宜过高。

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