響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界CO2法萃取廢棄煙葉中類胡蘿卜素的工藝條件

　　摘要：采用超臨界CO2法萃取廢棄煙葉中類胡蘿卜素，以類胡蘿卜素提取率為指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)萃取工藝的關(guān)鍵因素萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間和CO2流速進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，萃取溫度、萃取壓力和CO2流速的交互作用對(duì)煙葉中類胡蘿卜素的提取率影響極顯著；萃取壓力的影響顯著。優(yōu)化得到超臨界CO2法提取煙葉中類胡蘿卜素的最優(yōu)條件為萃取壓力23.53 MPa、萃取時(shí)間1.72 h、萃取溫度50.00 ℃、CO2流速8.05 L/h，此條件下煙葉中類胡蘿卜素的提取率為285.1 μg/100 g。
　　關(guān)鍵詞：煙草；類胡蘿卜素；超臨界CO2萃取；響應(yīng)面法
　　中圖分類號(hào)：S572；R284.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）03-0654-05
　　煙草中的類胡蘿卜素主要包括胡蘿卜素和葉黃素，此外還有少量胡蘿卜素的含氧衍生物。類胡蘿卜素作為煙草中許多重要致香成分的前體物，對(duì)煙氣香味品質(zhì)的形成具有重要作用。同時(shí)，類胡蘿卜素具有抗氧化、抗癌、保護(hù)心血管和增強(qiáng)免疫力等多種生物學(xué)功能[1-3]。中國是煙草生產(chǎn)大國，每年有450萬～500萬t出產(chǎn)，產(chǎn)生90萬～150萬t煙草廢棄物[4]。如何充分發(fā)揮這些“廢棄物”的潛在價(jià)值，變廢為寶，提高煙葉的利用率是目前亟待解決的問題。
　　超臨界流體萃取技術(shù)是一項(xiàng)基于高于臨界溫度和壓力的流體對(duì)被萃取物具有很好的溶解能力的性能，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離和提取的新型分離技術(shù)，具有無毒、無害、無污染等優(yōu)點(diǎn)。采用超臨界萃取技術(shù)提取類胡蘿卜素，所得產(chǎn)品中無溶劑殘留，可在較低溫度下操作，為類胡蘿卜素的提取提供了有效的方法[5-10]。
　　本研究在超臨界CO2法萃取廢棄煙葉中類胡蘿卜素的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)萃取條件進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)煙草廢棄物的綜合利用和卷煙加香減害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　1 材料與方法
　　1.1 材料與儀器
　　本試驗(yàn)所用廢棄煙葉取自青島卷煙廠。將廢棄煙葉在50 ℃下烘干，用植物粉碎機(jī)粉碎，過40目篩，將煙粉裝袋，貼上標(biāo)簽作為待測樣品。
　　主要試劑包括石油醚（沸程60～90 ℃，天津凱通化學(xué)試劑有限公司）、無水Na2SO4與無水乙醇（分析純，天津凱通化學(xué)試劑有限公司）、CO2氣體（洛陽氮肥廠）等；主要儀器有植物樣品粉碎機(jī)、試驗(yàn)篩（孔徑0.42 mm）、TC-6K型電子天平（常熟雙杰測試儀器廠）、752N紫外可見分光光度計(jì)（上海儀電分析儀器有限公司）、HL-（5+1）L/50-ⅢBQ型超臨界流體（CO2）萃取裝置（杭州華黎泵業(yè)有限公司）等。
　　1.2 試驗(yàn)方法
　　1.2.1 超臨界CO2法提取煙葉中類胡蘿卜素 準(zhǔn)確稱取粉碎得到的煙粉100 g，裝入萃取器中，使煙末充分溶于超臨界CO2中，設(shè)定超臨界流體（CO2）萃取裝置的萃取溫度、萃取壓力、CO2流速等條件，萃取一定的時(shí)間。
　　1.2.2 萃取液分析 將接收瓶中萃取液經(jīng)漏斗過濾，取下部透明濾液裝入小燒杯中待用。向小燒杯中加入適量無水Na2SO4，充分吸收濾液中的水分后過濾，將濾液移入50 mL的容量瓶中。向容量瓶中加入適量石油醚，定容。溶液混合均勻后，取適量分裝入3個(gè)比色皿，以石油醚作對(duì)照，在450 nm波長處測定溶液的吸光度，并記錄數(shù)據(jù)。計(jì)算類胡蘿卜素提取率。
　　提取率=A1×C/（A0×m）×V
　　式中，A1為樣品在450 nm處的吸光度；C為β-胡蘿卜素石油醚標(biāo)準(zhǔn)液的濃度，試驗(yàn)采用10 mg/mL β-胡蘿卜素石油醚溶液作為標(biāo)準(zhǔn)液；A0為10 mg/mL β-胡蘿卜素石油醚溶液在450 nm處的吸光度，試驗(yàn)中測得為2 500；m為煙葉粉末樣品質(zhì)量（g）；V為樣品中總胡蘿卜素萃取液的體積（mL）。
　　1.2.3 單因素試驗(yàn) 設(shè)置單因素試驗(yàn)分別考察超臨界CO2萃取時(shí)萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間和CO2流速對(duì)類胡蘿卜素提取率的影響。①萃取壓力。萃取溫度50 ℃、CO2流速8 L/h、萃取時(shí)間2.0 h，萃取壓力分別為10、15、20、25、30 MPa。②萃取溫度。CO2流速8 L/h、萃取時(shí)間2.0 h、萃取壓力20 MPa，萃取溫度分別為35、40、45、50、55 ℃。③萃取時(shí)間。CO2流速8 L/h、萃取時(shí)間2.0 h、萃取壓力20 MPa、萃取溫度50 ℃，萃取時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h。④CO2流速。萃取壓力20 MPa、萃取溫度50 ℃、萃取時(shí)間1.5 h，CO2流速分別為6、7、8、9、10 L/h。
　　1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn) 采用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定響應(yīng)面試驗(yàn)各因素的水平范圍，選用Box-Behnken模型，以煙葉中類胡蘿卜素的提取率為響應(yīng)值，做四因素三水平共29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的二次回歸正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)。
　　2 結(jié)果與分析
　　2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果
　　2.1.1 萃取壓力對(duì)類胡蘿卜素提取率的影響 在超臨界萃取過程中，壓力是影響溶解度的主要因素之一，不同萃取壓力對(duì)煙葉中類胡蘿卜素提取率的影響結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，試驗(yàn)范圍內(nèi)類胡蘿卜素提取率隨著萃取壓力的增大而升高，萃取壓力從10 MPa增大至20 MPa，提取率大幅度升高；當(dāng)萃取壓力從25 MPa增大到30 MPa時(shí)，提取率增加緩慢�？紤]到壓力過大會(huì)增加設(shè)備投資，故萃取壓力選擇20 MPa。
　　2.1.2 萃取溫度對(duì)類胡蘿卜素提取率的影響 不同萃取溫度對(duì)類胡蘿卜素提取率的影響結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，類胡蘿卜素提取率隨萃取溫度的升高先上升，萃取溫度為45 ℃時(shí)達(dá)到最高，繼續(xù)升高溫度，提取率反而略有下降。萃取溫度升高時(shí)溶質(zhì)的飽和蒸汽壓上升，會(huì)使溶解度增加，但溫度上升也會(huì)引起CO2密度下降，導(dǎo)致溶解度下降。此外，萃取溫度過高會(huì)造成類胡蘿卜素有效成分的分解，含量下降，因此萃取溫度不宜過高。

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