全 文 ：基金项目： 中国热带农业科学院院基金项目（No. RKY0729）资助。
作者简介： 赵建平， 1965 年生， 男， 研究员， 学士， 主要从事植物香料的研究与开发。
* 通讯作者： 彭黎旭， 研究员， 博士， 主要从事天然产物化学研究。
收稿日期： 2009-03-04 修回日期： 2009-05-07
第 30 卷 第 6 期 热 带 作 物 学 报 Vol．30 No．6
2009 年 6 月 CHINESE JOURNAL OF TROPICAL CROPS Jun.2009
均匀设计优化香草兰中香兰素的超临界萃取工艺
赵建平 1， 谭乐和 1， 宋应辉 1， 姜 欣 2， 蔡春茂 2， 彭黎旭 3*
1中国热带农业科学院香料饮料研究所， 海南万宁 571533
2中国热带农业科学院分析测试中心， 海口 571101
3中国热带农业科学院广州实验站， 广州 510140
摘要 研究超临界 CO2萃取香草兰豆荚中香兰素等香料成分的工艺， 以香兰素产量为检测指标， 使用均匀设计-偏
最小二乘法回归分析， 优化萃取工艺的压力、 温度、 时间和夹带剂乙醇的体积 4 个因子， 确定最佳提取工艺条件
为： 压力 41.10 MPa， 温度 50 ℃， 时间 180 min， 夹带剂体积 5.0 mL， 此时， 20 g 香草兰原料萃取香兰素的理论
产量为 177.211 mg。 对该技术应用于香草兰中香兰素提取产业化的前景和可行性进行分析探讨。
关键词 香兰素； 超临界； CO2萃取； 均匀设计
中图分类号 TQ424.19
香草兰（Vanilla planifolia）属兰科（Orchidaceae）植物， 又名香子兰、 香荚兰、 香果兰， 其酊剂和香膏
是最常见的高档食品香料， 可应用于冰激凌、 蛋糕、 巧克力、 糖果、 酒精饮料、 香烟和软饮料等各类食
品[1~3]。 香草兰中主要的香气成分是香兰素， 传统的提取方法是用有机溶剂萃取， 其成本高、 费时， 且有
溶剂残留。 近几十年发展起来的超临界流体萃取技术因具有快速简便、 无污染、 萃取精确易控及不改变
萃取物性质等优点， 在香料、 食品、 石油等产业领域得到广泛应用。 近年来中国也开展了此领域的研究
与产业开发， 取得了较大的进展[4~7]。 本课题组使用均匀设计， 选择萃取压力、 温度、 时间和夹带剂乙醇
体积四因子作为考查因子， 对香草兰中香兰素等香料成分超临界 CO2（SFE-CO2）提取工艺进行系统研究， 并
应用偏最小二乘法（Partial least square， PLS）建立二次多项式回归模型[8]， 通过对各因子条件进行优化[9~14]，
探讨超临界 CO2萃取应用于香草兰中香料成分研究的优缺点及产业化可行性， 旨在为香草兰的产业化开
发提供依据。
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饮所提供， 经测定其香兰素含量为 10.05 mg/g； 乙醇（分析纯），
广州化学试剂厂生产； 香兰素标准品（纯度>质量分数 95％）， 购自 Sigma公司， 0℃保存。
1.2 仪器
超临界流体萃取系统： SFE-T， 美国 SFT 公司产品； Waters 液相色谱仪（包括 510 泵， 490E 可变波长
紫外及可见光检测器， 717Plus 自动进样器， Empower 数据处理系统）， 美国 Waters 公司产品； 电子天平：
PB3002-N（0.01 g）梅特勒-托利多仪器购自上海有限公司。
1.3 方法
1.3.1超临界 CO2萃取 以乙醇为夹带剂， 进行静态萃取。 将香草兰豆荚低温干燥， 粉碎， 取 20 g 粉
末置于 100 mL 萃取釜中， 加入定量乙醇， 设定萃取压力和温度， 达到条件时开始计时。 萃取完成后加入
10 mL 乙醇溶解定容萃取产物。 取 1 mL 乙醇溶解液， 稀释至 100 mL， 使用 HPLC 测定香兰素含量。
热 带 作 物 学 报 30 卷
1.3.2萃取工艺设计 选择萃取压力（x1）、 温度（x2）、 时间（x3）和夹带剂乙醇体积（x4）等四因子为考察因
子。 试验选用均匀设计表 U16* （1612）进行， 考核指标为产品中的香兰素质量。 每因子水平数为 8， 并分别
循环 2 次拟合成 16 水平， 因子的试验水平数见表 1。
1.3.3高效液相色谱分析 采用 C18 分析柱（3.9 mm × 150 mm， 10 μm）， 流动相： 乙腈与 0.05％磷酸水
的体积比为 2 ∶ 8的溶液， UV扫描检测， 波长 254 nm， 采用外标法确定提取物中香兰素的含量[15]。
1.3.4数据处理 使用 DPS软件， 选用偏最小二乘回归分析程序对数据进行处理[8]。
2 结果与分析
2.1 超临界 CO2萃取工艺回归模型
超临界 CO2萃取香草兰豆荚香气成分物质试验结
果见表 2。 使用 DPS软件对试验结果进行分析， 可得
到模型效应及因变量权数、 模型效应符合量、 各自变
量对各因变量作用的标准回归系数等结果， 表 3列出
了各自变量主效应的标准回归系数。 由表 3可见， 自
变量 x1、 x2 和 x3对因变量 y 的主效应为正， 而 x4 对
因变量 y的主效应为负。
根据偏最小二乘回归分析结果， 考虑因变量的优
化， 得到如下二次多项式回归模型：
y=52.091 9-3.365 6x1+1.483 2x2+0.026 1x3+0.189 2x4+
0.098 8x12-0.018 1x22+0.000 3x32+0.597 8x42+0.002 0x1x2+
0.006 2x1x3-0.225 5x1x4-0.000 9x2x3+0.038 2x2x4-0.028 0x3x4
该二次多项式回归模型的拟合效果见表 4 误差平
方和。 表 4 显示潜变量个数为 1 时数据标准化后模
型误差平方和和 PRESS 统计量情况， 并可得到相应
组分时的模型拟合的复相关系数 R。 可以看出， 当
潜变量为 1 时， R 为 0.873 8， 回归模型的拟合程度
较好。
根据设定的优化条件对回归模型进行优化， 在试
验范围内通过寻优可以得到最优的超临界 CO2 萃取
条件为： 压力 41.10 MPa， 温度 50℃， 时间 180 min， 夹带剂体积 5.0 mL， 此时， 根据所得回归方程， 20 g
香草兰原料可以萃取得到香兰素的理论产量为 177.211 mg。
2.2 验证性试验
根据超临界 CO2萃取香兰素试验所得到的最佳工艺， 按照试验步骤进行验证试验， 重复 3 次， 得到
该工艺实测值的平均值为 149.328 mg， 与预测值之间相对相差均小于 20％， 说明该回归较好的反应了实
际情况， 对实际生产具有指导意义。

  



                   

            



        

         

        

 
   



 
 
   
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

     








        

   

  
   
   
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6期
3 讨论
3.1 偏最小二乘回归分析优化均匀设计可行性分析
均匀设计法由专门的均匀设计表安排试验， 在均匀设计表的试验点范围内 “均匀分散” 而不考虑
“整齐可比”， 故在保证试验准确反应试验内部规律的同时， 使得试验次数比其它试验设计方法大大减少，
可以显著的节约试验成本， 提高试验效率[16~17]。 偏最小二乘回归在建模的同时实现了数据结构的简化 [18]，
因此， 可以在二维平面上对多维数据的特性进行观察， 这使得在偏最小二乘回归分析中对各个因素的影
响进行分析。 在一次偏最小二乘回归分析计算后， 不但可以得到多因变量对多自变量的回归模型， 而且
可以在两维平面上直接观察两组变量之间的相关关系， 以及观察样本点间的相似结构。 这种高维数据多
个层面的可视见性， 可以使数据系统的分析内容更加丰富， 同时又可以对所建立的回归模型给予许多更
详细深入的实际解释。 偏最小二乘回归分析的这些将非模型方式的数据认识性分析方法和优化模型方法
集中起来的特点及多因变量建模功能正适合均匀设计试验结果数据分析和优化模型的建立。 因此， 偏最
小二乘回归分析建模技术将均匀设计的更广泛应用提供有力的技术支持。
3.2 超临界 CO2萃取工艺模型合理性分析
应用均匀设计对超临界 CO2萃取香草兰中香兰素的工艺进行研究， 目前国内尚未见报道。 采用偏最
小二乘回归进行分析， 试验回归模型复相关系数 R=0.873 8， 与实际情况拟合较好。 根据模型对 16 组试
验数据条件进行预测， 可知实测值与预测值之间的绝对误差均很小， 说明试验结果与预测结果较吻合。
根据试验模型推优所得到的最佳工艺条件， 进行验证试验， 分别称取 20 g 香草兰原料， 重复萃取 3 次得
到香兰素平均产量为 149.328 mg， 与模型预测值 147.923 8 mg 之间相对偏差均小于 20％， 说明该回归模
型较好的反映了实际情况， 对实际生产具有指导意义。
3.3 超临界 CO2萃取香草兰香料成分可行性分析
超临界流体萃取技术在提取各种香料、 色素、 油脂、 药用成分等方面表现出巨大的潜力。 但目前该
技术应用于大型工业化生产仍然有较大的阻力， 其主要原因原始投资过高和技术含量较高， 使得经济风
险过大。 在香草兰香料成分的萃取过程中， 通过萃取条件的优化， 使得香料成分的提取率在 75％以上，
提取产物具有纯度高、 香气纯正、 无化学试剂残留等优势， 可较好的满足产业化开发。
参 考 文 献
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赵建平等： 均匀设计优化香草兰中香兰素的超临界萃取工艺 879
热 带 作 物 学 报 30 卷
Optimizing of Supercritical Extraction Techniques
for Vanillin from Vanilla Bean
Zhao Jianping1, Tan Lehe1, Song Yinghui1, Jiang Xin2, Cai Chunmao2, Peng Lixu3
1 Spice Beverage Research Institute, CATAS, Wanning, Hainan 571533, China;
2 Analysis and Testing Center, CATAS, Haikou, Hainan 571101, China
3 Guangzhou Experimental Station, CATAS,Guangzhou, 510140, China
Abstracts Vanilla bean is one of the most popular raw materials with interesting flavor and taste.
Supercritical CO2 extraction(SFE-CO2) was used to produce vanillin flavor extracts from the vanilla bean.
The uniform design and partial least square methods were used to optimize the extraction conditions. And
the optimal condition for extraction was established as: pressure 41.10 MPa, the temperature 50 ℃ , the
extraction time 180 min, and the ethanol volume 5.0 mL. The extracts under this optimal condition would
produce 177.211 mg of vanillin theoretically, indicating most vanillin could be extracted from vanilla bean
with the SFE. Feasibility of commercialization of vanillin from vanilla bean by using the SFE is also
discussed.
Key words vanillin; supercritical CO2 extraction; uniform design.
责任编辑： 高 静 赵军明
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