全 文 ：Science and Technology of Food Industry 工 艺 技 术
2013年第20期
响应面法优化超临界CO2提取青花椒
麻味成分的工艺条件
卢友庆，薛小辉，蒲 彪*
（四川农业大学食品学院，四川雅安 625014）
摘 要：目的：优化超临界CO2提取青花椒麻味成分的工艺条件。方法：在单因素实验的基础上，采用三因素三水平的
Box-Behken中心组合设计确定超临界CO2分离青花椒麻味成分的工艺条件。结果：在实验范围内各因素对青花椒麻味
成分的得量影响程度从大到小依次为：萃取温度＞萃取压力＞萃取时间；最佳工艺参数为萃取压力为29MPa，萃取温度
45℃，萃取时间89min，分离器Ⅰ压力为12MPa，分离器Ⅰ温度为30℃，分离器Ⅱ压力为8MPa，分离器Ⅱ温度为37℃、精
馏柱压力5MPa，精馏柱温度依次为35、40、45、50，麻味成分萃取率为2.2%。结论：超临界CO2无有机溶剂残留，提取方
法简便，效率高，可作为花椒麻味物质的提取工艺。
关键词：青花椒，超临界CO2，麻味成分，响应面
Optimizing supercritical carbon dioxide extraction process of
spicy component from Zanthoxylum bungeanum by
response surface methodology
LU You-qing，XUE Xiao-hui，PU Biao*
（Food Science College，Sichuan Agricultural University，Ya’an 625014，China）
Abstract：Objective：To optimize the supercritical carbon dioxide extraction process for spicy component from
Zanthoxylum bungeanum to improve extraction efficiency. Methods：Based on the single-factor experiments，
the Box -Behnken center -united experimental design principles for 3 factors were used to determine the
experiments condition and the response surfaces analysis. Results：Within the tested level ranges，the impact of
three process parameters on the weight of spicy component from big to small was extraction temperature，
extraction press，extraction time in turn. The optimum extraction temperature was 45℃ and extraction press
was 29MPa，extraction time was 89min，the pressure and temperature of separator I was 12MPa and 30℃，the
pressure and temperature of separator II was 8MPa and 37℃ ，and the pressure of rectifying column was
5Mpa，the temperature of rectifying column were 35，40，45，50℃ ，and the extraction rate of spicy component
from Zanthoxylum bungeanum was 2.2% .Conclusion：Supercritical carbon dioxide was beneficial to no-residue
methodology，convenient operation and improve extraction efficiency and consequently，suitable for the
extraction of spicy component from Zanthoxylum bungeanum.
Key words：Zanthoxylum bungeanum ； supercritical carbon dioxide ； spicy component ； response surface
methodology
中图分类号：TS201.1 文献标识码：B 文 章 编 号：1002-0306（2013）20-0284-05
收稿日期：2013－04－09 * 通讯联系人
作者简介：卢友庆（1986-），男，在读硕士，研究方向：果蔬加工理论与
技术。
日常生活中所说的青花椒是指的青花椒的干燥
果皮[1]。花椒在中国作为特色辛香料和中药材有着悠
久的历史，四川汉源的花椒自唐代开始就为贡品，因
此，被称为“贡椒”。花椒在中国具有较大的种植面
积，山东泰安、山西运城、陕西韩城、四川金阳和重庆
江津都是花椒的生产基地，已成为各地的主要经济
作物。
青花椒的主要成分有挥发油、生物碱、酰胺类物
质、木脂素、香豆素和脂肪酸，另外还有一些含量较
少的成分比如烃类、甾醇及黄酮甙类等[2-4]。挥发油和
酰胺类物质是花椒的主要风味物质。酰胺类物质为
花椒的麻味成分，除了作为调味品以外，它还具有抑
菌杀虫[5-7]、抗氧化作用[8]、抗癌作用[9]、抑制血小板凝
固和减少心脑血管疾病等作用。目前多数研究主要
针对花椒挥发油的研究，对花椒麻味成分的研究较
少，特别是针对其高效萃取分离方法的研究更少。分
析花椒麻味成分的组分与找出更有效的萃取分离方
法对促进花椒麻味成分的研究进展具有重要意义。
花椒风味物质的总萃取量是实际生产中衡量花椒萃
取工艺好坏的重要指标之一，可为花椒麻味成分的
284
DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2013.20.074
工 艺 技 术
2013年第20期
Vol . 34 , No . 20 , 2013
萃取提供数据参考。本文主要针对超临界CO2的高效
快速的萃取特点，对其工艺进行研究，此工艺更适合
工厂大量萃取分离花椒麻味成分。本文采用响应面
法优化花椒麻味成分的提取工艺旨在克服传统提取
方法中溶剂残留、提取率低的问题，便于提取物更好
的应用到食品添加剂和医药等领域。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
青花椒 2012年四川金阳产的青花椒；CO2气
体 纯度大于99%；无水乙醇 分析纯。
UV-3000PC型扫描型紫外可见分光光度计 上
海美谱达仪器；DHG-9245A型电热恒温鼓风干燥
箱 上海一恒科学仪器有限公司；Es-10K型电子天
平、FA2004型电子天平、RE52-99型旋转蒸发器 上
海亚荣生化仪器厂；SHBⅢ型循环水多用真空泵 菏
泽市鑫源仪器仪表有限公司；LX-04型多功能粉粹
机 上海江信科技有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 青花椒麻味成分标准曲线的绘制 本实验中
采用的青花椒麻味成分标准品为实验室内自制标
品。将花椒麻味成分的粗提物经过D152树脂脱色、硅
胶柱层析、聚酰胺层析和凝胶层析，得到的物质经红
外光谱和质谱分析，与现有的花椒酰胺类物质进行
对比，推断为羟基-α-山椒素或羟基-β-山椒素。此
物质是花椒麻味成分的主要组成成分，因此以该物
质作为花椒花椒麻味成分的标品绘制花椒麻味成分
的标准曲线。
1.2.2 青花椒麻味成分的提取工艺 青花椒→干燥→
粉碎→过筛→称重（称取150g）→装料→控制合适的温度、压
力等实验条件→在超临界状态下萃取由分离釜Ⅱ获得麻味
物质。
1.2.3 单因素实验 称取花椒150g按照1.2.2提取花
椒麻味物质，称取0.5g麻味物质，溶于1mL 70%乙醇
中，稀释20倍后取3mL放入装有1g D152树脂的三角
瓶中，保鲜膜封口放在振荡培养箱中过夜，取滤液稀
释10000倍后在254nm条件下测其紫外吸光值，根据
标准曲线计算花椒麻味物质的含量，然后换算得到
150g花椒中麻味物质的质量。
选取花椒粒度、萃取时间、萃取温度、萃取压力、
分离器Ⅰ温度进行单因素实验，以麻味物质的萃取
率为指标，指标的计算如下：
麻味物质的萃取率（%）=提取的麻味物质的质量
青花椒总质量
×100
1.2.4 Box-Behnken中心组合设计实验 根据单因
素实验结果，以萃取压力、萃取温度和萃取时间作
自变量，进行三因素三水平的Box-Benhnken中心组
合实验，固定花椒粒度为200目；分离器温度Ⅰ为
30℃、压力为12MPa；分离器Ⅱ压力为8MPa，温度为
37℃；精馏柱压力5MPa，温度依次为35、40、45、50℃；
CO2流量为19L/h。以花椒麻味物质的质量为响应值，
优化提取工艺，响应面实验因素水平及编码如表1
所示。
1.3 数据分析
利用Design Expert 8.0分析软件及Excel程序对
实验结果进行分析。
2 结果与分析
2.1 花椒麻味成分标准曲线
将花椒麻味成分标品进行不同倍数的稀释，得
到的标准曲线方程为Y=0.02936X，R2=0.9999，标准
曲线如图1所示。
2.2 单因素实验
2.2.1 花椒粒度的影响 萃取压力为32MPa、温度
为55℃；分离器Ⅰ压力为12MPa，温度为30℃；分离器
Ⅱ压力为8MPa，温度为37℃；精馏柱压力5MPa，温度
分别为35、40、45、50℃；CO2流量为19L/h。考察10、20、
40、60、80目花椒萃取2h后花椒麻味物质的质量和萃
取总量，结果如图2所示。
由图2可知，目数对麻味物质和萃取总量的影响
趋势大致相同，随着目数的增加两者含量都出现增
实验因素
因素水平及编码
-1 0 1
A 萃取压力（MPa） 26.5 28 29.5
B 萃取温度（℃） 42.5 45 47.5
C 萃取时间（min） 75 90 105
表1 花椒麻味物质提取响应面实验因素水平编码表
Table 1 Coded variables and their coded levels in
response surface analysis
图1 花椒麻味成分标准曲线
Fig.1 The standard curve of spicy component
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0 10 20 30 40 50
吸
光
值
（
OD
25
4n
m）
含量（μg/mL）
图2 花椒粒度对花椒麻味物质的质量和萃取总量的影响
Fig.2 The effect of finness of pulverization spicy compenent
weight and the extraction gross
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
麻
味
物
质
的
质
量
（
g）
粒度（目）
麻味物质的质量
总萃取量
28
26
24
22
20
18
16
14
总
萃
取
量
（
g）
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长趋势，麻味物质的质量和萃取总量在20目的时候
达到最大值，随后出现急剧的下降趋势，40目以后两
者的下降明显减少趋于稳定。随着粉碎程度的增加，
对花椒的破坏越大，越有利于CO2溶解花椒中的麻味
成分和其他有效成分，但是在高压下CO2对花椒具有
压实作用，粒度过小高压下会将原料压实，减少原料
之间的空隙，因此也减少了CO2与原料的接触，从而
降低萃取效果。因此20目是最佳的花椒粉碎粒度，此
粒度下CO2会充分的经过原料内部细小的空隙，CO2
与花椒的接触面积达到最大。
2.2.2 萃取时间的影响 萃取压力为32MPa、温度
为55℃；分离器Ⅰ压力为12MPa，温度为30℃；花椒
目数为20目。考察萃取时间1.0、1.5、2.0、2.5、3h对花
椒麻味物质的质量和萃取总量的影响，结果如图3
所示。
由图3可以看出，随着萃取时间的增加，花椒麻
味物质的质量在1.5h时达到最大值，之后随着时间
的延长逐渐减少，2h和2.5h的花椒麻味物质的质量
基本相同，但在3h的时候花椒麻味物质的质量又得
到增加，这可能是因为1.5h正好是一个分离周期，
在1.5~3h内又进行了一次分离，将萃取釜和精馏柱
中及循环系统中的花椒麻味物质分离出来，但是相
比较第一个分离周期分离得到的花椒麻味物质还是
有所减少，这可能是因为还有部分花椒麻味物质存
在CO2循环系统中。时间太短不能充分的提取出所有
麻味物质，时间过长花椒麻味物质会随着CO2进入气
体循环系统，从而减少其得量。萃取总量随着萃取时
间的增加而增加，但是增长比较缓慢。结合两者选择
1.5h为最佳萃取时间。
2.2.3 萃取温度的影响 分离器Ⅰ压力为12MPa、
分离器Ⅰ温度为30℃、萃取压力为32MPa、萃取时间
1.5h、花椒目数20目条件下，考察萃取温度分别为35、
40、45、50、55℃对花椒麻味物质的质量和萃取总量
的影响，结果如图4所示。
由图4可知，麻味物质的质量和萃取总量在45℃
时都达到最大值。温度太低CO2的溶解力较低，随着
温度的升高溶解力增加，但是萃取温度达到45℃以
后CO2的密度降低，萃取率也会降低。因此45℃为最
佳萃取温度。
2.2.4 分离器Ⅰ温度的影响 萃取压力为32MPa、
萃取温度为45℃、分离器Ⅰ压力为12MPa、萃取时间
1.5h条件下，考察分离器Ⅰ温度分别为30、35、40、45、
50℃对花椒麻味物质的质量和萃取总量的影响，结
果如图5所示。
由图5可以看出，分离器Ⅰ温度在实验范围内最
小值时两者的量最高，随着温度升高反而减小，花椒
麻味物质的分离主要在分离器Ⅰ中进行，分离器温
度太高，花椒麻味物质会随着CO2进入循环系统，得
量降低。设备分离器Ⅰ的最低设定温度为30℃，因此
30℃为最佳的分离温度。
2.2.5 萃取压力的影响 萃取温度为45℃、分离器Ⅰ
压力为12MPa、分离器Ⅰ温度为30萃取温度为45℃、
图4 萃取温度对花椒麻味物质的质量和萃取总量的影响
Fig.4 The effect of extraction temperature spicy compenent
weight and the extraction gross
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
35 40 45 50 55
麻
味
物
质
的
质
量
（
g）
萃取温度（℃）
麻味物质的质量
总萃取量 30
28
26
24
22
20
18
总
萃
取
量
（
g）
图6 萃取压力对花椒麻味物质的质量和萃取总量的影响
Fig.6 The effect of extraction press spicy compenent weight
and the extraction gross
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
麻
味
物
质
的
质
量
（
g）
萃取压力（MPa）
麻味物质的质量
总萃取量
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
总
萃
取
量
（
g）
图3 萃取时间对花椒麻味物质的质量和萃取总量的影响
Fig.3 The effect of extraction time spicy compenent weight and
the extraction gross
2.5
2.4
2.3
2.2
2.1
2.0
1.9
1 2 3
麻
味
物
质
的
质
量
（
g）
萃取时间（h）
麻味物质的质量
总萃取量 29
28
27
26
25
24
总
萃
取
量
（
g）
图5 分离器Ⅰ温度对花椒麻味物质的质量和萃取总量的影响
Fig.5 The effect of separator Ⅰ temperature spicy compenent
weight and the extraction gross
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
30 35 40 45 50
麻
味
物
质
的
质
量
（
g）
分离器温度（℃）
麻味物质的质量
总萃取量
42
40
38
36
34
32
30
28
总
萃
取
量
（
g）
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变异来源 总和 自由度 均方 F值 p 显著性
模型 3.1 9 0.34 51.24 0.0002 **
A 0.28 1 0.28 41.46 0.0013 **
B 0.59 1 0.59 87.22 0.0002 **
C 5.233E-004 1 5.233E-004 0.078 0.7913
AB 0.44 1 0.44 64.92 0.0005 **
AC 0.052 1 0.052 7.74 0.0388 *
BC 0.03 1 0.033 4.89 0.0780
A2 0.81 1 0.81 120.47 0.0001 **
B2 0.70 1 0.70 103.55 0.0002 **
C2 0.084 1 0.084 12.50 0.0166 *
残差 0.34 5 6.714E-003
失拟项 0.031 3 0.010 8.05 0.1124
纯误差 2.566E-003 2 1.283E-003
总和 3.13 14
表3 花椒麻味物质提取的响应面实验结果方差分析表
Table 3 Analysis variance of the constructed regression equation for the weight of spicy compenent
注：**，p<0.01，差异极显著；*，p<0.05，差异显著。
图7 萃取压力与萃取温度的交互作用
Fig.7 The effects of extraction press and extraction temperature
3.5
Y
花
椒
麻
味
物
质
质
量
（
g）
B：萃取温度（℃）
3
2.5
2
1.5
1
-1.00 -0.50 0.00
0.50 1.00 1.00
0.500.00
-0.50
-1.00
A：萃取压力（MPa）
分离器Ⅰ压力为12MPa、萃取时间1.5h条件下，萃取
时间1.5h条件下，考察萃取压力分别为22、25、28、31、
34MPa对花椒麻味物质的质量和萃取总量的影响，
结果如图6所示。
由图6可知，萃取压力在28MPa时麻味物质的质
量和萃取总量最高。萃取压力与CO2的溶解力和CO2
与花椒的接触面积有着复杂的关系，并不是压力越
大越好。
2.3 响应面优化超临界CO2提取工艺
2.3.1 响应面实验设计及结果 由Design Expert
（8.0版）统计分析软件的实验设计功能可知，三因素
三水平的中心组合设计包括15个实验方案，具体的
实验方案及实验结果如表2所示。
2.3.2 回归方程的建立检验 据表2结果，建立花椒
麻味物质的质量与萃取压力A、萃取温度B、萃取时
间C的三因素三水平回归方程为：Y=2.51+0.19A-
0.27B-8.087E-0.03C-0.33AB+0.11AC+0.091BC-
0.47A2+0.43B2-0.15C2。方差分析见表3。
由表3的方差分析可知，回归方程的失拟性检验
p=0.1124，差异不显著，表明所选用的二次回归模型
是适当的；回归方程的显著性检验p=0.0002，差异极
显著，说明该模型的拟合程度较好，模型成立。
各因素对花椒麻味物质质量的影响程度大小依
次为：萃取温度（B）＞萃取压力（A）＞萃取时间（C），其
中萃取温度、萃取压力呈极显著影响，萃取时间影响
不显著。考察因素间的交互作用，由方差分析表可
知，AB存在极显著的交互作用，AC存在显著的交互
作用。综上，在α=0.05显著水平剔除不显著项，得到
优化后的方程为：Y=2.51+0.19A-0.27B-0.33AB+
0.11AC-0.47A2+0.43B2-0.15C2。
用 Design Expert 8.0软件根据响应方程绘制AB
和AC的响应曲面分析图，结果见图7、图8。
由图7可以看出，花椒麻味物质的质量随着萃取
温度的升高而降低，45℃以后又升高，但是趋势不是
很明显，与单因素时萃取温度的走势有一定的差异，
这可能是由于萃取压力与萃取温度之间存在极显著
实验号 A B C Y 150g花椒麻味物质质量（g）
1 1 0 1 2.122
2 1 0 -1 1.9028
3 -1 0 1 1.6428
4 -1 0 -1 1.7794
5 0 -1 -1 3.1822
6 -1 -1 0 2.244
7 1 -1 0 3.299
8 0 -1 1 2.8774
9 -1 1 0 2.3041
10 0 1 1 2.5764
11 0 1 -1 2.5189
12 1 1 0 1.9387
13 0 0 0 2.5452
14 0 0 0 2.4755
15 0 0 0 2.4960
表2 花椒麻味物质提取响应面实验设计及结果
Table 2 Experimental design and corresponding results for
response surface analysis
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交互作用。
由图8可知，花椒麻味物质的质量随着萃取压力
增加的变化趋势是先升高后降低，随着萃取时间增
加的变化趋势是增加速率逐渐减少的增加过程，这
与萃取时间、萃取压力的单因素实验比变化趋势有
一定差异，可能原因是萃取压力与萃取时间之间存
在显著交互作用。
2.3.3 验证实验 由软件分析得最优条件为：萃取
压力为28.8MPa、萃取温度45℃、萃取时间89.1min，此
时花椒麻味物质的理论萃取质量为3.35g。考虑到工
厂实际操作，修正萃取压力为29MPa，萃取时间为
89min。在分离器Ⅰ压力为12MPa、分离器Ⅰ温度为
30℃、分离器Ⅱ压力为8MPa、分离器Ⅱ温度为37℃、
精馏柱压力5MPa、精馏柱温度依次为35、40、45、50℃，
CO2流量为19L/h下进行3次验证实验，实际萃取质量
为3.3g，相对误差为1.49%，说明运用响应面优化得
到的模型参数准确可靠。
3 结论与讨论
3.1 本实验建立的超临界CO2提取花椒麻味物质的
条件优化数学回归模型为：Y=2.51+0.19A-0.27B-
0.33AB+0.11AC-0.47A2+0.43B2-0.15C2，采用此模型
在本实验范围内能较准确地预测花椒麻味物质的
质量。
3.2 通过实验结果的方差分析可知，在本实验范围
内各因素的影响程度依次为：萃取温度（B）＞萃取压
力（A）＞萃取时间（C），其中萃取温度、萃取压力呈极
显著影响，萃取时间无显著影响，AB之间存在极显
著的交互作用，AC之间存在显著的交互作用。确定
的最佳工艺条件为萃取压力为29MPa，萃取温度45℃，
萃取时间89min，分离器Ⅰ压力为12MPa，分离器Ⅰ
温度为30℃、分离器Ⅱ压力为8MPa、分离器Ⅱ温度为
37℃、精馏柱压力5MPa，精馏柱温度依次为35、40、
45、50℃，此时花椒麻味物质的萃取质量为3.3g，萃取
率为2.2%。
3.3 目前，对花椒麻味物质提取的研究一般只以得
到的萃取物的总量作为参考指标，本实验采用实验
室自制的花椒麻味物质标品所得标准曲线进一步得
到萃取物中花椒麻味物质的准确含量，能更为准确
和全面地考察实验因素的影响，得到的回归模型和
工艺参数可信度高，能较为准确的预测实际值。响应
实验所得到的150g花椒麻味物质含量比单因素实验
高，表明响应面优化超临界CO2提取花椒麻味物质的
工艺具有可行性，可为实际生产研究提供一定的数
据参考。
3.4 目前在工业上，花椒风味物质的提取主要是植
物油浸提法、超临界CO2萃取，但是目前的研究超临
界CO2萃取物大部分都是花椒精油与花椒麻味物质
的混合物[10]，没有将二者有效的分离开，不能充分的
应用到医药等方面。同时本实验设备具有精馏柱达
到了多级分离的效果，使花椒麻味物质与花椒所含
的其他物质得到很好的分离。
参考文献
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图8 萃取压力与萃取时间的交互作用
Fig.8 The effects of extraction press and extraction time
Y
花
椒
麻
味
物
质
质
量
（
g）
A：萃取压力（MPa）
3
2.5
2
1.5
1
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.00
0.50
0.00
-0.50
-1.00
C：萃取时间（min）
0.5
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