基于正交實驗和超臨界CO2法研究芹菜籽揮發油的提取工藝

祁 偉， 董 巖

(德州學院山東省高校配位化學與功能材料重點實驗室，山東德州253023)

芹菜Apium graveolens是傘形花科旱芹屬植物，世界各地均有栽培，芹菜有較高的食用價值，芹菜籽中不僅同芹菜一樣含有豐富的營養元素，也含有良好的抗氧化、抗腫瘤、降血脂、抑菌、殺蟲等生物活性成分［1-6］;芹菜籽可用于治療高血壓、關節炎、類風濕關節炎、腎臟等疾病［7-10］;從芹菜籽中提取的揮發油廣泛應用在調味品、醫藥、化妝品等領域［11-12］。本實驗基于正交試驗優選芹菜籽揮發油的超臨界萃取工藝，以芹菜籽揮發油的萃取率為評價指標，在單因素實驗的基礎上進行正交試驗，確定芹菜籽揮發油的最佳提取條件，為進一步開發和利用芹菜籽資源提供一定的理論和科學依據。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料 芹菜籽 (采摘于德州郊區)，QE-200藥材粉碎機 (武屹縣毅力工具有限公司);超臨界二氧化碳萃取裝置 (美國Applied Separations);電子分析天平 (梅特勒-托利多儀器上海有限公司)。

1.2 實驗方法 利用粉碎機將干燥的芹菜籽進行粉碎、過篩，稱量粉碎后的芹菜籽裝入超臨界萃取釜中進行萃取，控制好萃取的壓力、溫度、時間、CO2流量等相關的萃取參數，在不同的參數條件下進行多次萃取，記錄萃取過程中的原料質量 (m1)、揮發油質量 (m2)等相關參數，用來計算揮發油的萃取率。揮發油的萃取率計算公式:y=

1.3 超臨界CO2法萃取芹菜籽揮發油的單因素實驗 萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、CO2流量、分離壓力、分離溫度、物料粉碎度等因素都會影響超臨界CO2萃取的最終結果［13］，在眾多因素中，本實驗選取萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、CO2流量4個因素來測定其對芹菜籽揮發油萃取率的影響。實驗過程中保持其他3個因素參數不變，通過改變某一因素參數來測定其對芹菜籽揮發油萃取率的影響。

1.3.1 萃取壓力的選擇 CO2的臨界壓力為7.38 MPa，實驗中設置萃取壓力分別為20、25、30、35、40 MPa，萃取溫度45℃，萃取時間2.0 h，CO2流量20 L/h。

1.3.2 萃取溫度的選擇 CO2的臨界溫度為31.04℃，實驗中設置萃取溫度分別為35、40、45、50、55℃，萃取壓力25 MPa，萃取時間2.0 h，CO2流量20 L/h。

1.3.3 萃取時間的選擇 設置萃取時間為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h，萃取壓力25 MPa，萃取溫度45℃，CO2流量20 L/h。

1.3.4 CO2流量的選擇 實驗中選取的CO2流量為10、15、20、25、30 L/h，萃取壓力25 MPa，萃取溫度45℃，萃取時間2.0 h。

1.4 超臨界CO2法萃取芹菜籽揮發油的正交實驗 在單因素實驗的基礎上進行正交實驗，結合單因素實驗結果，以揮發油萃取率為考察指標，選取萃取壓力 (A)、萃取溫度(B)、萃取時間 (C)、CO2流量 (D)4個因素為考察因素，每個因素設計3個水平，進行四因素三水平正交實驗。因素水平設計如表 1［14］。

表1 正交試驗因素水平

由表1設計L9(34)正交實驗表［10］，如下表2。

表2 L 9(34)正交實驗設計

2 實驗結果分析

2.1 超臨界CO2法萃取芹菜籽揮發油的單因素實驗結果分析

2.1.1 萃取壓力的影響 萃取壓力是影響超臨界CO2的重要參數，在保持萃取溫度、萃取時間和CO2流量相對恒定的情況下，研究不同的萃取壓力對芹菜籽揮發油萃取率的影響，結果見圖1。

圖1 萃取壓力對芹菜籽揮發油萃取率的影響

由圖1可以看出，當萃取壓力在20～25 MPa之間時，隨壓力增加，揮發油萃取率顯著增加，曲線呈明顯上升趨勢，當壓力在25～30 MPa之間時，壓力增加，萃取率依然增加，但曲線變化幅度減小，當壓力超過30 MPa后，曲線變化近似成直線。這是因為隨壓力增大，超臨界CO2流體密度增大，流體對芹菜籽揮發油的溶解能力增大，但是隨壓力增大，流體擴散系數會減小，導致流體對揮發油的溶解能力也會減小，兩個相互矛盾的因素共同作用，導致曲線出現上述變化。這說明低壓時流體密度增大是主要決定因素，高壓時擴散系數減小是主要決定因素，而且實際操作中，壓力過高，對設備的要求、不安全因素、生產成本等都會增加，萃取出的揮發油中其他雜質也會相應增多。所以確定正交實驗中萃取壓力為20、25、30 MPa。

2.1.2 萃取溫度的影響 萃取溫度是影響超臨界CO2的另一個重要參數，在保持萃取壓力、萃取時間和CO2流量相對恒定的情況下，研究不同的萃取溫度對芹菜籽揮發油萃取率的影響，結果見圖2。

圖2 萃取溫度對芹菜籽揮發油萃取率的影響

從圖2可以看出，當萃取溫度在35～45℃之間時，隨著溫度的升高，芹菜籽揮發油萃取率逐漸增加，曲線呈明顯上升趨勢;當溫度超過45℃時，芹菜籽揮發油萃取率依然增加，但是曲線變化幅度減小;這是因為隨溫度升高，超臨界CO2流體的黏度下降，擴散系數增大，對揮發油的溶解能力也相應增大，但是隨溫度升高，超臨界CO2流體的密度會減小，導致對揮發油的溶解能力降低，在兩個相互矛盾的因素共同作用下，曲線出現上述變化。如果溫度升高到一定程度，可能會導致萃取率減小，而且溫度過高會增加能耗，使成本增加，溫度過高揮發油成分也會變得不穩定。所以確定正交實驗中萃取溫度為40、45、50℃。

2.1.3 萃取時間的影響 萃取時間也是影響超臨界CO2的一個重要參數，在保持萃取壓力、萃取溫度和CO2流量相對恒定的情況下，研究不同的萃取時間對芹菜籽揮發油萃取率的影響，結果見圖3。

從圖3可以看出，隨萃取時間的增加，芹菜籽揮發油萃取率逐漸增加，曲線呈明顯上升趨勢，因為隨萃取時間的增加，超臨界CO2流體對揮發油的溶解能力會逐漸增大，所以芹菜籽揮發油萃取率逐漸增加，但若萃取時間過長會增加能耗，導致成本增加，而且會使揮發油中雜質含量上升，所以確定正交實驗中萃取時間為 1.5、2.0、2.5 h。

2.1.4 CO2流量的影響 CO2流量也是影響超臨界CO2的一個重要參數，在保持萃取壓力、萃取溫度和萃取時間相對恒定的情況下，研究不同的CO2流量對芹菜籽揮發油萃取率的影響，結果見圖4。

圖3 萃取時間對芹菜籽揮發油萃取率的影響

圖4 CO2流量對芹菜籽揮發油萃取率的影響

從圖4可以看出，當CO2流量在10～15 L/h之間時，隨著CO2流量的增大，芹菜籽揮發油萃取率迅速增加，曲線呈明顯上升趨勢，當CO2流量在15～20 L/h之間時，芹菜籽揮發油萃取率也增加，但是增加速率減小，當CO2流量大于20 L/h時，曲線變化近似為直線，這是因為CO2流量增大，對揮發油的溶解能力會相應增強，但是如果達到溶解平衡，流量增大則對揮發油萃取率沒有影響，而且CO2流量過大不僅會增加成本，而且難以控制，根據以上試驗結果，確定正交實驗中CO2流量為10、15、20 L/h。

2.2 超臨界CO2法萃取芹菜籽揮發油的正交實驗結果分析

按照所設計三水平四因素L9(34)正交實驗，對超臨界CO2法萃取芹菜籽揮發油的實驗工藝進行優化，實驗結果如表3。

由表3的極差數據可知，RA＞RB＞RC＞RD，所以各因素作用主次關系為A＞B＞C＞D，即四因素中，萃取壓力對揮發油萃取率影響最大，其余依次是萃取溫度、萃取時間，CO2流量對揮發油萃取率影響最小。

由表3的數據還可以看出，萃取壓力 (A)對芹菜籽揮發油萃取率的影響為K2＞K1＞K3，萃取溫度 (B)對萃取率的影響為K3＞K1＞K2，萃取時間 (C)對萃取率的影響為K2＞K1＞K3，CO2流量 (D)對萃取率的影響為K2＞K1＞K3，根據以上分析結果，超臨界CO2法提取芹菜籽揮發油的優選方案為A2B3C2D2，即萃取壓力25 MPa，萃取溫度45℃，萃取時間2.0 h，CO2流量15 L/h。方差分析見表4。

表3 正交實驗結果

表4 方差分析

從表4可以看出，各因素對芹菜籽揮發油萃取率的影響程度依次為A＞C＞B＞D，萃取壓力影響最大，其次是萃取時間和溫度，最后是CO2流量，從方差分析結果還可以看出，萃取壓力對實驗結果有顯著影響，其余因素沒有顯著影響。

為驗證所得結果的準確性，在優選的最佳工藝條件下，重新提取芹菜籽揮發油，試驗重復3次，得萃取率的平均值為1.393 1%，標準差為0.001 411，標準差小，而且萃取率比正交實驗中任何一組都要高，驗證了實驗結論的準確性。

3 討論

3.1 本實驗研究了超臨界CO2提取芹菜籽揮發油的萃取工藝，通過單因素結合正交試驗的方法，得到了最佳工藝條件:萃取壓力25 MPa，萃取溫度45℃，萃取時間2.0 h，CO2流量15 L/h。

3.2 4個因素中，萃取壓力對揮發油萃取率影響最大，CO2流量對萃取率影響最小。極差分析中，溫度對萃取率的影響比時間略高，方差分析中，時間對萃取率的影響比溫度略高，不論是方差還是極差數據，高出的部分數據都是極小，可以認為萃取時間和萃取溫度對芹菜籽揮發油萃取率的影響近似相等。

3.3 極差分析簡單明了，通俗易懂，但是無法估計試驗誤差的大小，為了彌補極差分析的缺陷，又采用了方差分析，方差分析主要是提出了一個標準來判斷所考察因素作用是否顯著，但是方差檢驗靈敏度很低，有時即使因素對試驗指標有影響，方差檢驗也判斷不出來，所以方差分析結果沒有顯著影響，不代表沒有影響。

3.4 在實際工業生產中，對于主要因素一定要選取最優水平，對于次要因素，則應權衡利弊，綜合考慮成本、勞動條件等來選取水平，從而得到最符合生產實際的最佳工藝條件。

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