基于正交實驗和超臨界CO2法研究芹菜籽揮發(fā)油的提取工藝

祁 偉， 董 巖

(德州學(xué)院山東省高校配位化學(xué)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(yǎng)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(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、腎臟等疾?。?-10］;從芹菜籽中提取的揮發(fā)油廣泛應(yīng)用在調(diào)味品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域［11-12］。本實驗基于正交試驗優(yōu)選芹菜籽揮發(fā)油的超臨界萃取工藝，以芹菜籽揮發(fā)油的萃取率為評價指標(biāo)，在單因素實驗的基礎(chǔ)上進行正交試驗，確定芹菜籽揮發(fā)油的最佳提取條件，為進一步開發(fā)和利用芹菜籽資源提供一定的理論和科學(xué)依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料 芹菜籽 (采摘于德州郊區(qū))，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(guān)的萃取參數(shù)，在不同的參數(shù)條件下進行多次萃取，記錄萃取過程中的原料質(zhì)量 (m1)、揮發(fā)油質(zhì)量 (m2)等相關(guān)參數(shù)，用來計算揮發(fā)油的萃取率。揮發(fā)油的萃取率計算公式:y=

1.3 超臨界CO2法萃取芹菜籽揮發(fā)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(jié)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(fā)油萃取率的影響。實驗過程中保持其他3個因素參數(shù)不變，通過改變某一因素參數(shù)來測定其對芹菜籽揮發(fā)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(shè)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(shè)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(shè)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(fā)油的正交實驗 在單因素實驗的基礎(chǔ)上進行正交實驗，結(jié)合單因素實驗結(jié)果，以揮發(fā)油萃取率為考察指標(biāo)，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(shè)計3個水平，進行四因素三水平正交實驗。因素水平設(shè)計如表 1［14］。

表1 正交試驗因素水平

由表1設(shè)計L9(34)正交實驗表［10］，如下表2。

表2 L 9(34)正交實驗設(shè)計

2 實驗結(jié)果分析

2.1 超臨界CO2法萃取芹菜籽揮發(fā)油的單因素實驗結(jié)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(shù)，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(fā)油萃取率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 萃取壓力對芹菜籽揮發(fā)油萃取率的影響

由圖1可以看出，當(dāng)萃取壓力在20～25 MPa之間時，隨壓力增加，揮發(fā)油萃取率顯著增加，曲線呈明顯上升趨勢，當(dāng)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(dāng)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(fā)油的溶解能力增大，但是隨壓力增大，流體擴散系數(shù)會減小，導(dǎo)致流體對揮發(fā)油的溶解能力也會減小，兩個相互矛盾的因素共同作用，導(dǎo)致曲線出現(xiàn)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(shù)減小是主要決定因素，而且實際操作中，壓力過高，對設(shè)備的要求、不安全因素、生產(chǎn)成本等都會增加，萃取出的揮發(fā)油中其他雜質(zhì)也會相應(yīng)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(shù)，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(fā)油萃取率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 萃取溫度對芹菜籽揮發(fā)油萃取率的影響

從圖2可以看出，當(dāng)萃取溫度在35～45℃之間時，隨著溫度的升高，芹菜籽揮發(fā)油萃取率逐漸增加，曲線呈明顯上升趨勢;當(dāng)溫度超過45℃時，芹菜籽揮發(fā)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(shù)增大，對揮發(fā)油的溶解能力也相應(yīng)增大，但是隨溫度升高，超臨界CO2流體的密度會減小，導(dǎo)致對揮發(fā)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(xiàn)上述變化。如果溫度升高到一定程度，可能會導(dǎo)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(fā)油成分也會變得不穩(wěn)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(shù)，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(fā)油萃取率的影響，結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，隨萃取時間的增加，芹菜籽揮發(fā)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(fā)油的溶解能力會逐漸增大，所以芹菜籽揮發(fā)油萃取率逐漸增加，但若萃取時間過長會增加能耗，導(dǎo)致成本增加，而且會使揮發(fā)油中雜質(zhì)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(shù)，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(fā)油萃取率的影響，結(jié)果見圖4。

圖3 萃取時間對芹菜籽揮發(fā)油萃取率的影響

圖4 CO2流量對芹菜籽揮發(fā)油萃取率的影響

從圖4可以看出，當(dāng)CO2流量在10～15 L/h之間時，隨著CO2流量的增大，芹菜籽揮發(fā)油萃取率迅速增加，曲線呈明顯上升趨勢，當(dāng)CO2流量在15～20 L/h之間時，芹菜籽揮發(fā)油萃取率也增加，但是增加速率減小，當(dāng)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(fā)油的溶解能力會相應(yīng)增強，但是如果達到溶解平衡，流量增大則對揮發(fā)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(jù)以上試驗結(jié)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(fā)油的正交實驗結(jié)果分析

按照所設(shè)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(fā)油的實驗工藝進行優(yōu)化，實驗結(jié)果如表3。

由表3的極差數(shù)據(jù)可知，RA＞RB＞RC＞RD，所以各因素作用主次關(guān)系為A＞B＞C＞D，即四因素中，萃取壓力對揮發(fā)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(fā)油萃取率影響最小。

由表3的數(shù)據(jù)還可以看出，萃取壓力 (A)對芹菜籽揮發(fā)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(jù)以上分析結(jié)果，超臨界CO2法提取芹菜籽揮發(fā)油的優(yōu)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(jié)果

表4 方差分析

從表4可以看出，各因素對芹菜籽揮發(fā)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(jié)果還可以看出，萃取壓力對實驗結(jié)果有顯著影響，其余因素沒有顯著影響。

為驗證所得結(jié)果的準(zhǔn)確性，在優(yōu)選的最佳工藝條件下，重新提取芹菜籽揮發(fā)油，試驗重復(fù)3次，得萃取率的平均值為1.393 1%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.001 411，標(biāo)準(zhǔn)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(jié)論的準(zhǔn)確性。

3 討論

3.1 本實驗研究了超臨界CO2提取芹菜籽揮發(fā)油的萃取工藝，通過單因素結(jié)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(fā)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(shù)據(jù)，高出的部分數(shù)據(jù)都是極小，可以認為萃取時間和萃取溫度對芹菜籽揮發(fā)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)有影響，方差檢驗也判斷不出來，所以方差分析結(jié)果沒有顯著影響，不代表沒有影響。

3.4 在實際工業(yè)生產(chǎn)中，對于主要因素一定要選取最優(yōu)水平，對于次要因素，則應(yīng)權(quán)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(chǎn)實際的最佳工藝條件。

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