正交設計優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取蕪荽籽油的工藝

阿依古麗·塔什波拉提， 故麗巴哈·艾合買提， 斯力米古力·阿布提,李慕春

(1.新疆維吾爾自治區(qū)分析測試研究院，新疆烏魯木齊 830011;2.阿圖什市農業(yè)局農產品質量安全檢驗檢測中心，新疆阿圖什 845350)

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正交設計優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取蕪荽籽油的工藝

阿依古麗·塔什波拉提1， 故麗巴哈·艾合買提1， 斯力米古力·阿布提2,李慕春1

(1.新疆維吾爾自治區(qū)分析測試研究院，新疆烏魯木齊 830011;2.阿圖什市農業(yè)局農產品質量安全檢驗檢測中心，新疆阿圖什 845350)

摘要[目的]采用超臨界二氧化碳技術萃取新疆地產的芫荽籽油，并對其工藝進行優(yōu)化。[方法]以新疆地產芫荽籽為研究對象，采用超臨界二氧化碳萃取技術，以芫荽籽油的提取率為指標，先利用單因素試驗，分別考察了原料粒度、攜帶劑種類、攜帶劑用量、萃取壓力、溫度、時間以及分離溫度7個因素對芫荽籽油收率的影響，篩選了超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油的工藝參數，然后用4因素3水平正交試驗設計，重點探討了萃取壓力、溫度、時間以及分離溫度對芫荽籽油收率的影響，優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油工藝。[結果]研究表明，超臨界二氧化碳萃取新疆芫荽籽油較適宜的工藝條件為：以料液比為1∶0.6的乙醇作為攜帶劑，萃取壓力為20 MPa ，萃取溫度為55 ℃，萃取時間為60 min,分離溫度為30 ℃,油脂提取率可達14.99% ，得到具有怡人芳香氣味的芫荽籽油。[結論] 研究建立了新疆芫荽籽油超臨界二氧化碳萃取工藝，可為新疆自然資源的開發(fā)利用和維吾爾藥的二次開發(fā)提供科學依據。

關鍵詞超臨界二氧化碳萃取工藝；芫荽籽油；正交試驗

芫荽籽(Coriander seed)是傘形科(Umbelliferae)植物芫荽(CoriandrumSativumL.)的成熟果實。芫荽籽在維吾爾醫(yī)中稱為芫荽實，是維吾爾醫(yī)常用藥材。在維吾爾藥志中，芫荽實具有健胃消食、芳香開竅、防腐止痛、鎮(zhèn)咳祛痰、透疹發(fā)汗等功效，用于心悸氣短、胸脯脹悶、食欲不振、小兒麻疹不出等疾病[1]。芫荽籽油是從芫荽籽中提取出來的一種天然香料油，具有特殊宜人的香氣。因此，芫荽籽油作為一種天然無毒的食品添加劑已被列入了我國食品添加劑使用衛(wèi)生標準GB2760-1996中，在食品和釀酒、日用化工和煙草等領域被廣泛應用。芫荽籽油的主要成分是芳樟醇，除了芳樟醇還含有 α-蒎烯、γ-萜品烯、乙酸橙花酯等成分[2]。據報道，芫荽籽油除了具有良好的抗菌[3]、抗氧化[4]作用外，還有抗焦慮的作用[5]。時艷玲等研究證實，芫荽籽油對NDMA(N- 二甲亞硝胺)的體外合成有抑制作用[6]。

傳統(tǒng)提取芫荽籽油的方法是采用水蒸氣蒸餾法，由于芫荽籽油的有效成分為熱敏性物質，因此用傳統(tǒng)方法提取芫荽籽油不但得率低，且熱敏性有效成分容易損失。超臨界二氧化碳萃取技術不僅具有操作溫度低、綠色、環(huán)保、得率高等優(yōu)點，還可以使制得的油具有較好的頭香和底香，因此超臨界二氧化碳萃取技術在提取植物種子油方面受到了廣泛關注[7-10]。

筆者采用超臨界二氧化碳技術萃取新疆地產的芫荽籽油，并對其工藝進行了優(yōu)化，為新疆自然資源的開發(fā)利用和維吾爾藥的二次開發(fā)提供科學依據。

1材料與方法

1.1材料供試原料：芫荽籽，由新疆維吾爾自治區(qū)維吾爾醫(yī)院藥房提供,除雜，放入烘箱在50 ℃下烘干，干燥后粉碎，置于干燥器中冷卻至室溫備用。主要試劑：乙醇(分析純),安徽安特生物化學有限公司；二氧化碳氣體為食品級(純度≥99.5%)，烏魯木齊科源氣體制造有限公司；其他試劑均為分析純。

主要儀器設備：SFEE221-50-06型超臨界萃取裝置，南通華興石油儀器有限公司；YF3-1(原188)型流水式中藥粉碎機， 浙江省瑞安市永歷制藥機械有限公司；Sartorius Pro22F型分析電子天平，德國Sartorius公司。

1.2方法

1.2.1超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油的工藝優(yōu)化試驗設計。以芫荽籽油的收率為指標成分，先用單因素試驗方法，分別考察了原料粒度、攜帶劑種類、攜帶劑用量、萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、分離溫度等因素對超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油提取率的影響，篩選了上述7個因素中對芫荽籽油收率影響較顯著的4個因素，繼續(xù)用4因素3水平正交試驗設計，重點探討了選中的4個因素對超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油收率的影響。優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油工藝參數，建立了新疆芫荽籽油超臨界二氧化碳萃取工藝。單因素試驗和正交試驗設計分別見表1和表2。

表1　超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油單因素試驗因素與水平

表2　超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油正交試驗因素與水平

1.2.2工藝流程。地產芫荽籽→清洗→自然晾干→粉碎(粗粉，細粉，過篩制備成60目)→稱重→加入攜帶劑浸泡過夜→裝料→密封→升溫升壓到預定值→保持恒溫恒壓條件進行超臨界二氧化碳萃取→分離釜減壓分離→芫荽籽油。

萃取操作流程：芫荽籽經粉碎后(粒度約60目)，每次試驗稱量100 g，用一定比例攜帶劑浸泡過夜后，置于1 L萃取釜中，密封系統(tǒng)。待萃取釜、分離釜Ⅰ和分離釜Ⅱ的壓力和溫度分別達到設定值時，開始進行萃取試驗，按照設定的萃取時間間隔收集萃取物，試驗結束后計算芫荽籽油的收率。

出油率(%)=萃取物質質量(g)/芫荽籽原料粉質量(g)×100

2結果與分析

2.1單因素試驗

2.1.1攜帶劑種類對芫荽籽油出油率的影響。稱取5份，每份為100 g的芫荽籽粉，分別置于1 L燒杯中，分別加入100 mL的無水乙醇、甲醇、丙酮、95%乙醇，混勻后用保鮮膜封口，浸泡過夜。按照“1.2.2”操作流程，在萃取壓力為20 MPa，萃取溫度40 ℃，分離 Ⅰ 溫度40 ℃，分離壓力5.5 MPa，二氧化碳的流量為25～30 kg的條件下萃取40 min后，收集萃取物并計算油的收率，結果見圖1。

圖1　不同攜帶劑對出油率的影響Fig.1　Effect of different entrainers on oil extracting rate

由圖1可見，4種攜帶劑對出油率效果有差異，其中無水乙醇用作攜帶劑時出油率最高， 95%乙醇次之，甲醇和丙酮出油率基本差不多，與無水乙醇相比較差。究其原因，是由于芫荽籽油的主要成分為芳樟醇，芳樟醇是一種萜醇，它較易溶于無水乙醇中，所以無水乙醇用作攜帶劑時萃取率較高。綜合考慮以后大規(guī)模生產過程中產生的成本、三廢污染及生產和食用安全性等因素，故選用無水乙醇為攜帶劑比較合適。

2.1.2攜帶劑用量對芫荽籽油出油率的影響。稱取5份，每份100 g芫荽籽粉，分別加入料液比為1∶0.2(20%)、1∶0.4、1∶0.6、1∶0.8、1∶1.0的乙醇浸泡過夜。按照“1.2.2”的工藝條件下進行萃取試驗，并計算油的收率，結果見圖2。

圖2　攜帶劑的用量對出油率的影響Fig.2　Effect of entrainer’s dosage on extracting rate

料液比是影響萃取率的重要因素之一，由圖2可見，料液比(樣品重量和攜帶劑體積的比例)從1∶0.2到1∶0.4的過程中對出油率的影響不太明顯；但是從1∶0.4到1∶0.6的過程中出油率逐漸升高，當固液比為1∶0.6時出油率最高，超過1∶0.6以后出油率逐漸減少。這是因為在萃取試驗中，料液比中溶劑用量越大萃取率越高，但當料液比達到1∶0.6時，芫荽籽油已基本提取完全，此時繼續(xù)增加料液比中溶劑

用量，導致單位提取液中芫荽籽油濃度的降低，而且浪費攜帶劑和能源，加大生產成本，因此選擇料液比為1∶0.6較合適。

2.1.3原料粒度對芫荽籽油出油率的影響。稱取5份原料粒度分別為20、40、60、80、100目的芫荽籽粉100 g，置于1 000 mL燒杯中，然后每個樣品中加入固液比為1∶0.6的無水乙醇浸泡過夜。按照“1.2.2”的工藝條件下進行萃取試驗，并計算收率，試驗結果見圖3。

圖3　原料粒度對出油率的影響Fig.3　Effect of raw material granularity on oil extracting rate

由圖3可以看出，當原料粒度為40目和60目時出油率都較高，60目時出油率最高，粉碎粒度大于60目時出油率逐漸下降。這因為原料粒度越小，原料傳質面積越大，更有利于提高出油率，但是在試驗中發(fā)現，原料粒度越大傳質效率越高，原料粒度越小，使細小的原料顆粒在高壓萃取釜里進行萃取時原料容易堆積，造成釜體里原料密度過大，阻礙了芫荽籽油微滴穿過原料層而進入溶劑層，雖然原料粒度越小，原料傳質面積越大，但同時也使釜體里原料密度過大，降低了原料傳質系數。因此，隨著原料粒度的變小，其出油率也減少。試驗當中發(fā)現，原料粒度大于40目時，因原料含有油脂很難過篩。原料粒度對出油率的影響綜合考慮能耗和生產成本等因素，選用40目比較劃算，因此最佳原料粒度選用40目。

2.1.4萃取壓力對芫荽籽油出油率的影響。稱取5份100 g(40目)芫荽籽粉，各加入固液比為1∶0.6的無水乙醇浸泡過夜，次日在固定萃取溫度40 ℃，分離 Ⅰ 溫度為40 ℃，分離壓力為5.5 MPa，萃取時間40 min,二氧化碳流量25～30 kg/h，分別在10、15、20、25、30 MPa 5種不同的萃取壓力進行萃取試驗。收集萃取物，并計算出油率，結果見圖4。

圖4　 萃取壓力對出油率的影響Fig.4　Effect of extracting pressure on oil extracting rate

由圖4可見，萃取壓力在10~20 MPa范圍時，隨著壓力增加，出油率也逐步升高，在一定的溫度下，壓力的增加導致二氧化碳流體密度的增加，密度的增加有利于傳質效率，從而提高了萃取效率。但是壓力超過20 MPa后，萃取率降低，是因為萃取壓力過大，使萃取釜體中二氧化碳的擴散系數降低，導致萃取率降低。綜合考慮萃取設備壽命、能耗、成本等因素，選擇萃取壓力位為20 MPa較合適。

2.1.5萃取溫度對芫荽籽油出油率的影響。稱取5份100 g(40目)芫荽籽粉，各加入固液比為1∶0.6無水乙醇浸泡過夜，次日在固定萃取壓力20 MPa，分離 Ⅰ 溫度為40 ℃，分離Ⅰ和分離Ⅱ 壓力均為5.5 MPa，萃取時間40 min,二氧化碳流量25～30 kg/h。改變萃取溫度，分別在35、40、45、50、55 ℃ 5種不同萃取溫度下分別進行萃取試驗。收集萃取物，并計算收率，結果見圖5。

圖5　 萃取溫度對出油率的影響Fig.5　Effect of extracting temperature on oil extracting rate

由圖5可以看出，萃取溫度對出油率的影響較復雜，在35~45 ℃，隨著萃取溫度的升高，出油率先增加后下降，且出油率增幅不太明顯。在45~55 ℃范圍，出油率隨著溫度的升高而增高，說明二氧化碳流體處在臨界溫度附近，二氧化碳流體密度對溫度的變化非常敏感，微小的溫度變化導致密度急劇變化[11]，當萃取溫度達到55 ℃時，二氧化碳流體的密度瞬間增大、溶解度增強，提高萃取效果。因此，選擇萃取溫度為55 ℃較合適。

2.1.6萃取時間對芫荽籽油出油率的影響。稱取5份100 g(40目)芫荽籽粉，各加入固液比為1∶0.6無水乙醇浸泡過夜，次日在固定萃取壓力20 MPa，分離 Ⅰ 溫度為40 ℃，分離 Ⅰ 和分離Ⅱ 壓力均為5.5 MPa，二氧化碳流量25～30 kg/h，改變萃取時間，分別在40、60、90、120、150 min 5種不同的時間進行萃取試驗。收集萃取物，并計算收率，結果見圖6。

圖6　萃取時間對出油率的影響Fig.6　Effect of extracting time on oil extracting rate

由圖6可以看出，在40~60 min范圍，隨著萃取時間的延長出油率逐漸增高，萃取60 min時收率最高， 60 min后隨著萃取時間的延長出油率稍微降低且趨于平穩(wěn)狀態(tài)，因此選擇萃取時間為60 min較合適。

2.1.7分離溫度對芫荽籽油出油率的影響。稱取5份100 g(40目)芫荽籽粉，各加入固液比為1∶0.6無水乙醇浸泡過夜，次日固定萃取壓力20 MPa，分離 Ⅰ 溫度為40 ℃，分離 Ⅰ 和分離 Ⅱ 壓力均為5.5 MPa， 二氧化碳流量25～30 kg/h，萃取時間40 min；改變分離溫度，分別在35、40、50、55 ℃ 5種分離溫度條件下分別進行萃取試驗。收集萃取物，并計算收率，結果見圖7。

圖7　分離溫度對出油率的影響Fig.7　Effect of separating temperature on oil extracting rate

由圖7可知,分離溫度對出油率的影響比較復雜，分離溫度為35 ℃時的出油率最高，是因為在較低壓力和溫度下，二氧化碳流體的擴散系數瞬間增大，有利于萃取物與二氧化碳流體分離，從而提高了出油率。在40~50 ℃，隨著分離溫度逐漸升高出油率有所降低，但降幅不太明顯；50~55 ℃，雖然出油率有所提高但增幅也不太明顯。這是因為，在較低壓力下，繼續(xù)提高分離溫度，隨著分離溫度的升高，二氧化碳流體的擴散系數不斷增加，而它的密度下降很快，二氧化碳流體密度的快速下降不利于萃取物的分離，因此隨著分離溫度升高萃取效果下降，所以選擇分離溫度為35 ℃較合適。

2.2超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油正交試驗結果與分析在單因素試驗基礎上選取正交試驗的因素及水平，見表2。根據單因素試驗結果選中萃取壓力、溫度、時間以及分離溫度4個因素為主要因素，并且每個因素分別取3個水平進行了4因素3水平正交試驗。重點探討了這4個因素對芫荽籽油出油率的影響，正交試驗結果見表3。

表3　芫荽籽油超臨界CO2萃取正交試驗的結果

由表3中數據可見，4個因素對芫荽籽油收率的影響程度從大到小順序依次為萃取壓力、萃取溫度、分離溫度、料液比，其中萃取壓力對芫荽籽油收率的影響最為顯著，萃取溫度次之，攜帶劑用量和分離溫度的影響相對較小。正交試驗結果表明，超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油的最佳工藝條件組

合為A2B2C2D1,既萃取壓力20 MPa,萃取溫度55 ℃，分離溫度30 ℃，攜帶劑用量為(固液比)1∶0.6。

正交試驗方差分析結果顯示，FA=13.290,FB=2.834,FC=1.000,FD=1.364,F=19.000。由此可知，在選定4個因素中，因素A(萃取壓力)對芫荽籽油收率的影響具有顯著性，其他因素不具有顯著性。因此，在工藝條件優(yōu)化中適當滿足萃取壓力的要求，就可以獲得較好的收率。

依照正交試驗獲得的最佳工藝條件下，進行3次萃取率試驗，并分別計算收率，收率分別為14.67%、14.96%、15.35%，平均收率為14.99%，證明此工藝是合理可行的。

3結論

該研究先采用單因素試驗方法，分別考察了原料粒度、攜帶劑種類、攜帶劑用量、萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、 分離溫度等因素對超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油提取率的影響，篩選了上述7個因素中對芫荽籽油收率影響較顯著的4個因素，繼續(xù)用4因素3水平正交試驗設計進行工藝優(yōu)化。

通過正交試驗設計確定了超臨界二氧化碳萃取芫荽籽油的最佳工藝條件∶萃取壓力20 MPa ，萃取溫度55 ℃，萃取時間60 min,分離溫度30 ℃，用固液比為1∶0.6無水乙醇為攜帶劑萃取芫荽籽油，在此工藝條件下油提取率可達14.99%。

萃取獲得的芫荽籽油為鮮黃色，具有芫荽特殊香氣的透明油狀物。最佳工藝驗證試驗結果也表明，通過正交試驗得到的最佳工藝是穩(wěn)定和可行的。

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Optimizaton of Supercritical CO2Extraction Technology of Coriander Seed Oil by Orthogonal Design

AYGUL Tashpolati1,GULIBAHA Aihemaiti1,SELIMUGULI Abuti2et al (1.Academy of Instrumental Analysis of Xinjiang Uygur Autinomous Region,Urumqi,Xinjiang 830011; 2.Atushi Examing and Inspection Center for Agricultural Products Safety and Quality,Atushi,Xinjiang 845350)

Abstract[Objective] To extract coriander seed oil from Xinjiang by using supercritical carbon dioxide extraction (SFE-CO2) and optimize the process . [Method] With coriander seeds from Xinjiang as research object,using SFE-CO2,with extraction yield of coriander seed oil as indicator,the effects of particle size of raw material,type and volume of carrying reagent,extraction pressure,temperature,time and separation temperature on the extraction yield of coriander seed oil were studied by using single factor experiment.The technical parameters for extracting coriander seed oil by SFE-CO2were selected,then effects of extraction pressure,temperature,time and separation temperature on the extraction yield of coriander seed oil were mainly discussed by using four factors three levels orthogonal experiment design,so as to optimize the extraction conditions.[Result] The results showed that the optimal process conditions were as follows: extraction pressure 20 MPa,temperature 55 ℃,time 60 min,and separation temperature 30 ℃.The oil yield was 14.99% under the above condition,and the extract oil of coriander seed from Xinjiang had a pleasant aroma.[Conclusion] The established SFE-CO2for extracting coriander seed oil from Xinjiang can provide scientific basis for development and utilization of Xinjiang natural resources,as well as the secondary development of Uighur medicine.

Key wordsSupercritical carbon dioxide extraction technology; Coriander seed oil; Orthogonal experiment

收稿日期2015-12-18

作者簡介阿依古麗·塔什波拉提(1968- )，女，維吾爾族，新疆烏魯木齊人，副研究員，從事天然產物基礎研究與開發(fā)。

基金項目新疆烏魯木齊市科技局種子基金(k111410002)。

中圖分類號S 509.9

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)02-121-04