基于正交实验和超临界CO2法研究芹菜籽挥发油的提取工艺

祁 伟， 董 岩

(德州学院山东省高校配位化学与功能材料重点实验室，山东德州253023)

芹菜Apium graveolens是伞形花科旱芹属植物，世界各地均有栽培，芹菜有较高的食用价值，芹菜籽中不仅同芹菜一样含有丰富的营养元素，也含有良好的抗氧化、抗肿瘤、降血脂、抑菌、杀虫等生物活性成分［1-6］;芹菜籽可用于治疗高血压、关节炎、类风湿关节炎、肾脏等疾病［7-10］;从芹菜籽中提取的挥发油广泛应用在调味品、医药、化妆品等领域［11-12］。本实验基于正交试验优选芹菜籽挥发油的超临界萃取工艺，以芹菜籽挥发油的萃取率为评价指标，在单因素实验的基础上进行正交试验，确定芹菜籽挥发油的最佳提取条件，为进一步开发和利用芹菜籽资源提供一定的理论和科学依据。

1 实验部分

1.1 仪器与材料 芹菜籽 (采摘于德州郊区)，QE-200药材粉碎机 (武屹县毅力工具有限公司);超临界二氧化碳萃取装置 (美国Applied Separations);电子分析天平 (梅特勒-托利多仪器上海有限公司)。

1.2 实验方法 利用粉碎机将干燥的芹菜籽进行粉碎、过筛，称量粉碎后的芹菜籽装入超临界萃取釜中进行萃取，控制好萃取的压力、温度、时间、CO2流量等相关的萃取参数，在不同的参数条件下进行多次萃取，记录萃取过程中的原料质量 (m1)、挥发油质量 (m2)等相关参数，用来计算挥发油的萃取率。挥发油的萃取率计算公式:y=

1.3 超临界CO2法萃取芹菜籽挥发油的单因素实验 萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流量、分离压力、分离温度、物料粉碎度等因素都会影响超临界CO2萃取的最终结果［13］，在众多因素中，本实验选取萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流量4个因素来测定其对芹菜籽挥发油萃取率的影响。实验过程中保持其他3个因素参数不变，通过改变某一因素参数来测定其对芹菜籽挥发油萃取率的影响。

1.3.1 萃取压力的选择 CO2的临界压力为7.38 MPa，实验中设置萃取压力分别为20、25、30、35、40 MPa，萃取温度45℃，萃取时间2.0 h，CO2流量20 L/h。

1.3.2 萃取温度的选择 CO2的临界温度为31.04℃，实验中设置萃取温度分别为35、40、45、50、55℃，萃取压力25 MPa，萃取时间2.0 h，CO2流量20 L/h。

1.3.3 萃取时间的选择 设置萃取时间为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h，萃取压力25 MPa，萃取温度45℃，CO2流量20 L/h。

1.3.4 CO2流量的选择 实验中选取的CO2流量为10、15、20、25、30 L/h，萃取压力25 MPa，萃取温度45℃，萃取时间2.0 h。

1.4 超临界CO2法萃取芹菜籽挥发油的正交实验 在单因素实验的基础上进行正交实验，结合单因素实验结果，以挥发油萃取率为考察指标，选取萃取压力 (A)、萃取温度(B)、萃取时间 (C)、CO2流量 (D)4个因素为考察因素，每个因素设计3个水平，进行四因素三水平正交实验。因素水平设计如表 1［14］。

表1 正交试验因素水平

由表1设计L9(34)正交实验表［10］，如下表2。

表2 L 9(34)正交实验设计

2 实验结果分析

2.1 超临界CO2法萃取芹菜籽挥发油的单因素实验结果分析

2.1.1 萃取压力的影响 萃取压力是影响超临界CO2的重要参数，在保持萃取温度、萃取时间和CO2流量相对恒定的情况下，研究不同的萃取压力对芹菜籽挥发油萃取率的影响，结果见图1。

图1 萃取压力对芹菜籽挥发油萃取率的影响

由图1可以看出，当萃取压力在20～25 MPa之间时，随压力增加，挥发油萃取率显著增加，曲线呈明显上升趋势，当压力在25～30 MPa之间时，压力增加，萃取率依然增加，但曲线变化幅度减小，当压力超过30 MPa后，曲线变化近似成直线。这是因为随压力增大，超临界CO2流体密度增大，流体对芹菜籽挥发油的溶解能力增大，但是随压力增大，流体扩散系数会减小，导致流体对挥发油的溶解能力也会减小，两个相互矛盾的因素共同作用，导致曲线出现上述变化。这说明低压时流体密度增大是主要决定因素，高压时扩散系数减小是主要决定因素，而且实际操作中，压力过高，对设备的要求、不安全因素、生产成本等都会增加，萃取出的挥发油中其他杂质也会相应增多。所以确定正交实验中萃取压力为20、25、30 MPa。

2.1.2 萃取温度的影响 萃取温度是影响超临界CO2的另一个重要参数，在保持萃取压力、萃取时间和CO2流量相对恒定的情况下，研究不同的萃取温度对芹菜籽挥发油萃取率的影响，结果见图2。

图2 萃取温度对芹菜籽挥发油萃取率的影响

从图2可以看出，当萃取温度在35～45℃之间时，随着温度的升高，芹菜籽挥发油萃取率逐渐增加，曲线呈明显上升趋势;当温度超过45℃时，芹菜籽挥发油萃取率依然增加，但是曲线变化幅度减小;这是因为随温度升高，超临界CO2流体的黏度下降，扩散系数增大，对挥发油的溶解能力也相应增大，但是随温度升高，超临界CO2流体的密度会减小，导致对挥发油的溶解能力降低，在两个相互矛盾的因素共同作用下，曲线出现上述变化。如果温度升高到一定程度，可能会导致萃取率减小，而且温度过高会增加能耗，使成本增加，温度过高挥发油成分也会变得不稳定。所以确定正交实验中萃取温度为40、45、50℃。

2.1.3 萃取时间的影响 萃取时间也是影响超临界CO2的一个重要参数，在保持萃取压力、萃取温度和CO2流量相对恒定的情况下，研究不同的萃取时间对芹菜籽挥发油萃取率的影响，结果见图3。

从图3可以看出，随萃取时间的增加，芹菜籽挥发油萃取率逐渐增加，曲线呈明显上升趋势，因为随萃取时间的增加，超临界CO2流体对挥发油的溶解能力会逐渐增大，所以芹菜籽挥发油萃取率逐渐增加，但若萃取时间过长会增加能耗，导致成本增加，而且会使挥发油中杂质含量上升，所以确定正交实验中萃取时间为 1.5、2.0、2.5 h。

2.1.4 CO2流量的影响 CO2流量也是影响超临界CO2的一个重要参数，在保持萃取压力、萃取温度和萃取时间相对恒定的情况下，研究不同的CO2流量对芹菜籽挥发油萃取率的影响，结果见图4。

图3 萃取时间对芹菜籽挥发油萃取率的影响

图4 CO2流量对芹菜籽挥发油萃取率的影响

从图4可以看出，当CO2流量在10～15 L/h之间时，随着CO2流量的增大，芹菜籽挥发油萃取率迅速增加，曲线呈明显上升趋势，当CO2流量在15～20 L/h之间时，芹菜籽挥发油萃取率也增加，但是增加速率减小，当CO2流量大于20 L/h时，曲线变化近似为直线，这是因为CO2流量增大，对挥发油的溶解能力会相应增强，但是如果达到溶解平衡，流量增大则对挥发油萃取率没有影响，而且CO2流量过大不仅会增加成本，而且难以控制，根据以上试验结果，确定正交实验中CO2流量为10、15、20 L/h。

2.2 超临界CO2法萃取芹菜籽挥发油的正交实验结果分析

按照所设计三水平四因素L9(34)正交实验，对超临界CO2法萃取芹菜籽挥发油的实验工艺进行优化，实验结果如表3。

由表3的极差数据可知，RA＞RB＞RC＞RD，所以各因素作用主次关系为A＞B＞C＞D，即四因素中，萃取压力对挥发油萃取率影响最大，其余依次是萃取温度、萃取时间，CO2流量对挥发油萃取率影响最小。

由表3的数据还可以看出，萃取压力 (A)对芹菜籽挥发油萃取率的影响为K2＞K1＞K3，萃取温度 (B)对萃取率的影响为K3＞K1＞K2，萃取时间 (C)对萃取率的影响为K2＞K1＞K3，CO2流量 (D)对萃取率的影响为K2＞K1＞K3，根据以上分析结果，超临界CO2法提取芹菜籽挥发油的优选方案为A2B3C2D2，即萃取压力25 MPa，萃取温度45℃，萃取时间2.0 h，CO2流量15 L/h。方差分析见表4。

表3 正交实验结果

表4 方差分析

从表4可以看出，各因素对芹菜籽挥发油萃取率的影响程度依次为A＞C＞B＞D，萃取压力影响最大，其次是萃取时间和温度，最后是CO2流量，从方差分析结果还可以看出，萃取压力对实验结果有显著影响，其余因素没有显著影响。

为验证所得结果的准确性，在优选的最佳工艺条件下，重新提取芹菜籽挥发油，试验重复3次，得萃取率的平均值为1.393 1%，标准差为0.001 411，标准差小，而且萃取率比正交实验中任何一组都要高，验证了实验结论的准确性。

3 讨论

3.1 本实验研究了超临界CO2提取芹菜籽挥发油的萃取工艺，通过单因素结合正交试验的方法，得到了最佳工艺条件:萃取压力25 MPa，萃取温度45℃，萃取时间2.0 h，CO2流量15 L/h。

3.2 4个因素中，萃取压力对挥发油萃取率影响最大，CO2流量对萃取率影响最小。极差分析中，温度对萃取率的影响比时间略高，方差分析中，时间对萃取率的影响比温度略高，不论是方差还是极差数据，高出的部分数据都是极小，可以认为萃取时间和萃取温度对芹菜籽挥发油萃取率的影响近似相等。

3.3 极差分析简单明了，通俗易懂，但是无法估计试验误差的大小，为了弥补极差分析的缺陷，又采用了方差分析，方差分析主要是提出了一个标准来判断所考察因素作用是否显著，但是方差检验灵敏度很低，有时即使因素对试验指标有影响，方差检验也判断不出来，所以方差分析结果没有显著影响，不代表没有影响。

3.4 在实际工业生产中，对于主要因素一定要选取最优水平，对于次要因素，则应权衡利弊，综合考虑成本、劳动条件等来选取水平，从而得到最符合生产实际的最佳工艺条件。

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