正交设计优化超临界二氧化碳萃取芜荽籽油的工艺

阿依古丽·塔什波拉提， 故丽巴哈·艾合买提， 斯力米古力·阿布提,李慕春

(1.新疆维吾尔自治区分析测试研究院，新疆乌鲁木齐 830011;2.阿图什市农业局农产品质量安全检验检测中心，新疆阿图什 845350)



正交设计优化超临界二氧化碳萃取芜荽籽油的工艺

阿依古丽·塔什波拉提1， 故丽巴哈·艾合买提1， 斯力米古力·阿布提2,李慕春1

(1.新疆维吾尔自治区分析测试研究院，新疆乌鲁木齐 830011;2.阿图什市农业局农产品质量安全检验检测中心，新疆阿图什 845350)

摘要[目的]采用超临界二氧化碳技术萃取新疆地产的芫荽籽油，并对其工艺进行优化。[方法]以新疆地产芫荽籽为研究对象，采用超临界二氧化碳萃取技术，以芫荽籽油的提取率为指标，先利用单因素试验，分别考察了原料粒度、携带剂种类、携带剂用量、萃取压力、温度、时间以及分离温度7个因素对芫荽籽油收率的影响，筛选了超临界二氧化碳萃取芫荽籽油的工艺参数，然后用4因素3水平正交试验设计，重点探讨了萃取压力、温度、时间以及分离温度对芫荽籽油收率的影响，优化超临界二氧化碳萃取芫荽籽油工艺。[结果]研究表明，超临界二氧化碳萃取新疆芫荽籽油较适宜的工艺条件为：以料液比为1∶0.6的乙醇作为携带剂，萃取压力为20 MPa ，萃取温度为55 ℃，萃取时间为60 min,分离温度为30 ℃,油脂提取率可达14.99% ，得到具有怡人芳香气味的芫荽籽油。[结论] 研究建立了新疆芫荽籽油超临界二氧化碳萃取工艺，可为新疆自然资源的开发利用和维吾尔药的二次开发提供科学依据。

关键词超临界二氧化碳萃取工艺；芫荽籽油；正交试验

芫荽籽(Coriander seed)是伞形科(Umbelliferae)植物芫荽(CoriandrumSativumL.)的成熟果实。芫荽籽在维吾尔医中称为芫荽实，是维吾尔医常用药材。在维吾尔药志中，芫荽实具有健胃消食、芳香开窍、防腐止痛、镇咳祛痰、透疹发汗等功效，用于心悸气短、胸脯胀闷、食欲不振、小儿麻疹不出等疾病[1]。芫荽籽油是从芫荽籽中提取出来的一种天然香料油，具有特殊宜人的香气。因此，芫荽籽油作为一种天然无毒的食品添加剂已被列入了我国食品添加剂使用卫生标准GB2760-1996中，在食品和酿酒、日用化工和烟草等领域被广泛应用。芫荽籽油的主要成分是芳樟醇，除了芳樟醇还含有 α-蒎烯、γ-萜品烯、乙酸橙花酯等成分[2]。据报道，芫荽籽油除了具有良好的抗菌[3]、抗氧化[4]作用外，还有抗焦虑的作用[5]。时艳玲等研究证实，芫荽籽油对NDMA(N- 二甲亚硝胺)的体外合成有抑制作用[6]。

传统提取芫荽籽油的方法是采用水蒸气蒸馏法，由于芫荽籽油的有效成分为热敏性物质，因此用传统方法提取芫荽籽油不但得率低，且热敏性有效成分容易损失。超临界二氧化碳萃取技术不仅具有操作温度低、绿色、环保、得率高等优点，还可以使制得的油具有较好的头香和底香，因此超临界二氧化碳萃取技术在提取植物种子油方面受到了广泛关注[7-10]。

笔者采用超临界二氧化碳技术萃取新疆地产的芫荽籽油，并对其工艺进行了优化，为新疆自然资源的开发利用和维吾尔药的二次开发提供科学依据。

1材料与方法

1.1材料供试原料：芫荽籽，由新疆维吾尔自治区维吾尔医院药房提供,除杂，放入烘箱在50 ℃下烘干，干燥后粉碎，置于干燥器中冷却至室温备用。主要试剂：乙醇(分析纯),安徽安特生物化学有限公司；二氧化碳气体为食品级(纯度≥99.5%)，乌鲁木齐科源气体制造有限公司；其他试剂均为分析纯。

主要仪器设备：SFEE221-50-06型超临界萃取装置，南通华兴石油仪器有限公司；YF3-1(原188)型流水式中药粉碎机， 浙江省瑞安市永历制药机械有限公司；Sartorius Pro22F型分析电子天平，德国Sartorius公司。

1.2方法

1.2.1超临界二氧化碳萃取芫荽籽油的工艺优化试验设计。以芫荽籽油的收率为指标成分，先用单因素试验方法，分别考察了原料粒度、携带剂种类、携带剂用量、萃取压力、萃取温度、萃取时间、分离温度等因素对超临界二氧化碳萃取芫荽籽油提取率的影响，筛选了上述7个因素中对芫荽籽油收率影响较显著的4个因素，继续用4因素3水平正交试验设计，重点探讨了选中的4个因素对超临界二氧化碳萃取芫荽籽油收率的影响。优化超临界二氧化碳萃取芫荽籽油工艺参数，建立了新疆芫荽籽油超临界二氧化碳萃取工艺。单因素试验和正交试验设计分别见表1和表2。

表1　超临界二氧化碳萃取芫荽籽油单因素试验因素与水平

表2　超临界二氧化碳萃取芫荽籽油正交试验因素与水平

1.2.2工艺流程。地产芫荽籽→清洗→自然晾干→粉碎(粗粉，细粉，过筛制备成60目)→称重→加入携带剂浸泡过夜→装料→密封→升温升压到预定值→保持恒温恒压条件进行超临界二氧化碳萃取→分离釜减压分离→芫荽籽油。

萃取操作流程：芫荽籽经粉碎后(粒度约60目)，每次试验称量100 g，用一定比例携带剂浸泡过夜后，置于1 L萃取釜中，密封系统。待萃取釜、分离釜Ⅰ和分离釜Ⅱ的压力和温度分别达到设定值时，开始进行萃取试验，按照设定的萃取时间间隔收集萃取物，试验结束后计算芫荽籽油的收率。

出油率(%)=萃取物质质量(g)/芫荽籽原料粉质量(g)×100

2结果与分析

2.1单因素试验

2.1.1携带剂种类对芫荽籽油出油率的影响。称取5份，每份为100 g的芫荽籽粉，分别置于1 L烧杯中，分别加入100 mL的无水乙醇、甲醇、丙酮、95%乙醇，混匀后用保鲜膜封口，浸泡过夜。按照“1.2.2”操作流程，在萃取压力为20 MPa，萃取温度40 ℃，分离 Ⅰ 温度40 ℃，分离压力5.5 MPa，二氧化碳的流量为25～30 kg的条件下萃取40 min后，收集萃取物并计算油的收率，结果见图1。

图1　不同携带剂对出油率的影响Fig.1　Effect of different entrainers on oil extracting rate

由图1可见，4种携带剂对出油率效果有差异，其中无水乙醇用作携带剂时出油率最高， 95%乙醇次之，甲醇和丙酮出油率基本差不多，与无水乙醇相比较差。究其原因，是由于芫荽籽油的主要成分为芳樟醇，芳樟醇是一种萜醇，它较易溶于无水乙醇中，所以无水乙醇用作携带剂时萃取率较高。综合考虑以后大规模生产过程中产生的成本、三废污染及生产和食用安全性等因素，故选用无水乙醇为携带剂比较合适。

2.1.2携带剂用量对芫荽籽油出油率的影响。称取5份，每份100 g芫荽籽粉，分别加入料液比为1∶0.2(20%)、1∶0.4、1∶0.6、1∶0.8、1∶1.0的乙醇浸泡过夜。按照“1.2.2”的工艺条件下进行萃取试验，并计算油的收率，结果见图2。

图2　携带剂的用量对出油率的影响Fig.2　Effect of entrainer’s dosage on extracting rate

料液比是影响萃取率的重要因素之一，由图2可见，料液比(样品重量和携带剂体积的比例)从1∶0.2到1∶0.4的过程中对出油率的影响不太明显；但是从1∶0.4到1∶0.6的过程中出油率逐渐升高，当固液比为1∶0.6时出油率最高，超过1∶0.6以后出油率逐渐减少。这是因为在萃取试验中，料液比中溶剂用量越大萃取率越高，但当料液比达到1∶0.6时，芫荽籽油已基本提取完全，此时继续增加料液比中溶剂

用量，导致单位提取液中芫荽籽油浓度的降低，而且浪费携带剂和能源，加大生产成本，因此选择料液比为1∶0.6较合适。

2.1.3原料粒度对芫荽籽油出油率的影响。称取5份原料粒度分别为20、40、60、80、100目的芫荽籽粉100 g，置于1 000 mL烧杯中，然后每个样品中加入固液比为1∶0.6的无水乙醇浸泡过夜。按照“1.2.2”的工艺条件下进行萃取试验，并计算收率，试验结果见图3。

图3　原料粒度对出油率的影响Fig.3　Effect of raw material granularity on oil extracting rate

由图3可以看出，当原料粒度为40目和60目时出油率都较高，60目时出油率最高，粉碎粒度大于60目时出油率逐渐下降。这因为原料粒度越小，原料传质面积越大，更有利于提高出油率，但是在试验中发现，原料粒度越大传质效率越高，原料粒度越小，使细小的原料颗粒在高压萃取釜里进行萃取时原料容易堆积，造成釜体里原料密度过大，阻碍了芫荽籽油微滴穿过原料层而进入溶剂层，虽然原料粒度越小，原料传质面积越大，但同时也使釜体里原料密度过大，降低了原料传质系数。因此，随着原料粒度的变小，其出油率也减少。试验当中发现，原料粒度大于40目时，因原料含有油脂很难过筛。原料粒度对出油率的影响综合考虑能耗和生产成本等因素，选用40目比较划算，因此最佳原料粒度选用40目。

2.1.4萃取压力对芫荽籽油出油率的影响。称取5份100 g(40目)芫荽籽粉，各加入固液比为1∶0.6的无水乙醇浸泡过夜，次日在固定萃取温度40 ℃，分离 Ⅰ 温度为40 ℃，分离压力为5.5 MPa，萃取时间40 min,二氧化碳流量25～30 kg/h，分别在10、15、20、25、30 MPa 5种不同的萃取压力进行萃取试验。收集萃取物，并计算出油率，结果见图4。

图4　 萃取压力对出油率的影响Fig.4　Effect of extracting pressure on oil extracting rate

由图4可见，萃取压力在10~20 MPa范围时，随着压力增加，出油率也逐步升高，在一定的温度下，压力的增加导致二氧化碳流体密度的增加，密度的增加有利于传质效率，从而提高了萃取效率。但是压力超过20 MPa后，萃取率降低，是因为萃取压力过大，使萃取釜体中二氧化碳的扩散系数降低，导致萃取率降低。综合考虑萃取设备寿命、能耗、成本等因素，选择萃取压力位为20 MPa较合适。

2.1.5萃取温度对芫荽籽油出油率的影响。称取5份100 g(40目)芫荽籽粉，各加入固液比为1∶0.6无水乙醇浸泡过夜，次日在固定萃取压力20 MPa，分离 Ⅰ 温度为40 ℃，分离Ⅰ和分离Ⅱ 压力均为5.5 MPa，萃取时间40 min,二氧化碳流量25～30 kg/h。改变萃取温度，分别在35、40、45、50、55 ℃ 5种不同萃取温度下分别进行萃取试验。收集萃取物，并计算收率，结果见图5。

图5　 萃取温度对出油率的影响Fig.5　Effect of extracting temperature on oil extracting rate

由图5可以看出，萃取温度对出油率的影响较复杂，在35~45 ℃，随着萃取温度的升高，出油率先增加后下降，且出油率增幅不太明显。在45~55 ℃范围，出油率随着温度的升高而增高，说明二氧化碳流体处在临界温度附近，二氧化碳流体密度对温度的变化非常敏感，微小的温度变化导致密度急剧变化[11]，当萃取温度达到55 ℃时，二氧化碳流体的密度瞬间增大、溶解度增强，提高萃取效果。因此，选择萃取温度为55 ℃较合适。

2.1.6萃取时间对芫荽籽油出油率的影响。称取5份100 g(40目)芫荽籽粉，各加入固液比为1∶0.6无水乙醇浸泡过夜，次日在固定萃取压力20 MPa，分离 Ⅰ 温度为40 ℃，分离 Ⅰ 和分离Ⅱ 压力均为5.5 MPa，二氧化碳流量25～30 kg/h，改变萃取时间，分别在40、60、90、120、150 min 5种不同的时间进行萃取试验。收集萃取物，并计算收率，结果见图6。

图6　萃取时间对出油率的影响Fig.6　Effect of extracting time on oil extracting rate

由图6可以看出，在40~60 min范围，随着萃取时间的延长出油率逐渐增高，萃取60 min时收率最高， 60 min后随着萃取时间的延长出油率稍微降低且趋于平稳状态，因此选择萃取时间为60 min较合适。

2.1.7分离温度对芫荽籽油出油率的影响。称取5份100 g(40目)芫荽籽粉，各加入固液比为1∶0.6无水乙醇浸泡过夜，次日固定萃取压力20 MPa，分离 Ⅰ 温度为40 ℃，分离 Ⅰ 和分离 Ⅱ 压力均为5.5 MPa， 二氧化碳流量25～30 kg/h，萃取时间40 min；改变分离温度，分别在35、40、50、55 ℃ 5种分离温度条件下分别进行萃取试验。收集萃取物，并计算收率，结果见图7。

图7　分离温度对出油率的影响Fig.7　Effect of separating temperature on oil extracting rate

由图7可知,分离温度对出油率的影响比较复杂，分离温度为35 ℃时的出油率最高，是因为在较低压力和温度下，二氧化碳流体的扩散系数瞬间增大，有利于萃取物与二氧化碳流体分离，从而提高了出油率。在40~50 ℃，随着分离温度逐渐升高出油率有所降低，但降幅不太明显；50~55 ℃，虽然出油率有所提高但增幅也不太明显。这是因为，在较低压力下，继续提高分离温度，随着分离温度的升高，二氧化碳流体的扩散系数不断增加，而它的密度下降很快，二氧化碳流体密度的快速下降不利于萃取物的分离，因此随着分离温度升高萃取效果下降，所以选择分离温度为35 ℃较合适。

2.2超临界二氧化碳萃取芫荽籽油正交试验结果与分析在单因素试验基础上选取正交试验的因素及水平，见表2。根据单因素试验结果选中萃取压力、温度、时间以及分离温度4个因素为主要因素，并且每个因素分别取3个水平进行了4因素3水平正交试验。重点探讨了这4个因素对芫荽籽油出油率的影响，正交试验结果见表3。

表3　芫荽籽油超临界CO2萃取正交试验的结果

由表3中数据可见，4个因素对芫荽籽油收率的影响程度从大到小顺序依次为萃取压力、萃取温度、分离温度、料液比，其中萃取压力对芫荽籽油收率的影响最为显著，萃取温度次之，携带剂用量和分离温度的影响相对较小。正交试验结果表明，超临界二氧化碳萃取芫荽籽油的最佳工艺条件组

合为A2B2C2D1,既萃取压力20 MPa,萃取温度55 ℃，分离温度30 ℃，携带剂用量为(固液比)1∶0.6。

正交试验方差分析结果显示，FA=13.290,FB=2.834,FC=1.000,FD=1.364,F=19.000。由此可知，在选定4个因素中，因素A(萃取压力)对芫荽籽油收率的影响具有显著性，其他因素不具有显著性。因此，在工艺条件优化中适当满足萃取压力的要求，就可以获得较好的收率。

依照正交试验获得的最佳工艺条件下，进行3次萃取率试验，并分别计算收率，收率分别为14.67%、14.96%、15.35%，平均收率为14.99%，证明此工艺是合理可行的。

3结论

该研究先采用单因素试验方法，分别考察了原料粒度、携带剂种类、携带剂用量、萃取压力、萃取温度、萃取时间、 分离温度等因素对超临界二氧化碳萃取芫荽籽油提取率的影响，筛选了上述7个因素中对芫荽籽油收率影响较显著的4个因素，继续用4因素3水平正交试验设计进行工艺优化。

通过正交试验设计确定了超临界二氧化碳萃取芫荽籽油的最佳工艺条件∶萃取压力20 MPa ，萃取温度55 ℃，萃取时间60 min,分离温度30 ℃，用固液比为1∶0.6无水乙醇为携带剂萃取芫荽籽油，在此工艺条件下油提取率可达14.99%。

萃取获得的芫荽籽油为鲜黄色，具有芫荽特殊香气的透明油状物。最佳工艺验证试验结果也表明，通过正交试验得到的最佳工艺是稳定和可行的。

参考文献

[1] 刘勇民，刘伟新，沙吾提·伊克木，等.维吾尔药志[M].乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社，1999：215-217.

[2] 任安祥,何金明,肖艳辉，等.不同品种芫荽籽的精油含量与成分分析[J].时珍国医国药，2006,17(10):1867-1868.

[3] CANTORE P L，IACOBELLIS N S，MARCO A D，et al．Antibacterial activity ofCoriandrumsativumL．andFoeniculumvulgareMiller var．vulgare(Miller)essential oils[J]．J Agric Food Chem，2004，52(26)：7862-7866．

[4] 戴国彪，姜子涛 ,李荣，等.芫荽籽精油抗氧化能力研究[J].食品研究与开发，2010，31(8)：8-11.

[5] EMAMGHOREISHI M，KHASAKI M，AAZAM M F.Coriandrum sativum：evaluation of its anxiolytic effect in the elevated plus-maze [J].J Ethnopharmacol，2005，96(3)：365-370．

[6] 时艳玲，王光慈，陈宗道，等． 某些香辛料精油抑制N-二甲基亚硝胺体外合成的研究[J]．西南农业大学学报，1997，19(4)：359-362．

[7] 刘玉平，孙宝国，石华志，等.超临界二氧化碳萃取芫荽籽油的研究[J].粮油食品科学，2008,23(4)：157-159.

[8] 阿依古丽·塔什波拉提，郑健琨，张静，等.超临界CO2萃取维药芹菜籽油药用成分[J].食品与发酵工业,2010,36(1):149-151.

[9] 阿依古丽·塔什波拉提，郑健琨,沙拉买提·托乎体，等.黑种草籽油的超临界CO2萃取及其GC-MS分析[J].精细化工，2011，28(11)：1099-1102.

[10] 成江晨,白凌.超临界CO2萃取芫荽籽油的数学模型[J].安徽农业科学,2011,39(5):3079-3083.

[11] 韩布兴.超临界流体科学与技术[M].北京：中国石化出版社，2005:2-3.

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

作者简介阿依古丽·塔什波拉提(1968- )，女，维吾尔族，新疆乌鲁木齐人，副研究员，从事天然产物基础研究与开发。

基金项目新疆乌鲁木齐市科技局种子基金(k111410002)。

中图分类号S 509.9

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)02-121-04