超臨界CO2流體提取洛陽牡丹籽油工藝研究

鄧瑞雪，劉 振，秦琳琳，王 莉，劉雪琴，劉 普*

(河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院，河南 洛陽 471003)

超臨界CO2流體提取洛陽牡丹籽油工藝研究

鄧瑞雪，劉 振，秦琳琳，王 莉，劉雪琴，劉 普*

(河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院，河南 洛陽 471003)

采用單因素和正交試驗(yàn)法討論超臨界CO2萃取牡丹籽油過程中萃取溫度、壓力、時(shí)間及CO2的流量因素對(duì)牡丹籽油脂的萃取率及不飽和萃取液中脂肪酸的含量的影響。并采用GC-MS技術(shù)對(duì)油脂成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明，采用超臨界CO2流體技術(shù)可以萃取牡丹籽中的油脂成分，其最佳工藝條件為壓力30MPa、萃取溫度40℃、萃取時(shí)間2.5h、二氧化碳流量25kg/h。此時(shí)油脂的萃取率為30.7%，萃取液中不飽和脂肪酸的相對(duì)含量可達(dá)70.81%。

牡丹籽油；超臨界流體萃取；正交試驗(yàn)；氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)

牡丹(Paeonia suffruticosa Sndr)屬毛茛科芍藥屬灌木，在我國有著廣泛的栽培歷史，河南洛陽、山東菏澤、安徽銅陵、陜西漢中、四川彭縣等都是牡丹的主要產(chǎn)地。洛陽種植牡丹歷史悠久，洛陽牡丹始于隋朝，盛于唐朝，甲天下于宋朝。有“洛陽地脈花最宜，牡丹尤為天下奇”之說。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國牡丹的種植面積已經(jīng)達(dá)到30萬畝以上，牡丹作為藥用的主要部位是牡丹的根皮，其根皮又名丹皮，具有清熱涼血、活血散瘀的功效[1-5]。牡丹籽是牡丹生產(chǎn)丹皮的主要副產(chǎn)物，每年牡丹籽的產(chǎn)量可以達(dá)到3萬噸。文獻(xiàn)報(bào)道[6-8]，牡丹籽含有豐富脂肪酸，其中不飽和脂肪酸的含量尤為豐富，如亞麻酸、亞油酸以及奇數(shù)碳原子的脂肪酸。亞麻酸和亞油酸是對(duì)人體健康具有特別重要作用的必須的脂肪酸，在人體內(nèi)不能夠自己合成，只能通過從外界攝取獲得。超臨界CO2萃取技術(shù)是一種新型分離技術(shù)，該技術(shù)適用于脂溶性，高沸點(diǎn)，熱敏性物質(zhì)的提取，在生物、食品、藥物等許多產(chǎn)物的提取和純化中有著廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)研究超臨界CO2萃取技術(shù)提取牡丹籽中的油脂類成分的工藝條件，并通過GC-MS進(jìn)行化學(xué)成分分析，以油脂的收率為依據(jù)考察萃取壓力、溫度、時(shí)間以及夾帶劑對(duì)提取工藝條件的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牡丹籽(2007年10月采自河南洛陽牡丹園，自然干燥后，備用)。95%乙醇(分析純)。

1.2 儀器與設(shè)備

HA221-50-06 型超臨界萃取裝置(由供汽系統(tǒng)、超臨

界CO2發(fā)生系統(tǒng)、萃取系統(tǒng)和分離系統(tǒng)4部分組成) 江蘇南通華安超臨界設(shè)備公司；H P6 8 90氣相色譜儀、HP5973N質(zhì)譜儀(GC-MS氣質(zhì)聯(lián)用) 美國安捷倫公司；粉碎機(jī) 河北黃驊市實(shí)驗(yàn)機(jī)械廠；BP210S電子分析天平德國賽多利斯有限公司。

1.3 方法

1.3.1 色譜條件

色譜柱：HP-5MS 石英毛細(xì)柱(30m×0.25mm，0.25μm)；升溫程序：80℃保持1min，以8℃/min升至250℃；載氣(He)流速0.8mL/min，壓力2.4kPa，進(jìn)樣量0.5μL；分流比20:1。

1.3.2 質(zhì)譜條件

電子轟擊(EI)離子源；電子能量70eV；傳輸線溫度250℃；離子源溫度230℃；母離子m/z 285；激活電壓1.3V；質(zhì)量掃描范圍m/z 27～460。

1.4 牡丹籽油脂成分的提取

將100.0g牡丹籽粉碎，過60目篩，裝入萃取釜中，開啟二氧化碳?xì)馄?，用高壓泵?duì)系統(tǒng)加壓，設(shè)置一定的萃取壓力、溫度、時(shí)間。收集分離釜中淡黃色半透明油狀萃取物，用乙酸乙酯萃取。揮出乙酸乙酯后，用無水硫酸鈉干燥過夜，得淡黃色油狀物，稱量，計(jì)算萃取率。

研究以萃取壓力、萃取時(shí)間、萃取溫度和二氧化碳的流量為因素。首先對(duì)萃取壓力、時(shí)間、溫度和二氧化碳的流量等因素進(jìn)行單因素分析。再對(duì)這些因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，最后確定最佳萃取工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃取壓力對(duì)油脂萃取率的影響

圖1 萃取壓力對(duì)牡丹籽油萃取率的影響Fig.1 Effect of extraction pressure on peony seed oil yield

選擇萃取溫度40℃、萃取時(shí)間2h、二氧化碳流量在20kg/h的條件下，考察不同萃取壓力對(duì)牡丹籽油萃取率的影響。從圖1可以看出，開始萃取率隨著壓力的增大而增加，當(dāng)壓力增加到30MPa時(shí)，此時(shí)萃取率達(dá)到最高，再增大壓力，萃取率反而下降。原因可能是由于二氧化碳的密度會(huì)隨著壓力的增大而增大，同時(shí)壓力增大也可以減少傳質(zhì)距離，增加了溶質(zhì)與溶劑的傳質(zhì)效率，牡丹籽油的萃取率會(huì)增大。隨著壓力的進(jìn)一步增大(超過30MPa)時(shí)，萃取率增勢(shì)趨于穩(wěn)定，并且壓力越高，油的純度會(huì)降低，同時(shí)增大了設(shè)備運(yùn)行的成本，因此，最佳壓力應(yīng)選擇30MPa。

2.2 萃取溫度對(duì)油脂萃取率的影響

圖2 萃取溫度對(duì)牡丹籽油萃取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on peony seed oil yield

選擇萃取壓力30MPa、萃取時(shí)間2h、二氧化碳流量在20kg/h的條件下，考察不同萃取溫度對(duì)牡丹籽油萃取率的影響。從圖2可以看出，開始萃取率隨著溫度的增大開始緩慢增大，后來也稍有下降，總體上溫度對(duì)萃取率的影響不大。由于一方面溫度的升高會(huì)導(dǎo)致二氧化碳流體的密度下降，使二氧化碳的溶解能力下降；另外，溫度升高又使溶質(zhì)的揮發(fā)性和擴(kuò)散速度增大，又有利于油脂的提取。因此，最佳溫度應(yīng)選擇40℃。

2.3 萃取時(shí)間對(duì)油脂萃取率的影響

圖3 萃取時(shí)間對(duì)牡丹籽油萃取率的影響Fig.3 Effect of length of extraction on peony seed oil yield

選擇萃取壓力為30MPa、萃取溫度40℃、二氧化碳流量在20kg/h的條件下，考察不同萃取時(shí)間對(duì)牡丹籽油萃取率的影響。從圖3可以看出，開始萃取率隨著溫

度的增大而增大，當(dāng)溫度增大到2.5h后，萃取率增速趨緩。綜合考慮各方面的因素，最后選擇萃取時(shí)間為2.5h。

2.4 二氧化碳流量對(duì)油脂萃取率的影響

圖4 二氧化碳流量對(duì)牡丹籽油萃取率的影響Fig.4 Effect of CO2flow rate on peony seed oil yield

選擇萃取壓力30MPa、萃取溫度40℃、萃取時(shí)間2.5h的條件下，考察二氧化碳流量對(duì)牡丹籽油萃取率的影響。從圖4可以看出，牡丹籽油的萃取率隨著二氧化碳流量的增大而增大，當(dāng)流量增大到25kg/h后，萃取率增速趨緩。綜合考慮各方面的因素，最后選擇萃取二氧化碳流量為25kg/h。

2.5 萃取工藝優(yōu)化

表1 試驗(yàn)因素與水平表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal array design matrix and experimental results of peony seed oil yield

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇L9(34)進(jìn)行四因素三水平(表1)，采用超臨界CO2流體法萃取牡丹籽油，根據(jù)擬定的壓力、時(shí)間、溫度及夾帶劑二氧化碳的流量等條件，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，正交試驗(yàn)表及分析見表2。

從表2可以看出，影響萃取率主次因素是A＞D＞B＞C，最佳工藝條件為A2D3B2C3，即壓力30MPa、萃取溫度40℃、萃取時(shí)間2.5h、二氧化碳流量25kg/h。在此萃取條件下，提取的牡丹籽油萃取率可以達(dá)到30.7%。

2.6 牡丹籽油主要成分分析

采用氣質(zhì)法分析牡丹籽油主要成分，總離子流圖如圖5所示。用超臨界CO2流體萃取法共從牡丹籽萃取油中鑒定出33種成分。采用面積歸一法得到各個(gè)組分的相對(duì)含量，各個(gè)峰相應(yīng)的質(zhì)譜采用與標(biāo)準(zhǔn)譜圖NIST對(duì)照進(jìn)行檢索，并逐個(gè)解析各個(gè)峰對(duì)應(yīng)的質(zhì)譜圖。

圖5 牡丹籽油總離子流色譜圖Fig.5 Total ion current chromatograms of peony seed oil extracted in this study: a. close-up view; and b. partial enlarged view

從表3可以看出，超臨界二氧化碳萃取牡丹籽油中共分析檢索得到33種化學(xué)成分。牡丹籽油中中不飽和脂肪酸的相對(duì)含量為總油量的70.81%，其中亞麻酸占32.38%，亞油酸占20.57%，棕櫚酸13.36%；飽和脂肪酸相對(duì)含量為10.13%，其他成分相對(duì)含量為19.06%。

表3 牡丹籽油脂成分組成Table 3 Chemical composition analysis of peony seed oil extracted in this study

3 結(jié) 論

超臨界二氧化碳流體萃取可以用于牡丹籽中油脂成分的萃取，其萃取牡丹籽油最佳工藝條件為壓力30MPa、萃取溫度40℃、萃取時(shí)間2.5h、二氧化碳流量25kg/h，此時(shí)牡丹籽油的萃取率為30.7%。萃取物中不飽和脂肪酸的相對(duì)含量超過70%，其中其中亞麻酸32.38%、亞油酸20.57%、棕櫚酸13.36%。

牡丹籽油不飽和脂肪酸的含量較為豐富，主要為亞麻酸、亞油酸和棕櫚酸，這些都是具有一定生物活性保持人體健康必須的脂肪酸。因此，展開對(duì)牡丹籽油脂提取工藝及成分分析的研究，對(duì)于開發(fā)具有營養(yǎng)保健作用的功能油脂具有非常重要的意義。

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Optimization of Supercritical CO2Extraction and Analysis of Chemical Composition of Peony Seed Oil

DENG Rui-xue，LIU Zhen，QIN Lin-lin，WANG Li，LIU Xue-qin，LIU Pu*
(School of Chemical Engineering and Pharmaceutics, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Single factor and orthogonal array design method were used to optimize the extraction of peony seed oil using supercritical carbon dioxide (SC-CO2) with respect to the effects of extraction pressure and temperature, length of extraction. Along with this, the chemical composition of the extracted peony seed oil was analyzed by GC-MS. The results showed that the optimized SC-CO2 extraction for 2.5 h at 40 ℃, 30 MPa and a CO2 flow rate of 25 kg/h resulted in a maximum oil yield of 30.7%. The total content of unsaturated fatty acids of the extracted peony seed oil was 70.81%.

peony seed oil；supercritical carbon dioxide (SC-CO2) extraction；orthogonal array design；gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)

TQ420.66

A

1002-6630(2010)10-0142-04

2009-07-07

河南科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(09001334)；河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2007QN018)；河南科技大學(xué)大學(xué)生訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2008061)

鄧瑞雪(1978—)，女，講師，博士，研究方向?yàn)榛钚蕴烊划a(chǎn)物及其合成。E-mail：dengliu20022002@yahoo.com.cn

*通信作者：劉普(1978—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物及其開發(fā)。E-mail：liudeng20022002@yahoo.com.cn