超臨界CO2流體萃取葡萄籽油工藝條件的優(yōu)化

田 剛，李松田，趙曉軍

(平頂山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南平頂山 467000)

超臨界CO2流體萃取葡萄籽油工藝條件的優(yōu)化

田 剛，李松田，趙曉軍

(平頂山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南平頂山 467000)

采用正交設(shè)計(jì)法，在超臨界CO2流體萃取裝置上探索了萃取溫度(50～70℃)、萃取壓力(18～26 MPa)、萃取時(shí)間(1～3 h)以及原料裝填量(160～240 g)對葡萄籽油萃取率的影響。萃取壓力影響最大，其次為萃取溫度和時(shí)間，原料裝填量影響最小。結(jié)果表明，優(yōu)化的萃取工藝條件為:萃取溫度50℃，萃取壓力26 MPa，萃取時(shí)間1 h，葡萄籽裝填量200 g;此條件下，葡萄籽油的萃取率為11.23%。

超臨界CO2流體;葡萄籽油;萃取;工藝條件

葡萄是世界上的重要水果，葡萄籽約占葡萄質(zhì)量的4%～7%［1］。葡萄籽中富含油脂類物質(zhì)，其中含有兩類非常重要的化合物，即亞麻油酸和原花色素。亞麻油酸對人體血管有重要保護(hù)作用，它能降低人體中的血壓血脂、軟化血管、促進(jìn)細(xì)胞之間的微循環(huán)，幫助人體吸收維生素C和E、增強(qiáng)血管細(xì)胞的活性、保護(hù)肌膚中的膠原蛋白，免于紫外線的傷害、防止黑色素的積累沉淀等;原花色素不但能夠抗衰老，而且具有天然無毒的特性［2-5］。因此，葡萄籽油的提取受到廣泛關(guān)注。

葡萄籽油的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法是機(jī)械壓榨法和有機(jī)溶劑萃取法［5］。采用機(jī)械壓榨法生產(chǎn)葡萄籽油，營養(yǎng)成分損失少，但出油率低;用有機(jī)溶劑萃取法，出油率較高，但營養(yǎng)成分不可避免地會(huì)溶于溶劑中，造成二次分離困難，而且有溶劑殘留、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)［6-8］。新型的膨化浸出溶劑提取法雖然突破了傳統(tǒng)方法局限，但此法條件控制要求高，操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致葡萄籽熟化，造成營養(yǎng)成分損失和后續(xù)加工困難［9］。微波輔助提取是利用微波能量來提高萃取率，物料經(jīng)微波作用時(shí)，某些物質(zhì)組分會(huì)根據(jù)自身性質(zhì)而被選擇性地加熱，從而與基體分離，但微波萃取只能吸收透明或者半透明的介質(zhì)，而且必須考慮萃取溶劑的極性，否則萃取效果不佳［10］。

以超臨界CO2流體萃取法萃取葡萄籽油已有一些相關(guān)報(bào)道［11-12］，但相關(guān)研究試驗(yàn)裝置較小，所得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對工業(yè)規(guī)模技術(shù)開發(fā)支持不夠，超臨界CO2萃取法生產(chǎn)葡萄籽技術(shù)尚未成熟。筆者主要在公斤級超臨界CO2流體萃取裝置上探索了萃取葡萄籽油的工藝條件，采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法，討論了萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間和原料裝填量對萃取葡萄籽油的影響，分析得到了試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，萃取葡萄籽油的優(yōu)化工藝條件，以期為超臨界CO2流體萃取葡萄籽油技術(shù)的工業(yè)化開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料和儀器

葡萄籽:使用前，干燥，粉碎，過篩，選取粒度250～380μm(40～60目)的顆粒為原料;CO2:純度99.99%，河南源正科技發(fā)展有限公司。

HA220-50-06型超臨界CO2流體萃取裝置，配備1 L和5 L兩個(gè)料筒，江蘇南通市華安超臨界萃取有限公司;FA2004B電子分析天平，上海精科天美科學(xué)儀器有限公司;DHG-9123A真空干燥箱，鄭州長城科工貿(mào)有限公司;250～380μm(40～60目)篩，上海安譜科學(xué)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)裝置和流程

超臨界CO2流體萃取裝置流程如圖1所示。CO2氣體凈化后通過冷箱冷卻變成液態(tài)后，由高壓柱塞泵壓縮升壓，再經(jīng)換熱器升溫，達(dá)到超臨界態(tài)，然后流過萃取料筒，與料筒中原料葡萄籽接觸，葡萄籽中易溶于超臨界CO2流體的油脂類物質(zhì)，隨流體流動(dòng)依次進(jìn)入分離器Ⅰ和分離器Ⅱ。分離器Ⅰ和分離器Ⅱ前分別設(shè)置換熱器來調(diào)節(jié)流體溫度，使CO2流體在超臨界態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間的轉(zhuǎn)變?？刂品蛛x器Ⅰ溫度為50℃，壓力為8.8 MPa;分離Ⅱ器溫度為35℃，壓力與CO2儲(chǔ)罐壓力相同;進(jìn)而達(dá)到萃取油脂與CO2流體相分離。

圖1 超臨界CO2流體萃取裝置流程圖

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)的方法，參考相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道［6，9，13-14］，并結(jié)合裝置實(shí)際條件，制定因素和水平。選擇萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間和原料裝填量四個(gè)因素，分別記作A、B、C和D，各因素均取3個(gè)水平，如表1所示。根據(jù)因素水平表設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)表，如表2所示。

表1 因素水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表

按表2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)隨機(jī)進(jìn)行每組試驗(yàn)。現(xiàn)列舉一次試驗(yàn)詳細(xì)過程，如下(第8次):稱量原料240 g，裝入1 L萃取料筒中。萃取料筒密封好后，放入萃取設(shè)備中。設(shè)定萃取溫度70℃和壓力22 MPa;萃取時(shí)間為1 h。在萃取分離過程中，保持各部分溫度、壓力參數(shù)恒定不變。試驗(yàn)結(jié)束后，分離器Ⅰ中萃取出26.68 g葡萄籽油;分離器Ⅱ中萃取出9.46 g葡萄籽油。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，分離器Ⅰ中得到的油脂，呈亮黃色，色度澄清，與一般市售食用油無表觀差別;分離器Ⅱ中得到的油脂為黃色糊狀物，品質(zhì)較差;故僅以分離器Ⅰ中得到葡萄籽油量計(jì)算萃取率。萃取率的計(jì)算方法如下:

2 結(jié)果與討論

2.1 各因素影響趨勢分析

分別以萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間和原料裝填量四因素中各個(gè)水平為橫坐標(biāo)，以各水平中的單個(gè)平均值為縱坐標(biāo)，繪制因素與指標(biāo)趨勢圖，如圖2所示。

圖2 各因素影響趨勢圖

2.1.1 萃取溫度的影響

從圖2a中可以看到，萃取率隨萃取溫度升高，先降低后增加。溫度升高一方面會(huì)導(dǎo)致超臨界CO2流體密度下降，減小了傳質(zhì)系數(shù)，導(dǎo)致萃取率下降;另一方面，溫度升高有利于葡萄籽中油脂的揮發(fā)，故萃取率有所上升，但過高溫度有可能造成油脂中活性成分變質(zhì)，而且能耗也隨之上升。已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度選擇在30～40℃較為合適［13-14］，但當(dāng)裝料量較大，床層體積較大，密度較高，傳熱過程受到一定影響，過低溫度不利于整個(gè)料床里的油脂揮發(fā)。因此，萃取溫度選擇50℃。

2.1.2 萃取壓力的影響

從圖2b中可以看到，萃取率隨萃取壓力上升而增大。壓力越高，則超臨界CO2流體密度越大，有利于溶質(zhì)的溶解，增大傳質(zhì)系數(shù)，可提高萃取率，但過高壓力必然會(huì)使能源動(dòng)力消耗急劇增加。因此，選擇萃取壓力為26 MPa。

2.1.3 萃取時(shí)間的影響

從圖2c中可以看到，萃取率隨萃取時(shí)間增加先大幅下降，后略有上升。萃取時(shí)間增加，萃取率本應(yīng)增大，然而，本試驗(yàn)裝置配備了兩個(gè)分離器，分析時(shí)只考慮了產(chǎn)品性狀較好的分離器Ⅰ中所得油脂的情況，隨著萃取時(shí)間增加，分離器Ⅰ油脂一部會(huì)被流體帶至分離器Ⅱ，若將分離器Ⅰ和Ⅱ中的產(chǎn)品全部考慮，則隨萃取時(shí)間的增加萃取率不斷上升;由這一結(jié)果也可推斷，不同時(shí)刻萃取得到的油脂品質(zhì)上有較大差異。另外，考慮隨萃取時(shí)間增加，成本上升。因此，選擇萃取時(shí)間為1 h。

2.1.4 原料裝填量的影響

從圖2d中可以看到，萃取率隨原料裝填量先增大后減小。原料裝填量實(shí)際影響的是一定時(shí)間內(nèi)超臨界CO2流體與葡萄籽的流容比，實(shí)驗(yàn)中流容比控制在10左右，但裝料量增加后，床層體積和密度增加，在流容比變化不大情況下，仍會(huì)降低傳質(zhì)效率，傳熱不均勻性增加，導(dǎo)致萃取率下降。故選擇1 L料筒時(shí)，裝填200 g物料比較合適。

2.2 優(yōu)化工藝條件的確定

分析表2所示結(jié)果可知，對試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序?yàn)锽、A、C、D，即萃取壓力影響最大，其次是萃取溫度和萃取時(shí)間，而原料裝填量的影響最小。

每個(gè)因素下均值k的大小直接反映了水平對試驗(yàn)指標(biāo)萃取率的影響程度。由表2中結(jié)果可知，四個(gè)因素的優(yōu)化水平組合為A1B3C1D2，在此優(yōu)化組合條件下，開展了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由3次平行試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到葡萄籽油的平均萃取率為11.23%。故可確定超臨界CO2流體萃取葡萄籽油優(yōu)化的工藝條件為:萃取溫度50℃，萃取壓力26 MPa，萃取時(shí)間1 h，原料裝填量200 g。另外，在優(yōu)化的條件下，在5 L料筒中放入原料1 000 g，開展萃取試驗(yàn)，萃取率達(dá)到11.05%。

表3 優(yōu)化組合下驗(yàn)證試驗(yàn)

3 結(jié)論

萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間以及原料裝填量等因素都影響超臨界CO2流體萃取葡萄籽油的收率，萃取壓力影響最大，其次是萃取溫度和萃取時(shí)間，而原料裝填量的影響最小。在本文實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，優(yōu)化的工藝萃取條件為:萃取溫度50℃，萃取壓力26 MPa，萃取時(shí)間1 h，原料裝填量為200 g。優(yōu)化條件下，葡萄籽油的收率為11.23%。

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Processing Conditions Optim ization of Grape Seed-oil by Super-critical CO2Fluid Extraction

TIAN Gang，LISongtian，ZHAO Xiaojun

(College of Chemistry and Chemical Engineering，Pingdingshan University，Pingdingshan 467000，China)

Using orthogonal design method，the extraction rate of grape seed-oil is investigated under a super-critical CO2fluid extractor.The factors such as extraction temperature(50～70℃)，extraction pressure(18～26 MPa)，extraction time(1～3 h)and loading amount of rawmaterial(160～240 g)affecting the extraction rate of grape seed-oil are determined.The extraction ratio that influenced by each factor is as follows:pressure，and temperature and time，and loading amount of raw material.The experimental results show that the optimization of processing conditions is temperature 50℃，pressure 26 MPa，time 1 h，loading amount200 g.Under these conditions，the highest extraction ratio of grape seed-oil is 11.23%.

super-critical CO2fluid;grape seed-oil;extraction;process conditions

TQ028.32

A

1003-3467(2015)10-0025-04

2015-08-03

平頂山學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助(PXY-BSQD-2015007)

田 剛(1983-)，男，博士，講師，從事新型化工分離技術(shù)方面的研究工作，E-mail:gangty@126.com。