超臨界CO 2 萃取谷維素的工藝研究

超臨界CO2萃取谷維素的工藝研究

蔣璧蔚，林文，王志祥*，張楠

(中國藥科大學(xué)制藥工程教研室，南京210009)

摘要：目的探究米糠中谷維素的超臨界CO2萃取工藝。方法以單因素實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)考察最佳提取工藝。結(jié)果最佳工藝條件為萃取壓力30 MPa、萃取溫度50 ℃、萃取時(shí)間100 min、CO2 流量1.75 L·min`(-1)，在此條件下谷維素的回收率可達(dá)到73.34%。結(jié)論優(yōu)選方案穩(wěn)定、可靠。

關(guān)鍵詞：谷維素；米糠；超臨界CO2萃??；正交實(shí)驗(yàn)

doi:10.3969/j.issn.1004-2407.2015.03.003

中圖分類號：R284

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-2407(2015)03-0228-03

Abstract:ObjectiveTo investigate and optimize the supercritical CO2 extraction process of γ-oryzanols from rice bran.Methods

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助(編號：JKQZ2013003)

作者簡介：蔣璧蔚，男，在讀碩士研究生

收稿日期：(2014-10-07)

Study on the supercritical CO2extraction process ofγ-oryzanolsfrom rice bran

JIANG Biwei， LIN Wen， WANG Zhixiang*，ZHANG Nan(Department of Pharmaceutical Engineering， China Pharmaceutical University， Nanjing 210009， China)

The optimal extraction process based on the single factor experiment was explored further by orthogonal tests.ResultsThe optimized extraction conditions were as follows：pressure 30 MPa，temperature 50 ℃，time 100 min，and flow of CO21.75 L·min-1.Under the optimal extraction conditions，the recovery rate ofγ-oryzanols can reach up to 73.34%.Conclusion The optimal conditions are stable and reliable.

Key words:γ-oryzanols；rice bran；supercritical fluid extraction；orthogonal test

*通信作者：王志祥，男，教授，博士生導(dǎo)師

米糠是谷子脫殼后加工成精米時(shí)的副產(chǎn)物，富含多種營養(yǎng)素[1]。其中的谷維素是一種以環(huán)木菠蘿醇類為主體的阿魏酸酯與甾醇類阿魏酸酯組成的天然混合物[2]。目前研究發(fā)現(xiàn)，谷維素具有降血脂、降血糖、預(yù)防心血管疾病、抗氧化、清除自由基、抗膽固醇吸收、抑制癌細(xì)胞生長、調(diào)節(jié)中樞及心臟自主神經(jīng)等功能[3-4]。臨床上用于治療植物神經(jīng)功能紊亂、經(jīng)前期緊張及更年期綜合征[5]。

傳統(tǒng)的谷維素制取法主要是二次堿煉法，從皂腳中提取谷維素。傳統(tǒng)方法在制取皂腳的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的谷維素?fù)p失，嚴(yán)重影響最終收率，而且谷維素提取過程極其繁瑣。加入的酸、堿會(huì)造成大量溶劑殘留，不僅增加后處理難度，且不符合綠色工藝要求。超臨界萃取技術(shù)是一種集萃取、分離、濃縮為一體的新技術(shù)[6]。超臨界流體萃取是利用超臨界流體強(qiáng)的溶解能力，從天然藥物中提取有效成分，再通過減壓的方法將其釋放出來的過程[7]。本文通過考察萃取溫度、時(shí)間、壓力和CO2流量等工藝參數(shù)，采用正交設(shè)計(jì)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，得到超臨界CO2萃取谷維素的最佳工藝。

1儀器與試藥

1.1儀器超臨界萃取裝置(7071型，美國Applied Separation公司)；高效液相色譜系統(tǒng)(LC-10AT型，日本島津公司)；高速萬能粉碎機(jī)(FW100型，天津市泰斯特儀器有限公司)；分析天平(BT25S型，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)。

1.2試藥米糠采購于江蘇省鎮(zhèn)江市；谷維素對照品(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%，加拿大，Toronto Research Chemical Inc.)；液態(tài)CO2購于南京天澤氣體有限公司，體積分?jǐn)?shù)≥99.9%；正己烷(分析純，江蘇南京漢邦科技有限公司)；甲醇、異丙醇(色譜純，江蘇南京漢邦科技有限公司)。

2方法

2.1谷維素HPLC分析方法

2.1.1色譜條件Phenomenex色譜柱(250 mm×4.6 mm，4 μm)；柱溫：35 ℃；流動(dòng)相：甲醇-異丙醇(90∶10)；檢測波長：327 nm；流速：1 mL·min-1；進(jìn)樣量：4 μL。

2.1.2標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備精密稱取谷維素對照品0.517 20 g，用異丙醇定容于100 mL量瓶中；用移液管精密量取1，2，3，4，5和6 mL，置于10 mL量瓶中，異丙醇定容，超聲溶解。照上述色譜條件進(jìn)行高效液相色譜測定，以峰面積為X、谷維素質(zhì)量濃度為Y，擬合得線性回歸方程：Y=35 592 067X+123 423，r=0.999 7。結(jié)果表明，谷維素質(zhì)量濃度在0.52~3.10 mg·mL-1范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

2.2溶劑提取實(shí)驗(yàn)精確稱取10.00 g米糠，加入80 mL正己烷，在60 ℃、轉(zhuǎn)速為150 r·min-1的條件下，回流提取6 h，將過濾所得溶液通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去溶劑，直至質(zhì)量不再發(fā)生變化后，稱質(zhì)量，此質(zhì)量為本批次10.00 g米糠總含油量。將所得產(chǎn)品進(jìn)行液相分析，檢測谷維素含量。

2.3單因素實(shí)驗(yàn)將米糠干燥、粉碎后過篩，取10~100目備用。準(zhǔn)確稱取10.00 g米糠粉末，以谷維素回收率為考察指標(biāo)，分別在不同萃取溫度、時(shí)間、壓力和CO2流量等單因素條件下開展實(shí)驗(yàn)。

2.4正交實(shí)驗(yàn)以萃取時(shí)間、壓力、溫度為主要影響因素，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)3因素4水平L16(43)的正交實(shí)驗(yàn)，正交設(shè)計(jì)因素水平見表1。

表1正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

Tab.1 Factors and levels of the orthogonal test

水平因素A,壓力/MPaB,溫度/℃C,時(shí)間/min12030402254060330508043560100

2.5谷維素回收率分析谷維素回收率的計(jì)算公式為：Y=(m×c)/(M×C)×100%，式中，m為超臨界萃取所得產(chǎn)品量(g)；c為超臨界萃取產(chǎn)品的谷維素含量(100%)；M為溶劑提取法所得產(chǎn)品量(g)；C為溶劑提取法產(chǎn)品的谷維素含量(100%)。

3結(jié)果與討論

3.1溶劑提取實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，10.00 g米糠分別得產(chǎn)品0.68，0.72和0.75 g，產(chǎn)品中的谷維素含量依次為1.54%，1.55%和1.57%。3次溶劑提取實(shí)驗(yàn)平均所得谷維素量為(0.68×1.54%+0.72×1.55%+0.75×1.57%)/3=0.011 1 g，則本批次原料10.00 g米糠中含有谷維素11.1 mg。

3.2單因素實(shí)驗(yàn)

3.2.1萃取壓力在萃取溫度為40 ℃，CO2流量為1.75 L·min-1，萃取壓力分別為20，25，30，35和40 MPa的條件下，萃取60 min。結(jié)果表明，在一定壓力范圍內(nèi)，谷維素回收率隨著萃取壓力的升高而增加。這是因?yàn)樵龃髩毫?huì)增高流體的密度，從而使CO2流體的溶解度增加，易于被萃取目標(biāo)物溶解于流體，但是當(dāng)壓力增大到35 MPa時(shí)，回收率增加不明顯并且略微下降，表明在此壓力下，流體已基本達(dá)到了溶解度極限。綜合工業(yè)化成本和安全性的考慮，萃取壓力選在30 MPa左右為宜。

3.2.2萃取溫度在萃取壓力為30 MPa，CO2流量為1.75 L·min-1，萃取溫度分別為20，30，40，50和60 ℃的條件下，萃取60 min。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，谷維素回收率隨萃取溫度的增加而出現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象，在50 ℃時(shí)達(dá)到極值。這是由于在一定壓力條件下，升高溫度會(huì)增加被萃取物質(zhì)的溶解性和擴(kuò)散性，從而提升回收率；同時(shí)，隨著溫度的升高，CO2流體的溶解度下降，則會(huì)降低回收率?？紤]到設(shè)備能耗和工藝成本，選定萃取溫度為50 ℃左右為宜。

3.2.3萃取時(shí)間在萃取壓力為30 MPa，CO2流量為1.75 L·min-1，萃取溫度為40 ℃的條件下，分別萃取40，60，80，100和120 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著萃取時(shí)間的增加，回收率逐漸升高，當(dāng)萃取時(shí)間達(dá)到80 min后，回收率增加緩慢。分析萃取原理發(fā)現(xiàn)，米糠中谷維素的萃取是一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)傳質(zhì)過程，隨著時(shí)間延長，會(huì)增加被萃取物質(zhì)與流體的接觸機(jī)會(huì)，促進(jìn)傳質(zhì)過程，從而提升回收率，當(dāng)達(dá)到CO2流體溶解極限時(shí)便不再增加。從回收率和工業(yè)化生產(chǎn)周期的角度出發(fā)，選定萃取時(shí)間為80 min左右為宜。

3.2.4CO2流量在萃取壓力為30 MPa，萃取溫度為40 ℃，CO2流量分別為1.50，1.75，2.00，2.25和2.50 L·min-1的條件下，萃取60 min。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，谷維素回收率隨著CO2流量的增加出現(xiàn)先增后減的趨勢，回收率在1.75 L·min-1處達(dá)到峰值。這是由于在一定適宜范圍內(nèi)增加CO2流量會(huì)加快傳質(zhì)過程，便于被萃取物質(zhì)溶解于流體中，但是，當(dāng)CO2流量過快，被萃取物質(zhì)不能與流體充分接觸，消弱傳質(zhì)過程，回收率下降。據(jù)此，選定CO2流量為1.75 L·min-1為宜。

3.3正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選定CO2流量為1.75 L·min-1，對萃取壓力、溫度和時(shí)間進(jìn)行3因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3。

分析表2可知，實(shí)驗(yàn)因素對超臨界CO2萃取谷維素的主要影響程度為：A>B>C，即萃取壓力>萃取溫度>萃取時(shí)間；分析表3可知，萃取壓力對超臨界CO2萃取谷維素的影響顯著，萃取溫度和萃取時(shí)間不顯著。萃取溫度在正交實(shí)驗(yàn)中對結(jié)果影響不顯著的主要原因是：萃取壓力對實(shí)驗(yàn)的影響程度很大，當(dāng)處于一定壓力范圍內(nèi)時(shí)，溫度的影響幾乎可以忽略；分析萃取過程可知，谷維素的萃取過程分為快速萃取和慢速萃取過程，當(dāng)時(shí)間處于慢速萃取過程中時(shí)，對實(shí)驗(yàn)的影響就很微弱。

表2正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Results of the orthogonal test

實(shí)驗(yàn)號ABCY/%111447.05212355.01313159.27414248.45521366.21622160.46723464.06824266.54931164.721032370.281133267.501234469.621341266.111442359.171543167.501644472.83k152.4561.0262.99k264.3261.2362.15k368.0364.5862.67k466.4064.3663.39R15.583.561.24

表3正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析

Tab.3 Variance analysis for results of the orthogonal test

方差來源平方和自由度均方F值P值顯著性A,壓力599.4393199.8137.8520.017*B,溫度79.450326.4831.0410.440C,時(shí)間37.802312.6010.4950.699誤差152.690625.448總和834.87215

注：*為差異顯著(P<0.05)。

綜合直觀分析，方差分析和單因素實(shí)驗(yàn)可得出最佳工藝為：A3B3C4，即萃取壓力為30 MPa，萃取溫度為50 ℃，萃取時(shí)間為100 min，CO2流量為1.75 L·min-1(單因素實(shí)驗(yàn)已確定)。在此條件下進(jìn)行3次平行萃取驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，谷維素平均回收率為73.34%，由此表明正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化條件切實(shí)可行。

4結(jié)論

本文旨在探究超臨界CO2萃取米糠中谷維素的工藝條件。通過單因素實(shí)驗(yàn)確定了最適宜的CO2流量，以單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了3因素4水平L16(43)的正交實(shí)驗(yàn)，由正交實(shí)驗(yàn)得出優(yōu)化方案：萃取壓力為30 MPa，萃取溫度為50 ℃，萃取時(shí)間為100 min，CO2流量為1.75 L·min-1。在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，平均回收率為73.34%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化工藝穩(wěn)定可靠。本研究為超臨界CO2提取谷維素的工業(yè)化提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)得出的最佳工藝條件能夠科學(xué)有效地為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

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