柞蠶油分子蒸餾純化工藝的研究

王朝臣，簡華，李煒，安洋

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學院，天津300402）

中國是柞蠶的發(fā)源地[1]，柞蠶繭產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90%左右，柞蠶資源蘊藏量十分豐富，便于規(guī)模開發(fā)利用。柞蠶屬食、療同源昆蟲，營養(yǎng)性、功能性已經(jīng)得到了國內(nèi)外專家的一致認可[2～4]。柞蠶脂肪總量的76%左右都為不飽和脂肪酸，含有豐富的α-亞麻酸、EPA、γ-亞麻酸、亞油酸和β-蛻皮激素等。柞蠶含有豐富的脂肪，其脂肪酸含量組成合理，不飽和脂肪酸含量高達75%，均是人體必須的脂肪酸，而且還含有豐富的亞麻酸。柞蠶含有豐富的礦物質(zhì)、微量元素、維生素、細胞色素C、保幼激素、蛻皮激素、腦激素等多種功能性成分，具有促進脂類代謝、影響糖代謝、保護視力、促進核酸和蛋白質(zhì)的合成、免疫調(diào)節(jié)等多種功能性[5～7]，柞蠶油保健功效好、營養(yǎng)價值高，具有很高的利用價值。

表1 5齡柞蠶與常見食物脂肪酸含量的比較/%

柞蠶油的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、浸提法、超臨界萃取法等。其中水蒸氣蒸餾法、浸提法明顯破壞柞蠶油中的功能性成分，經(jīng)超臨界萃取及超聲波強化超臨界CO2萃取得到的柞蠶油的成分較復(fù)雜，柞蠶油略顯粘稠，存在雜質(zhì)和輕組分烯類等化合物，有效成分還需要進一步富集純化[7]。

分子蒸餾技術(shù)是基于在一定的溫度和真空度下混合物不同組分分子運動的平均自由程的差異而進行液-液分離或純化的技術(shù)[8～10]。該技術(shù)利用液體混合物各分子受熱后會從液面逸出，并在離液面小于輕分子平均自由程而大于重分子平均自由程處設(shè)置一個冷凝面，使輕分子不斷逸出，而重分子達不到冷凝面，輕分子只走了很短的距離即被冷凝，從而打破動態(tài)平衡[11]。分子蒸餾的特點在于真空度高、蒸餾溫度較低且物料受熱時間短，適用于柞蠶油熱敏性物質(zhì)的分離純化。創(chuàng)新采用離心式分子蒸餾器對經(jīng)過超聲波強化超臨界CO2萃取的柞蠶油進行純化，可以得到高純度的柞蠶油和較高的經(jīng)濟效益。

1 材料與方法

1.1 材料及主要儀器

柞蠶5齡（遼寧省丹東市產(chǎn)柞蠶屬柞蠶種柞蠶，品種為“抗大”）；數(shù)控超聲波清洗器KQ5200DB（昆山超聲儀器有限公司）；超臨界萃取裝置MODEL260（德國ISCO公司）；短程分子蒸餾器BH-100（天津渤海職業(yè)技術(shù)學院自制）；冷凍干燥機LGJ-25（北京四環(huán)科學儀器廠）；電子天平ALC-210.4（Sartorius group）；恒溫數(shù)顯水浴鍋DZKW-D（河北黃驊市航天儀器廠）；型烘箱101-3C（上海實驗儀器廠）；高速粉碎機FW100型（天津泰斯特儀器有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 超臨界CO2萃取柞蠶油的工藝過程

選取5齡柞蠶，冷凍干燥后用粉碎機將干燥后柞蠶進行粉碎，過80目篩得到預(yù)處理柞蠶粗粉。將處理好的柞蠶粉投入超臨界萃取釜中，當溫度分別達到預(yù)定溫度時，打開CO2氣瓶送氣，當壓力達到預(yù)定壓力時，調(diào)節(jié)流量，恒溫恒壓下開始萃取并計算萃取時間，間隔一定時間從解析釜出口處收集柞蠶油。

1.2.2 柞蠶油分子蒸餾純化工藝流程

柞蠶油從蒸發(fā)器的頂部加入，經(jīng)蒸餾器轉(zhuǎn)子上的料液分布器將柞蠶油均勻分布在加熱面上，刮膜器將柞蠶油刮成一層呈湍流狀的極薄液膜以螺旋狀向下推進。柞蠶油輕分子從加熱面上逸出，遇到內(nèi)置冷凝器上冷凝，并順著冷凝器管流下通過位于蒸發(fā)器底部的出料管排出。重分子（即殘液）在加熱區(qū)下的圓形通道中收集，從側(cè)面的出料管中排出。

圖1 柞蠶油分子蒸餾過程

1.2.3 柞蠶油分子蒸餾純化工藝條件優(yōu)化

柞蠶油分子蒸餾純化工藝受不同的溫度、壓力、離心轉(zhuǎn)數(shù)等因素影響，在單因素實驗的基礎(chǔ)上應(yīng)用 SAS 統(tǒng)計軟件（SAS Inc，Cary，NC）的多因素實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，選擇對柞蠶油純度 (Y)有顯著影響的因素（X1、X2、X3），考察它們的交互作用對提取率的影響，實驗因素與水平見表2。根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗設(shè)計原理，以X1、X2、X3為自變量，提取率（Y）為響應(yīng)值，繪制等值線與響應(yīng)面圖。

表2 分子蒸餾純化響應(yīng)面分析水平因素設(shè)計

2 結(jié)果與討論

應(yīng)用SAS的多因素實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計功能，優(yōu)化柞蠶油分子蒸餾純化工藝條件。響應(yīng)面實驗中以柞蠶油純度(Y)作為響應(yīng)值進行三因素三水平的SAS響應(yīng)面分析實驗，實驗以溫度、壓力、離心轉(zhuǎn)數(shù)為自變量，方案與結(jié)果見表3。

由上面響應(yīng)面分析實驗，得到柞蠶油分子蒸餾純化實驗的最佳工藝參數(shù)為：溫度15℃、壓力為40Pa、離心轉(zhuǎn)數(shù)300r/min。運用SAS多因素分析程序?qū)憫?yīng)值進行回歸分析，經(jīng)回歸擬和后得到回歸方程：

可信度分析見表4。

表4 反應(yīng)曲面模型的統(tǒng)計量分析

表4中復(fù)相相關(guān)系數(shù)的平方R2=92.85%，說明由這三個因素及其二次項能解釋柞蠶油純度變化的92.85%，柞蠶油純度的變異系數(shù)為3.794259，回歸方程擬合程度較好。

表5 響應(yīng)面的規(guī)范分析結(jié)果

由以上SAS響應(yīng)面分析實驗及表5結(jié)果可知，Y的最大估計值92.7433。

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面分析實驗確立了最優(yōu)的柞蠶油分子蒸餾純化工藝。通過實驗得出柞蠶油最佳純化條件為：溫度15℃、壓力為40Pa、離心轉(zhuǎn)數(shù)300r/min，柞蠶油的純度可達92.74%，得到了較好的結(jié)果。

分子蒸餾技術(shù)應(yīng)用于柞蠶油純化方面具有獨特的優(yōu)勢，通過實驗證明能在較低的溫度和壓力下，在較短的時間內(nèi)對具有高附加值的熱敏性柞蠶油進行純化[12、13]，操作時間短、對柞蠶油營養(yǎng)成分破壞小、產(chǎn)品純度及收率高。隨著人們對高品質(zhì)和天然綠色產(chǎn)品的追求，以及我國中藥現(xiàn)代化發(fā)展，采用分子蒸餾法純化柞蠶油，得到了高品質(zhì)的柞蠶油產(chǎn)品，拓展了分子蒸餾技術(shù)在中藥現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用，大大降低了成本、分離效率高，可帶來極好的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。