超臨界CO2萃取牛蒡子植物油的工藝研究

林泉松 譚劼 周在富 陳正 吳華

摘 要：以草本植物牛蒡的干燥成熟果實為原料，探討了超臨界狀態(tài)下CO2萃取流量、萃取壓力、萃取溫度及動態(tài)萃取時間對萃取牛蒡子出油率的影響，并對萃取后的牛蒡子剩余油量進行提取，考察牛蒡子油是否萃取完全。結(jié)果表明，萃取流量300 L/h、萃取壓力30 MPa、萃取時間6 h、萃取溫度40 ℃可以達到最佳出油率。

關(guān)鍵詞：牛蒡子油;超臨界CO2萃取;最佳工藝條件

Study on Extraction of Burdock Seed Vegetable Oil by Supercritical CO2

LIN Quansong1， TAN Jie1， ZHOU Zaifu2， CHEN Zheng1， WU Hua1

（1.Chongqing Kerui Pharmaceutical （Group） Co.， Ltd.， Chongqing 400060， China;

2.Chongqing Vocational College of Chemical Industry， Chongqing 401220， China）

Abstract： Using the dried and ripe fruit of the herb burdock as raw material， the effects of CO2 extraction flow rate， extraction pressure， extraction temperature and dynamic extraction time on the oil yield of extracted burdock seeds under supercritical state were discussed， and the residual oil content of burdock seeds after extraction was discussed. Extraction is carried out to check whether the burdock oil is completely extracted. The results show that the extraction flow rate of 300 L/h， the extraction pressure of 30 MPa， the extraction time of 6 h， and the extraction temperature of 40 ℃ can achieve the best oil yield.

Keywords： burdock seed oil; supercritical CO2 extraction; optimum process conditions

牛蒡（Arctium lappa L.），屬桔梗目，菊科二年生草本植物，在全國各地廣泛分布。牛蒡是一種適應(yīng)性很強的野生油料植物，對土地和環(huán)境要求不高，一般土地均可種植，目前很多地方已大量人工種植。牛蒡子油是從牛蒡的干燥成熟果實牛蒡子中提取的一種天然植物油。牛蒡子中含有木脂素類化合物、揮發(fā)油類、倍半萜類、三萜類及脂肪油類等化合物[1-2]。牛蒡子油在食品醫(yī)藥化工等各行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前比較成熟的植物油提取技術(shù)主要為物理壓榨法、浸出法、水酶法，物理壓榨包括熱壓和冷

壓[3-4]。熱壓易破壞植物油中的熱敏成分，冷壓雖然能保護熱敏成分，但出油率不高，大部分植物油殘留于殘渣。物理壓榨工藝簡單，是最傳統(tǒng)的制油方法，但出油率低，殘渣中含油量高。溶劑浸出法雖然出油率高，成本低，但油品較差，存在有機殘留，精煉工序煩瑣。水酶法提取植物油雖然綠色、環(huán)保、油品好，但油水界面易發(fā)生乳化從而導(dǎo)致出油率不高。

超臨界CO2萃取技術(shù)是目前比較成熟先進的分離工藝，具有獨特的優(yōu)越性，萃取效率高，無污染，操作簡單和易于控制。超臨界流體是指熱力學(xué)狀態(tài)處于臨界點之上的流體，臨界點是氣、液界面剛剛消失的狀態(tài)點，超臨界流體具有十分獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，它的密度接近于液體，黏度接近于氣體，有擴散系數(shù)大、黏度小、介電常數(shù)大等特點，故分離效果較好，能克服傳統(tǒng)植物油提取工藝的缺陷[5-7]。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

原料為菊科植物牛蒡的干燥成熟果實。產(chǎn)地為四川省資陽市樂至縣，批號（Y202101 Y202102、Y202103、Y202104和Y202105）;液體二氧化碳，重慶同輝氣體有限公司;乙酸乙酯，成都市科隆化學(xué)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

超臨界CO2萃取裝置（ZH42-50×4型，浙江省溫州市城東藥機有限公司）;粗碎機（WKSJ-60型，山東省精誠醫(yī)藥設(shè)備制造有限公司）;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（W501型，鞏義市予華儀器有限公司）;KDM型可調(diào)控溫電熱套。

1.3 實驗方法

1.3.1 萃取方法

萃取設(shè)備采用雙釜并聯(lián)，分別稱取2份粉碎處理后的牛蒡子15 kg裝入2個萃取釜中，牛蒡子預(yù)處理為使用粗碎機進行粗粉碎，粉碎后的牛蒡子過50目篩[8]。通過設(shè)定萃取參數(shù)進行萃取試驗，研究萃取壓力、萃取溫度、萃取時間及CO2流量等因素對出油率的影響。

1.3.2 出油率計算公式

出油率=（萃取前物料量-萃取后物料量）/萃取前物料量×100%

1.3.3 驗證牛蒡子植物油萃取是否徹底

采用乙酸乙酯回流提取，稱取萃取后的牛蒡子200 g，第1次加入400 mL乙酸乙酯回流提取1 h，第2次加入200 mL乙酸乙酯回流提取1 h，第3次加入200 mL乙酸乙酯回流提取0.5 h，合并3次提取液，過濾，低溫減壓真空回收乙酸乙酯，稱取提取脂肪油重量[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃取壓力對出油率的影響

萃取壓力是影響超臨界萃取最重要的因素之一，隨著萃取壓力的變化，被萃取物的溶解度也會發(fā)生動態(tài)變化，本實驗根據(jù)ZH42-50×4型萃取裝置性能選取20～40 MPa萃取壓力范圍進行研究。當萃取壓力從20 Mpa升到30 Mpa時，出油率是上升趨勢，出油率從11.5%上升到17.2%。繼續(xù)增加萃取壓力，當壓力增加到35 Mpa時，出油率為16.4%，出油率略有下降。當壓力增加到40 Mpa時，出油率為16.2%，出油率略有下降，所以萃取壓力并非越大越好。萃取壓力為30 Mpa時，牛蒡子出油率達到最大值。萃取壓力對牛蒡子出油率的影響見表1。

2.2 萃取溫度對出油率的影響

CO2溫度是影響超臨界萃取的主要因素之一。隨著萃取溫度的升高，CO2密度會降低，液體CO2溶解能力下降，溫度過高還可能導(dǎo)致植物油變質(zhì)、萃取出的植物油不能完全分離，但升溫會增加體系中溶質(zhì)的擴散速率和解離速率。因此在壓力一定的體系中，必然存在一個溫度使出油率達到最高。通過對不同溫度參數(shù)進行實驗，當萃取溫度從30 ℃增加到40 ℃時，牛蒡子出油率不斷上升。當萃取溫度從40 ℃增加50 ℃時，牛蒡子出油率逐漸降低。所以壓力在40 ℃時，牛蒡子出油率最大，萃取溫度對牛蒡子出油率的影響見表2。

2.3 CO2流量對出油率的影響

CO2流量也是萃取的影響因素之一。加大CO2流量有利于提高流速，在固定時間內(nèi)增加萃取次數(shù)，縮短萃取時間，增強萃取過程的傳質(zhì)效果，但也存在不利影響。由于CO2流量加大，導(dǎo)致CO2停留時間變短，與原料接觸時間短，溶質(zhì)含量降低，影響出油率。在其他參數(shù)不變的條件下對CO2流量進行調(diào)整實驗。當萃取流量從200 L/h增加到300 L/h時，牛蒡子出油率不斷提高。當萃取流量從300 L/h增加到400 L/h時，牛蒡子出油率出現(xiàn)下降趨勢。通過實驗得出針對ZH42-50×4型超臨界CO2萃取裝置CO2流量為300 L/h較為合適。CO2流量對牛蒡子出油率的影響見表3。

2.4 萃取時間對出油率的影響

萃取時間也是必須考慮的一項參數(shù)。萃取時間太短，原料不能萃取完全。萃取時間太長，會造成大量能耗，增加萃取成本。因此有必要進行萃取時間的控制。在其他參數(shù)不變的條件下對萃取時間進行調(diào)整，萃取投料為30 kg。當牛蒡子萃取時間從

1 h增加到6 h時，每個時間段的出油率逐漸降低。當萃取總時間達到8 h時，第7 h和第8 h的出油率急劇下降，說明前6 h基本萃取完全。通過實驗得出牛蒡子萃取時間為6 h較為合適，牛蒡子萃取各時間段出油情況見表4。

2.5 萃取釜連接方式的選取

ZH42-50×4型超臨界CO2萃取裝置一共有4個萃取釜，連接方式可選串聯(lián)和并聯(lián)，萃取釜可選單釜和多釜，從設(shè)備性能、萃取物料性質(zhì)、能源消耗等方面綜合考慮，最終選取雙釜并聯(lián)連接方式。

2.6 萃取裝置和萃取參數(shù)穩(wěn)定性考察

用ZH42-50×4型超臨界CO2萃取裝置進行5個批次重復(fù)萃取實驗，工藝條件確定為萃取流量

300 L/h、萃取壓力30 MPa、萃取時間6 h和萃取溫度40 ℃。平均出油率為17.4%，表明該工藝穩(wěn)定，出油率較高，具體數(shù)值見表5。

2.7 萃取后的牛蒡子含植物油的考察

通過對萃取后的牛蒡子再次進行植物油提取，以殘渣剩余油量的多少來判斷此工藝的萃取效果。將上述試驗得到的已萃取牛蒡子采用乙酸乙酯回流提取，通過提取出的牛蒡子油量的多少來判斷萃取效果。通過提取實驗證明此工藝萃取效果較為理想，結(jié)果見表6。

3 結(jié)論與討論

通過研究CO2超臨界萃取牛蒡子植物油的主要影響因素，確定了萃取最佳工藝條件為萃取原料牛蒡子粉碎后過50目篩，萃取CO2流量300 L/h、萃取壓力30 MPa、萃取時間6 h、萃取溫度40 ℃，出油率平均值為17.4%，最高可達18.6%。此工藝穩(wěn)定，重復(fù)性較好，可用于工業(yè)化生產(chǎn)。此工藝條件萃取出的牛蒡子植物油呈淡黃色且色澤清亮，無任何有機溶劑殘留，可以安全用于食品及藥品等各行業(yè)。

參考文獻

[1]齊艷明，柏玲，張文治.牛蒡子化學(xué)成分研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報，2012，28（2）：19-21.

[2]趙楊.牛蒡化學(xué)成分的研究[D].齊齊哈爾：齊齊哈爾大學(xué)，2013.

[3]賈友蘇，張武平.食用植物油制取及加工技術(shù)進展[J].農(nóng)產(chǎn)品加工：下，2008（7）：77-81.

[4]劉靜，胡經(jīng)緯，周裔彬.植物油體的提取及其乳化體系研究進展[J].食品工業(yè)科技，2020，42（12）：422-429.

[5]邵弘.超臨界二氧化碳萃取技術(shù)在大豆及其它食品加工中的應(yīng)用[J].大豆通報，2003（2）：27-28.

[6]陳賢偉，楊濘琪.淺談超臨界萃取[J].福建分析測試，2021，30（6）：43-46.

[7]劉旻昀，黃彥平，唐佳，等.超臨界流體物性畸變特性的多尺度研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2021，55（11）：1921-1929.

[8]國家藥典委員會.中華人民共和國藥典（2020年版）[M].北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2020.

[9]鄭義，李麗，史勇，等.響應(yīng)面法優(yōu)化牛蒡子油的超聲提取工藝研究[J].糧油加工，2010（3）：9-12.

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