超臨界CO2萃取玉米胚芽油的工藝研究

劉鴻雁，李延春，金 星，張建坡

(吉林化工學(xué)院 化學(xué)與制藥工程學(xué)院，吉林 吉林132022)

玉米胚芽油又稱玉米油，是從玉米胚芽中提煉出的一種高級(jí)食用油，營養(yǎng)價(jià)值極高.玉米胚芽油含有的亞油酸是構(gòu)成人體細(xì)胞的重要組成部分，在人體內(nèi)可與膽固醇相結(jié)合，有防治動(dòng)脈粥樣硬化等心血管疾病的功效.因此，玉米胚芽油還享有“健康油”和“長壽油”等美稱[1-3].

目前，國內(nèi)外玉米胚芽油制取大多采用傳統(tǒng)的壓榨法[4]、溶劑浸出法[5]和水酶法[6]等.壓榨法是較為傳統(tǒng)的方法，這種方法工藝繁瑣，難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量.溶劑浸出法是一種常見的提取玉米胚芽油的方法，該方法工藝簡單，成本低，但是玉米油純度較低，并且缺乏后續(xù)純化工藝[7].水酶法是近些年開始研究和利用的新方法，這種方法優(yōu)點(diǎn)是處理?xiàng)l件溫和，缺點(diǎn)是對(duì)酶的培養(yǎng)和選擇要求嚴(yán)格，目前酶的市場價(jià)格相對(duì)較高.超臨界 CO2萃取法是近些年發(fā)展較為迅速的萃取分離技術(shù)，這種方法能夠有效的將基質(zhì)和萃取物分離提取，避免了傳統(tǒng)方法中的一些問題.超臨界 CO2萃取法的優(yōu)點(diǎn)主要包括：臨界溫度低，比較接近室溫，有效避免高溫壓榨過程中有效成分的分解；臨界壓力適中，有利于工業(yè)化生產(chǎn)；傳質(zhì)速率快，溶解效率高；環(huán)境友好，并且可重復(fù)利用，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求[8-11].本文采用正交實(shí)驗(yàn)法，根據(jù)萃取壓力、萃取溫度、原料顆粒度、萃取時(shí)間等單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定超臨界CO2萃取玉米胚芽油的最佳工藝.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)使用的玉米胚芽為吉林省酒精工業(yè)集團(tuán)天順生化科技有限公司生產(chǎn)；無水乙醇購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度為分析純.HA221-50-015型超臨界萃取裝置購于大連卓爾高科技有限公司；電子天平為日本島津，購于碧沄科技；電動(dòng)粉碎機(jī)購于臺(tái)杏貿(mào)易(上海)有限公司；標(biāo)準(zhǔn)篩為浙江上虞市道墟張興紗篩廠生產(chǎn).

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

將干燥的玉米胚芽粉過篩，準(zhǔn)確稱量100 g裝入超臨界萃取釜中，調(diào)節(jié)萃取的壓力、溫度到設(shè)定值，待溫度和壓力穩(wěn)定后，向萃取柱中緩慢注入CO2.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算玉米胚芽油的萃取率.

1.3 計(jì)算公式

玉米胚芽萃取物重量(g)=玉米胚芽原料重量-萃取后玉米胚芽重量

萃取率(%)=玉米胚芽萃取物重量/玉米胚芽原料重量×100%

1.4 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 萃取壓力的選擇

實(shí)驗(yàn)萃取壓力分別選擇10、15、20、25、30 MPa時(shí)，在萃取溫度40 ℃、時(shí)間50 min和顆粒度為50目不變條件下萃取，按照1.2的步驟操作，計(jì)算萃取率.

1.4.2 萃取溫度的選擇

實(shí)驗(yàn)萃取壓力分別選擇30、35、40、45、50 ℃時(shí)，在萃取壓力25 MPa、時(shí)間50 min和顆粒度為50目不變條件下萃取，按照1.2的步驟操作，計(jì)算萃取率.

1.4.3 顆粒度的選擇

實(shí)驗(yàn)萃取顆粒度分別選擇20、30、40、50、60目時(shí)，在萃取壓力25 MPa、時(shí)間50 min和溫度為為45 ℃不變條件下萃取，按照1.2的步驟操作，計(jì)算萃取率.

1.4.4 萃取時(shí)間的選擇

實(shí)驗(yàn)萃取時(shí)間分別選擇20、30、40、50、60 min時(shí)，在萃取壓力25 MPa、顆粒50目和溫度為45 ℃不變條件下萃取，按照1.2的步驟操作，計(jì)算萃取率.

1.5 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用正交實(shí)驗(yàn)方法，優(yōu)化超臨界CO2萃取玉米胚芽油的工藝.以萃取率為考察指標(biāo)，選擇萃取壓力、萃取溫度、原料顆粒度、萃取時(shí)間四個(gè)影響玉米胚芽油萃取率的實(shí)驗(yàn)條件，采用四因素三水平正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)(如表1)，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究超臨界CO2萃取玉米胚芽油的最佳工藝.

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 萃取壓力對(duì)玉米胚芽油萃取率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著萃取壓力升高，玉米油的萃取率先升高后降低，當(dāng)壓力為25 MPa時(shí)萃取率達(dá)到最大值24.37%.壓力在一定范圍時(shí)，萃取壓力升高有利于超臨界CO2克服傳質(zhì)阻力，與被萃取物相互作用的能力增強(qiáng)，對(duì)被萃取物的溶解能力增強(qiáng)，所以萃取率隨著萃取壓力增加而升高.當(dāng)壓力超過適當(dāng)范圍時(shí)，超臨界CO2流量增大，縮短流體在被萃取物中的傳質(zhì)時(shí)間，因此萃取率隨萃取壓力的升高而降低.

壓力/MPa圖1 萃取壓力對(duì)玉米胚芽油萃取率的影響

2.1.2 萃取溫度對(duì)玉米胚芽油萃取率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

溫度/℃圖2 萃取溫度對(duì)玉米胚芽油萃取率的影響

圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度由30 ℃升高到40 ℃時(shí)，萃取率隨溫度升高而增長.這是由于萃取溫度升高，超臨界萃取溶質(zhì)的蒸汽壓隨之增大，有利于玉米油的揮發(fā)，增加玉米油在超臨界CO2中的溶解度，因此萃取率呈現(xiàn)上升趨勢.繼續(xù)升高溫度至50 ℃時(shí)，萃取率下降.這是由于隨著溫度升高，超臨界CO2的密度降低，對(duì)被萃取物的溶解能力下降，所以當(dāng)超臨界CO2的密度為主要影響因素時(shí)，溫度升高，萃取率下降.

2.1.3 顆粒度對(duì)玉米胚芽油萃取率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顆粒度對(duì)萃取率的影響比較明顯，當(dāng)顆粒度由30目升高到50目時(shí)，萃取率由16.55%升高到22.73%，但繼續(xù)增加顆粒度至60目時(shí)，萃取率迅速下降，出現(xiàn)明顯結(jié)塊現(xiàn)象.一般而言，顆粒越細(xì)越有利于超臨界CO2進(jìn)入物料內(nèi)部對(duì)主要成分進(jìn)行萃取[12]，但顆粒過細(xì)，原料容易結(jié)塊，反而不利于萃取效果.綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選擇顆粒度為50目.

顆粒度/目圖3 顆粒度對(duì)玉米胚芽油萃取率的影響

2.1.4 萃取時(shí)間對(duì)玉米胚芽油萃取率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

時(shí)間/min圖4 萃取時(shí)間對(duì)玉米胚芽油萃取率的影響

圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，萃取率隨時(shí)間的延長而逐漸升高，但萃取時(shí)間足夠長時(shí)，繼續(xù)延長萃取時(shí)間萃取率不會(huì)有明顯變化，說明該時(shí)間為萃取工藝的最佳時(shí)間.結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和成本考慮，本實(shí)驗(yàn)采取萃取時(shí)間為50 min為最佳條件.

2.2 正交實(shí)驗(yàn)確立優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件

按正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2.

從表2中可以得出，顆粒度對(duì)玉米胚芽油萃取率的影響最為明顯，而萃取溫度對(duì)萃取率的影響不大.即四因素對(duì)玉米胚芽油萃取率影響的主次順序?yàn)椋侯w粒度 > 萃取時(shí)間 > 萃取壓力 > 萃取溫度.最佳工藝條件為：A3B2C3D3，即萃取壓力25 MPa，萃取溫度40 ℃，顆粒度50目，萃取時(shí)間50 min.

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

以此最佳工藝條件為基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3.

表3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在最佳工藝條件下萃取玉米胚芽油，萃取率結(jié)果穩(wěn)定，平均值為24.33%，標(biāo)準(zhǔn)差SD為0.27表明本實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的工藝穩(wěn)定可靠.

3 結(jié) 論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化超臨界CO2萃取玉米油的工藝條件，以玉米油萃取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出各因素對(duì)萃取率影響的主次順序依次為顆粒度>萃取時(shí)間>萃取壓力>萃取溫度.

超臨界CO2萃取玉米油的最佳工藝條件為萃取壓力25 MPa，萃取溫度40 ℃，顆粒度50目，萃取時(shí)間50 min.在最佳工藝條件下，萃取率可達(dá)到24.54%，達(dá)到和超過目前文獻(xiàn)報(bào)道超臨界CO2萃取玉米油的萃取率.

本課題成功探索一條簡便、清潔、成本較低，萃取路線綠色環(huán)保，彌補(bǔ)了現(xiàn)有工藝的不足，因此超臨界CO2萃取玉米油是一種較為理想的制油方式.

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