漆籽漆蠟超臨界CO2萃取工藝研究

王志龍， 陳新強(qiáng)， 李宇誠， 黃 浩， 劉 麗，鐘 帆， 葛發(fā)歡， 李志良

(1.梅州市林業(yè)局， 廣東 梅州 514011； 2.梅州市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)研究所， 廣東 梅州 514011； 3.大埔縣洲瑞鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心， 廣東 大埔 514257； 4.蕉嶺縣福泰生物科技有限公司， 廣東 蕉嶺 514165； 5. 中山大學(xué)藥學(xué)院，廣東 廣州 510006)

漆蠟(Lacquer wax)又叫木蠟、野漆果蠟等，是由漆籽果皮提取的一種天然生物蠟，成分主要為：85%～95%脂肪酸甘油酯、3%～15%游離脂肪酸， 1%～2%游離脂肪醇；其中結(jié)合脂肪酸主要是65%～80%棕櫚酸、10%～20%油酸、5%～10%硬脂酸及約2%～5%二元脂肪酸(C16～C26)[1-4]。漆蠟是優(yōu)良的固態(tài)植物油脂，呈淡黃色或黃綠色，手感滑膩，具有熔點(diǎn)高(52～53℃)、碘值低(23～25 g·100 g-1)、無毒無副作用的特點(diǎn)，是生物蠟中稀有珍貴的產(chǎn)品[2，4]。主要應(yīng)用范圍為：一是化妝品原料，利用漆蠟的細(xì)膩性、粘著性和延展性制造的唇膏、口紅、眉筆、發(fā)蠟、潤膚膏、面霜等化妝品為其中的高端產(chǎn)品；二是文教品原料，利用漆蠟所具有的優(yōu)良接觸感和潤滑性制造的鉛筆芯和蠟筆等是各國廣泛認(rèn)同的優(yōu)良產(chǎn)品；三是離型劑，在食品生產(chǎn)中用作各類餅干、巧克力、糖果等的脫模和增強(qiáng)光亮效果；四是其他輕工業(yè)，如作為醫(yī)藥品涂膜劑、精密儀器的絕緣劑及潤滑劑、高級家具保養(yǎng)劑等；五是化工原料，用于分離精制棕櫚酸、硬脂酸、油酸和亞油酸等，也可以精制三十烷醇等高級脂肪醇、各種脂肪酸異丙酯，及制成各種脂肪酸金屬鹽等[5-7]。用途非常廣泛。

我國漆樹資源十分豐富，具有二千多年的栽培歷史，主要分布在陜西、貴州、云南、四川、湖北等省份[8-9]。漆樹品種不同，漆籽的含蠟量、脂肪酸組分和理化性質(zhì)均有所差異，其中野漆樹(Toxicodendronsuccedaneum)為最重要的一種采籽產(chǎn)蠟為主的特用經(jīng)濟(jì)樹種，漆籽果皮含蠟量43%～61%，具開發(fā)價值。傳統(tǒng)上漆蠟的加工提取方法主要采用壓榨法和有機(jī)溶劑浸提法，但采用這兩種方法存在一些缺點(diǎn)：一是純粹用壓榨法加工時出蠟率較低，所得粗蠟水分和雜質(zhì)含量較高，品相較差，需進(jìn)一步精煉；其次壓榨殘渣蠟殘留較多(>8%)，須重新用有機(jī)溶劑浸提；三是漆籽果皮中含有多種植物色素，都極易溶解于油脂， 特別是在高溫過程中氧化的色素極難從油脂中除去，使得后期脫色困難；四是有機(jī)溶劑萃取日常生產(chǎn)成本高，管理困難，后期除溶劑殘留等精煉工藝復(fù)雜[2，10-11]。

超臨界CO2流體萃取技術(shù)是一種優(yōu)良的物質(zhì)分離技術(shù)，同時具備精餾和液相萃取的特點(diǎn)，將萃取和分離過程一體化，具有萃取時間短、萃取的產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于植物化學(xué)物的分離和提取[12-13]，如香茅精油[14]、核桃油[15]、花椒揮發(fā)油[16]等植物油脂的提取。在漆蠟(油)的超臨界提取技術(shù)上，目前研究文獻(xiàn)較少，僅有張沖等[17]用響應(yīng)曲面法優(yōu)化漆蠟超臨界CO2流體萃取工藝，得出漆蠟萃取最佳工藝條件為:萃取壓力35 MPa，萃取溫度 45 ℃，萃取時間2.5 h，CO2流量18 L·h-1，漆蠟萃取得率為32.56%；陳新強(qiáng)等[2]對漆蠟提取的三種方法：超臨界CO2流體萃取法、有機(jī)溶劑萃取法和壓榨法進(jìn)行了對比分析，得出超臨界CO2萃取漆蠟的平均得率為37.31%，雖低于有機(jī)溶劑萃取法，但所得漆蠟外觀、品質(zhì)最好，各項指標(biāo)均能達(dá)到食用漆蠟的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17526，達(dá)到中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所確定的精制野漆樹漆蠟指標(biāo)；史安伯等[18]采用超臨界CO2萃取技術(shù)對漆籽籽核中的漆籽油提取方法進(jìn)行了研究，得出漆籽籽核中漆籽油的最佳萃取條件為：壓力25 MPa ，溫度35 ℃，CO2流量1 kg·100 g-1漆籽，漆籽油萃取率為20.2%。本研究目的在于探討超臨界CO2流體萃取技術(shù)用于萃取漆蠟的效果，擬定萃取參數(shù)，指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料采自廣東省梅州市蕉嶺縣廣福鎮(zhèn)留畬村日本野漆樹種植基地種植的日本野漆樹當(dāng)年成熟漆果干品(母樹樹齡8年)。

1.2 實驗儀器與試劑

SFE330-50-72高效超臨界CO2萃取裝置、SFE231-50-06型超臨界CO2逆流萃取裝置(中山大學(xué)南藥集成制造與過程控制技術(shù)研究中心與南通睿智超臨界科技發(fā)展有限公司聯(lián)合制造)；二氧化碳(純度99.0%)、硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.1 mol·L-1)、鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.503 6 mol·L-1)、氫氧化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.100 5 mol·L-1)(廣州臻萃質(zhì)檢技術(shù)服務(wù)有限公司)；95%乙醇、丙酮、乙醚(分析純，廣州化學(xué)試劑廠)。

1.3 工藝流程

工藝流程：干燥漆籽→清理除雜→脫核(得含蠟果皮)→果皮破碎→制?！R界CO2流體萃取→漆蠟。試驗以漆蠟得率為評價指標(biāo)，計算公式為：

(1)

1.4 漆蠟超臨界CO2萃取工藝單因素試驗

1.4.1 萃取時間試驗 在萃取壓力為30 MPa、萃取溫度為55 ℃以及相同的分離條件下(分離釜Ⅰ壓力為15 MPa、溫度為50 ℃，分離釜Ⅱ壓力為6MPa，溫度為 50 ℃，分離釜 Ⅲ 壓力為6 MPa，溫度為50 ℃)，分別萃取30、60、90、120 min，考察萃取時間對漆蠟得率的影響。

1.4.2 萃取壓力試驗 在萃取溫度為55 ℃、萃取120 min以及相同的分離條件下(分離釜Ⅰ壓力為15 MPa、溫度為55 ℃，分離釜Ⅱ壓力為6 MPa，溫度為50 ℃，分離釜Ⅲ壓力為6 MPa，溫度為50℃)，將萃取壓力分別控制為25、30、35 MPa，考察萃取壓力對漆蠟得率的影響。

1.4.3 萃取溫度試驗 在萃取壓力為30 MPa、萃取120 min以及相同的分離條件下(分離釜Ⅰ壓力為15 MPa、溫度為55 ℃，分離釜 Ⅱ 壓力為6 MPa，溫度為50 ℃，分離釜Ⅲ壓力為6 MPa，溫度為 50℃)，分別在萃取溫度為50、55、60℃的條件下進(jìn)行萃取，考察萃取溫度對漆蠟得率的影響。

1.4.4 分離釜I壓力試驗 分離釜Ⅰ壓力設(shè)3個處理，分別為9、12、15 MPa，在相同的萃取分離條件下(萃取壓力30 MPa、溫度55 ℃，分離釜 Ⅰ 溫度55 ℃，分離釜 Ⅱ 壓力為6 MPa、溫度為50℃，分離釜 Ⅲ 壓力為6 MPa，溫度為50℃)，考察不同分離釜 Ⅰ 壓力對漆蠟得率的影響。

1.4.5 分離釜I溫度試驗 分離釜Ⅰ溫度設(shè)3個處理，分別為50、55、60 ℃，在相同的萃取分離條件下(萃取壓力30 MPa、溫度55 ℃，分離釜Ⅰ壓力12 MPa，分離釜Ⅱ壓力為6 MPa、溫度為50℃，分離釜Ⅲ壓力為6 MPa，溫度為50 ℃)，考察不同分離釜Ⅰ溫度對漆蠟得率的影響。

1.5 漆蠟超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇萃取釜壓力、萃取溫度、分離釜Ⅰ壓力、分離釜Ⅰ溫度作為考察因素，以漆蠟得率為評價指標(biāo)，對整個萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化。試驗采用正交試驗設(shè)計，按正交表L9(34)進(jìn)行四因素三水平正交試驗，正交設(shè)計因素水平表見表1。整個試驗共計9個組合見表2，每個組合重復(fù)3次，每次進(jìn)樣3 500 g，分離釜Ⅱ壓力為6MPa，溫度為50 ℃，分離釜Ⅲ壓力為6MPa，溫度為50 ℃，萃取時間120 min。在得出最佳工藝組合后，以最佳工藝組合條件進(jìn)行3次試驗驗證。

表1 正交設(shè)計因素水平表Tab.1 Orthogonal design factor level table

1.6 超臨界CO2萃取漆蠟理化性質(zhì)及脂肪酸組分檢測

對最佳工藝組合條件進(jìn)行驗證萃取的漆蠟進(jìn)行理化性質(zhì)檢測及脂肪酸組分測定。理化性質(zhì)檢測指標(biāo)為：熔點(diǎn)、水分及可揮發(fā)物、酸值、碘值、皂化值；脂肪酸組分測定使用GC-MS 分析。檢測方法參照陳新強(qiáng)[2]對漆蠟理化性質(zhì)及脂肪酸組分檢測的相關(guān)方法。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

采用SPSS 19.0軟件與Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 萃取時間單因素試驗 萃取時間單因素試驗結(jié)果見圖1，萃取時間對漆蠟萃取得率有較顯著的影響，萃取開始前60 min，萃取得率增加迅速；萃取60 min后，得率的增加逐漸緩慢；90 min后萃取基本完全，漆蠟得率增加有限。通常情況下，隨著萃取時間的延長，萃取得率相應(yīng)的增加。因此為了盡可能萃取完全，后續(xù)試驗確定采用萃取120 min進(jìn)行工藝考察。

圖1 萃取時間對漆蠟得率的影響Fig.1 Effect of extraction time on extraction process

2.1.2 萃取壓力單因素試驗 萃取壓力單因素試驗結(jié)果見圖2：萃取壓力對漆蠟萃取得率有較顯著的影響，當(dāng)萃取壓力小于30 MPa時，漆蠟萃取得率隨著萃取壓力的增大提高明顯；當(dāng)萃取壓力大于30 MPa時，漆蠟萃取得率隨著壓力增大，增加不顯著。通常萃取得率隨萃取壓力的升高而增加，這是由于萃取壓力的升高使超臨界CO2流體的密度增大，對物質(zhì)的溶劑能力增強(qiáng)，因此更多的組分被萃取出來。但是，當(dāng)萃取壓力增加到一定程度后，萃取率因壓力增加而變緩慢，而且萃取壓力的增加會增加萃取成本以及萃取物中雜質(zhì)的含量增多，而增加的萃取物并非所需目標(biāo)成分，反而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，30 MPa是較為合適的萃取壓力。

圖2 萃取壓力對漆蠟得率的影響Fig.2 Effect of extraction pressure on extraction process

2.1.3 萃取溫度單因素試驗 萃取溫度單因素試驗結(jié)果見圖3：萃取溫度對漆蠟萃取得率有較顯著的影響，在萃取溫度小于55 ℃時，萃取率隨溫度的增加增長較顯著，當(dāng)溫度達(dá)到55 ℃時，萃取率最高，溫度大于55 ℃時，萃取率有趨于下降的趨勢。溫度是影響超臨界CO2萃取的一個重要因素：一方面，萃取溫度升高使萃取目標(biāo)成分的揮發(fā)性增加，擴(kuò)散系數(shù)增大，增加萃取物質(zhì)在流體中的濃度，萃取率升高；另一方面，萃取溫度升高，超臨界流體密度降低，其溶解能力下降，萃取率降低，當(dāng)這兩個影響達(dá)到某種平衡時，萃取得率最大。這說明溫度變化會引起漆蠟萃取得率的變化。因此，較適合的萃取溫度為55 ℃。

圖3 萃取溫度對漆蠟得率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction process

2.1.4 分離釜Ⅰ壓力單因素試驗

分離釜Ⅰ壓力單因素試驗結(jié)果見圖4?？梢钥闯觯嵯炤腿〉寐试诜蛛x釜Ⅰ壓力為12 MPa之前，隨著分離釜Ⅰ壓力升高而升高，達(dá)到12 MPa后反而隨壓力升高而降低。

圖4 分離釜I壓力對漆蠟得率的影響Fig.4 Effect of pressure of separating kettle I on the yield of rhus wax

2.1.5 分離釜Ⅰ溫度單因素試驗 分離釜Ⅰ溫度單因素試驗結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，分離釜Ⅰ溫度對漆蠟萃取得率的影響與分離釜Ⅰ壓力對漆蠟萃取得率的影響情況相似，在55 ℃時得率最高。

圖5 分離釜Ⅰ溫度對漆蠟得率的影響Fig.5 Effect of temperature of separating kettle I on the yield of rhus wax

2.2 超臨界CO2萃取漆蠟工藝優(yōu)化

超臨界CO2萃取漆蠟工藝優(yōu)化正交試驗結(jié)果見表3。方差分析表明(見表4):萃取壓力間的F=974.475，P<0.01，差異極顯著；萃取溫度間的F=64.853，P<0.01，差異極顯著；分離釜Ⅰ溫度間的F=53.447，P<0.01，差異極顯著；分離釜Ⅰ壓力間的F=434.269，P<0.01，差異極顯著。Eta值顯示各試驗因素對漆蠟萃取率的影響程度順序為：萃取壓力>分離釜Ⅰ壓力>萃取溫度>分離釜Ⅰ溫度。F檢驗結(jié)果表明，不同萃取壓力、萃取溫度、分離釜Ⅰ壓力、分離釜Ⅰ溫度對漆蠟萃取得率都有極顯著影響，故應(yīng)考察各因素的多重比較結(jié)果，選出最優(yōu)組合。從多重比較分析結(jié)果可知(見表5)，顯示萃取釜壓力采用30 MPa、萃取釜溫度采用55 ℃、分離釜Ⅰ壓力采用9 MPa、分離釜Ⅰ溫度采用為55 ℃時，漆蠟得率均顯著高于其他兩個水平。同時根據(jù)試驗操作實際來看，分離釜Ⅰ壓力采用12 MPa的分離及出料效果均比9 MPa的好，因此，最佳工藝組合為：萃取釜壓力30MPa、萃取釜溫度55 ℃，分離釜Ⅰ壓力12 MPa、溫度為55 ℃，分離釜Ⅱ壓力為6 MPa、溫度為50℃，分離釜Ⅲ壓力為6 MPa，溫度為50 ℃，萃取時間120 min。以最佳工藝組合條件進(jìn)行驗證試驗3批樣品，結(jié)果見表6，驗證3批漆蠟的平均萃取得率為36.45%，表明最佳工藝組合的萃取效果比較理想。

2.3 超臨界萃取漆蠟理化指標(biāo)及脂肪酸組分

超臨界萃取的漆蠟的脂肪酸組成主要為：棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、油酸及二十烷酸(花生酸)，見表7，其中棕櫚酸、油酸和硬脂酸共約占92%～95%。

超臨界萃取漆蠟的理化指標(biāo)檢測結(jié)果見表8。

表3 萃取漆蠟工藝優(yōu)化正交試驗結(jié)果Tab.3 Orthogonal test results of optimization of extraction process of rhus wax

表4 方差分析表Tab.4 ANOVA table

表5 主要影響因素的比較分析Tab.5 Comparative analysis of main influencing factors

表6 正交優(yōu)化組合萃取漆蠟得率Tab.6 Extraction yield of rhus wax by orthogonal optimization

表7 超臨界CO2萃取漆蠟的脂肪酸組分Tab.7 Fatty acid components of rhus wax extracted by supercritical CO2

表8 超臨界CO2萃取漆蠟的理化指標(biāo)Tab.8 Physicochemical indexes of rhus wax extracted by supercritical CO2

3 結(jié)論與討論

(1)由單因素及正交試驗可知， 超臨界CO2流體萃取日本野漆樹漆籽果皮漆蠟的最佳工藝條件為:萃取釜壓力30 MPa、萃取釜溫度55 ℃，分離釜Ⅰ壓力12 MPa、溫度為55 ℃；分離釜Ⅱ壓力為6 MPa、溫度為50 ℃；分離釜Ⅲ壓力為6 MPa，溫度為50 ℃，萃取時間120 min。在此工藝條件下， 漆蠟的平均萃取得率為36.45%。以漆蠟萃取得率為考察指標(biāo)， 考察各試驗因素的影響程度大小，結(jié)果表明各試驗因子的影響順序為：萃取壓力>分離釜Ⅰ壓力>萃取溫度>分離釜Ⅰ溫度。

(2)通過對超臨界萃取漆蠟的GC-MS色譜分析， 其脂肪酸組分主要為：棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、油酸及二十烷酸(花生酸)，其中棕櫚酸、油酸和硬脂酸共約占92%～95%，此結(jié)果與唐麗等[19]的檢測結(jié)果相似。對超臨界萃取漆蠟的理化性質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果為：熔點(diǎn)53 ℃、酸值21.61～25.96 mg·g-1、碘值34.79～36.82 g·100 g-1、皂化值198.29～214.65 g·100 g-1。