超臨界CO2萃取黃姜中薯蕷皂素的優(yōu)化工藝研究

＊魏茜敏 范晨

（陜西咸陽楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院藥物與化工學(xué)院 陜西 712100）

薯蕷皂素作為一種重要的活性成分，在醫(yī)藥和保健品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的提取方法存在繁瑣、低效和有機(jī)溶劑殘留等問題。超臨界CO2萃取作為一種環(huán)保、高效的提取技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物的提取過程中。本研究以黃姜為原料，通過超臨界CO2萃取技術(shù)，探索提取黃姜中薯蕷皂素的最佳工藝參數(shù)，為薯蕷皂素的高效提取提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本研究通過優(yōu)化超臨界CO2萃取黃姜中薯蕷皂素的工藝參數(shù)，提高了薯蕷皂素的提取效率。這些結(jié)果對于黃姜中薯蕷皂素的工業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，也為進(jìn)一步研究和開發(fā)其他天然產(chǎn)物的超臨界CO2萃取工藝提供了借鑒。

1.超臨界CO2萃取黃姜中薯蕷皂素的技術(shù)原理

(1)超臨界CO2萃取技術(shù)的原理

超臨界CO2萃取技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物提取領(lǐng)域的高效、環(huán)保的萃取方法[1]。其原理基于物質(zhì)在超臨界狀態(tài)下的特殊性質(zhì)。當(dāng)物質(zhì)溫度和壓力超過其臨界點(diǎn)時，物質(zhì)處于超臨界狀態(tài)。在超臨界狀態(tài)下，物質(zhì)既具有氣體的低黏度和高擴(kuò)散性，又具有液體的高溶解力和高密度。在超臨界CO2條件下，CO2既可以像氣體一樣滲透樣品中，又可以像液體一樣溶解目標(biāo)化合物。CO2是一種優(yōu)秀的超臨界溶劑，具有以下特點(diǎn)：第一，無毒、無害：CO2在超臨界狀態(tài)下不具有毒性，對環(huán)境無污染，易于處理和回收。第二，無殘留物：CO2溶劑在脫壓后迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，不留下任何殘留物。第三，調(diào)節(jié)性強(qiáng)：通過調(diào)節(jié)溫度和壓力，可以控制CO2的溶解力，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)化合物的選擇性提取。

超臨界CO2萃取技術(shù)的萃取過程如下：

原料處理：將待提取的樣品制備成適合超臨界CO2萃取的形式，如粉末或粒狀。

設(shè)定操作條件：通過調(diào)節(jié)溫度和壓力，使CO2達(dá)到超臨界狀態(tài)，并控制萃取過程中的其他參數(shù)，如流量、時間等。

萃取過程：超臨界CO2通過樣品，在物理和化學(xué)作用下溶解和萃取目標(biāo)化合物。這可以通過擴(kuò)散、溶解、解吸等過程實(shí)現(xiàn)。

分離和回收：在脫壓后，CO2迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，目標(biāo)化合物從溶劑中析出?？梢酝ㄟ^減壓和冷凝等方式將CO2回收利用，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的分離和回收[2]。

超臨界CO2萃取技術(shù)具有許多優(yōu)勢，如操作溫度低、操作壓力可調(diào)節(jié)、溶劑易于回收、無毒性和無殘留物等。它在天然產(chǎn)物提取、食品加工、藥物制備等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，并受到越來越多研究者的關(guān)注和重視。

(2)超臨界CO2萃取技術(shù)在萃取黃姜中薯蕷皂素的應(yīng)用

薯蕷皂素是一種重要的活性成分，具有抗氧化、抗菌、抗炎和抗腫瘤等多種生物活性。超臨界CO2萃取在黃姜中薯蕷皂素的提取中具有許多優(yōu)點(diǎn)，如高效、環(huán)保、溫和等，可以有效提取薯蕷皂素，并保持其活性和穩(wěn)定性。因此，這種技術(shù)在黃姜中薯蕷皂素的研究和應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，具體應(yīng)用過程如下：

原料處理：黃姜樣品通常先經(jīng)過清洗、切碎等處理，以提高提取效果。

超臨界CO2設(shè)定：調(diào)節(jié)超臨界CO2的溫度和壓力，使其達(dá)到超臨界狀態(tài)，并在設(shè)定的條件下保持穩(wěn)定。

超臨界CO2萃?。簩⑻幚砗蟮狞S姜樣品置于超臨界CO2中，利用其溶解力和擴(kuò)散性，將目標(biāo)薯蕷皂素從黃姜中提取出來。萃取時間和流量等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]。

分離和回收：在脫壓后，超臨界CO2迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，薯蕷皂素從溶劑中析出。可以通過減壓和冷凝等方式將CO2回收利用，從而實(shí)現(xiàn)薯蕷皂素的分離和回收。

后處理：對提取得到的薯蕷皂素進(jìn)行濃縮、干燥等處理，得到最終的薯蕷皂素提取物。

2.超臨界CO2萃取黃姜中薯蕷皂素的優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)試劑如表1所示：

根據(jù)工程相互關(guān)系，采用ABAQUS計(jì)算軟件對施工階段進(jìn)行模擬，主要分析隧道施工對群樁基礎(chǔ)的變形影響，應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)理論采用Mohr-Coulomb 線彈塑性模型。模型中根據(jù)勘察地層設(shè)置隧道周邊土層，各個部分的材料參數(shù)見表2。其中考慮襯砌連接的不連續(xù)性，將襯砌的彈性模量按0.15 進(jìn)行折減，橋臺以上結(jié)構(gòu)作為荷載計(jì)算。幾何模型如圖2所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備及原料

另外，本文實(shí)驗(yàn)中使用的黃姜及其水解物的信息如下：產(chǎn)地：南陽；來源：食品級黃姜及其水解物；純度：大于99.9%。

(2)實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)步驟

①實(shí)驗(yàn)裝置簡介

超臨界萃取儀由杭州華黎泵業(yè)有限公司設(shè)計(jì)制造，它是超臨界流體萃取裝置，包括過濾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、升壓系統(tǒng)、萃取系統(tǒng)和分離接收系統(tǒng)[4]。超臨界CO2和夾帶劑可以同時進(jìn)入萃取釜，其比例由調(diào)頻器和計(jì)量泵控制。CO2氣體經(jīng)過濾器冷卻液化后，通過計(jì)量泵和夾帶劑泵進(jìn)入管道，兩者在混合器中混合后進(jìn)入萃取釜（在恒溫水浴中保溫）。達(dá)到設(shè)定條件后，開始閉循環(huán)動態(tài)提取分離[5]。

②實(shí)驗(yàn)操作步驟

步驟1：將黃姜水解干燥液用電子天平準(zhǔn)確稱重，待用；步驟2：將料筒從提取鍋中移出，加料，旋緊上、下絲塞，再加料至提取鍋中；步驟3：開啟冰箱的循環(huán)系統(tǒng)，將冰箱溫度調(diào)整到大約-5℃，然后開啟冰箱，關(guān)閉提取罐、分離罐的預(yù)熱器和循環(huán)泵的開關(guān)。將制冷機(jī)，萃取鍋，分選鍋全部調(diào)至規(guī)定的溫度；步驟4：開啟CO2汽缸、開啟主水泵，在壓力上升至設(shè)定點(diǎn)后，開啟提取鍋的出水閥，使整個循環(huán)系統(tǒng)通暢，并按流量設(shè)置水泵的頻率將提取鍋的壓力保持在所設(shè)定點(diǎn)；步驟5：調(diào)整分離器出口截止閥，使所述分離器的壓力為規(guī)定的分離器壓力，使所述分離器的整體循環(huán)保持穩(wěn)定；步驟6：將產(chǎn)品與接收瓶一起在分離出口接受，并且記錄CO2流動；步驟7：在試驗(yàn)完成后，將主泵關(guān)閉，并將制冷機(jī)關(guān)閉；步驟8：當(dāng)體系的壓力達(dá)到平衡時，將提取鍋的進(jìn)、出口閥關(guān)閉，并將其與體系絕緣；步驟9：緩慢開啟提取鍋的放空閥門，直至提取鍋的壓力為0，然后開啟提取鍋的頂蓋，移除桶，并用清潔的抹布擦拭密封表面，供下一次提取時使用。

(3)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對比試驗(yàn)的確定

SFE提取工藝的得率與被提取組分在SFE中的溶解程度有直接關(guān)系。超臨界流體的濃度與溫度、壓力等因素密切相關(guān)，對其溶解度進(jìn)行了研究[6]。因此，研究萃取溫度，萃取壓力，CO2流速對萃取效果的影響。研究了不同摻雜劑類型，添加量，添加方式等因素對測定結(jié)果的影響。研究了不同提取時間對提取效果的影響，獲得了提取曲線。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，獲得最佳提取條件，并通過單因素試驗(yàn)，系統(tǒng)研究各種因素對提取效果的影響，獲得最佳提取條件。

3.超臨界CO2萃取黃姜中薯蕷皂素的工藝參數(shù)優(yōu)化研究

(1)不同原料之間的對比實(shí)驗(yàn)

以無水乙醇作為萃取劑，對比新鮮黃姜（粗碎，塊狀）、黃姜干粉（粒度40目）和黃姜水為原料進(jìn)行萃取，結(jié)果如表2所示。

表2 不同原料薯蕷皂素收率之間的對比

如表2所示，在提取時間為2h時，新鮮黃姜的薯蕷皂素收率為1.1%，而黃姜干粉的收率為0.7%，黃姜水的收率為3.1%。隨著提取時間的增加，各個原料的薯蕷皂素收率也增加。在提取時間為6h時，新鮮黃姜的薯蕷皂素收率最高，達(dá)到2.4%；黃姜干粉的收率為2.7%，黃姜水的收率最高，為8.7%。根據(jù)這些結(jié)果，可以推斷新鮮黃姜相對于干粉和水來說，在薯蕷皂素的提取過程中具有較高的收率。同時，隨著提取時間的延長，薯蕷皂素的收率也隨之增加。

以新鮮黃姜和干粉為原料時，薯蕷皂素的結(jié)合比較牢固，在超臨界狀態(tài)下也不易提取出來。而采用黃姜水解物為原料時，已經(jīng)將細(xì)胞壁破壞，比較容易提取出來，萃取效率較高。綜合考慮，選取黃姜水解物為原料提取薯蕷皂素。

(2)溫度壓力不同的對比實(shí)驗(yàn)

溫度和壓力是超臨界CO2萃取過程中兩個重要的操作參數(shù)，它們對萃取效果具有顯著影響。溫度和壓力在超臨界CO2萃取中的影響，如表3所示。

表3 溫度和壓力對薯蕷皂素收率的影響

隨著溫度的升高，薯蕷皂素的收率呈現(xiàn)不同的趨勢。在20MPa壓力下，收率在35℃至45℃之間逐漸增加，然后在50℃和55℃略有下降。在25MPa、30MPa和35MPa壓力下，收率隨溫度的增加而逐漸增加，但在50℃和55℃之間可能存在一定的波動。在同一溫度下，隨著壓力的增加，薯蕷皂素的收率呈現(xiàn)上升的趨勢。例如，在45℃的情況下，20MPa壓力下的收率為6.0%，而35MPa壓力下的收率達(dá)到了9.1%。

總而言之，壓力越高薯蕷皂素的收率越高，而薯蕷皂素收率隨溫度的升高呈先上升后下降的趨勢，在壓力為35MPa，溫度為45℃時收率最高達(dá)到9.1%。

(3)CO2流量對薯蕷皂素收率的影響

CO2流量在超臨界CO2萃取過程中扮演著重要角色，以CO2流量為自變量，探討不同萃取時間下薯蕷皂素收率的影響，具體如表4所示。

表4 CO2流量對薯蕷皂素收率的影響

隨著CO2流量的增加，薯蕷皂素的收率呈現(xiàn)不同的變化趨勢。在每個萃取時間下，隨著CO2流量的增加，薯蕷皂素的收率逐漸增加，但達(dá)到一定的流量后，收率可能會趨于飽和或略微降低。在不同萃取時間下，CO2流量在12kg·h-1時薯蕷皂素收率最高，在2h、4h、6h時分別為7.3%、8.5%、9.2%。根據(jù)這些結(jié)果，可以推斷適當(dāng)增加CO2流量有助于提高薯蕷皂素的萃取收率，但過高的流量可能不會進(jìn)一步提高收率，甚至?xí)?dǎo)致收率略微降低。因此，在實(shí)際操作中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的CO2流量以達(dá)到最佳的薯蕷皂素萃取效果。

4.總結(jié)

綜上所述，在超臨界CO2萃取黃姜中薯蕷皂素的過程中，適宜的溫度為45℃，適宜的壓力為35MPa，可以獲得較高的薯蕷皂素收率。在萃取過程中，選擇適中的CO2流量，例如12kg·h-1，可以獲得較高的薯蕷皂素收率。夾帶劑用量的增多有助于提高薯蕷皂素的收率，但過高的用量對提取效果提升不明顯，選擇200ml左右性價比高。上述結(jié)論是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和表格結(jié)果得出的，針對黃姜中薯蕷皂素的超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化研究，仍需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化，以得出更精確和可靠的結(jié)果。