含夾帶劑超臨界CO2萃取芝麻油

肖楊李朝

(中南民族大學化學與材料科學學院，湖北 武漢 430074)

超臨界流體既不同于氣體，也不同于液體，具有許多獨特的物理化學性質，因具有接近于液體的密度，這賦予它很強的溶劑化能力。同時，其黏度與氣體接近，擴散系數比液體大，具有良好的傳質性能。二氧化碳由于其具有臨界點低（TC=31.3℃，PC=7.38 MPa）、無毒、無味、不易燃、化學惰性、價廉等優點，使超臨界二氧化碳成為被廣泛認可的一種環境友好的綠色溶劑，已應用于石油化工、化學反應工程、環境保護、分析技術、天然產物提取、材料加工、生物工程等諸多領域[1]。

芝麻油是食用品質好，營養價值高的優良食用油。經常食用芝麻油可以調節毛細血管的滲透作用，加強人體組織對氧的吸收能力，改善血液循環，延緩衰老保持青春。芝麻油傳統提取方法過程時間長、溫度高、系統開放易造成熱不穩定及易氧化成分的破壞和會發損失，對不分組分有破壞作用。超臨界二氧化碳流體萃取過程使萃取和分離合二為一，工藝流程簡單，無毒、無害、無殘留、時間短、溫度低、提取系統封閉、收油率大大提高，具有傳統方法難以達到的效果[2,3]。

二氧化碳無極性，夾帶少量極性有機溶劑可提高超臨界二氧化碳流體的溶解能力。本文對含夾帶劑超臨界二氧化碳萃取芝麻油的工藝條件進行了研究，分析了各個工藝條件對萃取率的影響，并嘗試探索較優提取工藝條件。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

芝麻 (市售)，CO2氣體 (高純， 武鋼集團公司)， 夾帶劑(有機溶劑，夾分析純)；超臨界 CO2萃取裝置，型號HL-1L/50MPa/200℃-ⅡA，杭州華黎泵業有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱，

型號DGX-9623BC-1，上海福瑪實驗設備有限公司；高速萬能粉碎機，FW100型，天津市泰斯特儀器有限公司；架盤藥物天平，JYT-10型。

1.2 實驗裝置

實驗裝置流程如圖 1所示，由供氣、冷卻、萃取、分離、循環等系統構成。首先將芝麻作在120℃烘箱中干燥10 h以上并粉碎過篩預處理，實驗裝料100 g后密封萃取釜，然后當冷凝器中CO2溫度冷凝到-5℃時，開啟萃取釜的進氣閥和出氣閥，調節微調閥，將萃取釜中的壓力控制在實驗要求壓力。分離釜Ⅰ的溫度控制在45℃，壓力控制在5.0～6.0 MPa之間；分離釜Ⅱ的溫度控制在40℃，壓力控制在 4.5～5.5 MPa之間。夾帶劑由副泵輸入，控制其流量為主體流量的3%。經一定工藝條件（萃取溫度、萃取壓力、萃取時間、CO2流量等）萃取結束后，收集提取樣，測定提取樣質量。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.3 評價指標

定義萃取率為實驗中萃取得到芝麻油的質量與每次萃取所加芝麻的質量的百分比 （%），并作為實驗指標。由于每次實驗白芝麻的用量均為100 g，所以每次萃取所得芝麻油的質量數值與萃取率（%）相等。

2 結果與討論

2.1 萃取壓力的影響

萃取壓力是超臨界流體萃取過程中最重要的操作參數之一。由圖 2可以看出，萃取率隨著壓力的升高而升高，這是由于萃取壓力增加則超臨界流體密度增加，從而使其溶解能力增強，提高了萃取率。萃取壓力為40 MPa時萃取率達到最高，萃取效果最好，壓力從20 MPa提高到25 MPa時萃取率增加的幅度最大，但當壓力增大到30 MPa后，芝麻油萃取率增加趨勢變緩，可能的原因是壓力進一步增大，使超臨界流體的粘度增大，擴散阻力變大。另外，萃取壓力過大，將會導致設備老化損壞速度增加，設備投資和操作費用增加。萃取壓力30 MPa較適宜。

圖2 萃取壓力的影響

2.2 萃取溫度的影響

萃取溫度是超臨界流體萃取過程中另一重要的操作參數。同樣調節溫度會影響超臨界流體的密度。升高溫度對萃取率的影響有兩方面，其一是升高溫度有利于溶質揮發性的增加和提高擴散系數，有利于萃取；另一方面是升高溫度會降低CO2密度，使其溶劑化能力降低，不利于萃取[4]。萃取釜溫度對芝麻油萃取率的影響如圖 3所示。可以看出，溫度在 45℃以下時，萃取率隨著溫度對升高而升高，溫度升高導致溶質熱運動加快，物質傳遞速率增大，使萃取率提高。但當溫度超過45℃以后，萃取率有所下降。與壓力不同的是，壓力增加，密度會增加，而溫度升高會降低超臨界流體的密度，超臨界流體密度降低，溶解能力下降，萃取率也隨之降低。可能的原因是在高溫下，超臨界CO2密度下降是主導因素，從而導致溶解度下降。本實驗萃取溫度選取 45℃為較好。

圖3 萃取溫度的影響

2.3 萃取時間的影響

萃取時間對萃取率的影響如圖4所示。可以看出，萃取率隨著時間的延長而整體呈增加趨勢，但隨著時間的延長，萃取率增加的趨勢逐漸放緩。這是由于在萃取開始時，芝麻顆粒表面與超臨界流體接觸充分，兩相間芝麻油的濃度差大，傳質推動力大，而且從顆粒表面向超臨界相進行物質的傳遞阻力小，傳質面積大，傳質速率快，萃取率會顯著增加。隨著傳質界面由表面向內部的不斷推進，芝麻油的傳遞阻力不斷增加，兩相的濃度差減小，傳質推動力下降，傳遞速率變低，萃取率增加幅度降低。由圖中可以看出萃取率還有上升的趨勢，但140 min后萃取率增加趨勢放緩。到180 min時仍有增加趨勢，180 min到220 min芝麻油萃但取率增加不足1%。較好萃取時間為180 min。

圖4 萃取時間的影響

2.4 CO2流量的影響

由圖 5可以看出，隨CO2流量增大，萃取率是呈明顯上升趨勢的。CO2流量增加，CO2流速增加，超臨界CO2在萃取釜中停留時間減少，萃取釜中溶質與新鮮溶劑接觸時間相應增加，兩相間濃度差增大，傳質推動力增加，有利于萃取能力的提高。表明CO2流量越大，越有利于萃取。采用設備最大CO2流量10 kg/h為佳。

圖5 萃取率隨CO2流量變化的趨勢

2.5 較優條件

對上述各單因素實驗中分析得到的較好萃取條件進行了驗證性實驗研究，在萃取壓力30 MPa、萃取溫度 45℃、萃取時間 180 min、CO2流量10 kg/h條件下進行三次實驗，得到芝麻油的萃取率分別為35.6%、36.0%、34.9%，平均值達到35.5%，該值大于單因素實驗中最大萃取率，達到最大值。因此確定超臨界CO2流體萃取芝麻油的較優工藝條件為萃取壓力40 MPa、萃取溫度45℃、萃取時間 180 min、CO2流量 10 kg/h。

3 結論

利用含夾帶劑超臨界CO2流體從芝麻中萃取了芝麻油，探索了萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、CO2流量等因素對芝麻油萃取率的影響。確定了較優實驗操作條件：萃取壓力30 MPa、萃取溫度 45℃、萃取時間 180 min、CO2流量10 kg/h。

[1]韓布興.超臨界流體科學與技術[M].北京:中國石化出版社,2005.

[2]張令莉,鄭永杰,任桂蘭.CO2超臨界萃取芝麻油中芝麻素含量的GC-MS測定 [J].齊齊哈爾大學學報,2006,22(5):28-30.

[3]謝春英,袁雨婕,寧德山,葛發歡.超臨界CO2萃取芝麻油及芝麻素的工藝研究[J].中藥材,2007,30(9):1163-1165.

[4]熊婕,吳和珍,楊艷芳,劉焱文.超臨界二氧化碳流體萃取鵝不食草的正交實驗研究[J].時珍國醫國藥,2007,18(6):1328-1329.