超臨界CO 2 萃取谷維素的工藝研究

超臨界CO2萃取谷維素的工藝研究

蔣璧蔚，林文，王志祥*，張楠

(中國藥科大學制藥工程教研室，南京210009)

摘要：目的探究米糠中谷維素的超臨界CO2萃取工藝。方法以單因素實驗為基礎，設計正交實驗考察最佳提取工藝。結果最佳工藝條件為萃取壓力30 MPa、萃取溫度50 ℃、萃取時間100 min、CO2 流量1.75 L·min`(-1)，在此條件下谷維素的回收率可達到73.34%。結論優選方案穩定、可靠。

關鍵詞：谷維素；米糠；超臨界CO2萃??；正交實驗

doi:10.3969/j.issn.1004-2407.2015.03.003

中圖分類號：R284

文獻標志碼：A

文章編號：1004-2407(2015)03-0228-03

Abstract:ObjectiveTo investigate and optimize the supercritical CO2 extraction process of γ-oryzanols from rice bran.Methods

基金項目：中央高校基本科研業務費專項基金資助(編號：JKQZ2013003)

作者簡介：蔣璧蔚，男，在讀碩士研究生

收稿日期：(2014-10-07)

Study on the supercritical CO2extraction process ofγ-oryzanolsfrom rice bran

JIANG Biwei， LIN Wen， WANG Zhixiang*，ZHANG Nan(Department of Pharmaceutical Engineering， China Pharmaceutical University， Nanjing 210009， China)

The optimal extraction process based on the single factor experiment was explored further by orthogonal tests.ResultsThe optimized extraction conditions were as follows：pressure 30 MPa，temperature 50 ℃，time 100 min，and flow of CO21.75 L·min-1.Under the optimal extraction conditions，the recovery rate ofγ-oryzanols can reach up to 73.34%.Conclusion The optimal conditions are stable and reliable.

Key words:γ-oryzanols；rice bran；supercritical fluid extraction；orthogonal test

*通信作者：王志祥，男，教授，博士生導師

米糠是谷子脫殼后加工成精米時的副產物，富含多種營養素[1]。其中的谷維素是一種以環木菠蘿醇類為主體的阿魏酸酯與甾醇類阿魏酸酯組成的天然混合物[2]。目前研究發現，谷維素具有降血脂、降血糖、預防心血管疾病、抗氧化、清除自由基、抗膽固醇吸收、抑制癌細胞生長、調節中樞及心臟自主神經等功能[3-4]。臨床上用于治療植物神經功能紊亂、經前期緊張及更年期綜合征[5]。

傳統的谷維素制取法主要是二次堿煉法，從皂腳中提取谷維素。傳統方法在制取皂腳的過程中會產生大量的谷維素損失，嚴重影響最終收率，而且谷維素提取過程極其繁瑣。加入的酸、堿會造成大量溶劑殘留，不僅增加后處理難度，且不符合綠色工藝要求。超臨界萃取技術是一種集萃取、分離、濃縮為一體的新技術[6]。超臨界流體萃取是利用超臨界流體強的溶解能力，從天然藥物中提取有效成分，再通過減壓的方法將其釋放出來的過程[7]。本文通過考察萃取溫度、時間、壓力和CO2流量等工藝參數，采用正交設計對實驗進行優化，得到超臨界CO2萃取谷維素的最佳工藝。

1儀器與試藥

1.1儀器超臨界萃取裝置(7071型，美國Applied Separation公司)；高效液相色譜系統(LC-10AT型，日本島津公司)；高速萬能粉碎機(FW100型，天津市泰斯特儀器有限公司)；分析天平(BT25S型，北京賽多利斯儀器系統有限公司)。

1.2試藥米糠采購于江蘇省鎮江市；谷維素對照品(質量分數≥99.9%，加拿大，Toronto Research Chemical Inc.)；液態CO2購于南京天澤氣體有限公司，體積分數≥99.9%；正己烷(分析純，江蘇南京漢邦科技有限公司)；甲醇、異丙醇(色譜純，江蘇南京漢邦科技有限公司)。

2方法

2.1谷維素HPLC分析方法

2.1.1色譜條件Phenomenex色譜柱(250 mm×4.6 mm，4 μm)；柱溫：35 ℃；流動相：甲醇-異丙醇(90∶10)；檢測波長：327 nm；流速：1 mL·min-1；進樣量：4 μL。

2.1.2標準曲線的制備精密稱取谷維素對照品0.517 20 g，用異丙醇定容于100 mL量瓶中；用移液管精密量取1，2，3，4，5和6 mL，置于10 mL量瓶中，異丙醇定容，超聲溶解。照上述色譜條件進行高效液相色譜測定，以峰面積為X、谷維素質量濃度為Y，擬合得線性回歸方程：Y=35 592 067X+123 423，r=0.999 7。結果表明，谷維素質量濃度在0.52~3.10 mg·mL-1范圍內線性關系良好。

2.2溶劑提取實驗精確稱取10.00 g米糠，加入80 mL正己烷，在60 ℃、轉速為150 r·min-1的條件下，回流提取6 h，將過濾所得溶液通過旋轉蒸發儀蒸去溶劑，直至質量不再發生變化后，稱質量，此質量為本批次10.00 g米糠總含油量。將所得產品進行液相分析，檢測谷維素含量。

2.3單因素實驗將米糠干燥、粉碎后過篩，取10~100目備用。準確稱取10.00 g米糠粉末，以谷維素回收率為考察指標，分別在不同萃取溫度、時間、壓力和CO2流量等單因素條件下開展實驗。

2.4正交實驗以萃取時間、壓力、溫度為主要影響因素，在單因素實驗的基礎上，設計3因素4水平L16(43)的正交實驗，正交設計因素水平見表1。

表1正交實驗因素水平表

Tab.1 Factors and levels of the orthogonal test

水平因素A,壓力/MPaB,溫度/℃C,時間/min12030402254060330508043560100

2.5谷維素回收率分析谷維素回收率的計算公式為：Y=(m×c)/(M×C)×100%，式中，m為超臨界萃取所得產品量(g)；c為超臨界萃取產品的谷維素含量(100%)；M為溶劑提取法所得產品量(g)；C為溶劑提取法產品的谷維素含量(100%)。

3結果與討論

3.1溶劑提取實驗一共進行3次平行實驗，10.00 g米糠分別得產品0.68，0.72和0.75 g，產品中的谷維素含量依次為1.54%，1.55%和1.57%。3次溶劑提取實驗平均所得谷維素量為(0.68×1.54%+0.72×1.55%+0.75×1.57%)/3=0.011 1 g，則本批次原料10.00 g米糠中含有谷維素11.1 mg。

3.2單因素實驗

3.2.1萃取壓力在萃取溫度為40 ℃，CO2流量為1.75 L·min-1，萃取壓力分別為20，25，30，35和40 MPa的條件下，萃取60 min。結果表明，在一定壓力范圍內，谷維素回收率隨著萃取壓力的升高而增加。這是因為增大壓力會增高流體的密度，從而使CO2流體的溶解度增加，易于被萃取目標物溶解于流體，但是當壓力增大到35 MPa時，回收率增加不明顯并且略微下降，表明在此壓力下，流體已基本達到了溶解度極限。綜合工業化成本和安全性的考慮，萃取壓力選在30 MPa左右為宜。

3.2.2萃取溫度在萃取壓力為30 MPa，CO2流量為1.75 L·min-1，萃取溫度分別為20，30，40，50和60 ℃的條件下，萃取60 min。分析實驗結果發現，谷維素回收率隨萃取溫度的增加而出現先增后減的現象，在50 ℃時達到極值。這是由于在一定壓力條件下，升高溫度會增加被萃取物質的溶解性和擴散性，從而提升回收率；同時，隨著溫度的升高，CO2流體的溶解度下降，則會降低回收率?？紤]到設備能耗和工藝成本，選定萃取溫度為50 ℃左右為宜。

3.2.3萃取時間在萃取壓力為30 MPa，CO2流量為1.75 L·min-1，萃取溫度為40 ℃的條件下，分別萃取40，60，80，100和120 min。實驗結果顯示，隨著萃取時間的增加，回收率逐漸升高，當萃取時間達到80 min后，回收率增加緩慢。分析萃取原理發現，米糠中谷維素的萃取是一個不斷變化的動態傳質過程，隨著時間延長，會增加被萃取物質與流體的接觸機會，促進傳質過程，從而提升回收率，當達到CO2流體溶解極限時便不再增加。從回收率和工業化生產周期的角度出發，選定萃取時間為80 min左右為宜。

3.2.4CO2流量在萃取壓力為30 MPa，萃取溫度為40 ℃，CO2流量分別為1.50，1.75，2.00，2.25和2.50 L·min-1的條件下，萃取60 min。由實驗數據可知，谷維素回收率隨著CO2流量的增加出現先增后減的趨勢，回收率在1.75 L·min-1處達到峰值。這是由于在一定適宜范圍內增加CO2流量會加快傳質過程，便于被萃取物質溶解于流體中，但是，當CO2流量過快，被萃取物質不能與流體充分接觸，消弱傳質過程，回收率下降。據此，選定CO2流量為1.75 L·min-1為宜。

3.3正交實驗結果分析在單因素實驗數據的基礎上，選定CO2流量為1.75 L·min-1，對萃取壓力、溫度和時間進行3因素4水平的正交實驗，實驗結果見表2，方差分析結果見表3。

分析表2可知，實驗因素對超臨界CO2萃取谷維素的主要影響程度為：A>B>C，即萃取壓力>萃取溫度>萃取時間；分析表3可知，萃取壓力對超臨界CO2萃取谷維素的影響顯著，萃取溫度和萃取時間不顯著。萃取溫度在正交實驗中對結果影響不顯著的主要原因是：萃取壓力對實驗的影響程度很大，當處于一定壓力范圍內時，溫度的影響幾乎可以忽略；分析萃取過程可知，谷維素的萃取過程分為快速萃取和慢速萃取過程，當時間處于慢速萃取過程中時，對實驗的影響就很微弱。

表2正交實驗結果

Tab.2 Results of the orthogonal test

實驗號ABCY/%111447.05212355.01313159.27414248.45521366.21622160.46723464.06824266.54931164.721032370.281133267.501234469.621341266.111442359.171543167.501644472.83k152.4561.0262.99k264.3261.2362.15k368.0364.5862.67k466.4064.3663.39R15.583.561.24

表3正交實驗結果方差分析

Tab.3 Variance analysis for results of the orthogonal test

方差來源平方和自由度均方F值P值顯著性A,壓力599.4393199.8137.8520.017*B,溫度79.450326.4831.0410.440C,時間37.802312.6010.4950.699誤差152.690625.448總和834.87215

注：*為差異顯著(P<0.05)。

綜合直觀分析，方差分析和單因素實驗可得出最佳工藝為：A3B3C4，即萃取壓力為30 MPa，萃取溫度為50 ℃，萃取時間為100 min，CO2流量為1.75 L·min-1(單因素實驗已確定)。在此條件下進行3次平行萃取驗證實驗，谷維素平均回收率為73.34%，由此表明正交實驗優化條件切實可行。

4結論

本文旨在探究超臨界CO2萃取米糠中谷維素的工藝條件。通過單因素實驗確定了最適宜的CO2流量，以單因素實驗數據為依據，在單因素實驗的基礎上，設計了3因素4水平L16(43)的正交實驗，由正交實驗得出優化方案：萃取壓力為30 MPa，萃取溫度為50 ℃，萃取時間為100 min，CO2流量為1.75 L·min-1。在此條件下進行3次驗證實驗，平均回收率為73.34%。實驗結果表明，優化工藝穩定可靠。本研究為超臨界CO2提取谷維素的工業化提供可靠的實驗數據，實驗得出的最佳工藝條件能夠科學有效地為工業生產提供參考。

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