超臨界CO2萃取裂殖壺藻粗脂工藝研究

馬 溢, 郝小紅, 王亞兵, 楊 坤

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093)

超臨界CO2萃取裂殖壺藻粗脂工藝研究

馬 溢, 郝小紅, 王亞兵, 楊 坤

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093)

研究超臨界CO2萃取裂殖壺藻粗脂的最佳條件,利于后續制備生物柴油.通過單因素試驗考察超聲波預處理、原料濕度以及不同攜帶劑對裂殖壺藻粗脂萃取率的影響,并通過正交試驗優化設計試驗條件.研究結果表明:超聲強化雖然對產油量影響不大,但是通過預處理縮短了反應時間;試驗前最好對微藻藻粉進行干燥處理.經對比甲醇、乙醇和乙酸乙酯,發現萃取率由大到小依次為:甲醇,乙醇,乙酸乙酯,考慮到甲醇的毒性和安全問題,可使用乙醇做攜帶劑.超臨界CO2萃取裂殖壺藻粗脂試驗最佳工藝條件為:壓力40 MPa,溫度65 ℃,時間1 h,液固比1∶1.在最佳工藝條件下萃取率可達18.7%.

超臨界CO2萃取; 裂殖壺藻; 正交試驗

1 研究現狀

微藻在生長過程中將光能、水和CO2轉化為碳水化合物,之后再轉化成大分子有機物,大分子有機物主要包括R—COOCH3或R—COOCH2CH3,而R—COOCH3或R—COOCH2CH3就是微藻油脂的主要組成部分.高效提取微藻細胞內的油脂成分是微藻生物柴油制備工藝中的重要環節.超臨界CO2萃取是目前國內外應用廣泛的萃取技術之一,相對于其他提取方式,其優勢在于:

a. CO2的臨界壓力和臨界溫度均不高,分別為7.39 MPa和304.4 K,可以在較低的操作成本下使物質達到超臨界狀態,并且節省能源.

b. CO2的臨界溫度低,可以避免一些熱敏感物質受到破壞.

c. 超臨界CO2對許多低極性有機物有較好的溶解能力,并且其溶解能力很容易通過調節壓力和溫度來改變,或者通過添加少量攜帶劑來調整.CO2無毒性,不可燃,無腐蝕性,化學特性比較穩定,價格便宜,原料可取自環境.

d.CO2具有高度揮發性,在常壓下為氣態,只需降低壓力就可使CO2與所萃取物質分離,可省去一般溶劑萃取后長時間的分離過程.

目前,許多學者針對超臨界萃取作了一些研究,張穗等[1]選用乙酸乙酯為攜帶劑,用超臨界CO2萃取日本小球藻、鈍頂螺旋藻和亞心形扁藻,與直接酯化法、Bligh-Dyer法、索氏提取法和乙醇-乙烷法等溶劑法作對比.以提取效率最高的直接醇化法為基礎,超臨界CO2萃取日本小球藻中脂肪酸二十碳五烯酸(EPA)的提取率為92.1%,二十二碳六烯酸(DHA)的提取率為89.4%,對鈍頂黑旋藻和亞心形扁藻的提取率也達到90%左右,高于其他溶劑法,產物中EPA和DHA的純度亦優于溶劑法.這些研究表明,超臨界法萃取不僅萃取效率高,而且萃取獲得物相較于其他萃取方法品質更好.秦昌蓉等[2]采用超臨界CO2萃取微藻適宜條件為:時間2 h,壓力35 MPa,溫度40 ℃,乙醇作為攜帶劑,乙醇和原料物質的量比為1∶1.該條件下得到油脂中DHA含量、DHA提取率分別為27.49%及9.31%.超臨界萃取法得到的DHA純度、油脂顏色、氣味以及產品品質上相對較優.銀建中等[3]試驗研究表明,影響植物油超臨界流體萃取的主要因素為萃取壓力、溫度、顆粒度、空隙率和萃取時間等.建議萃取壓力為20～30 MPa,萃取溫度為30～40 ℃,萃取時間為5 h.經超臨界CO2萃取的大豆油和花生油,色澤清,品質好,且無溶劑殘留.

本文進行了超臨界萃取裂殖壺藻方面的探討,考察了超聲預處理、原料濕度和攜帶劑對萃取率的影響,并通過正交試驗優化試驗條件,尋找最優試驗條件,可為超臨界流體提取裂殖壺藻油脂的生產工藝提供理論依據,為其他微藻油脂提取提供參考.

2 試 驗

2.1 原料與試劑

試驗所用原料為裂殖壺藻,由美國Aquafauna Bio-Marine公司生產.試驗所用試劑為無水乙醇、AR(滬試)、甲醇以及乙酸乙酯,購置于國藥集團化學試劑有限公司.

2.2 試驗儀器與設備

試驗所用設備如表1所示.

表1 試驗設備

2.3 試驗裝置與操作步驟

試驗系統如圖1所示.試驗裝置主要包括:高壓萃取釜、循環水浴鍋、高壓柱塞泵、單向閥V1、微控背壓調節閥V2、CO2氣體流量計、壓力調節閥P、溫度控制器T等.

圖1 試驗系統圖

試驗步驟:打開總開關,將萃取釜溫度和出口溫度調至設定值;打開恒溫水浴槽,將其溫度設置為5 ℃;打開注入泵開關,排凈管道中的空氣;將物料裝入萃取釜,連接進口和出口處接口;運行注入泵,將攜帶劑注入萃取釜;浸泡30 min后,打開空壓泵開關和CO2閥門,調整壓力至設定值;將取樣瓶接到CO2出氣口處;打開出氣口粗控調節閥,然后打開微控調節閥,調整氣體流量計到設定值,開始試驗.待試驗結束后,取下樣品瓶,取出物料,放入干燥箱中進行干燥后稱重.

3 結果與討論

3.1 單因素試驗

3.1.1 超聲波預處理對油脂萃取率的影響

超聲波預處理:將原料和攜帶劑混合后,置于發散式超聲清洗儀中,超聲波預處理試驗條件設計為:功率80 W,頻率20 kHz,處理時間15 min.超臨界萃取試驗條件為:萃取溫度40 ℃,萃取壓力35 MPa,萃取時間120 min,攜帶劑和原料的液固比(mL/g)為1∶1.對微藻粉進行油脂的萃取,得到的油脂產量同試驗組(乙醇作攜帶劑,濕度0%,未經超聲波預處理)相比較,見圖2.

圖2 超聲波預處理對微藻油脂萃取率的影響

從圖2可以看出,超聲波預處理過的藻粉最終產油量和未經處理的藻粉最終產油量并沒有顯著變化.Tang等[4]使用了不同的超聲波功率和超聲波處理時間來研究其對油脂萃取率和DHA純度的影響.但試驗證明,不同的超聲波功率(80,120,160,200 W)和超聲波處理時間(15,30,60,90 min)對微藻油脂的萃取產量也同樣沒有顯著的影響.但是值得注意的是,通過試驗觀察得到,經過超聲波破壁預處理的試驗組萃取時間較未經超聲波預處理的試驗組有了顯著的縮短.這主要因為高頻率超聲波使得懸浮液出現空化現象,形成剪切力,進而破壞細胞壁,細胞壁的破壞減小了分子的擴散阻力,從而加快了萃取速度.雖然超聲波預處理(功率80～200 W,時間15～90 min,頻率20 kHz)并不能提高微藻的油脂萃取率,但是卻能在一定程度上縮短萃取過程所需要的時間,減少了操作成本及機器的損耗.

3.1.2 原料濕度對油脂萃取率的影響

試驗條件下(萃取溫度40 ℃,萃取壓力35 MPa,萃取時間120 min,攜帶劑和原料的液固比(mL/g)為1∶1),將干燥至恒重的藻粉與蒸餾水混合,通過控制濕度(濕度=加入蒸餾水的質量/(蒸餾水的質量+藻粉的質量))的變化(0%,10%,30%,50%),得到濕度對油脂萃取率的影響,見圖3.

圖3 濕度對油脂萃取率的影響

從圖3可以看出,在一定的溫度、壓力、萃取時間及攜帶劑與原料液固比的條件下,隨藻粉濕度的增加,微藻油脂的萃取率逐漸降低.濕度為0%時,油脂萃取率最高達16.98%;濕度為50%時,油脂萃取率僅為7.74%.主要原因是:當原料中含水量增加時,由于水和CO2的不可混溶性,造成在反應釜中形成一個高度壓縮粒子區,這會限制CO2流體在反應釜中的流動;此外過多的含水量會使原料的多孔性降低,超臨界CO2的滲透程度減小,水分在萃取過程中起到了阻礙萃取的作用.另一方面,乙醇能增加油脂在超臨界CO2中的溶解度是因為乙醇與油脂形成的溶劑化締合現象[5],這種溶劑化締合主要是由乙醇和油脂有機物分子之間的各向異性相互作用,即氫鍵的作用產生的.而水分子也可以同乙醇分子形成氫鍵,這就使得油脂有機物分子與水分子之間形成了競爭,從而會減小乙醇和油脂的溶劑化締合作用,導致油脂在超臨界CO2中的溶解度降低.智利的研究學者Reyes等[6]在濕藻漿中加入吸附劑(殼聚糖),隨后直接對濕藻漿進行超臨界CO2萃取,以此來研究使用濕度較高的原料直接進行超臨界CO2萃取時,類胡蘿卜素萃取率和油脂萃取率受到的影響.結果表明,加入吸附劑后的濕藻漿利用超臨界CO2提取出的類胡蘿卜素含量有所提高,而油脂的產量仍然很低.利用剛采收的微藻直接進行超臨界CO2萃取,從目前的情況來看,還無法獲得理想的油脂產量.所以,采用超臨界CO2對微藻油脂進行萃取時必須事先干燥藻粉,確保原料濕度(水分)低于5%,否則將會影響萃取效果.

3.1.3 不同攜帶劑對油脂萃取率的影響

攜帶劑的作用機理主要通過超臨界CO2中攜帶劑與溶質之間形成溶劑化締合現象實現,這種溶劑化締合現象由兩種性質不同的分子之間作用力的共同作用而產生.這種作用力包括各向同性相互作用(靜電作用、誘導作用、色散作用)和各向異性相互作用(氫鍵、電子供給體和電子接受體間作用).不同攜帶劑與油脂之間形成的分子間作用各不相同,故溶劑化締合存在差異,并且不同攜帶劑在超臨界流體萃取中對溶質的選擇也存在差異,即最終提取出的油脂組成成分不同.因此,本次試驗在其他條件均相同時,用乙醇、甲醇、乙酸乙酯作為攜帶劑對微藻粉進行油脂的萃取,試驗結果見圖4.

圖4 不同攜帶劑對油脂萃取率的影響

從圖4可以看出,加入攜帶劑可以在一定程度上提高最終的油脂產量,且甲醇作攜帶劑時的油脂萃取率最高,其次是乙醇,最后則是乙酸乙酯.其主要原因是這3種攜帶劑的極性由大到小依次為:甲醇,乙醇,乙酸乙酯,所以偶極距由大到小依次為:甲醇,乙醇,乙酸乙酯,即甲醇與油脂有機物分子間的偶極-偶極作用大于乙醇與油脂有機物分子間的偶極-偶極作用,得出甲醇對油脂有機物分子的攜帶作用最大,乙醇次之,乙酸乙酯相對較差.此外,混合溶劑的極性越大,對生物細胞的雙分子層脂膜的破壞程度越大,越有利于萃取的進行.然而,考慮到甲醇的毒性和食品安全問題,而乙醇無毒性加上攜帶作用相對乙酸乙酯較好,所以,乙醇可以普遍作為超臨界流體的攜帶劑.

3.2 正交優化試驗

根據文獻[7-9]中相關最佳萃取條件并結合設備相關參數,確定本試驗的參數水平,試驗因素水平如表2所示.

根據表2的試驗因素,設計正交試驗,得到的試驗數據如表3所示.

表3中,K1,K2,K3,K4分別為壓力、溫度、時間、液固比的水平平均值.壓力、液固比兩個因素對萃取率的影響較大,溫度、時間對萃取率的影響較小.表3壓力因素一列中,K3>K2>K1>K4,由此可知,40 MPa為因素A的最優條件.同理可知65 ℃,1 h,1∶1分別為因素B,C,D的最優條件.

表2 試驗因素及水平

表3 正交試驗方法及結果

各個因素間的方差分析如表4所示(見下頁).根據極差R的大小以及各個因素偏差平方和可知,各因素對萃取率影響程度由大到小依次為:壓力,液固比,溫度,時間.由此可得,超臨界CO2萃取微藻粗脂試驗的最優條件為:壓力40 MPa,溫度65 ℃,時間1 h,液固比1∶1.試驗所得最大萃取率為18.7%.

表4 正交試驗方差分析表

壓力對超臨界CO2流體的溶解能力影響最大.因為在溫度不變的條件下,壓力較高時,CO2密度較大,可壓縮性較小,擴散系數與壓力成反比例關系.壓力繼續增大,溶質的溶解度會減小,超臨界CO2的滲透能力也隨著壓力的增大而減小[10-11].因此,壓力的最優條件是40 MPa.

溫度對超臨界流體溶解能力的影響也比較大.但與壓力對超臨界流體溶解能力的影響不同,溫度的影響通常表現為雙重作用.一方面,溫度升高,會使溶質的揮發度增大,擴散能力增強,從而使萃取率增大;另一方面,溫度升高也會導致超臨界CO2流體密度減小,降低其溶解能力,進而使萃取率降低.在實際條件下,溫度升高對萃取率的影響,關鍵取決于哪一種因素起到主導作用.本試驗中,油脂萃取率隨溫度升高不斷升高,可見在溫度升高過程中,油脂揮發度和擴散系數的提高所引起的萃取率的增加量,有效補償了由于CO2密度下降所導致的萃取率的減少量[12].油脂揮發度和擴散系數的提高在萃取過程中起到了主導作用.因此,試驗溫度的最佳條件是65 ℃.

超臨界萃取通常可以分為靜態萃取和動態萃取.靜態萃取有利于溶質有效溶于超臨界流體,動態萃取有利于超臨界流體與溶質及時分離,保證萃取體系的濃度差.試驗中,當時間為1 h時,萃取率達到最大值15.778%,隨著時間的延長,萃取率反而下降.這主要是因為,從微藻中萃取所得粗脂含有易揮發成分,隨著試驗時間的延長,粗脂中的易揮發成分被出氣口排出的CO2帶出萃取瓶,從而使萃取率下降.因此,試驗時間的最佳條件是1 h.

在超臨界CO2萃取過程中,加入攜帶劑,可以改變超臨界流體的臨界點,從而改善其溶解性能.當液固比在一定范圍內增大時,萃取率會升高;但是加入攜帶劑過量會造成溶劑的浪費,也會增大后期提純油脂的難度.為了取一個較優的值,避免溶劑的浪費和后期提純的困難,液固比的最佳試驗條件為1∶1.

4 結 論

超聲波預處理、原料濕度、不同的攜帶劑對微藻油脂萃取過程都有一定的影響.其中,超聲波預處理雖然對產油量影響不大,但是通過預處理縮短了反應時間,減少了操作成本和機器損耗.在利用超臨界CO2萃取微藻時,應盡量使用干燥藻粉.經對比甲醇、乙醇和乙酸乙酯發現,萃取率由大到小依次為:甲醇,乙醇,乙酸乙酯,考慮到甲醇的毒性和安全問題,可使用乙醇做攜帶劑.綜合以上影響因素,通過正交試驗得到超臨界CO2萃取裂殖壺藻粗脂試驗的最佳工藝條件為:壓力40 MPa,溫度65 ℃,時間1 h,液固比1∶1.在最佳工藝條件下萃取率可達18.7%.

[1] 張穗,宋啟煌,陳浩如,等.海洋微藻中EPA和DHA的超臨界CO2提取方法研究[J].熱帶海洋,1999,18(2):33-38.

[2] 秦昌蓉.富油微藻中油脂的提取及DHA富集純化的研究[D].天津:天津大學,2010.

[3] 銀建中,孫獻文,李志義,等.超臨界CO2流體萃取植物油的實驗研究[J].現代化工,2001,21(10):26-27.

[4] TANG S K,QIN C R,WANG H Q,et al.Study on supercritical extraction of lipids and enrichment of DHA from oil-rich microalgae[J].The Journal of Supercritical Fluids,2011,57(1):44-49.

[5] 張建君,朱美文,于思平,等.在超臨界流體萃取中夾帶劑作用的研究[J].北京化工學院學報(自然科學版),1993,20(2):1-7.

[6] REYES F A,MENDIOLA J A,SUREZ-ALVAREZ S,et al.Adsorbent-assisted supercritical CO2extraction of carotenoids from Neochloris oleoabundans paste[J].The Journal of Supercritical Fluids,2016,112:7-13.

[7] 徐海軍,鄧碧玉,蔡云升,等.夾帶劑在超臨界萃取中的應用[J].化學工程,1991,19(2):58-63.

[8] 王洋,楊靜,黃雪松.夾帶劑在超臨界CO2萃取天然產物中的應用[J].食品研究與開發,2007,28(11):162-166.

[9] 朱廷風,廖傳華.螺旋藻中β-胡蘿卜素的超臨界CO2萃取實驗研究[J].糧油加工與食品機械,2003(4):66-67.

[10] 陳維杻.超臨界流體萃取的原理和應用[M].北京:化學工業出版社,1998:1-4.

[11] YANG Y C,WEI M C,HUANG T C,et al.Extraction of protocatechuic acid from Scutellaria barbata D.Don using supercritical carbon dioxide[J].The Journal of Supercritical Fluids,2013,81:55-66.

[12] 孫永躍,李淑芬,全燦.阿魏酸和川芎嗪在超臨界CO2中溶解度的測定[J].高校化學工程學報,2005,19(6):839-842.

(編輯:丁紅藝)

Lipid Extraction by Supercritical CO2from Schizochytrium

MA Yi, HAO Xiaohong, WANG Yabing, YANG Kun

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

The optimum conditions of the supercritical CO2extraction of crude oil from schizochytrium were studied.Single factor experiments were conducted to investigate the effects of the ultrasonic pretreatment,humidity of raw materials and different carrying agents on the extraction rate of crude oil from schizochytrium.The results show,although the ultrasonic enhancement has little effect on oil yield,the reaction time is shortened by pretreatment.It is best to dry the microalgae powder before the experiment.Compared with methanol,ethanol and ethyl acetate,the methanol extraction rate was found to be higher than that of ethanol and ethyl acetate.Considering the toxicity of methanol and the safety,ethanol can be used as a carrier.The optimum extraction conditions of the crude oil extraction by supercritical CO2are:pressure 40 MPa,temperature 65 ℃,time 1 h,and liquid-solid ratio 1∶1.The extraction rate is 18.7% under the optimum conditions.

lipidextractionbysupercriticalCO2;schizochytrium;orthogonaltest

1007-6735(2017)02-0194-05

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.017

2016-06-22

馬 溢(1994-),男,碩士研究生.研究方向:生物質能.E-mail:mayiyjs@163.com

郝小紅(1975-),女,講師.研究方向:生物質能.E-mail:haoxh@usst.edu.cn

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