超臨界CO2萃取玉米胚芽油的工藝研究

劉鴻雁，李延春，金 星，張建坡

(吉林化工學院 化學與制藥工程學院，吉林 吉林132022)

玉米胚芽油又稱玉米油，是從玉米胚芽中提煉出的一種高級食用油，營養價值極高.玉米胚芽油含有的亞油酸是構成人體細胞的重要組成部分，在人體內可與膽固醇相結合，有防治動脈粥樣硬化等心血管疾病的功效.因此，玉米胚芽油還享有“健康油”和“長壽油”等美稱[1-3].

目前，國內外玉米胚芽油制取大多采用傳統的壓榨法[4]、溶劑浸出法[5]和水酶法[6]等.壓榨法是較為傳統的方法，這種方法工藝繁瑣，難以保證產品的質量.溶劑浸出法是一種常見的提取玉米胚芽油的方法，該方法工藝簡單，成本低，但是玉米油純度較低，并且缺乏后續純化工藝[7].水酶法是近些年開始研究和利用的新方法，這種方法優點是處理條件溫和，缺點是對酶的培養和選擇要求嚴格，目前酶的市場價格相對較高.超臨界 CO2萃取法是近些年發展較為迅速的萃取分離技術，這種方法能夠有效的將基質和萃取物分離提取，避免了傳統方法中的一些問題.超臨界 CO2萃取法的優點主要包括：臨界溫度低，比較接近室溫，有效避免高溫壓榨過程中有效成分的分解；臨界壓力適中，有利于工業化生產；傳質速率快，溶解效率高；環境友好，并且可重復利用，符合可持續發展戰略的需求[8-11].本文采用正交實驗法，根據萃取壓力、萃取溫度、原料顆粒度、萃取時間等單因素實驗結果，確定超臨界CO2萃取玉米胚芽油的最佳工藝.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗使用的玉米胚芽為吉林省酒精工業集團天順生化科技有限公司生產；無水乙醇購于國藥集團化學試劑有限公司，純度為分析純.HA221-50-015型超臨界萃取裝置購于大連卓爾高科技有限公司；電子天平為日本島津，購于碧沄科技；電動粉碎機購于臺杏貿易(上海)有限公司；標準篩為浙江上虞市道墟張興紗篩廠生產.

1.2 實驗過程

將干燥的玉米胚芽粉過篩，準確稱量100 g裝入超臨界萃取釜中，調節萃取的壓力、溫度到設定值，待溫度和壓力穩定后，向萃取柱中緩慢注入CO2.實驗結束后，記錄實驗數據，計算玉米胚芽油的萃取率.

1.3 計算公式

玉米胚芽萃取物重量(g)=玉米胚芽原料重量-萃取后玉米胚芽重量

萃取率(%)=玉米胚芽萃取物重量/玉米胚芽原料重量×100%

1.4 單因素實驗設計

1.4.1 萃取壓力的選擇

實驗萃取壓力分別選擇10、15、20、25、30 MPa時，在萃取溫度40 ℃、時間50 min和顆粒度為50目不變條件下萃取，按照1.2的步驟操作，計算萃取率.

1.4.2 萃取溫度的選擇

實驗萃取壓力分別選擇30、35、40、45、50 ℃時，在萃取壓力25 MPa、時間50 min和顆粒度為50目不變條件下萃取，按照1.2的步驟操作，計算萃取率.

1.4.3 顆粒度的選擇

實驗萃取顆粒度分別選擇20、30、40、50、60目時，在萃取壓力25 MPa、時間50 min和溫度為為45 ℃不變條件下萃取，按照1.2的步驟操作，計算萃取率.

1.4.4 萃取時間的選擇

實驗萃取時間分別選擇20、30、40、50、60 min時，在萃取壓力25 MPa、顆粒50目和溫度為45 ℃不變條件下萃取，按照1.2的步驟操作，計算萃取率.

1.5 正交實驗設計

在單因素實驗的基礎上，采用正交實驗方法，優化超臨界CO2萃取玉米胚芽油的工藝.以萃取率為考察指標，選擇萃取壓力、萃取溫度、原料顆粒度、萃取時間四個影響玉米胚芽油萃取率的實驗條件，采用四因素三水平正交表進行正交實驗(如表1)，根據正交實驗結果，研究超臨界CO2萃取玉米胚芽油的最佳工藝.

表1 正交實驗因素水平設計

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 萃取壓力對玉米胚芽油萃取率的影響

實驗結果如圖1所示.

圖1實驗結果表明，隨著萃取壓力升高，玉米油的萃取率先升高后降低，當壓力為25 MPa時萃取率達到最大值24.37%.壓力在一定范圍時，萃取壓力升高有利于超臨界CO2克服傳質阻力，與被萃取物相互作用的能力增強，對被萃取物的溶解能力增強，所以萃取率隨著萃取壓力增加而升高.當壓力超過適當范圍時，超臨界CO2流量增大，縮短流體在被萃取物中的傳質時間，因此萃取率隨萃取壓力的升高而降低.

壓力/MPa圖1 萃取壓力對玉米胚芽油萃取率的影響

2.1.2 萃取溫度對玉米胚芽油萃取率的影響

實驗結果如圖2所示.

溫度/℃圖2 萃取溫度對玉米胚芽油萃取率的影響

圖2實驗結果表明，溫度由30 ℃升高到40 ℃時，萃取率隨溫度升高而增長.這是由于萃取溫度升高，超臨界萃取溶質的蒸汽壓隨之增大，有利于玉米油的揮發，增加玉米油在超臨界CO2中的溶解度，因此萃取率呈現上升趨勢.繼續升高溫度至50 ℃時，萃取率下降.這是由于隨著溫度升高，超臨界CO2的密度降低，對被萃取物的溶解能力下降，所以當超臨界CO2的密度為主要影響因素時，溫度升高，萃取率下降.

2.1.3 顆粒度對玉米胚芽油萃取率的影響

實驗結果如圖3所示.

圖3實驗結果表明，顆粒度對萃取率的影響比較明顯，當顆粒度由30目升高到50目時，萃取率由16.55%升高到22.73%，但繼續增加顆粒度至60目時，萃取率迅速下降，出現明顯結塊現象.一般而言，顆粒越細越有利于超臨界CO2進入物料內部對主要成分進行萃取[12]，但顆粒過細，原料容易結塊，反而不利于萃取效果.綜合實驗結果，本實驗選擇顆粒度為50目.

顆粒度/目圖3 顆粒度對玉米胚芽油萃取率的影響

2.1.4 萃取時間對玉米胚芽油萃取率的影響

實驗結果如圖4所示.

時間/min圖4 萃取時間對玉米胚芽油萃取率的影響

圖4實驗結果表明，萃取率隨時間的延長而逐漸升高，但萃取時間足夠長時，繼續延長萃取時間萃取率不會有明顯變化，說明該時間為萃取工藝的最佳時間.結合實驗結果和成本考慮，本實驗采取萃取時間為50 min為最佳條件.

2.2 正交實驗確立優化實驗條件

按正交實驗結果表進行實驗，結果見表2.

從表2中可以得出，顆粒度對玉米胚芽油萃取率的影響最為明顯，而萃取溫度對萃取率的影響不大.即四因素對玉米胚芽油萃取率影響的主次順序為：顆粒度 > 萃取時間 > 萃取壓力 > 萃取溫度.最佳工藝條件為：A3B2C3D3，即萃取壓力25 MPa，萃取溫度40 ℃，顆粒度50目，萃取時間50 min.

表2 正交實驗結果

2.3 驗證實驗

以此最佳工藝條件為基礎進行驗證實驗，結果見表3.

表3 驗證實驗

在最佳工藝條件下萃取玉米胚芽油，萃取率結果穩定，平均值為24.33%，標準差SD為0.27表明本實驗優選的工藝穩定可靠.

3 結 論

在單因素試驗基礎上，通過正交實驗優化超臨界CO2萃取玉米油的工藝條件，以玉米油萃取率為評價指標，得出各因素對萃取率影響的主次順序依次為顆粒度>萃取時間>萃取壓力>萃取溫度.

超臨界CO2萃取玉米油的最佳工藝條件為萃取壓力25 MPa，萃取溫度40 ℃，顆粒度50目，萃取時間50 min.在最佳工藝條件下，萃取率可達到24.54%，達到和超過目前文獻報道超臨界CO2萃取玉米油的萃取率.

本課題成功探索一條簡便、清潔、成本較低，萃取路線綠色環保，彌補了現有工藝的不足，因此超臨界CO2萃取玉米油是一種較為理想的制油方式.

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