超臨界CO2流體萃取牡丹籽油工藝的研究

趙菁菁 田 剛 姜天宇 雷夢蝶 孫柯魏 程世平

(平頂山學院化學與環境工程學院，平頂山 467000)

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)為我國原生花卉，是芍藥科、芍藥屬的多年生木本植物，在我國安徽、河南、陜西、湖北、山東、貴州等地區有廣泛栽培[1]。千百年來，牡丹的觀賞、藥用、食用價值被不斷開發[2,3]。現代研究表明，牡丹籽中含有豐富的不飽和脂肪酸，且各種脂肪酸比例協調，長期食用牡丹籽油對于人體健康十分有益[4,5]。牡丹籽油還可被用于化妝品的基底油等[6]。2014年，國務院辦公廳發布《關于加快木本油料產業發展的意見》，指出油用牡丹是未來國家重點發展的木本油料作物之一[7]。

牡丹籽油的提取工藝主要有：溶劑浸提法、壓榨法、水酶法、亞/超臨界萃取法[8-10]。傳統的溶劑浸提法其優點是出油率較高，工藝簡單、易操作，但必須使用有機溶劑，成品油中殘留溶劑不能全部回收，殘留溶劑降低了成品油質量，經常食用對人體健康有害[10]。冷壓榨法可較好保留籽料中的天然成分，沒有有毒有害物質殘留，但出油率過低[11,12]。水酶法通過酶制劑作用于籽料細胞的細胞壁，增加破壁程度，可使出油率增加，但目前的酶制劑價格高昂，綜合成本高[13]。

亞/超臨界流體萃取技術近年來新興一種天然產物提取分離技術，亞臨界流體萃取法萃取過程壓力相對于超臨界低一些，但是它的選擇性不如超臨界。超臨界流體萃取通過調節萃取釜的溫度和壓力，可使釜內萃取劑處于超臨界態，流經釜內的籽料床層，籽料中油脂溶解擴散至超臨界態萃取劑里，并被帶到分離器中，調節分離器的溫度和壓力，萃取劑由超臨界態轉變為氣態流走，液態油脂在分離器內沉降聚集，從而達到提取分離油脂的目的。超臨界流體萃取技術具有萃取效率高、沒有殘留溶劑，天然活性物質可以被最大限度保留，具有選擇性分離的特點。CO2為線性分子，無極性，無毒無害，價廉易得，臨界溫度(31.3 ℃)、臨界壓力(7.15 MPa)易于達到。因此，采用超臨界CO2流體萃取非極性的不飽和油脂十分適宜，可使不飽和脂肪酸保留較為完整，對于高端牡丹籽油的生產來說是一種較佳的方法。目前，大多數學者研究集中于萃取溫度、萃取壓力、萃取時間、CO2流量等因素對超臨界CO2流體萃取牡丹籽油提取率的影響，對于分離溫度、分離壓力以及原料裝填量因素的影響討論不多[14-16]。對于超臨界CO2流體萃取牡丹籽油過程而言，萃取過程和分離過程是一個整體連續的流程，將萃取過程和分離過程的工藝參數影響作用一并考察，更接近于實際應用。然而，選取影響因素的增多，必然導致實驗次數增加，各因素之間的交互作用更為復雜。均勻設計法具有均勻分散、整齊可比特點[17]，在考察因素較多時，可用較少的實驗次數結果，建模分析獲得各因素影響的作用信息。

本文選取萃取溫度、萃取壓力、萃取時間、原料裝填量、分離溫度、分離壓力等六個影響因素，考察他們對超臨界CO2萃取牡丹籽油得率的影響，建立數學模型分析并優化工藝參數。在此基礎上，建立萃取過程的傳質模型。分析所得牡丹籽油的脂肪酸成分。以期為超臨界CO2流體萃取牡丹籽油工業化提供參考。

1 材料與儀器

1.1 材料

丹鳳牡丹籽，河南省低山丘陵區生態修復重點實驗室培育，郟縣種植，8月下旬采摘，使用前，去莢、清洗，50 ℃干燥至含水率<5%，帶皮粉碎，過篩，選取40～50目作為原料。

1.2 儀器

HA220-50-06超臨界流體萃取裝置；FA2004B電子分析天平；DHG-9123A真空干燥箱。萃取得到的牡丹籽油的成分測定，委托上海微譜化工技術服務有限公司按照國家標準方法檢測，獲得相關成分分析結果。

1.3 牡丹籽油得率的計算

(1)

式中：m1為萃取得到的牡丹籽油的質量/g；m為裝填的牡丹籽的質量/g。

1.4 試驗裝置和流程

所用試驗裝置流程圖及過程描述詳見參考文獻[18]。參考文獻[15]中關于CO2流量對牡丹籽油萃取率的影響的研究結果，在本實驗中，CO2的流量均設定為25 kg/h。

1.5 混合均勻試驗方案設計

參考文獻[14-16]，并考慮實際過程，選取萃取溫度A、萃取壓力B、分離溫度C、分離壓力D、萃取時間E、原料裝填量F等6個因素進行考察。均勻設計因素與水平表見表1。

由表1可知，實驗的各因素水平數不相等，故采用混合均勻試驗設計，選用U24(66)均勻設計表安排實驗。使用DPS7.05數據處理軟件對選定的混合均勻設計表進行優化。優化后，中心化偏差CD=0.218 7，修正偏差MD=0.366 7，對稱化偏差SD=1.203 8，優良性=0.173 7，均勻性較好。混合水平的均勻設計安排表見表2。

表1 混合均勻設計因素與水平表

2 結果與分析

2.1 試驗結果

按均勻設計安排表，隨機順序開展不同條件下的試驗，結果見表2。

表2 混合水平的均勻設計安排表及試驗結果

2.2 分析與討論

采用DPS7.05軟件對數據結果進行二次多項式逐步回歸進行分析，得到模型方程為：Y=0.251 9+0.126 4A+0.640 6B-0.460 9C-1.535 1D+0.343 4E+0.647 9F-0.106 3A2-0.275 3B2+0.299 1C2+0.868 2D2-0.183 7E2-0.433 7F2，并對模型的可靠性進行檢驗。二次多項式逐步回歸方差分析見表3。

表3 二次多項式逐步回歸方差分析表

模型的復相關系數R=0.929 9，F值=5.85 89，P值=0.003 1，剩余標準差S=0.029 33，決定系數R2=0.864 7，調整后的相關系數Ra=0.846 8。Durbin-Watson統計量d=1.74 38，接近2，說明模型可靠。

從表4中各變量的P值的顯著性檢驗可知，對提取率影響的大小為：萃取時間E﹥原料裝填量F﹥分離壓力D﹥萃取B﹥分離溫度C﹥萃取溫度A。其中，A，B，E，F與Y呈正相關，C，D與Y呈負相關，說明影響提取率的六因素并不是越大越好，如萃取溫度過高反而導致提取率下降，這是由于萃取壓力不變的情況下，過高的溫度會使超臨界狀態下的CO2流體的密度降低，對籽料中揮發油分子的溶解能力減小，導致提取率降低。分析得到優化組合為：萃取溫度為45 ℃，萃取壓力為32 MPa，分離溫度為35 ℃，分離壓力為11.5 MPa，萃取時間為2.8 h，原料裝填量為187 g，此條件下牡丹籽油得率模型值為19.60%。在優化條件下，開展試驗3次平行試驗，3次平均得率為19.54%，高于24組試驗得率。

2.4 萃取模型

Esquivel等[19]在研究超臨界CO2流體萃取橄欖外皮的過程中所采用的擬合的方程為：

(2)

式中:e為萃取收率；t為萃取時間/h；b為模型參數/h；elim為萃取時間無限長時的e值。

Nguyen[20]等研究超臨界CO2流體萃取油樹脂時，假設萃取速率與植物離粒子中遺留的油樹脂濃度成比例，萃取速率寫成一級反應速率方程為：

(3)

式中：qrs為植物粒子中遺留的油樹脂濃度；t為萃取時間，h；k為化學動力學常數。

將式(3)積分，初始條件為：當t0=0，qrs=qrs0，則

qrs=qrs0·exp(-k·t)

(4)

式中:qrs0為萃取時間無限長時的qrs值。

圖1 模型擬合值與實驗值的比較

根據實際情況，將Nguyen等的模型方程變形為：

qrs=qrs0·(1-exp(-k·t))

(5)

使用式(2)和式(5)方程對實驗條件為萃取溫度45 ℃、萃取壓力24 MPa、萃取時間3 h、分離溫度45 ℃、分離壓力8.5 MPa、原料裝填量200 g的得率與萃取時間關系進行擬合，如圖1所示。使用式(2)進行擬合，參數b=0.143 2，R2=0.920 1；使用式(5)進行擬合，k=1.636 1，R2=0.997 9。由圖1可見，Nguyen方程模型擬合值更加符合實驗結果，說明超臨界CO2流體萃取牡丹籽油的過程內擴散為控制步驟，該過程可以近似為一級動力學傳質-平衡過程。

2.5 成分檢測結果

充分混合27次試驗得到的牡丹籽油，在自然光照下呈金黃色，作為檢測樣品，依據GB 5009.168—2016進行檢測，結果如表4所示。由表4可知，樣品中不飽和脂肪酸質量分數達到92.3%，其中亞麻酸質量分數為41.4%，亞油酸質量分數為27.4%，油酸質量分數為23.2%。表5給出了相關研究中牡丹籽油中主要不飽和脂肪酸的組成，可以看到，本文得到的牡丹籽油中油酸、亞油酸、亞麻酸及總不飽和脂肪酸的含量與文獻研究結果基本一致。

表4 樣品油中脂肪酸組成及含量

表5 牡丹籽油中主要不飽和脂肪酸組成

3 結論

以牡丹籽油得率為指標，采用混合均勻設計法，對超臨界CO2流體萃取牡丹籽油過程工藝進行優化探索，建立了得率與影響因素之間的模型方程，分析發現，各因素對萃取牡丹籽油的影響大小為：萃取時間﹥原料裝填量﹥分離壓力﹥萃取壓力﹥分離溫度﹥萃取溫度。優化的工藝條件為：萃取溫度為45 ℃，萃取壓力為32 MPa，分離溫度為35 ℃，分離壓力為11.5 MPa，萃取時間為2.8 h，原料裝填量為187 g，此條件下，得率為19.54%。利用Esquivel和Nguyen兩種萃取模型，考察了得率與萃取時間之間的關系，發現Nguyen模型與實驗結果更為吻合，說明超臨界CO2流體萃取牡丹籽油的過程內擴散為控制步驟，該過程可以近似為一級動力學傳質-平衡過程。萃取得到的牡丹籽油總不飽和脂肪酸質量分數達92.3%，其中亞麻酸41.4%，亞油酸27.4%，油酸23.2%。