基于超臨界CO2萃取技術的植物油脂提取研究

李 娜，潘 陽，張 園

（安徽糧食工程職業學院糧食工程系，合肥 230011）

植物油作為食用油的一種，油脂健康是食品安全的重要評判標準，受到人們關注。隨著人們對食品健康要求不斷提升，植物油在飲食結構中的比重不斷增加。大部分植物油生產廠家采用古法榨取工藝或機器加工榨取法作為植物油脂的提取方法，但方法具有不同的缺陷，無法在日益先進的植物油生產模式中長期應用[1-3]。為提升我國植物油生產廠家的市場競爭力及市場占有率，在現有植物油脂提取技術中選擇一種合適的技術，不斷優化植物油脂提取效果成為當前亟需解決的問題。對比多種萃取技術后，超臨界CO2萃取技術在油脂加工過程中得到廣泛應用，并具有較高的加工效率[4-5]。超臨界CO2萃取技術是目前新一代高效分離及分析技術，在植物油脂提取中具有廣泛的應用，而且具有提取率高、溶劑回收簡單等優勢。CO2溶出性能可以通過調整溫度和提取壓力來實現對植物油脂的提取，可減少雜質，提高植物油脂的活性組份。超臨界CO2萃取技術的具體原理為：在高壓條件下，將提取植物油脂溶解于液體中，降低液體的壓力或提高液體的溫度，使溶解于超臨界流體中的溶質濃度和溶解度降低，由此提取出植物油脂，對超臨界CO2萃取技術植物油脂提取過程中相關參數進行設定，可促進我國植物油產業的發展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試材料 供試大豆由安徽糧食工程職業學院專用研究地區提供，去殼、烘干、粉碎后過60目篩備用。供試大豆含有7%～10%的棕櫚酸、2%～5%的硬脂酸、1%～3%的花生酸、22%～30%的油酸、50%～60%的亞油酸和5%～9%的亞麻油。

1.1.2 供試試劑 二氧化碳為食用級純度（霸州市安興氣體有限公司）；無水乙醇（沈陽伊威隆化工原料有限公司）；丙酮（山東堯同實業有限公司）；石油醚（濟南創科化學有限公司）；氫氧化鈉（大連新森能源化工有限公司）；磷酸二氫鈉（蘇州旭航化工科技有限公司）；濃硫酸（江蘇準信化學工程有限公司）；硫酸銅（河南深美環保新材料有限公司），均為AR級。

1.1.3 供試儀器 FLBP-250萬能高速粉碎機（廣州鈞工機械設備實力）；AUY220電子天平（杭州秋籍科技有限公司）；Spe-ed SFE超臨界萃取儀（杭州秋籍科技有限公司）；HP5973N氣相色譜和質譜連用儀（湖北帝星科技有限公司）；SN-101-2QB電熱恒溫鼓風干燥箱（南京昕儀生物科技有限公司）；pH測試儀（南京昕儀生物科技有限公司）。

1.2 試驗方法

將篩選出的大豆用烘干機烘干至35 ℃，高速萬能粉碎機粉碎，從備用大豆中選取50 g原料，去殼后記錄質量，按照試驗設定稱取大豆原料，將其裝填到萃取柱中，塞入干凈的脫脂棉，并在脫脂棉上方放入合適數量的玻璃珠，啟動超臨界萃取儀設備電源，將設備的冷卻溫度設定為0 ℃，使用超臨界CO2萃取技術進行試驗[6-7]。植物油脂萃取過程如圖1所示。

圖1 植物油脂萃取過程

1.3 項目測定

1.3.1 萃取壓力 在植物油脂萃取過程中，萃取壓力是最主要的萃取條件。在不同的萃取壓力下，改變植物油脂的濃度以及傳遞速度，可提高溶解性。通常情況下，萃取物溶解性隨著超臨界壓力增大而迅速升高。優選的萃取壓力應考慮原料性質、溶解油脂能力、浸出選擇性、產品質量、設備投資等。通常情況下，植物油脂的萃取壓力為10～30 MPa。將CO2氣體通過壓縮機壓縮到一定壓力后，進入萃取器內部。在萃取器內部，CO2氣體與植物原料接觸并發生作用，從而實現植物油脂萃取。

使用電子天平稱取大豆原料15 g，將原料的萃取壓力設定為10、15、20、25、30 MPa，萃取溫度恒定為45 ℃，分離溫度控制在45 ℃，萃取時間上限為1.5 h，通過萃取率確定萃取壓力取值范圍，在上述參數設定下進行5次試驗。

1.3.2 萃取時間 隨著萃取時間延長，植物油脂萃取率逐漸提高。在萃取初期，萃取率明顯提高，但隨著萃取時間增加，植物油脂萃取率增加較慢。從整體上看，萃取時間通常1～3 h為宜。在進行植物油脂萃取時，需要根據具體的原料種類和工藝要求來確定最佳萃取時間。

使用電子天平稱取大豆原料15 g，將原料的萃取壓力設定為20 MPa，萃取時間設定為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h，其他試驗參數沿用1.3.1，通過萃取率確定萃取時間取值范圍，在上述參數設定下進行5次試驗。

1.3.3 萃取溫度 萃取溫度是植物油脂萃取的關鍵指標之一，萃取溫度對CO2萃取技術有較大的影響，需要考慮最佳分離溫度、最佳萃取溫度[8-9]。通常溫度越高，萃取物中的一些成分會發生變性、分解或失效的現象，所以溫度設定為30～50 ℃。

稱取大豆原料15 g，在萃取時間為1.5 h的條件下，分離溫度和萃取溫度設定為30、35、40、45、50 ℃，其他試驗參數沿用1.3.1和1.3.2，通過萃取率確定分離溫度和萃取溫度，在上述參數設定下進行5次試驗。

1.4 正交試驗

在單因素試驗結果的基礎上，以植物油脂萃取率作為試驗對象，優化與完善植物油脂萃取工藝。正交試驗因素及水平如表1所示。

表1 植物油脂萃取率正交試驗因素與水平

1.5 數據分析

用Excel 2010軟件整理試驗數據，用SPSS 17.0軟件進行顯著性分析。植物油脂萃取率A（%）=V/G×100，式中，V為萃取液質量，G為大豆原料質量[10-13]。

2 結果與分析

2.1 萃取壓力對植物油脂萃取率的影響

由圖2可知，當萃取壓力低于15 MPa時，萃取壓力與植物油脂萃取率呈正相關，隨著萃取壓力增加，植物油脂萃取率升高。當萃取壓力為15 MPa時，植物油脂萃取率最高，達到23%。當萃取壓力高于15 MPa時，植物油脂萃取率逐漸降低。其原因是在超臨界條件下，植物油流體濃度與液態相近，其物理性能對壓力具有較強的敏感度。在萃取壓力增高的條件下，將油脂溶于液體，液體溫度上升，此時液體濃度升高，液相中溶劑分子易與植物油分子發生作用，提高油脂在液態中的溶解度，植物油脂萃取率逐漸下降。因此，植物油脂萃取壓力為15 MPa時，植物油脂萃取率最高，為23%。

圖2 萃取壓力對植物油脂萃取率的影響

2.2 萃取時間對植物油脂萃取率的影響

由圖3可知，隨著萃取時間增加，植物油脂萃取率逐漸升高，當萃取時間超過2.0 h時，FLBP-250萬能高速粉碎機中的原料基本消耗殆盡，延長萃取時間不能提高植物油脂萃取率。因此，植物油脂萃取時間為1.5 h時，植物油脂萃取率最高，為27%。

圖3 萃取時間對植物油脂萃取率的影響

2.3 分離溫度對植物油脂萃取率的影響

由圖4可知，不同分離溫度對植物油脂萃取率的影響不同。隨著分離溫度不斷升高，植物油脂萃取率呈先上升后下降的趨勢，且不同分離溫度之間的差異度較為明顯。當分離溫度為40 ℃時，植物油脂萃取率最高，為37%。其原因是植物油脂萃取率受到分離溫度的影響，大部分植物油均含有不飽和脂肪酸，提取溫度應該較柔和。因此，分離溫度應控制在40～45 ℃，植物油脂萃取率為32%～37%。

圖4 分離溫度對植物油脂萃取率的影響

2.4 萃取溫度對植物油脂萃取率的影響

由圖5可知，隨著萃取溫度不斷升高，植物油脂萃取率先升高后下降。但當萃取溫度達到40℃時，植物油脂萃取率最高，為35%。萃取溫度超過40 ℃時，植物油脂萃取率逐漸下降。因此，植物油脂萃取溫度拐點為40 ℃，最佳萃取溫度應控制在40 ℃，此時植物油脂萃取率為35%。

圖5 萃取溫度對植物油脂萃取率的影響

2.5 植物油脂萃取方案

正交試驗結果如表2所示。為保證上述試驗結果具有真實性與科學性，對表3的平方和、自由度、方差、F值、顯著度進行統計，試驗結果真實有效，對試驗結果進行分析可以確定，本研究選定的工藝參數對植物油脂萃取率的影響中，萃取壓力為最主要影響因素，萃取時間、分離溫度、萃取溫度為次要影響因素，通過對各工藝參數設置，可以得到各工藝參數對萃取率的影響程度。當萃取壓力為15 MPa、萃取時間為1.5 h、分離溫度為40 ℃、萃取溫度為40 ℃時，得到最佳工藝方案，選擇表2中的方案5與最佳工藝方案下的萃取率進行對比，結果如圖6所示。

表2 正交試驗結果

表3 試驗結果方差分析

圖6 不同工藝參數植物油脂萃取率的試驗結果

根據表3試驗結果可以證實表2試驗結果真實有效，本研究選定的工藝參數對植物油脂萃取率的影響中，萃取壓力為最主要影響因素，萃取壓力、分離溫度、萃取溫度為次要影響因素。由圖6可知，在工藝參數不同的情況下，最佳工藝方案為方案5，植物油脂萃取率明顯優于其他方案。

3 結論

本研究將植物油脂的萃取壓力、萃取時間、分離溫度和萃取溫度作為單因素指標，通過多次試驗，分析了各工藝參數對植物油脂萃取率的影響，并確定最佳工藝方案為萃取壓力15 MPa、萃取時間1.5 h、分離溫度40 ℃、萃取溫度40 ℃為植物油脂萃取的最佳工藝。