梔子黃色素的二氧化碳超臨界萃取研究

李 雄 ，陳茜文

（1.中南林業科技大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.湖南科技職業技術學院，湖南 長沙 410004）

梔子黃色素是從梔子果實中提取出來的一類著色力強的天然水溶性類胡蘿卜素，是國內外市場需求量占第二位的天然色素，廣泛應用于食品、化妝品、藥品等行業。據報導，國內對梔子鮮果的需求量在200萬t以上，而以梔子為原料提煉而成的梔子黃色素的年需求量高達3 750 t，國內約375 t。但目前全球黃素產量不足2 000 t，國內僅150 t[1-2]。這種供求矛盾必將帶動梔子產業的發展。我國是世界上產梔子最多，也是最早利用梔子果實的國家。但是我國的研究主要集中在梔子黃色素的一般性質的研究上，生產梔子黃色素的技術水平較低，表現在以下兩個方面：一是產品的OD值（238 nm處梔子甙的最大吸光度與440 nm處藏花素和藏花酸的最大吸光度的比值）常高達2～3以上，無法滿足國際上對梔子黃色素的OD值要求；二是從梔子果實中提取梔子黃的得率較低，目前得率一般在10%左右，而梔子中梔子黃色素的含量一般可達15%上。所以，改進梔子黃色素的生產工藝，改善生產設備條件，以增加產出率，提高產品的附加值是梔子黃色素產業發展的基礎和生命線[3-4]。

超臨界流體萃取（Supercritical Fluid Extraction，SFE）是一種新型的提取分離技術。最常用的超臨界流體為CO2。應用CO2SFE技術提取分離天然藥物有效成分，具有萃取速度快、效率高、操作簡單等特點，產品中沒有有機溶劑殘留，所提取的有效成分具有最大的生物活性，對濕熱不穩定物的萃取尤為適用。本文在結合國內外文獻報道的基礎上，采用SFE技術對梔子黃色素的提取進行了研究[5-6]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗原料 粉碎的梔子干果（市售），果實橢圓形或長卵圓形，長1.5～3.5 cm，直徑1.0～1.5 cm。表面紅黃色或棕紅色，具翅狀縱棱5～8條，兩棱間有縱脈1條，頂端有宿萼。果皮薄而脆；子多數，扁長圓形，暗紅色或紅黃色。氣微，味微酸而苦。

1.1.2 試驗試劑 二氧化碳（純度99.9%）；丙酮（AR，湖南師大化學試劑廠）；乙醇（AR，湖南師大化學試劑廠）；自制蒸餾水。

1.1.3 試驗儀器設備 超臨界CO2萃取器，江蘇南通市華安超臨界實業有限公司；UV-1201紫外可見光分光光度計，北京瑞利分析儀器公司；PB403-N電子天平，Mettler-Toledo Group；臺式恒溫振蕩器，上海躍進醫療器械廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 對比已有文獻，對影響梔子黃色素提取的幾個重要因素進行正交設計。通過正交試驗，考察各個因素的交互作用。并對各個因素影響程度進行比較，優化選擇較好的工藝條件。

1.2.2 試驗步驟 試驗采用紫外分光光度（UV）法。移取適當體積的提取液于250 mL容量瓶中，加入乙醇溶液并精確定容，搖均靜置5 min，在238和440 nm波長測定其吸光度。根據標準曲線確定提取液中梔子黃色素的色價，即OD值[7]。

2 結果與討論

2.1 萃取壓力、萃取溫度、流體流量對梔子黃色素OD值的影響

萃取壓力、萃取溫度、流體流量是整個萃取工藝中最重要的3個參數。萃取壓力是影響被萃取物在超臨界流體中溶解度的主要因素之一。在一定范圍內，當萃取壓力增加，超臨界流體的密度就會增大，其溶解能力增強，從而萃取率提高[8]。但當壓力增大到一定程度，大部分梔子黃色素被釋放溶出到超臨界CO2中，此時若再增大壓力，萃取率也不再增加。萃取溫度對超臨界流體溶解度的影響可從兩方面考慮：一是溫度升高后，超臨界CO2流體的揮發性和擴散系數提高，這將促進梔子黃色素溶出到超臨界CO2中，可提高萃取率；二是隨著溫度的升高，超臨界CO2流體的密度和溶劑化效應下降，這又導致梔子黃色素在CO2流體溶劑中的溶解度下降。流體流量對超臨界流體的萃取能力也具有雙重作用：流體流量增加，一方面將減少超臨界流體在物料中的傳質接觸時間，從而降低物質的萃取率；另一方面卻因增加了傳質速率和濃度差而利于物質的萃取。試驗采用75%乙醇，利用CO2超臨界萃取設備對萃取壓力、萃取溫度、流體流量3個因素進行正交試驗對比來判斷其對OD值的影響。每個因素設置3個水平：萃取壓力為25、30、35 MPa，萃取溫度為 35、40、45℃，流體流量為 8、10、12 L/h。正交試驗設計及相應工藝條件下所得產品的OD值結果見表1。

表1 萃取壓力、溫度、流體流量對梔子黃色素OD值的影響

由表1可知影響梔子黃色素色階高低的因素主次關系：流體流量>萃取溫度>萃取壓力。根據正交試驗結果，同時考慮到工藝生產性價比問題，選擇參考工藝參數為萃取壓力25 MPa，萃取溫度45℃，流體流量8 L/h，此時所得色素的色價較低。

2.2 萃取時間對梔子黃色素OD值的影響

超臨界CO2萃取的過程可分為3個階段[9]，即萃取初始階段、轉換階段和萃取最后階段，各個階段的作用不同。萃取剛開始時，由于溶劑與溶質未達到良好接觸，收率較低。隨著萃取時間的加長，溶劑與溶質充分接觸，萃取速率增大。之后，由于待分離組分的減少，傳質動力降低，萃取速率也降低[10]。當萃取組分的大部分從基體中分離出后，停留在樣品中的剩余溶質僅能通過萃取時間的延長而溶出。但試驗中99%有效組分的萃取時間是萃取50%的10倍，通過延長時間獲得回收率的少量提高的做法不經濟[11]。因此，本文在固定萃取溫度45℃，萃取壓力25 Mpa，流量為8 L/h的情況下，研究了萃取時間對梔子黃色素OD值的影響，結果見表2。

表2 萃取時間對梔子黃色素OD值的影響

試驗結果表明，梔子黃色素的萃取量隨著時間的增加呈增加趨勢。但2 h以后，隨著時間的延長，萃取量增加幅度逐漸變緩。因此，萃取時間選擇2 h左右為宜。

2.3 夾帶劑對梔子黃色素OD值的影響

由于超臨界CO2流體的極性較弱，極性大約在正己烷和氯仿之間。其對低分子量的脂肪烴，低極性的親脂化合物（酯、醚、醛、內酯）有優異的溶解性能，但對強極性和高分子量物質（糖、氨基酸、淀粉、蛋白質等）很難提取，尤其對癌癥和心腦血管疾病有顯著效果的多糖類、皂苷類、黃酮類的提取幾乎無能為力[12]。因此，添加適當極性的夾帶劑或簡單的改變夾帶劑的比例以對流體極性加以改性，一方面可加大超臨界CO2體系萃取適用范圍，使其不只能萃取低極性物質，也能萃取極性物質；另一方面可大量提高萃取效率[13]。本試驗兼顧了水與醇的共同作用，選擇了不同濃度的乙醇－水溶液作為夾帶劑進行了研究。根據文獻報道[14-15]，當夾帶劑的用量為3%時，效果較好。因此，在萃取溫度為45℃，萃取壓力25 Mpa，流量為8 L/h時，系統的研究了不同濃度的乙醇對OD值比率的影響（表3）。

表3 乙醇濃度對梔子黃色素OD值的影響

由表3可知，當乙醇的含量為60%時，所得產品的OD值最低。這是因為，如果乙醇的含量過低，則萃取效果降低，但是，如果乙醇含量過高，則很容易將其他雜質萃取入產品中，從而影響產品質量。

3 結論

本試驗探討超臨界CO2流體萃取梔子黃色素的單因素實驗和正交實驗，考察萃取壓力、萃取溫度、超臨界流體流量、萃取時間與梔子黃色素的OD值的關系。結果表明在萃取2 h后，用含乙醇為60%的溶液為夾帶劑，采用萃取壓力為25 MPa，萃取溫度為45℃，流體流量為8 L/h，此時所得梔子黃色素的色價為1.0.

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