含夾帶劑超臨界CO2萃取芝麻油

肖楊李朝

(中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

超臨界流體既不同于氣體，也不同于液體，具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，因具有接近于液體的密度，這賦予它很強(qiáng)的溶劑化能力。同時(shí)，其黏度與氣體接近，擴(kuò)散系數(shù)比液體大，具有良好的傳質(zhì)性能。二氧化碳由于其具有臨界點(diǎn)低（TC=31.3℃，PC=7.38 MPa）、無(wú)毒、無(wú)味、不易燃、化學(xué)惰性、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，使超臨界二氧化碳成為被廣泛認(rèn)可的一種環(huán)境友好的綠色溶劑，已應(yīng)用于石油化工、化學(xué)反應(yīng)工程、環(huán)境保護(hù)、分析技術(shù)、天然產(chǎn)物提取、材料加工、生物工程等諸多領(lǐng)域[1]。

芝麻油是食用品質(zhì)好，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的優(yōu)良食用油。經(jīng)常食用芝麻油可以調(diào)節(jié)毛細(xì)血管的滲透作用，加強(qiáng)人體組織對(duì)氧的吸收能力，改善血液循環(huán)，延緩衰老保持青春。芝麻油傳統(tǒng)提取方法過程時(shí)間長(zhǎng)、溫度高、系統(tǒng)開放易造成熱不穩(wěn)定及易氧化成分的破壞和會(huì)發(fā)損失，對(duì)不分組分有破壞作用。超臨界二氧化碳流體萃取過程使萃取和分離合二為一，工藝流程簡(jiǎn)單，無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)殘留、時(shí)間短、溫度低、提取系統(tǒng)封閉、收油率大大提高，具有傳統(tǒng)方法難以達(dá)到的效果[2,3]。

二氧化碳無(wú)極性，夾帶少量極性有機(jī)溶劑可提高超臨界二氧化碳流體的溶解能力。本文對(duì)含夾帶劑超臨界二氧化碳萃取芝麻油的工藝條件進(jìn)行了研究，分析了各個(gè)工藝條件對(duì)萃取率的影響，并嘗試探索較優(yōu)提取工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

芝麻 (市售)，CO2氣體 (高純， 武鋼集團(tuán)公司)， 夾帶劑(有機(jī)溶劑，夾分析純)；超臨界 CO2萃取裝置，型號(hào)HL-1L/50MPa/200℃-ⅡA，杭州華黎泵業(yè)有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，

型號(hào)DGX-9623BC-1，上海福瑪實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，F(xiàn)W100型，天津市泰斯特儀器有限公司；架盤藥物天平，JYT-10型。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖 1所示，由供氣、冷卻、萃取、分離、循環(huán)等系統(tǒng)構(gòu)成。首先將芝麻作在120℃烘箱中干燥10 h以上并粉碎過篩預(yù)處理，實(shí)驗(yàn)裝料100 g后密封萃取釜，然后當(dāng)冷凝器中CO2溫度冷凝到-5℃時(shí)，開啟萃取釜的進(jìn)氣閥和出氣閥，調(diào)節(jié)微調(diào)閥，將萃取釜中的壓力控制在實(shí)驗(yàn)要求壓力。分離釜Ⅰ的溫度控制在45℃，壓力控制在5.0～6.0 MPa之間；分離釜Ⅱ的溫度控制在40℃，壓力控制在 4.5～5.5 MPa之間。夾帶劑由副泵輸入，控制其流量為主體流量的3%。經(jīng)一定工藝條件（萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間、CO2流量等）萃取結(jié)束后，收集提取樣，測(cè)定提取樣質(zhì)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

定義萃取率為實(shí)驗(yàn)中萃取得到芝麻油的質(zhì)量與每次萃取所加芝麻的質(zhì)量的百分比 （%），并作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。由于每次實(shí)驗(yàn)白芝麻的用量均為100 g，所以每次萃取所得芝麻油的質(zhì)量數(shù)值與萃取率（%）相等。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取壓力的影響

萃取壓力是超臨界流體萃取過程中最重要的操作參數(shù)之一。由圖 2可以看出，萃取率隨著壓力的升高而升高，這是由于萃取壓力增加則超臨界流體密度增加，從而使其溶解能力增強(qiáng)，提高了萃取率。萃取壓力為40 MPa時(shí)萃取率達(dá)到最高，萃取效果最好，壓力從20 MPa提高到25 MPa時(shí)萃取率增加的幅度最大，但當(dāng)壓力增大到30 MPa后，芝麻油萃取率增加趨勢(shì)變緩，可能的原因是壓力進(jìn)一步增大，使超臨界流體的粘度增大，擴(kuò)散阻力變大。另外，萃取壓力過大，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備老化損壞速度增加，設(shè)備投資和操作費(fèi)用增加。萃取壓力30 MPa較適宜。

圖2 萃取壓力的影響

2.2 萃取溫度的影響

萃取溫度是超臨界流體萃取過程中另一重要的操作參數(shù)。同樣調(diào)節(jié)溫度會(huì)影響超臨界流體的密度。升高溫度對(duì)萃取率的影響有兩方面，其一是升高溫度有利于溶質(zhì)揮發(fā)性的增加和提高擴(kuò)散系數(shù)，有利于萃取；另一方面是升高溫度會(huì)降低CO2密度，使其溶劑化能力降低，不利于萃取[4]。萃取釜溫度對(duì)芝麻油萃取率的影響如圖 3所示。可以看出，溫度在 45℃以下時(shí)，萃取率隨著溫度對(duì)升高而升高，溫度升高導(dǎo)致溶質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)加快，物質(zhì)傳遞速率增大，使萃取率提高。但當(dāng)溫度超過45℃以后，萃取率有所下降。與壓力不同的是，壓力增加，密度會(huì)增加，而溫度升高會(huì)降低超臨界流體的密度，超臨界流體密度降低，溶解能力下降，萃取率也隨之降低。可能的原因是在高溫下，超臨界CO2密度下降是主導(dǎo)因素，從而導(dǎo)致溶解度下降。本實(shí)驗(yàn)萃取溫度選取 45℃為較好。

圖3 萃取溫度的影響

2.3 萃取時(shí)間的影響

萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響如圖4所示。可以看出，萃取率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而整體呈增加趨勢(shì)，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，萃取率增加的趨勢(shì)逐漸放緩。這是由于在萃取開始時(shí)，芝麻顆粒表面與超臨界流體接觸充分，兩相間芝麻油的濃度差大，傳質(zhì)推動(dòng)力大，而且從顆粒表面向超臨界相進(jìn)行物質(zhì)的傳遞阻力小，傳質(zhì)面積大，傳質(zhì)速率快，萃取率會(huì)顯著增加。隨著傳質(zhì)界面由表面向內(nèi)部的不斷推進(jìn)，芝麻油的傳遞阻力不斷增加，兩相的濃度差減小，傳質(zhì)推動(dòng)力下降，傳遞速率變低，萃取率增加幅度降低。由圖中可以看出萃取率還有上升的趨勢(shì)，但140 min后萃取率增加趨勢(shì)放緩。到180 min時(shí)仍有增加趨勢(shì)，180 min到220 min芝麻油萃但取率增加不足1%。較好萃取時(shí)間為180 min。

圖4 萃取時(shí)間的影響

2.4 CO2流量的影響

由圖 5可以看出，隨CO2流量增大，萃取率是呈明顯上升趨勢(shì)的。CO2流量增加，CO2流速增加，超臨界CO2在萃取釜中停留時(shí)間減少，萃取釜中溶質(zhì)與新鮮溶劑接觸時(shí)間相應(yīng)增加，兩相間濃度差增大，傳質(zhì)推動(dòng)力增加，有利于萃取能力的提高。表明CO2流量越大，越有利于萃取。采用設(shè)備最大CO2流量10 kg/h為佳。

圖5 萃取率隨CO2流量變化的趨勢(shì)

2.5 較優(yōu)條件

對(duì)上述各單因素實(shí)驗(yàn)中分析得到的較好萃取條件進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)研究，在萃取壓力30 MPa、萃取溫度 45℃、萃取時(shí)間 180 min、CO2流量10 kg/h條件下進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，得到芝麻油的萃取率分別為35.6%、36.0%、34.9%，平均值達(dá)到35.5%，該值大于單因素實(shí)驗(yàn)中最大萃取率，達(dá)到最大值。因此確定超臨界CO2流體萃取芝麻油的較優(yōu)工藝條件為萃取壓力40 MPa、萃取溫度45℃、萃取時(shí)間 180 min、CO2流量 10 kg/h。

3 結(jié)論

利用含夾帶劑超臨界CO2流體從芝麻中萃取了芝麻油，探索了萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間、CO2流量等因素對(duì)芝麻油萃取率的影響。確定了較優(yōu)實(shí)驗(yàn)操作條件：萃取壓力30 MPa、萃取溫度 45℃、萃取時(shí)間 180 min、CO2流量10 kg/h。

[1]韓布興.超臨界流體科學(xué)與技術(shù)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2005.

[2]張令莉,鄭永杰,任桂蘭.CO2超臨界萃取芝麻油中芝麻素含量的GC-MS測(cè)定 [J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),2006,22(5):28-30.

[3]謝春英,袁雨婕,寧德山,葛發(fā)歡.超臨界CO2萃取芝麻油及芝麻素的工藝研究[J].中藥材,2007,30(9):1163-1165.

[4]熊婕,吳和珍,楊艷芳,劉焱文.超臨界二氧化碳流體萃取鵝不食草的正交實(shí)驗(yàn)研究[J].時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥,2007,18(6):1328-1329.