大果紫檀超臨界CO2萃取工藝的研究

龍 軍,李 寧,劉志高,馬獻(xiàn)成,黃 穎

(廣西大學(xué) 林學(xué)院,廣西 南寧 530000)

大果紫檀(PterocarpusmacrocarpusKurz)隸屬于蝶形花科紫檀屬(Pterocarpus),市面上也稱之為緬甸花梨,是一種高大落葉喬木,主要產(chǎn)于緬甸、老撾和泰國等地,是最常見的紅木家具原料之一[1-2];其心材淺紅色、磚紅到淺紫紅色,常見深色條紋,具濃郁香氣;木材結(jié)構(gòu)細(xì),紋理直,主要用于制作高級家具及工藝品[3]。大果紫檀還具有一定的藥用價(jià)值,其最顯著的特點(diǎn)之一就是有濃郁的果香味,新切面香氣更加明顯,香氣悠遠(yuǎn)醇厚,這種香氣對人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)能起到穩(wěn)定的作用,可逐漸消除消極的心理狀態(tài),使人振奮、精神煥發(fā)。大果紫檀中的果香味主要來自木材的內(nèi)含物,可能是其中的一種或者幾種成分,因此若能將該類物質(zhì)成功分離提取,則在醫(yī)藥制藥領(lǐng)域?qū)哂袕V闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。

大果紫檀心材內(nèi)含物傳統(tǒng)的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法[4]、有機(jī)溶劑萃取法[5]。水蒸氣蒸餾法容易導(dǎo)致原材料中一部分易溶于水的成分流失,且蒸餾溫度一般偏高,沸點(diǎn)較低的成分容易被破壞,從而影響提取率和提取物成分的品質(zhì)。有機(jī)溶劑萃取法的缺點(diǎn)是提取過程普遍耗時過長,部分有機(jī)溶劑在操作過程中污染大,使得所萃取的天然產(chǎn)物中有機(jī)溶劑殘留常常超標(biāo),還得增加后續(xù)的分離工藝,步驟冗雜[6]。超臨界CO2萃取技術(shù)是一種以超臨界狀態(tài)的CO2作為萃取劑,從固體中萃取特定成分,從而達(dá)到提取目標(biāo)產(chǎn)物的新型分離技術(shù)。該技術(shù)操作簡單、條件緩和、安全無毒無污染,且在很大程度上能保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)物的有效成分不被破壞,具備很多傳統(tǒng)分離方法無可比擬的優(yōu)勢[7]。在20世紀(jì)70年代初, Zolse K[8]利用超臨界技術(shù)成功從咖啡豆中提取咖啡因并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。隨著超臨界CO2技術(shù)日漸成熟,其應(yīng)用的領(lǐng)域愈來愈廣泛,如啤酒花有效成分的萃取、從魚油中分離提取高度不飽和脂肪酸[9]等,也在植物精油的提取方面發(fā)揮了很大的作用[10-11]。

雖然超臨界CO2萃取技術(shù)在提取天然物質(zhì)方面擁有明顯的優(yōu)勢,但是在木材內(nèi)含物抽提領(lǐng)域,化學(xué)抽提方法依舊占據(jù)主要地位,目前國內(nèi)外利用超臨界CO2萃取技術(shù)提取大果紫檀心材內(nèi)含物的研究鮮有報(bào)道。因此本研究以超臨界CO2為萃取劑,以無水乙醇作為夾帶劑,對大果紫檀心材的內(nèi)含物進(jìn)行了抽提，通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)探討了其最佳的萃取工藝,以期為木材內(nèi)含物的萃取研究提供技術(shù)支持,為后續(xù)內(nèi)含物的成分含量測定及活性研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大果紫檀心材刨花,由廣西翰廷紅木有限公司提供; CO2,食品級,純度為99.9%;夾帶劑無水乙醇,分析純,由天津市大茂化學(xué)試劑廠提供。

HA120-50-02超臨界萃取裝置,南通市華安超臨界萃取有限公司;2TB-50/50型高壓調(diào)頻泵,南通市華安超臨界萃取有限公司;高速萬能粉碎機(jī),天津市泰斯特儀器有限公司; ACW-100BH-02型精密水冷卻機(jī),泰州市姜堰奧威機(jī)械有限公司; CP214 (0.0001 g)型電子天平,常州奧豪斯儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

每次稱取50 g處理好的物料置于萃取釜中,在夾帶劑為無水乙醇的條件下,通入超臨界CO2對原料中的內(nèi)含物進(jìn)行萃取。先以萃取壓力、萃取時間、萃取溫度、物料粒度為變量,選取多水平進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),分析各個單因素對萃取率的影響，確定各個因素的實(shí)驗(yàn)范圍。然后通過正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化方案,尋求最佳萃取工藝條件。

1.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1.1 萃取壓力實(shí)驗(yàn) 在萃取溫度為40 ℃、萃取時間為2 h、物料粒度為刨花的條件下,測定不同萃取壓力(10、15、20、25、30 MPa)對大果紫檀心材內(nèi)含物萃取率的影響。

1.2.1.2 萃取溫度實(shí)驗(yàn) 在物料粒度為刨花、萃取時間為2 h、萃取壓力為20 MPa的條件下,測定不同萃取溫度(35、40、45、50、55 ℃)對大果紫檀心材內(nèi)含物萃取率的影響。

1.2.1.3 萃取時間實(shí)驗(yàn) 在萃取壓力為20 MPa、萃取溫度為40 ℃、物料粒度為刨花的條件下,測定不同萃取時間(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h)對大果紫檀心材內(nèi)含物萃取率的影響。

1.2.1.4 物料粒度實(shí)驗(yàn) 在萃取時間為2 h、萃取壓力為20 MPa、萃取溫度為40 ℃的條件下,測定不同物料粒度(刨花、40目、60目)對大果紫檀心材內(nèi)含物萃取率的影響。

1.2.1.5 萃取率的計(jì)算方法 每次稱取50 g物料置于萃取缸中,以萃取時間、萃取溫度、萃取壓力、物料粒度為變量,選取多個水平進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),確定各個因素的適宜范圍。收集萃取物并稱其重量,按下式計(jì)算萃取率:萃取率W(%)=M1/M2×100%。式中：M1表示萃取物質(zhì)量(g)；M2表示物料質(zhì)量(g)。

1.2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,從中優(yōu)選得到萃取壓力、萃取時間、萃取溫度、物料粒度的適宜范圍，進(jìn)行四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn),具體的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)各因素的水平設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 萃取壓力對萃取率的影響 由圖1可知,大果紫檀內(nèi)含物的萃取率隨著萃取壓力的增大呈現(xiàn)先增后減的趨勢。具體來說，在10～20 MPa壓力范圍內(nèi),內(nèi)含物的萃取率隨著萃取壓力的增大而逐漸提高；在萃取壓力由20 MPa繼續(xù)升高至25 MPa的過程中,木材內(nèi)含物的萃取率迅速增加,增長速率最快，這是因?yàn)檩腿毫ι邔?dǎo)致超臨界流體密度的大幅增加，從而使萃取率迅速提高；但當(dāng)萃取壓力大于25 MPa后,由于壓力過大會引起二氧化碳流體的密度過大,導(dǎo)致其流動性變差,進(jìn)而影響二氧化碳流體的溶解能力,因此萃取率隨萃取壓力的增加反而降低。由此可見,在超臨界萃取過程中,萃取壓力是影響木材內(nèi)含物萃取率的重要因素,但并非壓力越大越好。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇萃取壓力20～30 MPa進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)比較合適。

2.1.2 萃取溫度對萃取率的影響 如圖2所示,大果紫檀內(nèi)含物的萃取率隨著萃取溫度的升高呈先快速持續(xù)增長然后下降的趨勢。萃取溫度在35～45 ℃范圍內(nèi),萃取率隨著萃取溫度的升高而緩慢增加；在萃取溫度由45 ℃升至50 ℃的過程中,內(nèi)含物分子熱運(yùn)動加劇,導(dǎo)致其擴(kuò)散能力增強(qiáng),且使溶質(zhì)更易于被溶解,因此在此過程中萃取率的增長速率最快,有明顯的提升；隨后在50～55 ℃升溫過程中萃取率呈現(xiàn)下降趨勢,可能是由于溫度過高降低了超臨界CO2流體的密度,使其溶解能力減弱,萃取能力下降。根據(jù)該單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,萃取溫度的適宜范圍為45～55 ℃，故將其作為正交實(shí)驗(yàn)中萃取溫度的取值范圍。

圖1 萃取壓力對大果紫檀內(nèi)含物萃取率的影響

圖2 萃取溫度對大果紫檀內(nèi)含物萃取率的影響

2.1.3 萃取時間對萃取率的影響 由圖3可見,大果紫檀內(nèi)含物的萃取率隨著萃取時間的延長呈先快速持續(xù)增長然后趨于平穩(wěn)的趨勢。具體而言，內(nèi)含物的萃取率在2.0～2.5 h內(nèi)增長速率最快；在萃取時間2.5 h之后,萃取率的增加速度趨于平緩；之后隨著萃取時間的繼續(xù)延長,萃取率基本保持穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在萃取3 h之后,隨著時間的繼續(xù)增加,萃取物的顏色加深,為深褐色油狀物質(zhì),這可能是色素等物質(zhì)被萃取出來所致。總之，隨著萃取時間的增加,萃取率的增長速率越來越小；而且萃取時間延長會增加能耗和萃取成本，還可能使木材內(nèi)含物中的部分易揮發(fā)性物質(zhì)損失掉，所以萃取時間并不是越長越好。根據(jù)該單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,適宜的萃取時間范圍為2～3 h。

2.1.4 物料粒度對萃取率的影響 從圖4可以看出,大果紫檀內(nèi)含物的萃取率隨著物料粒度的減小呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢。當(dāng)物料粒度為刨花時，內(nèi)含物的萃取率最低；當(dāng)物料粒度為60目時萃取率最高。這是因?yàn)槲锪狭６仍叫?物料的比表面積越大,既可以增加兩相的接觸面積,還有利于超臨界流體向物料內(nèi)部的擴(kuò)散,從而增加傳質(zhì)效率,有利于萃取的進(jìn)行。但是當(dāng)物料過細(xì)時,其容易結(jié)塊，在高壓條件下容易被壓實(shí),從而會堵塞氣路,不利于萃取的進(jìn)行；而且過細(xì)物料的篩分過程會增加能耗、降低效率。故使用適中目數(shù)的物料更有利于萃取實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

圖3 萃取時間對大果紫檀內(nèi)含物萃取率的影響

圖4 物料粒度對大果紫檀內(nèi)含物萃取率的影響

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)表明:4個因素對大果紫檀內(nèi)含物萃取率的影響大小表現(xiàn)為萃取壓力>萃取溫度>萃取時間>物料粒度；最佳萃取工藝條件為A3B3C3D3,即萃取壓力30 MPa,萃取溫度55 ℃,萃取時間3 h,物料為60目木粉。

為了驗(yàn)證該正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果的可靠性,在上述最佳萃取工藝條件下做3次優(yōu)化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),測得內(nèi)含物的萃取率分別為4.17%、4.24%、4.37%,平均值為4.26%,均高于表2中的萃取率數(shù)據(jù),表明在此優(yōu)化條件下可以獲得最好的萃取效果。該萃取工藝具有萃取率高、萃取速度快、操作簡便、原料便宜等優(yōu)點(diǎn),為研究木材內(nèi)含物的萃取提供了重要的技術(shù)支持。

3 小結(jié)

3.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:大果紫檀內(nèi)含物的萃取率隨著萃取壓力的增大而提升,但壓力過高時萃取率反而降低,萃取壓力最佳區(qū)間為20～30 MPa;萃取溫度對萃取率的影響是雙重的,萃取溫度最佳區(qū)間為45～55 ℃;萃取率在萃取時間2.5 h之前增長速度較快,之后隨著時間增長,萃取率提升不明顯,萃取時間的最佳區(qū)間為2～3 h；萃取率隨物料粒度的減小而增大,但60目與40目物料相比,萃取率提升幅度較小,且物料過細(xì)會給操作帶來不便。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

超臨界CO2萃取大果紫檀內(nèi)含物的最佳工藝為:萃取壓力30 MPa;萃取溫度55 ℃;萃取時間3 h;物料粒度60目。正交實(shí)驗(yàn)中各因素對萃取率的影響大小表現(xiàn)為萃取壓力>萃取溫度>萃取時間>物料粒度。3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到的內(nèi)含物的萃取率分別為4.17%、4.24%、4.37%,平均值為4.26%,均大于正交實(shí)驗(yàn)表中的萃取率數(shù)據(jù)。

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