茅臺酒糟超臨界二氧化碳萃取技術工藝研究

李芳香，賀國君，郁建平*，郁建生，時 偉，張春林

（1.茅臺學院，貴州 仁懷 564500；2.銅仁職業技術學院，貴州 銅仁 554300）

酒糟作為我國傳統釀酒業最大的副產物，用石油醚從酒糟中提取的脂溶性成分對金黃色葡萄球菌有抑制作用[1]。利用超臨界萃取技術可以提取啤酒糟中的色素[2]，同時經過超臨界脫色后的酒糟可以采用醇-堿法提取啤酒糟中的醇溶蛋白[3]。以無水乙醇為溶劑，采用乙醇熱回流法提取郎酒丟糟中的總酚[4]。酒糟中具有一定含量的有效成分，其萃取液也具有抗菌或抗氧化活性[5]。

以貴州茅臺酒股份有限公司生產的經過七輪次蒸煮后的廢棄的酒糟為原材料，利用超臨界流體萃取設備，以裝料系數、萃取釜溫度、萃取釜壓力、CO2泵頻率、分離釜Ⅰ溫度和分離釜Ⅰ壓力分別為控制變量的條件，通過單因素試驗，確定以萃取率為評價指標的最佳單一變量。然后通過4因素3水平的正交試驗確定超臨界CO2萃取酒糟中呈香呈味物質的最佳工藝條件，并驗證了最優條件。通過超臨界萃取技術可以在不添加任何化學物質的基礎上從酒糟中萃取出一定量的呈香呈味物質，這些萃取液可以作為調味液或者增香劑來作進一步研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酒糟：貴州茅臺酒股份有限公司。

食品級的高純CO2（純度為99.99%）：貴陽市裕鵬貿易有限責任公司。

1.2 儀器與設備

HA 121-50-05超臨界萃取裝置：江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；TCS-01R百倫斯電子計價秤：廈門百倫斯電子科技有限公司；BCD-118H星星牌變溫冷凍冷藏箱：浙江星星家電股份有限公司；CFC001-4電子緊密天平：奧豪斯國際貿易（上海）有限公司；202-00鼓風干燥箱：上海一恒科技有限公司；New Human純化水系統：Human Corporation；98-1-B型電子調溫電熱套：天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 丟糟處理以及萃取率計算

試驗材料為七輪次產酒后的丟糟，丟糟不經過任何處理，直接用來作為超臨界萃取的原料。萃取率計算公式如下：

1.3.2 萃取條件優化

（1）單因素試驗

根據資料顯示，影響CO2超臨界萃取效果的因素很多，包含裝料系數、萃取壓力、萃取溫度、CO2泵的頻率、分離釜Ⅰ的溫度、分離釜Ⅰ的壓力等[1-2]。因此本次試驗選取萃取壓力、裝料系數、萃取溫度、CO2流量、分離釜Ⅰ的溫度和分離釜Ⅰ的壓力為主要考察因素，以萃取率為考察指標，分別控制變量進行單因素試驗，從而可以先確定各因素的合理取值范圍。分離釜Ⅱ的溫度和壓力不可調節，隨著環境的變化而發生變化。單因素萃取工藝參數設置如表1。以下30個單因素試驗均在控制其他因素不變，唯一因素可變的條件下進行。

表1 超臨界萃取工藝單因素試驗參數Table 1 Single factor experiments parameters for supercritical extraction technology

在超臨界二氧化碳萃取時，萃取釜應留有適量的空間，以確保酒糟顆粒能與二氧化碳流體充分有效的接觸，從而達到高效率的萃取[3]。此試驗裝置的萃取釜的容積為5 L，原料裝入萃取釜時，應留有一定的空隙，至少應離濾網2～3 cm。此萃取釜總裝酒糟的質量為2 000 g。當萃取釜裝入的原材料較少時，萃取出來的風味物質相對較少，萃取的成本也比較高，不經濟適用；當萃取釜裝入的原材料過多時，則無法達到高效萃取的目。因此需要對萃取釜的裝料系數進行試驗，以確保達到高效、經濟的最佳裝料系數。裝料系數的計算公式為：

（2）正交試驗方案

對以上的單因素進行考慮，由于超臨界萃取過程的萃取壓力、萃取溫度、二氧化碳泵頻率和分離釜Ⅰ溫度對萃取率的影響較大，故以這4個因素為正交試驗的考察因素，以萃取率為主要考察指標進行正交試驗，建立4因素3水平的正交試驗，因素與水平見表2。

表2 萃取條件優化正交試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiments for extraction conditions optimization

2 結果與分析

2.1 裝料系數對萃取率影響

試驗過程中控制試驗的萃取壓力為30 MPa，溫度為40 ℃，CO2泵頻率為24 r/min，分離釜Ⅰ的壓力為8 MPa，分離釜Ⅰ的溫度為45℃，分離釜Ⅱ的壓力隨CO2鋼瓶內壓力的變化而變化，分離釜Ⅱ溫度維持在35～36℃之間，不用專門調節。裝料系數分別設為0.4，0.5，0.6，0.7，0.8。裝料系數對萃取率影響的結果見圖1。

圖1 裝料系數對萃取率的影響Fig.1 Effect of volume charge coefficient on extraction rate

由圖1可知，隨著萃取釜的裝料系數的增加，呈香呈味物質的萃取率呈現先增后減的趨勢。當投入萃取釜的原材料較少時，裝料系數會比較小，CO2流體與酒糟顆粒的接觸面積較大，這有利于二氧化碳流體的傳遞[4]。但是隨著萃取釜裝料系數的增加，酒糟顆粒相互擠壓密實，使得二氧化碳的流體的傳遞阻力變大，從而使酒糟與二氧化碳流體的接觸不均勻，不利于流體傳遞，易形成返混，因此隨著裝料系數的增大萃取率呈現先升高后降低的趨勢[5]。當裝料系數為0.5時，萃取率最大。

2.2 萃取溫度對萃取率影響

CO2處于超臨界狀態時的臨界溫度是31.1℃。故試驗的萃取溫度不能低于這個最小數值，同時CO2超臨界萃取的物質一般為熱敏感性物質，設置萃取釜的溫度在35～60℃之間[7]。試驗過程中控制試驗的萃取壓力為30 MPa，分離釜Ⅰ的壓力為8 MPa，分離釜Ⅰ的溫度為45℃，CO2泵頻率為24 r/min，裝料系數為0.5。分離釜Ⅱ的壓力隨CO2鋼瓶內壓力的變化而變化，分離釜Ⅱ溫度維持在35～36℃之間，不用調節。萃取溫度分別設為35℃，40℃，45℃，50℃，55℃。不同溫度對萃取率影響的結果見圖2。

由圖2可知，隨著萃取釜溫度的增加，呈香呈味物質的萃取率呈現先增加后減少的趨勢。隨著萃取釜萃取溫度的升高，二氧化碳流體的密度也隨之降低，CO2流體對風味物質的溶解能力也相應下降，萃取率降低；同時隨著萃取釜溫度的升高，萃取液的熱運動加快，蒸汽壓隨之增大，揮發性也隨之增加，這樣便增加了呈香呈味物質在流體中的濃度，增加了萃取率。在這兩種相反的作用的影響下，在一定的萃取壓力下，萃取釜的升溫有可能促使萃取率的增加、降低或不變，萃取率的高低取決于這兩種影響哪種狀態占優勢[8]。所以在35～45℃之間，隨著萃取釜萃取溫度的升高，溶質的升高的揮發性的起著主要的作用，從而導致萃取率升高，但在萃取釜萃取溫度＞45℃以后，溶質密度的下降起著主要的作用，從而降低呈香呈味物質在二氧化碳流體中的溶解度，萃取率隨之降低。因此，萃取率隨分離釜萃取溫度的升高呈現先升后降的趨勢。故萃取釜萃取溫度為45℃時萃取率最大。

圖2 萃取溫度對萃取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate

2.3 萃取壓力對萃取率影響

萃取釜的萃取壓力是超臨界CO2流體萃取過程的重要因素。二氧化碳處于超臨界狀態時的臨界壓力為7.52MPa，故試驗的萃取釜的萃取壓力不能低于這個最小數值[9]。試驗過程中控制試驗的裝料系數為0.5，萃取釜的萃取溫度為45 ℃，CO2泵頻率為24 r/min，分離釜Ⅰ的壓力為8 MPa，分離釜Ⅰ的溫度為45℃，分離釜Ⅱ的壓力隨CO2鋼瓶內壓力的變化而變化，分離釜Ⅱ的溫度維持在35～36℃之間，不用專門調節。萃取壓力分別設為15 MPa，20 MPa，25 MPa，30 MPa，35 MPa。不同壓力對萃取率影響的結果見圖3。

圖3 萃取壓力對萃取率的影響Fig.3 Effect of extraction pressure on extraction rate

由圖3可知，隨著萃取釜萃取壓力的增加，呈香呈味物質的萃取率呈現先增加后減少的趨勢。隨著萃取釜萃取壓力的增加，二氧化碳的密度隨之增大，溶質在二氧化碳中溶解度也隨之增大，提高了萃取率。但當萃取釜的萃取壓力增大到一定數值時，流體的密度雖然增大，但同時會導致了二氧化碳流體的擴散系數變小，不利于傳質，影響萃取率。因此萃取率隨著萃取壓力的增大呈現先增后減的趨勢。故萃取釜萃取壓力為30 MPa時，萃取率最大。

2.4 二氧化碳流量對萃取率影響

CO2泵頻率的變化會導致二氧化碳通過酒糟顆粒的流量發生變化，影響復雜的超臨界萃取過程。在一定的萃取條件下，超臨界CO2流體通過萃取釜的流量因流速或者萃取時間的關系，而不能充分與原材料接觸或許太過飽和而浪費CO2。因此需要通過對CO2泵的頻率的調節，而使二氧化碳流體與溶質充分接觸而不浪費二氧化碳[10]。試驗過程中控制試驗的萃取壓力為30 MPa，萃取溫度為45℃，分離釜Ⅰ的壓力為8 MPa，分離釜Ⅰ溫度為40℃，裝料系數為0.5，分離釜Ⅱ的壓力隨CO2鋼瓶內壓力的變化而變化，分離釜Ⅱ溫度維持在35～36℃之間，不用調節。CO2泵頻率分別設為20 r/min，22 r/min，24 r/min，26 r/min，28 r/min。不同泵頻率對萃取率影響的結果見圖4。

圖4 CO2泵頻率對萃取率的影響Fig.4 Effect of CO2pump frequency on extraction rate

由圖4可知，當二氧化碳泵的頻率增大時，二氧化碳通過酒糟的流速加快，停留時間變短，導致二氧化碳流體與酒糟的接觸時間減少，這樣對萃取不利。但是隨著所設置的二氧化碳泵頻率的增加，通過酒糟的CO2流量便會增加，使二氧化碳流體可以方便的把被溶解的溶質從酒糟的表面帶走，從而使萃取率提高。因此，萃取率隨CO2泵頻率的增大呈現先升高后降低的趨勢。故CO2泵頻率為22 r/min時萃取率最大。

2.5 分離釜Ⅰ的溫度對萃取率影響

從超臨界萃取特點和原理得知，在萃取的時候控制一定的壓力和溫度，通過調節分離體系中的壓力和溫度，進而改變溶質在超臨界流體中的溶解度，實現了對物質的萃取和分離[11]。設置萃取的壓力為30 MPa，萃取的溫度為40℃，分離釜Ⅰ的壓力為8 MPa，CO2泵頻率為22 r/min，裝料系數為0.5，分離釜Ⅱ的壓力隨CO2鋼瓶內壓力的變化而變化，分離釜Ⅱ溫度維持在35～36℃之間，不用調節。分離釜Ⅰ的溫度分別設為35℃，40℃，45℃，50℃，55℃。分離釜Ⅰ的不同溫度對萃取率影響的結果見圖5。

圖5 分離釜Ⅰ的溫度對溶質萃取率的影響Fig.5 Effect of separation reactorⅠtemperature on extraction rate

由圖5可知，隨著分離釜Ⅰ溫度的增加，風味組分的萃取率呈現先增加后減少的趨勢。一般提高分離釜的溫度可有效的提高萃取率。在分離釜的壓力不變的情況下，提高分離釜的溫度，分離釜內體系的密度降低，隨之溶質的溶解度也隨之降低，有利于溶質分離。其次，隨著溫度升高使萃取物中的熱敏性物質更加不穩定，酒糟中的風味組分隨著溫度升高，揮發性增強不利于分離。因此分離釜Ⅰ的溫度在45℃時，萃取率達到最大。

2.6 分離釜Ⅰ的壓力對萃取率影響

酒糟中含有一定量的有機酸。這些酸類有很強的刺激性，在CO2超臨界萃取過程中很容易被萃取出來。因此，需要將這部分物質分離出去。這部分物質的分子質量相對比較小，極性不強，在CO2流體中，在比較低的壓力條件下仍具有較大的溶解度[12-13]。因此可以適當降低CO2超臨界過程中分離釜Ⅰ的壓力，將需要的物質分離出來，其中一些小分子量弱極性的物質和有機酸等刺激性較大仍然可以繼續溶解在萃取溶劑中，從而達到了與萃取物分離的目的[12]。進行分離釜Ⅰ壓力對萃取率的影響時控制試驗的萃取壓力為30 MPa，萃取溫度為40 ℃，CO2泵頻率為22 r/min，分離釜Ⅰ溫度為45℃，裝料系數為0.5，分離釜Ⅱ的壓力隨CO2鋼瓶內壓力的變化而變化，分離釜Ⅱ溫度維持在35～36℃之間，不用調節。分離釜Ⅰ的壓力分別設為6 MPa，7 MPa，8MPa，9MPa，10MPa。分離釜Ⅰ的不同壓力對萃取率影響的結果見圖6。

由圖6可知，風味組分的萃取率在一定的壓力范圍隨著壓力增加而先增加后減少。在分離釜降低體系的壓力，同時體系的密度也隨之降低，導致溶解度降低，更容易使酒糟中的風味物質分離出來，從而有利于萃取率的提升。但是如果分離壓力太低，萃取的選擇性相對就差了。因此當壓力為8 MPa時萃取率最大。

圖6 分離釜Ⅰ的壓力對溶質萃取率的影響Fig.6 Effect of separation reactorⅠpressure on extraction rate

2.7 萃取時間的確定

超臨界二氧化碳流體的萃取過程大約可以分為三個步驟：萃取的起始階段、萃取的穩定階段和萃取的最終階段。萃取的起始階段二氧化碳流體不能很好的與茅臺酒糟顆粒接觸，因此單位時間內二氧化碳流體溶解的溶質中的有效物質就很少[14-15]。但是隨著超臨界二氧化碳流體的逐步滲入，超臨界CO2萃取進入穩定階段，二氧化碳流體可以與酒糟顆粒充分的接觸，傳質可以達到最好的狀態，萃取率逐漸提高，最后到了超臨界萃取的最終階段，由于被萃取的酒糟中的溶質含量逐漸減少從而使單位時間內的萃取率減小直到最后降為零。因此也需要對超臨界萃取的時間也進行確認。不同萃取時間對萃取率影響的結果見圖7。

圖7 萃取時間對萃取率的影響Fig.7 Effect of extraction time on extraction rate

由圖7所示，分離釜Ⅰ和分離釜Ⅱ的萃取率隨著萃取時間的增長，在0～150 min內，超臨界萃取處于起始階段，萃取率相對較低；在150～210 min之間，萃取率呈現較大增長趨勢，曲線斜率增大，處于超臨界萃取的穩定階段，萃取量快速增多；但到萃取210 min以后，分離釜Ⅰ和分離釜Ⅱ萃取液的產量增加較小，曲線斜率越來越小，萃取過程處于最終階段，再萃取下去沒有實際意義，而且實際生產中的經濟效益不高。所以超臨界萃取的時間不應該過長，萃取時間應選擇為210 min左右為最佳。

2.8 正交試驗結果與分析

依據以上的單因素試驗結果，固定裝料系數為0.5，分離釜Ⅰ的壓力為8 MPa，確定了4因素（萃取壓力、萃取溫度、CO2泵頻率及分離釜Ⅰ溫度）3水平的正交試驗。正交試驗結果與分析見表3，方差分析見表4。

表3 萃取條件優化正交試驗結果與分析Table 3 Results and analysis of orthogonal experiments for extraction conditions optimization

表4 正交試驗結果方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experiments results

從表3和表4的正交試驗設計和結果可知，以上各因素對萃取液萃取率的影響程度由大到小依次是是CO2泵的頻率（C）＞萃取溫度（B）＞分離釜Ⅰ的溫度（D）＞萃取壓力（A）。根據極差分析可知，以萃取率為考察指標的最佳萃取工藝條件為C2B3D3A2，即超臨界二氧化碳流體萃取過程的萃取壓力為30 MPa，萃取溫度為47℃，CO2泵頻率為21 r/min，分離釜Ⅰ的溫度為47℃。此條件下萃取率最高，可達到18.35%。

從所得的方差分析表中修正的模型的檢驗，F值為5.47，P＜0.01，因此所用的模型有統計學意義。萃取溫度、萃取壓力、二氧化碳泵頻率和分離釜Ⅰ的溫度的P值都小于極顯著水平0.01，說明萃取溫度、萃取壓力、二氧化碳泵頻率和分離釜Ⅰ的溫度對萃取率的影響都是極顯著的（P＜0.01）。

2.9 驗證試驗

通過驗證試驗，驗證了在裝料系數為0.5，萃取壓力為30 MPa，萃取溫度為47℃，二氧化碳泵頻率為21 r/min，分離釜Ⅰ的溫度為47℃時，分離釜Ⅰ的壓力為8 MPa時的萃取條件下，萃取率最高，可達到18.35%

3 結論

以單因素試驗和正交試驗為基礎，獲得了超臨界二氧化碳萃取的最優工藝條件，確定了在裝料系數為0.5，萃取釜壓力為30 MPa，萃取釜溫度為47℃，二氧化碳泵頻率為21 r/min，分離釜Ⅰ的溫度為47℃時，分離釜Ⅰ的壓力為8 MPa時的萃取條件下，萃取率最高，可達到18.35%