超临界CO2流体萃取牡丹籽油工艺的研究

赵菁菁 田 刚 姜天宇 雷梦蝶 孙柯魏 程世平

(平顶山学院化学与环境工程学院，平顶山 467000)

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)为我国原生花卉，是芍药科、芍药属的多年生木本植物，在我国安徽、河南、陕西、湖北、山东、贵州等地区有广泛栽培[1]。千百年来，牡丹的观赏、药用、食用价值被不断开发[2,3]。现代研究表明，牡丹籽中含有丰富的不饱和脂肪酸，且各种脂肪酸比例协调，长期食用牡丹籽油对于人体健康十分有益[4,5]。牡丹籽油还可被用于化妆品的基底油等[6]。2014年，国务院办公厅发布《关于加快木本油料产业发展的意见》，指出油用牡丹是未来国家重点发展的木本油料作物之一[7]。

牡丹籽油的提取工艺主要有：溶剂浸提法、压榨法、水酶法、亚/超临界萃取法[8-10]。传统的溶剂浸提法其优点是出油率较高，工艺简单、易操作，但必须使用有机溶剂，成品油中残留溶剂不能全部回收，残留溶剂降低了成品油质量，经常食用对人体健康有害[10]。冷压榨法可较好保留籽料中的天然成分，没有有毒有害物质残留，但出油率过低[11,12]。水酶法通过酶制剂作用于籽料细胞的细胞壁，增加破壁程度，可使出油率增加，但目前的酶制剂价格高昂，综合成本高[13]。

亚/超临界流体萃取技术近年来新兴一种天然产物提取分离技术，亚临界流体萃取法萃取过程压力相对于超临界低一些，但是它的选择性不如超临界。超临界流体萃取通过调节萃取釜的温度和压力，可使釜内萃取剂处于超临界态，流经釜内的籽料床层，籽料中油脂溶解扩散至超临界态萃取剂里，并被带到分离器中，调节分离器的温度和压力，萃取剂由超临界态转变为气态流走，液态油脂在分离器内沉降聚集，从而达到提取分离油脂的目的。超临界流体萃取技术具有萃取效率高、没有残留溶剂，天然活性物质可以被最大限度保留，具有选择性分离的特点。CO2为线性分子，无极性，无毒无害，价廉易得，临界温度(31.3 ℃)、临界压力(7.15 MPa)易于达到。因此，采用超临界CO2流体萃取非极性的不饱和油脂十分适宜，可使不饱和脂肪酸保留较为完整，对于高端牡丹籽油的生产来说是一种较佳的方法。目前，大多数学者研究集中于萃取温度、萃取压力、萃取时间、CO2流量等因素对超临界CO2流体萃取牡丹籽油提取率的影响，对于分离温度、分离压力以及原料装填量因素的影响讨论不多[14-16]。对于超临界CO2流体萃取牡丹籽油过程而言，萃取过程和分离过程是一个整体连续的流程，将萃取过程和分离过程的工艺参数影响作用一并考察，更接近于实际应用。然而，选取影响因素的增多，必然导致实验次数增加，各因素之间的交互作用更为复杂。均匀设计法具有均匀分散、整齐可比特点[17]，在考察因素较多时，可用较少的实验次数结果，建模分析获得各因素影响的作用信息。

本文选取萃取温度、萃取压力、萃取时间、原料装填量、分离温度、分离压力等六个影响因素，考察他们对超临界CO2萃取牡丹籽油得率的影响，建立数学模型分析并优化工艺参数。在此基础上，建立萃取过程的传质模型。分析所得牡丹籽油的脂肪酸成分。以期为超临界CO2流体萃取牡丹籽油工业化提供参考。

1 材料与仪器

1.1 材料

丹凤牡丹籽，河南省低山丘陵区生态修复重点实验室培育，郏县种植，8月下旬采摘，使用前，去荚、清洗，50 ℃干燥至含水率<5%，带皮粉碎，过筛，选取40～50目作为原料。

1.2 仪器

HA220-50-06超临界流体萃取装置；FA2004B电子分析天平；DHG-9123A真空干燥箱。萃取得到的牡丹籽油的成分测定，委托上海微谱化工技术服务有限公司按照国家标准方法检测，获得相关成分分析结果。

1.3 牡丹籽油得率的计算

(1)

式中：m1为萃取得到的牡丹籽油的质量/g；m为装填的牡丹籽的质量/g。

1.4 试验装置和流程

所用试验装置流程图及过程描述详见参考文献[18]。参考文献[15]中关于CO2流量对牡丹籽油萃取率的影响的研究结果，在本实验中，CO2的流量均设定为25 kg/h。

1.5 混合均匀试验方案设计

参考文献[14-16]，并考虑实际过程，选取萃取温度A、萃取压力B、分离温度C、分离压力D、萃取时间E、原料装填量F等6个因素进行考察。均匀设计因素与水平表见表1。

由表1可知，实验的各因素水平数不相等，故采用混合均匀试验设计，选用U24(66)均匀设计表安排实验。使用DPS7.05数据处理软件对选定的混合均匀设计表进行优化。优化后，中心化偏差CD=0.218 7，修正偏差MD=0.366 7，对称化偏差SD=1.203 8，优良性=0.173 7，均匀性较好。混合水平的均匀设计安排表见表2。

表1 混合均匀设计因素与水平表

2 结果与分析

2.1 试验结果

按均匀设计安排表，随机顺序开展不同条件下的试验，结果见表2。

表2 混合水平的均匀设计安排表及试验结果

2.2 分析与讨论

采用DPS7.05软件对数据结果进行二次多项式逐步回归进行分析，得到模型方程为：Y=0.251 9+0.126 4A+0.640 6B-0.460 9C-1.535 1D+0.343 4E+0.647 9F-0.106 3A2-0.275 3B2+0.299 1C2+0.868 2D2-0.183 7E2-0.433 7F2，并对模型的可靠性进行检验。二次多项式逐步回归方差分析见表3。

表3 二次多项式逐步回归方差分析表

模型的复相关系数R=0.929 9，F值=5.85 89，P值=0.003 1，剩余标准差S=0.029 33，决定系数R2=0.864 7，调整后的相关系数Ra=0.846 8。Durbin-Watson统计量d=1.74 38，接近2，说明模型可靠。

从表4中各变量的P值的显著性检验可知，对提取率影响的大小为：萃取时间E﹥原料装填量F﹥分离压力D﹥萃取B﹥分离温度C﹥萃取温度A。其中，A，B，E，F与Y呈正相关，C，D与Y呈负相关，说明影响提取率的六因素并不是越大越好，如萃取温度过高反而导致提取率下降，这是由于萃取压力不变的情况下，过高的温度会使超临界状态下的CO2流体的密度降低，对籽料中挥发油分子的溶解能力减小，导致提取率降低。分析得到优化组合为：萃取温度为45 ℃，萃取压力为32 MPa，分离温度为35 ℃，分离压力为11.5 MPa，萃取时间为2.8 h，原料装填量为187 g，此条件下牡丹籽油得率模型值为19.60%。在优化条件下，开展试验3次平行试验，3次平均得率为19.54%，高于24组试验得率。

2.4 萃取模型

Esquivel等[19]在研究超临界CO2流体萃取橄榄外皮的过程中所采用的拟合的方程为：

(2)

式中:e为萃取收率；t为萃取时间/h；b为模型参数/h；elim为萃取时间无限长时的e值。

Nguyen[20]等研究超临界CO2流体萃取油树脂时，假设萃取速率与植物离粒子中遗留的油树脂浓度成比例，萃取速率写成一级反应速率方程为：

(3)

式中：qrs为植物粒子中遗留的油树脂浓度；t为萃取时间，h；k为化学动力学常数。

将式(3)积分，初始条件为：当t0=0，qrs=qrs0，则

qrs=qrs0·exp(-k·t)

(4)

式中:qrs0为萃取时间无限长时的qrs值。

图1 模型拟合值与实验值的比较

根据实际情况，将Nguyen等的模型方程变形为：

qrs=qrs0·(1-exp(-k·t))

(5)

使用式(2)和式(5)方程对实验条件为萃取温度45 ℃、萃取压力24 MPa、萃取时间3 h、分离温度45 ℃、分离压力8.5 MPa、原料装填量200 g的得率与萃取时间关系进行拟合，如图1所示。使用式(2)进行拟合，参数b=0.143 2，R2=0.920 1；使用式(5)进行拟合，k=1.636 1，R2=0.997 9。由图1可见，Nguyen方程模型拟合值更加符合实验结果，说明超临界CO2流体萃取牡丹籽油的过程内扩散为控制步骤，该过程可以近似为一级动力学传质-平衡过程。

2.5 成分检测结果

充分混合27次试验得到的牡丹籽油，在自然光照下呈金黄色，作为检测样品，依据GB 5009.168—2016进行检测，结果如表4所示。由表4可知，样品中不饱和脂肪酸质量分数达到92.3%，其中亚麻酸质量分数为41.4%，亚油酸质量分数为27.4%，油酸质量分数为23.2%。表5给出了相关研究中牡丹籽油中主要不饱和脂肪酸的组成，可以看到，本文得到的牡丹籽油中油酸、亚油酸、亚麻酸及总不饱和脂肪酸的含量与文献研究结果基本一致。

表4 样品油中脂肪酸组成及含量

表5 牡丹籽油中主要不饱和脂肪酸组成

3 结论

以牡丹籽油得率为指标，采用混合均匀设计法，对超临界CO2流体萃取牡丹籽油过程工艺进行优化探索，建立了得率与影响因素之间的模型方程，分析发现，各因素对萃取牡丹籽油的影响大小为：萃取时间﹥原料装填量﹥分离压力﹥萃取压力﹥分离温度﹥萃取温度。优化的工艺条件为：萃取温度为45 ℃，萃取压力为32 MPa，分离温度为35 ℃，分离压力为11.5 MPa，萃取时间为2.8 h，原料装填量为187 g，此条件下，得率为19.54%。利用Esquivel和Nguyen两种萃取模型，考察了得率与萃取时间之间的关系，发现Nguyen模型与实验结果更为吻合，说明超临界CO2流体萃取牡丹籽油的过程内扩散为控制步骤，该过程可以近似为一级动力学传质-平衡过程。萃取得到的牡丹籽油总不饱和脂肪酸质量分数达92.3%，其中亚麻酸41.4%，亚油酸27.4%，油酸23.2%。