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(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.湖南科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

梔子黃色素是從梔子果實(shí)中提取出來的一類著色力強(qiáng)的天然水溶性類胡蘿卜素，是國內(nèi)外市場需求量占第二位的天然色素，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、藥品等行業(yè)。據(jù)報(bào)導(dǎo)，國內(nèi)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(dá)3 750 t，國內(nèi)約375 t。但目前全球黃素產(chǎn)量不足2 000 t，國內(nèi)僅150 t[1-2]。這種供求矛盾必將帶動梔子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國是世界上產(chǎn)梔子最多，也是最早利用梔子果實(shí)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(zhì)的研究上，生產(chǎn)梔子黃色素的技術(shù)水平較低，表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是產(chǎn)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(dá)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(shí)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(dá)15%上。所以，改進(jìn)梔子黃色素的生產(chǎn)工藝，改善生產(chǎn)設(shè)備條件，以增加產(chǎn)出率，提高產(chǎn)品的附加值是梔子黃色素產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和生命線[3-4]。

超臨界流體萃?。⊿upercritical Fluid Extraction，SFE）是一種新型的提取分離技術(shù)。最常用的超臨界流體為CO2。應(yīng)用CO2SFE技術(shù)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(diǎn)，產(chǎn)品中沒有有機(jī)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(wěn)定物的萃取尤為適用。本文在結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的基礎(chǔ)上，采用SFE技術(shù)對梔子黃色素的提取進(jìn)行了研究[5-6]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)原料 粉碎的梔子干果（市售），果實(shí)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(shù)，扁長圓形，暗紅色或紅黃色。氣微，味微酸而苦。

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

1.1.3 試驗(yàn)儀器設(shè)備 超臨界CO2萃取器，江蘇南通市華安超臨界實(shí)業(yè)有限公司；UV-1201紫外可見光分光光度計(jì)，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(jìn)醫(yī)療器械廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 對比已有文獻(xiàn)，對影響梔子黃色素提取的幾個(gè)重要因素進(jìn)行正交設(shè)計(jì)。通過正交試驗(yàn)，考察各個(gè)因素的交互作用。并對各個(gè)因素影響程度進(jìn)行比較，優(yōu)化選擇較好的工藝條件。

1.2.2 試驗(yàn)步驟 試驗(yàn)采用紫外分光光度（UV）法。移取適當(dāng)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線確定提取液中梔子黃色素的色價(jià)，即OD值[7]。

2 結(jié)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(gè)萃取工藝中最重要的3個(gè)參數(shù)。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(nèi)，當(dāng)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(qiáng)，從而萃取率提高[8]。但當(dāng)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(shí)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(fā)性和擴(kuò)散系數(shù)提高，這將促進(jìn)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(yīng)下降，這又導(dǎo)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(zhì)接觸時(shí)間，從而降低物質(zhì)的萃取率；另一方面卻因增加了傳質(zhì)速率和濃度差而利于物質(zhì)的萃取。試驗(yàn)采用75%乙醇，利用CO2超臨界萃取設(shè)備對萃取壓力、萃取溫度、流體流量3個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)對比來判斷其對OD值的影響。每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)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(yàn)設(shè)計(jì)及相應(yīng)工藝條件下所得產(chǎn)品的OD值結(jié)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(guān)系：流體流量>萃取溫度>萃取壓力。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮到工藝生產(chǎn)性價(jià)比問題，選擇參考工藝參數(shù)為萃取壓力25 MPa，萃取溫度45℃，流體流量8 L/h，此時(shí)所得色素的色價(jià)較低。

2.2 萃取時(shí)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(gè)階段[9]，即萃取初始階段、轉(zhuǎn)換階段和萃取最后階段，各個(gè)階段的作用不同。萃取剛開始時(shí)，由于溶劑與溶質(zhì)未達(dá)到良好接觸，收率較低。隨著萃取時(shí)間的加長，溶劑與溶質(zhì)充分接觸，萃取速率增大。之后，由于待分離組分的減少，傳質(zhì)動力降低，萃取速率也降低[10]。當(dāng)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(zhì)僅能通過萃取時(shí)間的延長而溶出。但試驗(yàn)中99%有效組分的萃取時(shí)間是萃取50%的10倍，通過延長時(shí)間獲得回收率的少量提高的做法不經(jīng)濟(jì)[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(shí)間對梔子黃色素OD值的影響，結(jié)果見表2。

表2 萃取時(shí)間對梔子黃色素OD值的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，梔子黃色素的萃取量隨著時(shí)間的增加呈增加趨勢。但2 h以后，隨著時(shí)間的延長，萃取量增加幅度逐漸變緩。因此，萃取時(shí)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(nèi)酯）有優(yōu)異的溶解性能，但對強(qiáng)極性和高分子量物質(zhì)（糖、氨基酸、淀粉、蛋白質(zhì)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(dāng)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(zhì)，也能萃取極性物質(zhì)；另一方面可大量提高萃取效率[13]。本試驗(yàn)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(jìn)行了研究。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[14-15]，當(dāng)夾帶劑的用量為3%時(shí)，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(shí)，系統(tǒng)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(dāng)乙醇的含量為60%時(shí)，所得產(chǎn)品的OD值最低。這是因?yàn)?，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(zhì)萃取入產(chǎn)品中，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)探討超臨界CO2流體萃取梔子黃色素的單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，考察萃取壓力、萃取溫度、超臨界流體流量、萃取時(shí)間與梔子黃色素的OD值的關(guān)系。結(jié)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(shí)所得梔子黃色素的色價(jià)為1.0.

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