超臨界CO2萃取玫瑰精油的工藝優(yōu)化

戴 琳,單銀花,王志祥,黃德春

(中國藥科大學(xué)藥學(xué)院,江蘇南京 210009)

超臨界CO2萃取玫瑰精油的工藝優(yōu)化

戴 琳,單銀花,王志祥,黃德春*

(中國藥科大學(xué)藥學(xué)院,江蘇南京 210009)

為提高超臨界CO2萃取干玫瑰花中玫瑰精油的產(chǎn)品得率,依次考察了乙醇夾帶劑濃度、萃取壓力、溫度、夾帶劑流量及萃取時(shí)間等因素的影響,通過正交實(shí)驗(yàn),進(jìn)行了產(chǎn)品得率的工藝優(yōu)化。結(jié)果發(fā)現(xiàn):無水乙醇較乙醇水溶液更適于作萃取的夾帶劑；此外,隨著萃取壓力、溫度、夾帶劑流量及萃取時(shí)間的增加,所得精油產(chǎn)品中主香組分2-苯乙醇的得率均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)；其中,萃取壓力、夾帶劑流量和萃取溫度三因素,對(duì)得率指標(biāo)的影響依次減弱。所得優(yōu)化的工藝組合為萃取壓力23MPa、溫度40℃、夾帶劑流量0.06mL/min、萃取時(shí)間1.5h,對(duì)應(yīng)2-苯乙醇的得率可達(dá)0.795‰。

超臨界CO2,萃取,玫瑰精油,得率,工藝優(yōu)化

玫瑰精油俗稱“液體黃金”,價(jià)格昂貴,因其香濃郁,芬芳撲鼻,又被譽(yù)為鮮花油之冠,廣泛用作食品、高檔化妝品及煙草的添加劑[1-2],具有旺盛的市場(chǎng)需求。

有關(guān)玫瑰精油的提取,傳統(tǒng)工藝主要有水蒸氣蒸餾法和有機(jī)溶劑萃取法[3-4],兩者均存在著一定的不足。其中,水蒸氣蒸餾法易導(dǎo)致原料中部分水溶性芳香成分的流失,且操作溫度偏高,易使得低沸點(diǎn)的精油成分受損或破壞,從而影響操作的收率與產(chǎn)品品質(zhì)；有機(jī)溶劑萃取法則因操作的提取時(shí)間較長(zhǎng),易造成產(chǎn)品的頭香稍顯不足,同時(shí)生產(chǎn)中也難免會(huì)產(chǎn)生少許的溶劑殘留,尚需進(jìn)一步的后續(xù)加工,工藝復(fù)雜。近年來,利用新興高效的超臨界流體技術(shù),去替代或嫁接傳統(tǒng)的天然產(chǎn)物提取生產(chǎn)[5-8],漸已成為研究的熱點(diǎn)課題,其中理論與應(yīng)用探究均日臻深入的超臨界流體萃取技術(shù),無疑是該類技術(shù)中的代表,因操作便捷、效率高、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定及無溶劑殘留等諸多顯著的工程特性,尤適于大量天然、非極性、熱敏性物質(zhì)的提取與生產(chǎn)[9-12]。

玫瑰精油中的致香成分眾多,2-苯乙醇是其中的主香物質(zhì),含量相對(duì)較高且較穩(wěn)定[13-14],因此常將提取可得的產(chǎn)品中2-苯乙醇的量,作為衡量該類生產(chǎn)的重要優(yōu)劣指標(biāo)。此外,超臨界萃取生產(chǎn)時(shí),為提升操作效率,通常可添加適量的萃取夾帶劑,尤以乙醇夾帶劑最為常見[15]。本研究以干玫瑰花為原料,亦選用乙醇為夾帶劑,進(jìn)行超臨界CO2萃取玫瑰精油的小試實(shí)驗(yàn)。為改善和提高該生產(chǎn)的2-苯乙醇產(chǎn)品得率,將依次考察乙醇夾帶劑濃度、萃取壓力、溫度、夾帶劑流量、萃取時(shí)間對(duì)操作效果的影響,并結(jié)合正交設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)法,分析得到有益2-苯乙醇得率提升的優(yōu)化工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

干玫瑰花 產(chǎn)自河南省濟(jì)源市；CO2食品級(jí),純度99%以上；2-苯乙醇 化學(xué)純,上海凌峰化學(xué)試劑公司；正己烷 色譜純,江蘇漢邦科技公司；異丙醇 色譜純,江蘇漢邦科技公司；二氯甲烷 分析純,南京化學(xué)試劑公司；無水乙醇 分析純,中國醫(yī)藥公司。

7071型超臨界萃取小試裝置 美國Applied Separations公司；THD-2006型低溫恒溫槽 寧波天恒儀器公司；JY1002(0.01g)型電子天平 上海精密科學(xué)儀器公司；KH-250DB型超聲波清洗器 昆山禾創(chuàng)超聲儀器公司；GC-2010型氣相色譜儀 日本島津公司；RTX-WAX色譜柱 美國Restek公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取干玫瑰花碎料10g,裝入容積50mL的萃取柱中,同時(shí)在萃取柱的兩端填塞少許脫脂棉及加裝過濾片,防止操作過程中花瓣堵塞管道。實(shí)驗(yàn)在以乙醇為夾帶劑的條件下,通入超臨界CO2對(duì)原料中的玫瑰精油進(jìn)行萃取。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以萃取壓力、萃取溫度、夾帶劑流量為影響因素,采用正交實(shí)驗(yàn)確定各因素不同水平對(duì)萃取效果的影響。

1.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1.1 夾帶劑濃度的影響考察 在萃取壓力23MPa、萃取溫度45℃、夾帶劑流量0.4mL/min、萃取時(shí)間2h的條件下,測(cè)定不同的夾帶劑濃度(0%、15%、45%、75%、95%、100%)對(duì)所得產(chǎn)品中2-苯乙醇含量的影響。

1.2.1.2 操作壓力的影響考察 由于溶劑CO2的臨界壓力為7.39MPa,所以萃取的操作壓力應(yīng)高于此壓力。在夾帶劑為無水乙醇、萃取溫度45℃、夾帶劑流量0.4mL/min、萃取時(shí)間2h的條件下,考察不同萃取壓力(8、13、18、23、28、33MPa)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物2-苯乙醇得率的影響。

1.2.1.3 操作溫度的影響考察 溶劑CO2的臨界溫度為31.6℃,故在夾帶劑為無水乙醇、萃取壓力23MPa、夾帶劑流量0.4mL/min、萃取時(shí)間2h的條件下,考察不同萃取溫度(32、35、40、45、50、55℃)對(duì)2-苯乙醇得率的影響。

1.2.1.4 夾帶劑流量的影響考察 在夾帶劑為無水乙醇、萃取壓力23MPa、萃取溫度45℃、萃取時(shí)間2h的條件下,考察不同夾帶劑流量(0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07mL/min)對(duì)2-苯乙醇得率的影響。

1.2.1.5 萃取時(shí)間的影響考察 在夾帶劑為無水乙醇、萃取壓力23MPa、萃取溫度45℃、夾帶劑流量0.4mL/min的條件下,考察不同萃取時(shí)間(1.0、1.25、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5h)對(duì)2-苯乙醇得率的影響。

1.2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,本實(shí)驗(yàn)在確定無水乙醇為夾帶劑、萃取時(shí)間1.5h的條件下,從中選擇了合適的萃取壓力、萃取溫度、夾帶劑流量進(jìn)行三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)。因素水平表見表1,其中各因素的水平取值,均是依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果優(yōu)選而得,即該取值下的萃取產(chǎn)品得率值可能較高。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.3 2-苯乙醇測(cè)定方法 為測(cè)定玫瑰精油中2-苯乙醇含量,須先對(duì)萃取所得的精油產(chǎn)品進(jìn)行溶解收集。在對(duì)比了精油分別于正己烷、異丙醇和二氯甲烷等試劑中的溶解性后,選定正己烷為溶劑,用量1mL。待精油充分溶解且經(jīng)0.45μm的有機(jī)濾膜過濾后,收集至西林瓶中備測(cè)。

2-苯乙醇的含量可采用氣相色譜法測(cè)定[13],具體條件為:進(jìn)樣量1μL；進(jìn)樣口SPL；汽化室溫度280℃；分流比1∶10；柱流速1.8mL/min；氮?dú)?、空氣和氫氣流量分別為30、400和47mL/min；柱頭壓79kPa；檢測(cè)器溫度280℃。分析定量時(shí),選取了面積歸一計(jì)算法,在扣除乙醇峰和正己烷峰后進(jìn)行面積積分,可得產(chǎn)品中2-苯乙醇的質(zhì)量分率,計(jì)算式為

(1)

式中：w為產(chǎn)品中2-苯乙醇的質(zhì)量分率；A2-苯乙醇為2-苯乙醇的氣相色譜峰面積；Ai為扣除乙醇峰和正己烷峰后各組分的氣相色譜峰總面積。

由算取的質(zhì)量分率w值,結(jié)合天平稱得的精油產(chǎn)品總量m精油值,可計(jì)算得到萃取所獲的2-苯乙醇質(zhì)量m2-苯乙醇。由于較難獲知干玫瑰花原料中的2-苯乙醇質(zhì)量,導(dǎo)致無法計(jì)算2-苯乙醇的得率,但此處為了表述簡(jiǎn)便,暫將所得的2-苯乙醇質(zhì)量與實(shí)驗(yàn)玫瑰花原料的總質(zhì)量(10g)之比,亦稱為2-苯乙醇的得率,以η表示,計(jì)算為

(2)

式中：η為2-苯乙醇的得率；m原料、m精油、m2-苯乙醇分別為玫瑰花原料、萃取所得的精油產(chǎn)品及其中的2-苯乙醇質(zhì)量,g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 夾帶劑濃度對(duì)萃取的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可見,隨著夾帶劑乙醇濃度的提高,所得產(chǎn)品中2-苯乙醇的含量不斷增加,當(dāng)乙醇濃度為100%即無水乙醇時(shí),萃取的效果最好,此時(shí)萃取產(chǎn)品中2-苯乙醇的含量最高。這可能是由于2-苯乙醇本身是極性物質(zhì),具有一個(gè)醇羥基,故夾帶劑乙醇可與2-苯乙醇形成分子間氫鍵,從而增大了2-苯乙醇在超臨界CO2流體中的溶解度,有助于克服基質(zhì)對(duì)2-苯乙醇分子的束縛,起到強(qiáng)化與提升萃取選擇性的作用,且這種作用隨著乙醇濃度的提高而愈發(fā)顯著。因此,本研究在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)考察中,均選用了無水乙醇作為操作的夾帶劑。另相較于乙醇水溶液,選無水乙醇為夾帶劑,還可有效避免萃取所得的精油產(chǎn)品中帶水,以及因帶水而造成的色譜檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理時(shí)的不便。若精油產(chǎn)品中含水,而含水量又不能由實(shí)驗(yàn)色譜儀直接測(cè)取,從而難以計(jì)算目標(biāo)產(chǎn)物2-苯乙醇的實(shí)際質(zhì)量與得率。

圖1 夾帶劑濃度對(duì)2-苯乙醇含量的影響Fig.1 Effect of concentration of entrainer on content of 2-phenylethanol

2.1.2 操作壓力對(duì)萃取的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可見,隨著萃取壓力的升高,2-苯乙醇的得率呈現(xiàn)出先增后減的變化。當(dāng)壓力升高時(shí),超臨界CO2流體的密度增大,其對(duì)包括2-苯乙醇在內(nèi)的精油各組分的溶解度均相應(yīng)提高,實(shí)驗(yàn)中亦發(fā)現(xiàn)所得的精油產(chǎn)品總量有所增加。但當(dāng)操作壓力繼續(xù)升高而達(dá)到約23MPa后,由于萃取劑CO2的自身擴(kuò)散系數(shù)減小,抑制了釜內(nèi)的相間傳質(zhì),因而導(dǎo)致萃取效果不升反降,使得2-苯乙醇的得率有所降低?？梢?在該類萃取操作中,萃取壓力值并非越高越好。根據(jù)此單因素實(shí)驗(yàn),我們選擇18、23、28MPa作為正交實(shí)驗(yàn)中萃取壓力的選定值。

圖2 萃取壓力對(duì)2-苯乙醇得率的影響Fig.2 Effect of extraction pressure on yield rate of 2-phenylethanol

2.1.3 操作溫度對(duì)萃取的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,隨著萃取溫度的升高,2-苯乙醇的得率呈現(xiàn)出先增后減的變化。當(dāng)溫度升高時(shí),溶質(zhì)分子的熱運(yùn)動(dòng)變得劇烈,其傳質(zhì)擴(kuò)散能力相應(yīng)增強(qiáng),有助于溶解；但溫度的升高亦會(huì)使得CO2溶劑的密度有所降低,進(jìn)而造成對(duì)溶質(zhì)的溶解能力下降,不利于萃取。這兩方面的作用效應(yīng),共同影響著萃取操作的實(shí)際效果。圖3表明,當(dāng)溫度不高時(shí),前者的效應(yīng)要強(qiáng)于后者；而當(dāng)溫度進(jìn)一步升高,約達(dá)45℃后,后者的作用反過來要強(qiáng)于后者,故導(dǎo)致2-苯乙醇的得率呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢(shì)。因此,在實(shí)際的萃取生產(chǎn)中,應(yīng)力求找到平衡這兩個(gè)方面作用的最適萃取溫度。根據(jù)此單因素實(shí)驗(yàn),選擇40、45、50℃作為正交實(shí)驗(yàn)中萃取溫度的選定值。

圖3 萃取溫度對(duì)2-苯乙醇得率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on yield rate of 2-phenylethanol

2.1.4 夾帶劑流量對(duì)萃取的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可見,隨著夾帶劑流量的升高,2-苯乙醇的得率也呈現(xiàn)先增后減的變化。隨著夾帶劑無水乙醇用量的增加,將有更多的乙醇極性分子與2-苯乙醇溶質(zhì)分子形成分子間氫鍵,從而有助于萃取,但夾帶劑的用量過大,其對(duì)超臨界CO2溶劑密度的影響將不再可忽略,造成CO2溶劑密度顯著降低,進(jìn)而消弱了溶劑對(duì)溶質(zhì)的溶解能力。因此,隨著夾帶劑用量的逐步增加,目標(biāo)產(chǎn)物的得率呈現(xiàn)出了先升后降的變化。根據(jù)此單因素實(shí)驗(yàn),選定0.04、0.05、0.06mL/min的夾帶劑流量進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)分析。

圖4 夾帶劑流量對(duì)2-苯乙醇得率的影響Fig.4 Effect of entrainer flow on yield rate of 2-phenylethanol

2.1.5 萃取時(shí)間對(duì)萃取的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可見,隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng),2-苯乙醇的得率同樣呈現(xiàn)出先增后減的變化,而并不是穩(wěn)步的提高?？梢?就超臨界萃取操作而言,若相間的傳質(zhì)已接近平衡極限,則此時(shí)再延長(zhǎng)操作時(shí)間將只能增加成本及降低生產(chǎn)效率,偶爾還會(huì)適得其反,尤其是對(duì)于類似本研究中的精油等易揮發(fā)體系,若操作時(shí)間越長(zhǎng),則實(shí)際生產(chǎn)中的組分損耗將越難控制。因此,為盡可能縮短操作時(shí)間及保證萃取效果,結(jié)合此單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本研究確定和推薦適宜的萃取時(shí)間為約1.5h,不再進(jìn)行后續(xù)的正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析數(shù)據(jù)Table 3 Variance analysis data of orthogonal experiment results

圖5 萃取時(shí)間對(duì)2-苯乙醇得率的影響Fig.5 Effect of extraction time on yield rate of 2-phenylethanol

注:**表示差異顯著水平p<0.01；*表示差異顯著水平p<0.05。2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選定無水乙醇為夾帶劑及固定萃取操作時(shí)間為1.5h,以產(chǎn)品中2-苯乙醇的得率為指標(biāo),進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果及其數(shù)據(jù)分析列于表2,相應(yīng)的方差分析見表3。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析Table 2 Results of orthogonal experiment and data analysis

對(duì)比表2中各列的極差R值可知,表中三因素對(duì)2-苯乙醇得率η的影響作用依次為萃取壓力>夾帶劑流量>萃取溫度。另比較表2中各列的均值k1、k2和k3大小還可知,該萃取操作的優(yōu)化條件應(yīng)為萃取壓力23MPa,萃取溫度40℃,夾帶劑流量0.06mL/min。

為進(jìn)一步分析與探討各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響顯著性,表3列出了對(duì)應(yīng)的方差分析數(shù)據(jù)?？梢钥闯?因素A的影響為極顯著(p<0.01)；因素C的影響顯著(p<0.05)；因素B的影響不顯著(p>0.05)。

為驗(yàn)證正交優(yōu)化結(jié)果的可靠性,研究在優(yōu)化操作工況即萃取壓力23MPa,萃取溫度40℃,無水乙醇夾帶劑的流量0.06mL/min,萃取時(shí)間1.5h的條件下,另進(jìn)行了3次平行實(shí)驗(yàn),所測(cè)2-苯乙醇的得率分別為0.827‰、0.779‰和0.778‰,平均達(dá)0.795‰,高于表2中的高值,從而表明了該優(yōu)化條件較好。

3 結(jié)論

就超臨界CO2萃取玫瑰精油的操作而言,產(chǎn)品中主香組分2-苯乙醇的得率,隨操作壓力、溫度、無水乙醇夾帶劑流量或萃取時(shí)間的增加,均呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì),且操作壓力、夾帶劑流量和操作溫度三因素對(duì)2-苯乙醇得率指標(biāo)的影響顯著性依次減弱。此外,在預(yù)定的考察范圍內(nèi),優(yōu)化的工藝組合推薦為操作壓力23MPa、溫度40℃、無水乙醇夾帶劑的流量0.06mL/min、萃取時(shí)間1.5h,所得2-苯乙醇得率可達(dá)0.795‰。

[1]張?jiān)坪?郭永來,夏傳軍,等. 探討提高玫瑰花出油率方法[J]. 香料香精化妝品,2006,34(5):28-29.

[2]Liu Hongyan,Zhang Yongqing. Rose oil composition from the flowers of rosa rugosa thunb. growing in different locations of China[J]. Agricultural Science & Technology,2012,13(6):1260-1262.

[3]余峰,張彬,周武,等. 玫瑰精油的提取和理化性質(zhì)分析[J]. 天然產(chǎn)物研究與開發(fā),2012,24(6):784-789.

[4]張永明,陶玲,黃際薇. 茵陳揮發(fā)油的超臨界CO2萃取法與水蒸氣蒸餾法提取的比較[J]. 分析測(cè)試學(xué)報(bào),2003,22(2):84-86.

[5]姜福佳,呂爽,逯家富. 超臨界CO2流體萃取啤酒糟中色素工藝的研究[J]. 食品工業(yè)科技,2014,35(6):235-238.

[6]Fornari T,Vicente G,Vázquez E,etal. Isolation of essential oil from different plants and herbs by supercritical fluid extraction[J]. Journal of Chromatography A,2012,1250(10):34-48.

[7]張艷軍,楊途熙,魏安智,等. 超臨界CO2萃取花椒果皮總黃酮的工藝[J]. 食品工業(yè)科技,2013,34(5):188-191.

[8]Arnáiz E,Bernal J,Martín M T,etal. Supercritical fluid extraction of free amino acids from broccoli leaves[J]. Journal of Chromatography A,2012,1250(10):19-53.

[9]李躍金,趙榮芳,李丹. 超臨界CO2萃取大豆油的工藝研究[J]. 食品工業(yè)科技,2014,35(5):206-208.

[10]李卓,郭玉蓉,閆玉培. 超臨界CO2萃取冷破碎蘋果皮蠟質(zhì)工藝優(yōu)化及其成分分析[J]. 食品工業(yè)科技,2012,33(22):312-315.

[11]張俊,蔣桂華,敬小莉,等. 超臨界流體萃取技術(shù)在天然藥物提取中的應(yīng)用[J]. 時(shí)珍國醫(yī)國藥,2011,22(8):2020-2022.

[12]Jeong M L,Chesney D J. Investigation of modifier effects in supercritical CO2extraction from various solid matices[J]. Journal of Supercritical Fluids,1999,16(1):33-42.

[13]趙漢臣,楊鋒,武曉瓊,等. 超臨界流體萃取法提取玫瑰揮發(fā)油的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國藥房,2005,16(15):1132-1133.

[14]余珍,易元芬,吳玉,等. 幾種玫瑰油化學(xué)成分及香氣比較[J]. 云南植物研究,1994,16(1):75-80.

[15]趙亞梅,胡小玲,管萍,等. 夾帶劑對(duì)超臨界CO2萃取茄尼醇過程的強(qiáng)化[J]. 過程工程學(xué)報(bào),2007,7(2):263-267.

Technical optimization on supercritical CO2extraction of rose essential oil

DAI Lin,SHAN Yin-hua,WANG Zhi-xiang,HUANG De-chun*

(College of Pharmacy,China Pharmaceutical University,Nanjing 210009,China)

To improve the yield rate of rose essential oil from dry rose by supercritical CO2extraction,the effects of concentration of alcohol entrainer,extraction pressure,extraction temperature,entrainer flow and extraction time were investigated in sequence,and then the relevant technical optimization was performed by orthogonal design experiment. The results showed that,the absolute alcohol was better as the extraction entrainer than the alcohol aqueous solution. Meanwhile,the yield rate of 2-phenylethanol,one of major flavor components in essential oil production increased firstly and decreased later with a rise of the extraction pressure,extraction temperature,entrainer flow or extraction time. Besides,the factors influencing the yield were as follows:extraction pressure>entrainer flow>extraction temperature,as a result,the optimum technology conditions were extraction pressure 23MPa,extraction temperature 40℃,entrainer flow 0.06mL/min and extraction time 1.5h,while the corresponding yield rate of 2-phenylethanol was 0.795‰.

supercritical CO2;extraction;rose essential oil;yield rate;technical optimization

2014-02-19

戴琳(1981-),男,碩士,主要從事制藥與食品分離技術(shù)研究。

*通訊作者:黃德春(1976-)，男，博士，副教授，主要從事藥物結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和高等制藥分離工程的研究。

江蘇省自然科學(xué)基金(BK2012763)；中國藥科大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(ZD2014YX0027)。

TS201.1

B

1002-0306(2015)03-0266-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.047