花椒籽仁油的超臨界CO2萃取*

劉通，殷鐘意，鄭旭煦，，姚世勇，劉榮，王斐，史闖

1(重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，重慶，400067)

2(重慶工商大學(xué)催化與功能有機(jī)分子重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，重慶，400067)

花椒籽(又稱椒目)為蕓香科植物青椒或花椒的干燥成熟種子，是花椒的副產(chǎn)物，研究表明，花椒籽表皮層含油量10%左右［1］，該油脂酸價(jià)高，品質(zhì)差，易層析，可作為工業(yè)性用油;花椒籽仁含混合油脂(花椒籽仁油)20%左右，其中以亞油酸和α-亞麻酸為主的多不飽和脂肪酸含量在70%以上［1］，該油脂不含芥酸、山崳酸等難以消化吸收的組分，易于被人體吸收，具有重要的藥理作用［2-4］。目前花椒籽仁油(Zanthoxylum bungeanum seed kernel oil，ZSKO)的制取方法主要有溶劑提取法、壓榨法和超臨界CO2萃取法［5］。傳統(tǒng)的溶劑提取法可能存在溶劑殘留的問(wèn)題，傳統(tǒng)的整籽壓榨法存在制取的花椒籽油的酸價(jià)高、易結(jié)晶、色澤差等缺陷。近年來(lái)，隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)食品的質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)的要求越來(lái)越高，使得花椒籽油的加工方法不斷改進(jìn)和提高［1，6］。超臨界CO2萃取法具有操作簡(jiǎn)便，溶解能力強(qiáng)，無(wú)毒、無(wú)殘留污染、產(chǎn)品物性好、純度高等優(yōu)點(diǎn)，因而特別適合于非極性天然成分的分離精制［7-8］。盡管多位研究者開(kāi)展了以花椒籽為原料的超臨界CO2萃取花椒籽油的研究［5，9］，但目前尚未見(jiàn)到以堿皂化后的花椒籽為原料的超臨界CO2萃取花椒籽仁油的工藝研究，本文在課題組前期采用堿皂化去除花椒籽表皮油脂［6］的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究花椒籽仁油的超臨界CO2萃取工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

實(shí)驗(yàn)原料:花椒籽(陜西韓城大紅袍花椒籽)，購(gòu)于重慶市盤溪市場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)試劑:NaOH(分析純)，天津鵬坤化工有限公司;石油醚(30～60℃，分析純)，重慶川東化工集團(tuán)有限公司;CO2，重慶市九龍坡區(qū)石坪橋天燃?xì)鈽I(yè)務(wù)部提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

HA221-40(50)-(10+X)，南通市華安超臨界萃取公司;D-37520高速冷凍離心機(jī)，Biofuge Stratos D-37520 Osterode;JA3003電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;GZX-GF電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海龍躍儀器設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

首先利用浮力原理，讓含仁與不含仁的花椒籽在水中分離，從而得到含仁率較高的花椒籽;然后采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液加熱皂化去除花椒籽表皮油脂［6］，再用水洗至洗滌液呈中性，得到色澤明亮的花椒籽;將花椒籽晾干、粉碎，最后進(jìn)行超臨界CO2萃取。其工藝流程見(jiàn)圖1。

1.3.2 萃取條件對(duì)萃取效果的影響

物料粒度對(duì)對(duì)萃取效果的影響:在物料含水率10%、CO2流量60L/h、萃取壓力35 MPa、萃取溫度40℃，萃取時(shí)間2 h下，測(cè)定物料粒度分別為10目、20目、40目、60目時(shí)的出油率。

圖1 超臨界CO2萃取花椒籽仁油工藝流程Fig.1 Supercritical CO2extraction process of ZSKO

物料含水率對(duì)萃取效果的影響:在物料粒度40目、CO2流量 60 L/h、萃取壓力 35 MPa、萃取溫度40℃，萃取時(shí)間2 h下，測(cè)定物料含水率分別為5%、8%、10%、12%、15%、18%時(shí)的出油率。

萃取壓力對(duì)萃取效果的影響:在物料粒度40目、物料含水率10%、CO2流量60 L/h、萃取溫度40℃和萃取時(shí)間2 h下，測(cè)定萃取壓力分別為20、25、30、35、40 MPa時(shí)的出油率。

萃取溫度對(duì)萃取效果的影響:在物料粒度40目、物料含水率10%、萃取時(shí)間2 h下，測(cè)定萃取溫度分別為 30、35、40、45 ℃時(shí)的出油率。

萃取時(shí)間對(duì)萃取效果的影響:在物料粒度40目、物料含水率10%、CO2流量60 L/h、萃取壓力 35 MPa、萃取溫度40℃下，測(cè)定萃取時(shí)間分別為30、60、90、120、150、180 min 時(shí)的出油率。

CO2流量對(duì)萃取效果的影響:在物料粒度40目、物料含水率10%、萃取壓力35 MPa、萃取溫度40℃、萃取時(shí)間2 h下，測(cè)定 CO2流量分別為50、60、70、80 L/h時(shí)的出油率。

花椒籽仁油的出油率按下式計(jì)算:

1.3.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間、CO2流量4個(gè)主要影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用4因素3水平的正交試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，因素水平表見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因素與水平正交表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

1.3.4 花椒籽仁油產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)

花椒籽仁油產(chǎn)品送中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)食品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)重慶站檢測(cè)，即采用GB6435-2006測(cè)定花椒籽的含水率，采用GB22479-2008分析方法測(cè)定花椒籽仁油的主要質(zhì)量指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 物料粒度對(duì)出油率的影響

固體物料粒度會(huì)直接影響超臨界流體在其中的滲透擴(kuò)散速度。從圖2可以看出，粒度過(guò)大或過(guò)小，出油率都會(huì)降低;當(dāng)物料粒度為40目時(shí)，花椒籽仁油的出油率達(dá)到最高。這是因?yàn)楫?dāng)物料粒度過(guò)大，在萃取壓力固定時(shí)，物料與流體的接觸面積較小，導(dǎo)致出油率較低;當(dāng)物料粒度過(guò)小時(shí)，在受壓情況下物料之間縫隙逐漸變小，出現(xiàn)板結(jié)，阻礙了流體的流通和擴(kuò)散，造成出油率降低。因此本實(shí)驗(yàn)選取適宜的物料粒度為40目。

圖2 物料粒度對(duì)出油率的影響Fig.2 The influence of material size on the oil extraction rate

2.1.2 物料含水率對(duì)出油率的影響

由圖3可以看出，隨著物料含水率的逐漸增加，出油率呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢(shì);當(dāng)物料含水率為10%時(shí)，出油率達(dá)到最高。這是因?yàn)楫?dāng)物料含水率低于10%時(shí)，花椒籽在超臨界CO2流體中的溶解度較?。?0］，造成出油率較低;但當(dāng)物料含水率過(guò)大(超過(guò)10%)時(shí)，水分容易在物料表面形成水膜，促進(jìn)受壓物料出現(xiàn)板結(jié)，導(dǎo)致出油率降低。因此本實(shí)驗(yàn)選取適宜的物料含水率為10%。

2.1.3 萃取壓力對(duì)出油率的影響

由圖4可以看出，隨萃取壓力的增大，出油率逐漸增大，但當(dāng)萃取壓力超過(guò)35 MPa時(shí)，出油率趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)檩腿〕跗陔S著萃取壓力升高，更多的CO2變成液體，使得更多的組分被萃取出來(lái)，所以出油率增加［11］;但當(dāng)萃取壓力增大到一定程度后，液體CO2密度增大，可壓縮性減小，致使壓力增大對(duì)溶質(zhì)的溶解度增加的影響變小，而且由于在固定溫度條件下擴(kuò)散系數(shù)與壓力成反比［12］，也將減小溶質(zhì)的擴(kuò)散速率，所以當(dāng)萃取壓力增大到一定程度后，出油率趨于穩(wěn)定。因此本實(shí)驗(yàn)選取適宜的萃取壓力為35 MPa。

圖3 物料含水率對(duì)出油率的影響Fig.3 The influence of material moisture content on the oil extraction rate

圖4 萃取壓力對(duì)出油率的影響Fig.4 The influence of pressure on the oil extraction rate

2.1.4 萃取溫度對(duì)出油率的影響

由圖5可知，隨萃取溫度的升高，出油率呈現(xiàn)先增大后略微減小的變化趨勢(shì);當(dāng)萃取溫度達(dá)到40℃后，出油率達(dá)到最大。這是因?yàn)闇囟壬呤谷苜|(zhì)的揮發(fā)性和擴(kuò)散速度增大，有利于油脂的萃取;但當(dāng)萃取溫度升高到一定程度時(shí)，溫度再升高會(huì)導(dǎo)致CO2流體密度下降，致使CO2的溶解能力下降，所以出油率有所減小［13］。因此本實(shí)驗(yàn)選取適宜的萃取溫度為40℃。

圖5 萃取溫度對(duì)出油率的影響Fig.5 The influence of temperature on the oil extraction rate

2.1.5 萃取時(shí)間對(duì)出油率的影響

由圖6可知，隨著萃取時(shí)間的增加，花椒籽仁油的出油率不斷升高;但當(dāng)萃取時(shí)間超過(guò)2 h后，出油率趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)殡S著萃取時(shí)間的增加，CO2的累積流量增加，花椒籽仁油的出油率逐漸增加;但當(dāng)萃取時(shí)間達(dá)到2 h后，萃取趨于平衡，出油率趨于穩(wěn)定，因此本實(shí)驗(yàn)選取適宜的萃取時(shí)間為2 h。

圖6 萃取時(shí)間對(duì)出油率的影響Fig.6 The influence of extraction time on the oil extraction rate

2.1.6 CO2流量對(duì)出油率的影響

從圖7可以看出，隨著CO2流量的增大，出油率呈現(xiàn)先增大后緩慢減小的變化趨勢(shì);當(dāng)CO2流量達(dá)到70 L/h時(shí)，出油率達(dá)到最高。這是因?yàn)樵黾覥O2流量，可增大單位時(shí)間內(nèi)溶劑與物料的比例，使溶質(zhì)的溶解速率加快;但當(dāng)CO2流量過(guò)大(超過(guò)70 L/h)時(shí)，溶劑流速過(guò)快，超過(guò)物料溶質(zhì)向溶劑中的擴(kuò)散速率［14］，導(dǎo)致花椒籽仁油出油率有所減小。本實(shí)驗(yàn)選取適宜的CO2流量為70 L/h。

圖7 CO2流量對(duì)出油率的影響Fig.7 The influence of carbon dioxide flow on the oil extraction rate

2.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取物料粒度為40目、物料含水率為10%，按照表1進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果及極差分析分別見(jiàn)表2。由表2和可知，在試驗(yàn)選擇的因素水平范圍內(nèi)，3個(gè)因素對(duì)花椒籽油出率的影響主次順序依次為:萃取時(shí)間＞萃取壓力＞CO2流量＞萃取溫度。該正交試驗(yàn)的最佳工藝條件為A2B1C3D3，即萃取壓力35 MPa，萃取溫度35℃，萃取時(shí)間2.5 h，CO2流量80 L/h。在該條件下，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，出油率為19.98%，因此，超臨界CO2萃取方法提取花椒籽仁油的選取最優(yōu)條件——物料粒度40目，物料含水率為10%，萃取時(shí)間2.5 h，CO2流量80 L/h，萃取溫度35℃，萃取壓力35 MPa進(jìn)行花椒籽仁油的提取，所得的出油率可達(dá)19.98%。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析Table 2 The results of orthogonal orthogonal experimental and range analysis

2.3 花椒籽仁油的產(chǎn)品質(zhì)量

在最佳萃取條件下制得的花椒籽仁油(毛油)的脂肪酸組成和主要質(zhì)量指標(biāo)分別見(jiàn)表3和表4。

由表3可知，花椒籽仁油中不飽和脂肪酸含量(油酸19.8%、亞油酸27.8%、α-亞麻酸39.2%)接近90%，不含芥酸、山崳酸等難以消化吸收的組分。由表4可知，超臨界CO2萃取的花椒籽仁油達(dá)到GB 22479-2008花椒籽油二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。劉雄［8］等人以花椒籽為原料，采用超臨界CO2萃取的花椒籽油的酸值為2.1(KOH)mg/g，而本實(shí)驗(yàn)以堿皂化后的花椒籽為原料，采用超臨界CO2萃取的花椒籽油的酸值為1.2(KOH)mg/g;除該酸值指標(biāo)略微高于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(≦1.0(KOH)mg/g)外，其余質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到GB/T 22479-2008花椒籽油一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，本實(shí)驗(yàn)制取的花椒籽仁油稍加脫酸即可達(dá)到花椒籽油一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需采用脫蠟、脫色、脫臭等精煉工藝，為高品質(zhì)花椒籽仁油的制取提供了可資借鑒的生產(chǎn)工藝。

表3 花椒籽仁油中脂肪酸含量Table 3 Fatty acid composition of zanthoxylum seeds kernel oil

表4 花椒籽仁油產(chǎn)品的主要質(zhì)量指標(biāo)Table 4 The main quality indexes of Zan thoxylum seeds kernel oil product

3 結(jié)論

綜上所述，超臨界CO2萃取花椒籽仁油的最佳工藝條件為:物料粒度40目，物料含水率為10%，CO2流量80 L/h，萃取壓力35 MPa，萃取溫度35℃，萃取時(shí)間2.5 h。在此條件下花椒籽仁油的出油率達(dá)到19.98%。

采用超臨界 CO2萃取的花椒籽仁油可達(dá)到GB 22479-2008花椒籽油二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，稍加脫酸，即可達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。因此本實(shí)驗(yàn)為超臨界CO2萃取花椒油工業(yè)化生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

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