碱蓬籽油脂的超临界CO2提取工艺优化

陈然然，邵　荣，杨　剑，王志祥*

（1.中国药科大学　制药工程教研室，江苏　南京210009；2.盐城工学院　化学与生物工程学院，江苏　盐城224051）

碱蓬籽油脂的超临界CO2提取工艺优化

陈然然1，邵荣2，杨剑1，王志祥1*

（1.中国药科大学制药工程教研室，江苏南京210009；2.盐城工学院化学与生物工程学院，江苏盐城224051）

摘要：碱蓬籽中油脂含量丰富，尤以不饱和脂肪酸甘油酯-亚油酸酯居多，使用超临界CO2提取碱蓬籽油，确定最佳的提取条件。以亚油酸酯得率为指标，考察了提取温度、提取压力、提取时间、夹带剂流量对实验的影响，在单因素的基础上，采用响应面法对工艺进行优化，得到的最佳提取条件为：提取温度46℃，提取压力23.5MPa，提取时间137min，夹带剂流量0.04mL·min-1，在此条件下亚油酸酯得率为15.29%。优化的提取工艺可行，对工业化生产有一定的指导意义。

关键词：碱蓬籽：亚油酸酯：超临界CO2提取：响应面法中图分类号：TQ028

文献标识码：A

碱蓬是一年生的草本植物，植物学分类为藜科碱蓬属，是一种盐碱地指示植物，在我国分布于黑龙江、内蒙古、宁夏、江苏、浙江、山东、辽宁、新疆南部等。现代医学研究表明，碱蓬有降糖、降压、扩张血管、提高自身免疫力等功效[1]。据文献报道，碱蓬籽营养丰富，富含多种不饱和脂肪酸，尤其以亚油酸居多[2，3 ]，富含微量元素Se，是老年人、高血压病人以及心血管疾病人很好的食用油。

近年来，全世界对植物油的需求不断增加，在我国，植物油的缺乏尤其严重，因此，充分利用现有资源，开发野生资源是我国油脂的一项重要任务。一直以来，生长于滩涂或者盐碱地上的碱蓬都没有得到充分利用，每年都有大量的碱蓬籽被浪费[4]。在绿色食品、节约经济、可持续发展的当今社会，提高碱蓬籽油的产量有很大的价值。

目前，提取碱蓬籽油的方法有有机溶剂提取法、超声波辅助提取等方法，但是这些提取方法都存在有机溶剂残留、原料浪费等问题。超临界流体提取技术是近年来新型的一种提取分离纯化技术，其特点是无溶剂残留、提取效率高、省时省力[5 ]，在提取挥发油、生物碱、黄酮类化合物及油脂类物质等方面得到广泛应用[6]。

本文的创新点在于：（1）使用了无水乙醇作为夹带剂[7]。（2）和柳仁民等[3]只考察提油率不同，本次实验还考察了脂肪酸中亚油酸的百分含量。使用Box- Behnken响应面法优化工艺，采用Design-Expert软件对结果分析，得到最优的工艺条件。

1　实验部分

1.1仪器和试剂

MODELSFT- 100 XW超临界CO2萃取装置（美国SFT公司）；SHIMADZU AUY220分析天平（日本岛津公司）；XO- SM50超声波控制器（南京先欧生物科技有限公司）；SHIMADZU GC- 2014气相色谱仪（日本岛津公司）；DFY- 500高速万能粉碎机（温岭市林大机械有限公司）；TGLL- 18K高速冷冻离心机（太仓市华美生化仪器厂）；PS- 20超声波清洗仪（洁康）；DZF- 6050真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）。

碱蓬籽（采自盐城市海丰农场）、甲醇（分析纯）、KOH（分析纯）、正己烷（优级纯）、亚油酸甲酯标准品（高级纯）、无水硫酸钠（分析纯）。

1.2单因素实验的条件优化

参考王大为等的方法[8]，将碱蓬籽洗净、阴干、粉碎、过筛，取40～100目粉末备用。称取约5g碱蓬籽粉末，称重，在CO2流量为15mL·min-1，夹带剂为无水乙醇条件下，分别以不同的提取压力、提取温度、提取时间、夹带剂流量为单因素进行超临界CO2提取，得到碱蓬籽油，称其重量，进行甲酯化处理，使用气相面积归一化法测定亚油酸酯的含量，考察各个因素的影响。亚油酸酯得率（Y）的计算公式：

式中mOil：提取出的碱蓬籽油脂的质量；C：气相测定的亚油酸酯百分含量；m总：准确称取的碱蓬籽原料的质量。

1.3响应面法优化实验

根据Box- Bebnken响应面设计原理，以亚油酸酯得率为响应值，设计四因素三水平的实验方案，各因素和水平表码值见表1。

表1　 Box-Bebnken设计因素实验表Tab.1　 Factors and levers of Box-Bebnken design for response surface methodology

1.4样品的甲酯化处理

取0.1g油样于10mL具塞试管中，加入2mL的正己烷溶解，取0.5g·mL-1的KOH/甲醇溶液2mL，加入到具塞试管中混合，在30℃、120W的超声波辅助下反应15min，反应完毕，静置分层，取上清液于1.5mL的EP管中，加入无水硫酸钠充分振摇，离心，取上层溶液待测。

1.5亚油酸甲酯含量分析

色谱条件：色谱柱：SE- 54型弹性石英毛细管柱（0.32mm×30m×0.5μm）；气化室温度：250℃；检测器温度：280℃；柱温：程序升温：初始温度180℃，保持5min；以10℃·min-1，升到210℃，保持2min；以2℃·min-1，升到260℃，保持10min；FID检测器；载气：N2流速：30mL·min-1；空气流量：400mL·min-1；氢气流量：40mL·min-1；分流比：1∶40，进样量：1μL。用气相色谱面积归一化法测定亚油酸酯的百分含量，使用亚油酸甲酯标准品做对照。

2　结果和讨论

2.1单因素实验结果

2.1.1提取温度对亚油酸酯得率的影响在提取压力为20MPa，提取时间80min，夹带剂流量为0的条件下，选取提取温度为35、40、45、50、55℃进行实验。亚油酸酯得率随着温度的升高有先增大后减小的趋势，因为温度升高使CO2分子运动加速，扩散系数增大，亚油酸酯的溶解度会增大；但是温度升高也使CO2的密度减小，杂质溶出增多，综合考虑，提取温度选择区间为40～50℃。

2.1.2提取压力对亚油酸酯得率的影响在提取温度45℃，提取时间80min，夹带剂流量为0的条件下，选取压力为16、20、23、26、28MPa进行实验。亚油酸酯得率随着压力的升高有先增大后减小的趋势，在压力为26MPa时达到最高点。这是因为随着压力的升高，超临界CO2的密度增大，对溶质的溶解能力增大，但当压力达到一定限度后，传质阻力增大，溶质的扩散系数下降，亚油酸酯得率反而会下降，而且高压对设备和操作有更高的要求。综合安全性和实用性考虑，提取压力选择为20～26MPa。

2.1.3提取时间对亚油酸酯得率的影响在提取压力为20MPa，提取温度为45℃，夹带剂流量为0的条件下，选取提取时间为60、80、100、120、140、180min进行实验。亚油酸酯得率随着时间的增长而有先增大后稳定的趋势。这是因为，CO2流体和物料的接触时间越长，接触越充分，提取越完全，但当时间增长到一定限度时，传质推动力下降，提取出物料的趋势渐为平缓。综合考虑得率和能耗，提取时间选取为100～140min。

2.1.4夹带剂流量对亚油酸酯得率的影响在提取压力为20MPa，提取温度为45℃，提取时间为80min的条件下，选取无水乙醇的流量为0、0.02、0.04、0.06、0.08mL·min-1进行实验。随着夹带剂流量的增加，亚油酸酯得率有先增大后减小的趋势，在0.04mL· min-1时，达到最大值。夹带剂流量适当的增加，会增大溶剂即流体的极性，增加物料的溶解度，而且无水乙醇中的羟基会和酯基形成氢键，增加亚油酸酯的溶解度，但当夹带剂流量过大时，极性的杂质会溶出过多，综合考虑，选取夹带剂流量为0.02～0. 06mL·min-1。

2.2响应面实验结果分析

运用Design- Expert 8.0.6软件对实验数据进行分析，得到响应值和自变量的编码回归方程：Y= 15.09+0.41X1+0.58X2+0.34X3- 2.500E- 003X4- 0.47X1X2- 0.030X1X3- 0.040X1X4- 0.19X2X3+0.29X2X4- 0.36X3X- 0.98X2- 0.97X2- 0.21X2- 1.05X241234

对回归方程进行方差分析，结果见表2。通过F值和P值，可以看出各个因素对亚油酸得率的影响。

表2　回归方程的方差分析Tab.2　 ANOVA for regression equation

由表2分析可知，模型的P＜0.0001是极显著，说明该模型方程试验设计可行；失拟项P＞0.05为不显著，实验误差很小，表明根据Box- Behnken设计的实验结果拟合的回归方程具有实际的意义。相关系数R-Sq和调整相关系数Adj R-Sq分别达到了0.9648和0.9296，说明该模型和实际实验吻合度较好，可以用来预测超临界提取碱蓬籽中油脂的最佳条件。

由方差分析表可知，各因素对亚油酸酯得率的影响大小为：提取压力＞提取温度＞提取时间＞夹带剂流量；二次项X21、X23、X24对响应值影响显著，交互项X1X2、X2X4、X3X4对相应值影响显著，说明各个因素对超临界提取的影响不是简单的线性关系，而是复杂的曲面影响。

图1～6是4个因素对亚油酸酯得率的响应面图。

图1　提取温度、提取压力对亚油酸酯得率的响应面图Fig.1　 Response surface of extraction temperature and extraction pressure on yield of linoleate

图2　提取温度、提取时间对亚油酸酯得率的响应面图Fig.2　 Response surface of extraction temperature and extraction time on yield of linoleate

图3　提取温度、夹带剂流量对亚油酸酯得率的响应面图Fig.3　 Response surface of extraction temperature and the flow of modifier on yield of linoleate

图4　提取压力、提取时间对亚油酸酯得率的响应面图Fig.4　 Response surface of extraction pressure and extraction time on yield of linoleate

图5　提取压力、夹带剂流量对亚油酸酯得率的响应面图Fig.5　 Response surface of extraction pressure and the flow of modifier on yield of linoleate

图6　提取时间、夹带剂流量对亚油酸酯得率的响应面图Fig.6　　 Response surface of extraction time and the flow of modifier on yield of linoleate

图中反应了两个因素之间的交互作用，曲面的倾斜度是对响应值的影响程度，倾斜度越大，坡度越陡，说明影响越大；反之亦然。由图1～3可以看到，提取温度对响应值的影响是很显著的，在提取温度和其余3个因素的交互作用中，其坡度较陡，适当的温度提高可以增大溶质的扩散系数，增大溶解度；图1、4、5可知提取压力对响应值的影响显著，在等高线上可以看到其变化的密度很大，沿着压力方向移动的峰值密度较大，说明适当的增大提取压力，油脂的质量和亚油酸酯百分含量都会相应的提高；研究图2、4、6知，提取时间的坡度变化较缓，等高线上的峰值移动密度较小，说明随着时间的增长，亚油酸酯的得率一直是增长趋势，但速度变慢，说明提取时间对响应值的影响没有前两者大；图3、5、6表明，夹带剂对亚油酸酯得率有一定的影响，随着夹带剂流量逐渐增大，坡面呈现先上升后下降的趋势，；综合响应曲面的3D图谱和等高线图，提取温度和提取压力对响应值的贡献很显著。

2.3验证性试验

通过软件Design- Expert 8.0.6中的Optimization功能下的Numerical选项进行预测分析，得到最优的提取条件：提取温度为45.8℃、提取压力为23. 48MPa、提取时间为137min、夹带剂流量为0.04mL· min-1，在此条件下的亚油酸酯得率达到了15.31%。考虑到实验实际的可操作行，选取以下条件做验证性实验，提取温度为46℃，提取压力为23. 5MPa，提取时间为137min，夹带剂流量为0.04mL·min-1，进行3次验证性实验，得到的结果分别是：15.28%、15.32%、15.26%，平均值是15.29%，和预测的结果相近，所以Design- Expert 8.0.6得到的最佳条件是可靠的，优化合理。

3　结论

（1）本文对超临界提取碱蓬籽油脂中亚油酸酯进行工艺优化，使用响应面法优化实验条件，得到的最佳提取条件为：提取温度为46℃，提取压力为23.5MPa，提取时间为137min，夹带剂流量为0.

04mL·min-1，此条件下得到的亚油酸酯得率为15.29%，碱蓬籽油中亚油酸在脂肪酸中比例高达74.2 %，而且油脂中还含有微量元素、各种维生素等，是很好的食用油。

（2）超临界CO2提取碱蓬籽油脂中亚油酸酯，在文献报道中很少看到使用夹带剂，由于碱蓬籽中的亚油酸是以甘油三酯的形式存在的，组成甘油三酯的酸是多碳脂肪酸，而CO2流体是非极性的，根据相似相容原理，适当的加入夹带剂效果会更好，夹带剂选择无水乙醇，提取的效果较好，同时，实验结果证明，夹带剂的加入有助于提取的效率。

参考文献

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［3］柳仁民,张坤,崔庆新.碱蓬籽油的超临界CO2流体萃取及其GC/ MS分析［J］.中国油脂,2003,28（2）:42- 45.

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DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tg 20150161

收稿日期：2014- 11- 15

作者简介：陈然然（1988-），女，在读硕士研究生。

通讯作者：王志祥（1966-），男，教授，博士生导师，主要从事制药分离工程领域的研究和开发工作。

Optimization of supercritical CO2extraction of oils and fats from suaeda salsa seed

CHEN Ran-ran1，SHAO Rong2，YANG Jian1，WANG Zhi-xiang1*

（1. Department of Pharmaceutical Engineering, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009，China；2. School of Chemical and Biological Engineering, Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051，China）

Abstract：The Suaeda salsa seed contain plenty of oils and fats, especially unsaturated fatty acid- linoleate. The suaeda salsa was extracted by supercritical CO2method, and best conditions were determined. The effects of extraction temperature, pressure, and time and entrainer flow rate on yield of linoleate were investigated. On the basic of single factor, the process was optimized by RSM. The best extraction conditions were temperature 46℃, pressure 23.5MPa, time 137min, entrainer flow rate 0.04mL·min-1, the yield is 15.29%. The optimized process conditions are stable and reliable.

Key words：suaeda salsa；linoleate；supercritical CO2extraction；response surface methodology