超临界CO 2 萃取谷维素的工艺研究

超临界CO2萃取谷维素的工艺研究

蒋璧蔚，林文，王志祥*，张楠

(中国药科大学制药工程教研室，南京210009)

摘要：目的探究米糠中谷维素的超临界CO2萃取工艺。方法以单因素实验为基础，设计正交实验考察最佳提取工艺。结果最佳工艺条件为萃取压力30 MPa、萃取温度50 ℃、萃取时间100 min、CO2 流量1.75 L·min`(-1)，在此条件下谷维素的回收率可达到73.34%。结论优选方案稳定、可靠。

关键词：谷维素；米糠；超临界CO2萃取；正交实验

doi:10.3969/j.issn.1004-2407.2015.03.003

中图分类号：R284

文献标志码：A

文章编号：1004-2407(2015)03-0228-03

Abstract:ObjectiveTo investigate and optimize the supercritical CO2 extraction process of γ-oryzanols from rice bran.Methods

基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金资助(编号：JKQZ2013003)

作者简介：蒋璧蔚，男，在读硕士研究生

收稿日期：(2014-10-07)

Study on the supercritical CO2extraction process ofγ-oryzanolsfrom rice bran

JIANG Biwei， LIN Wen， WANG Zhixiang*，ZHANG Nan(Department of Pharmaceutical Engineering， China Pharmaceutical University， Nanjing 210009， China)

The optimal extraction process based on the single factor experiment was explored further by orthogonal tests.ResultsThe optimized extraction conditions were as follows：pressure 30 MPa，temperature 50 ℃，time 100 min，and flow of CO21.75 L·min-1.Under the optimal extraction conditions，the recovery rate ofγ-oryzanols can reach up to 73.34%.Conclusion The optimal conditions are stable and reliable.

Key words:γ-oryzanols；rice bran；supercritical fluid extraction；orthogonal test

*通信作者：王志祥，男，教授，博士生导师

米糠是谷子脱壳后加工成精米时的副产物，富含多种营养素[1]。其中的谷维素是一种以环木菠萝醇类为主体的阿魏酸酯与甾醇类阿魏酸酯组成的天然混合物[2]。目前研究发现，谷维素具有降血脂、降血糖、预防心血管疾病、抗氧化、清除自由基、抗胆固醇吸收、抑制癌细胞生长、调节中枢及心脏自主神经等功能[3-4]。临床上用于治疗植物神经功能紊乱、经前期紧张及更年期综合征[5]。

传统的谷维素制取法主要是二次碱炼法，从皂脚中提取谷维素。传统方法在制取皂脚的过程中会产生大量的谷维素损失，严重影响最终收率，而且谷维素提取过程极其繁琐。加入的酸、碱会造成大量溶剂残留，不仅增加后处理难度，且不符合绿色工艺要求。超临界萃取技术是一种集萃取、分离、浓缩为一体的新技术[6]。超临界流体萃取是利用超临界流体强的溶解能力，从天然药物中提取有效成分，再通过减压的方法将其释放出来的过程[7]。本文通过考察萃取温度、时间、压力和CO2流量等工艺参数，采用正交设计对实验进行优化，得到超临界CO2萃取谷维素的最佳工艺。

1仪器与试药

1.1仪器超临界萃取装置(7071型，美国Applied Separation公司)；高效液相色谱系统(LC-10AT型，日本岛津公司)；高速万能粉碎机(FW100型，天津市泰斯特仪器有限公司)；分析天平(BT25S型，北京赛多利斯仪器系统有限公司)。

1.2试药米糠采购于江苏省镇江市；谷维素对照品(质量分数≥99.9%，加拿大，Toronto Research Chemical Inc.)；液态CO2购于南京天泽气体有限公司，体积分数≥99.9%；正己烷(分析纯，江苏南京汉邦科技有限公司)；甲醇、异丙醇(色谱纯，江苏南京汉邦科技有限公司)。

2方法

2.1谷维素HPLC分析方法

2.1.1色谱条件Phenomenex色谱柱(250 mm×4.6 mm，4 μm)；柱温：35 ℃；流动相：甲醇-异丙醇(90∶10)；检测波长：327 nm；流速：1 mL·min-1；进样量：4 μL。

2.1.2标准曲线的制备精密称取谷维素对照品0.517 20 g，用异丙醇定容于100 mL量瓶中；用移液管精密量取1，2，3，4，5和6 mL，置于10 mL量瓶中，异丙醇定容，超声溶解。照上述色谱条件进行高效液相色谱测定，以峰面积为X、谷维素质量浓度为Y，拟合得线性回归方程：Y=35 592 067X+123 423，r=0.999 7。结果表明，谷维素质量浓度在0.52~3.10 mg·mL-1范围内线性关系良好。

2.2溶剂提取实验精确称取10.00 g米糠，加入80 mL正己烷，在60 ℃、转速为150 r·min-1的条件下，回流提取6 h，将过滤所得溶液通过旋转蒸发仪蒸去溶剂，直至质量不再发生变化后，称质量，此质量为本批次10.00 g米糠总含油量。将所得产品进行液相分析，检测谷维素含量。

2.3单因素实验将米糠干燥、粉碎后过筛，取10~100目备用。准确称取10.00 g米糠粉末，以谷维素回收率为考察指标，分别在不同萃取温度、时间、压力和CO2流量等单因素条件下开展实验。

2.4正交实验以萃取时间、压力、温度为主要影响因素，在单因素实验的基础上，设计3因素4水平L16(43)的正交实验，正交设计因素水平见表1。

表1正交实验因素水平表

Tab.1 Factors and levels of the orthogonal test

水平因素A,压力/MPaB,温度/℃C,时间/min12030402254060330508043560100

2.5谷维素回收率分析谷维素回收率的计算公式为：Y=(m×c)/(M×C)×100%，式中，m为超临界萃取所得产品量(g)；c为超临界萃取产品的谷维素含量(100%)；M为溶剂提取法所得产品量(g)；C为溶剂提取法产品的谷维素含量(100%)。

3结果与讨论

3.1溶剂提取实验一共进行3次平行实验，10.00 g米糠分别得产品0.68，0.72和0.75 g，产品中的谷维素含量依次为1.54%，1.55%和1.57%。3次溶剂提取实验平均所得谷维素量为(0.68×1.54%+0.72×1.55%+0.75×1.57%)/3=0.011 1 g，则本批次原料10.00 g米糠中含有谷维素11.1 mg。

3.2单因素实验

3.2.1萃取压力在萃取温度为40 ℃，CO2流量为1.75 L·min-1，萃取压力分别为20，25，30，35和40 MPa的条件下，萃取60 min。结果表明，在一定压力范围内，谷维素回收率随着萃取压力的升高而增加。这是因为增大压力会增高流体的密度，从而使CO2流体的溶解度增加，易于被萃取目标物溶解于流体，但是当压力增大到35 MPa时，回收率增加不明显并且略微下降，表明在此压力下，流体已基本达到了溶解度极限。综合工业化成本和安全性的考虑，萃取压力选在30 MPa左右为宜。

3.2.2萃取温度在萃取压力为30 MPa，CO2流量为1.75 L·min-1，萃取温度分别为20，30，40，50和60 ℃的条件下，萃取60 min。分析实验结果发现，谷维素回收率随萃取温度的增加而出现先增后减的现象，在50 ℃时达到极值。这是由于在一定压力条件下，升高温度会增加被萃取物质的溶解性和扩散性，从而提升回收率；同时，随着温度的升高，CO2流体的溶解度下降，则会降低回收率。考虑到设备能耗和工艺成本，选定萃取温度为50 ℃左右为宜。

3.2.3萃取时间在萃取压力为30 MPa，CO2流量为1.75 L·min-1，萃取温度为40 ℃的条件下，分别萃取40，60，80，100和120 min。实验结果显示，随着萃取时间的增加，回收率逐渐升高，当萃取时间达到80 min后，回收率增加缓慢。分析萃取原理发现，米糠中谷维素的萃取是一个不断变化的动态传质过程，随着时间延长，会增加被萃取物质与流体的接触机会，促进传质过程，从而提升回收率，当达到CO2流体溶解极限时便不再增加。从回收率和工业化生产周期的角度出发，选定萃取时间为80 min左右为宜。

3.2.4CO2流量在萃取压力为30 MPa，萃取温度为40 ℃，CO2流量分别为1.50，1.75，2.00，2.25和2.50 L·min-1的条件下，萃取60 min。由实验数据可知，谷维素回收率随着CO2流量的增加出现先增后减的趋势，回收率在1.75 L·min-1处达到峰值。这是由于在一定适宜范围内增加CO2流量会加快传质过程，便于被萃取物质溶解于流体中，但是，当CO2流量过快，被萃取物质不能与流体充分接触，消弱传质过程，回收率下降。据此，选定CO2流量为1.75 L·min-1为宜。

3.3正交实验结果分析在单因素实验数据的基础上，选定CO2流量为1.75 L·min-1，对萃取压力、温度和时间进行3因素4水平的正交实验，实验结果见表2，方差分析结果见表3。

分析表2可知，实验因素对超临界CO2萃取谷维素的主要影响程度为：A>B>C，即萃取压力>萃取温度>萃取时间；分析表3可知，萃取压力对超临界CO2萃取谷维素的影响显著，萃取温度和萃取时间不显著。萃取温度在正交实验中对结果影响不显著的主要原因是：萃取压力对实验的影响程度很大，当处于一定压力范围内时，温度的影响几乎可以忽略；分析萃取过程可知，谷维素的萃取过程分为快速萃取和慢速萃取过程，当时间处于慢速萃取过程中时，对实验的影响就很微弱。

表2正交实验结果

Tab.2 Results of the orthogonal test

实验号ABCY/%111447.05212355.01313159.27414248.45521366.21622160.46723464.06824266.54931164.721032370.281133267.501234469.621341266.111442359.171543167.501644472.83k152.4561.0262.99k264.3261.2362.15k368.0364.5862.67k466.4064.3663.39R15.583.561.24

表3正交实验结果方差分析

Tab.3 Variance analysis for results of the orthogonal test

方差来源平方和自由度均方F值P值显著性A,压力599.4393199.8137.8520.017*B,温度79.450326.4831.0410.440C,时间37.802312.6010.4950.699误差152.690625.448总和834.87215

注：*为差异显著(P<0.05)。

综合直观分析，方差分析和单因素实验可得出最佳工艺为：A3B3C4，即萃取压力为30 MPa，萃取温度为50 ℃，萃取时间为100 min，CO2流量为1.75 L·min-1(单因素实验已确定)。在此条件下进行3次平行萃取验证实验，谷维素平均回收率为73.34%，由此表明正交实验优化条件切实可行。

4结论

本文旨在探究超临界CO2萃取米糠中谷维素的工艺条件。通过单因素实验确定了最适宜的CO2流量，以单因素实验数据为依据，在单因素实验的基础上，设计了3因素4水平L16(43)的正交实验，由正交实验得出优化方案：萃取压力为30 MPa，萃取温度为50 ℃，萃取时间为100 min，CO2流量为1.75 L·min-1。在此条件下进行3次验证实验，平均回收率为73.34%。实验结果表明，优化工艺稳定可靠。本研究为超临界CO2提取谷维素的工业化提供可靠的实验数据，实验得出的最佳工艺条件能够科学有效地为工业生产提供参考。

参考文献：

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