大果紫檀超临界CO2萃取工艺的研究

龙 军,李 宁,刘志高,马献成,黄 颖

(广西大学 林学院,广西 南宁 530000)

大果紫檀(PterocarpusmacrocarpusKurz)隶属于蝶形花科紫檀属(Pterocarpus),市面上也称之为缅甸花梨,是一种高大落叶乔木,主要产于缅甸、老挝和泰国等地,是最常见的红木家具原料之一[1-2];其心材浅红色、砖红到浅紫红色,常见深色条纹,具浓郁香气;木材结构细,纹理直,主要用于制作高级家具及工艺品[3]。大果紫檀还具有一定的药用价值,其最显著的特点之一就是有浓郁的果香味,新切面香气更加明显,香气悠远醇厚,这种香气对人的中枢神经系统能起到稳定的作用,可逐渐消除消极的心理状态,使人振奋、精神焕发。大果紫檀中的果香味主要来自木材的内含物,可能是其中的一种或者几种成分,因此若能将该类物质成功分离提取,则在医药制药领域将会具有广阔的发展与应用前景。

大果紫檀心材内含物传统的提取方法主要有水蒸气蒸馏法[4]、有机溶剂萃取法[5]。水蒸气蒸馏法容易导致原材料中一部分易溶于水的成分流失,且蒸馏温度一般偏高,沸点较低的成分容易被破坏,从而影响提取率和提取物成分的品质。有机溶剂萃取法的缺点是提取过程普遍耗时过长,部分有机溶剂在操作过程中污染大,使得所萃取的天然产物中有机溶剂残留常常超标,还得增加后续的分离工艺,步骤冗杂[6]。超临界CO2萃取技术是一种以超临界状态的CO2作为萃取剂,从固体中萃取特定成分,从而达到提取目标产物的新型分离技术。该技术操作简单、条件缓和、安全无毒无污染,且在很大程度上能保护目标产物的有效成分不被破坏,具备很多传统分离方法无可比拟的优势[7]。在20世纪70年代初, Zolse K[8]利用超临界技术成功从咖啡豆中提取咖啡因并实现产业化应用。随着超临界CO2技术日渐成熟,其应用的领域愈来愈广泛,如啤酒花有效成分的萃取、从鱼油中分离提取高度不饱和脂肪酸[9]等,也在植物精油的提取方面发挥了很大的作用[10-11]。

虽然超临界CO2萃取技术在提取天然物质方面拥有明显的优势,但是在木材内含物抽提领域,化学抽提方法依旧占据主要地位,目前国内外利用超临界CO2萃取技术提取大果紫檀心材内含物的研究鲜有报道。因此本研究以超临界CO2为萃取剂,以无水乙醇作为夹带剂,对大果紫檀心材的内含物进行了抽提，通过单因素实验和正交实验探讨了其最佳的萃取工艺,以期为木材内含物的萃取研究提供技术支持,为后续内含物的成分含量测定及活性研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大果紫檀心材刨花,由广西翰廷红木有限公司提供; CO2,食品级,纯度为99.9%;夹带剂无水乙醇,分析纯,由天津市大茂化学试剂厂提供。

HA120-50-02超临界萃取装置,南通市华安超临界萃取有限公司;2TB-50/50型高压调频泵,南通市华安超临界萃取有限公司;高速万能粉碎机,天津市泰斯特仪器有限公司; ACW-100BH-02型精密水冷却机,泰州市姜堰奥威机械有限公司; CP214 (0.0001 g)型电子天平,常州奥豪斯仪器有限公司。

1.2 实验方法

每次称取50 g处理好的物料置于萃取釜中,在夹带剂为无水乙醇的条件下,通入超临界CO2对原料中的内含物进行萃取。先以萃取压力、萃取时间、萃取温度、物料粒度为变量,选取多水平进行单因素实验,分析各个单因素对萃取率的影响，确定各个因素的实验范围。然后通过正交实验进一步优化方案,寻求最佳萃取工艺条件。

1.2.1 单因素实验设计

1.2.1.1 萃取压力实验 在萃取温度为40 ℃、萃取时间为2 h、物料粒度为刨花的条件下,测定不同萃取压力(10、15、20、25、30 MPa)对大果紫檀心材内含物萃取率的影响。

1.2.1.2 萃取温度实验 在物料粒度为刨花、萃取时间为2 h、萃取压力为20 MPa的条件下,测定不同萃取温度(35、40、45、50、55 ℃)对大果紫檀心材内含物萃取率的影响。

1.2.1.3 萃取时间实验 在萃取压力为20 MPa、萃取温度为40 ℃、物料粒度为刨花的条件下,测定不同萃取时间(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h)对大果紫檀心材内含物萃取率的影响。

1.2.1.4 物料粒度实验 在萃取时间为2 h、萃取压力为20 MPa、萃取温度为40 ℃的条件下,测定不同物料粒度(刨花、40目、60目)对大果紫檀心材内含物萃取率的影响。

1.2.1.5 萃取率的计算方法 每次称取50 g物料置于萃取缸中,以萃取时间、萃取温度、萃取压力、物料粒度为变量,选取多个水平进行单因素实验,确定各个因素的适宜范围。收集萃取物并称其重量,按下式计算萃取率:萃取率W(%)=M1/M2×100%。式中：M1表示萃取物质量(g)；M2表示物料质量(g)。

1.2.2 正交实验设计 依据单因素实验的结果,从中优选得到萃取压力、萃取时间、萃取温度、物料粒度的适宜范围，进行四因素三水平的正交实验,具体的正交实验设计见表1。

表1 正交实验各因素的水平设计

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 萃取压力对萃取率的影响 由图1可知,大果紫檀内含物的萃取率随着萃取压力的增大呈现先增后减的趋势。具体来说，在10～20 MPa压力范围内,内含物的萃取率随着萃取压力的增大而逐渐提高；在萃取压力由20 MPa继续升高至25 MPa的过程中,木材内含物的萃取率迅速增加,增长速率最快，这是因为萃取压力升高导致超临界流体密度的大幅增加，从而使萃取率迅速提高；但当萃取压力大于25 MPa后,由于压力过大会引起二氧化碳流体的密度过大,导致其流动性变差,进而影响二氧化碳流体的溶解能力,因此萃取率随萃取压力的增加反而降低。由此可见,在超临界萃取过程中,萃取压力是影响木材内含物萃取率的重要因素,但并非压力越大越好。根据以上实验结果,选择萃取压力20～30 MPa进行正交实验比较合适。

2.1.2 萃取温度对萃取率的影响 如图2所示,大果紫檀内含物的萃取率随着萃取温度的升高呈先快速持续增长然后下降的趋势。萃取温度在35～45 ℃范围内,萃取率随着萃取温度的升高而缓慢增加；在萃取温度由45 ℃升至50 ℃的过程中,内含物分子热运动加剧,导致其扩散能力增强,且使溶质更易于被溶解,因此在此过程中萃取率的增长速率最快,有明显的提升；随后在50～55 ℃升温过程中萃取率呈现下降趋势,可能是由于温度过高降低了超临界CO2流体的密度,使其溶解能力减弱,萃取能力下降。根据该单因素实验结果,萃取温度的适宜范围为45～55 ℃，故将其作为正交实验中萃取温度的取值范围。

图1 萃取压力对大果紫檀内含物萃取率的影响

图2 萃取温度对大果紫檀内含物萃取率的影响

2.1.3 萃取时间对萃取率的影响 由图3可见,大果紫檀内含物的萃取率随着萃取时间的延长呈先快速持续增长然后趋于平稳的趋势。具体而言，内含物的萃取率在2.0～2.5 h内增长速率最快；在萃取时间2.5 h之后,萃取率的增加速度趋于平缓；之后随着萃取时间的继续延长,萃取率基本保持稳定。本实验还发现，在萃取3 h之后,随着时间的继续增加,萃取物的颜色加深,为深褐色油状物质,这可能是色素等物质被萃取出来所致。总之，随着萃取时间的增加,萃取率的增长速率越来越小；而且萃取时间延长会增加能耗和萃取成本，还可能使木材内含物中的部分易挥发性物质损失掉，所以萃取时间并不是越长越好。根据该单因素实验结果,适宜的萃取时间范围为2～3 h。

2.1.4 物料粒度对萃取率的影响 从图4可以看出,大果紫檀内含物的萃取率随着物料粒度的减小呈现持续增长的趋势。当物料粒度为刨花时，内含物的萃取率最低；当物料粒度为60目时萃取率最高。这是因为物料粒度越小,物料的比表面积越大,既可以增加两相的接触面积,还有利于超临界流体向物料内部的扩散,从而增加传质效率,有利于萃取的进行。但是当物料过细时,其容易结块，在高压条件下容易被压实,从而会堵塞气路,不利于萃取的进行；而且过细物料的筛分过程会增加能耗、降低效率。故使用适中目数的物料更有利于萃取实验的进行。

图3 萃取时间对大果紫檀内含物萃取率的影响

图4 物料粒度对大果紫檀内含物萃取率的影响

2.2 正交实验结果与分析

正交实验结果(表2)表明:4个因素对大果紫檀内含物萃取率的影响大小表现为萃取压力>萃取温度>萃取时间>物料粒度；最佳萃取工艺条件为A3B3C3D3,即萃取压力30 MPa,萃取温度55 ℃,萃取时间3 h,物料为60目木粉。

为了验证该正交实验优化结果的可靠性,在上述最佳萃取工艺条件下做3次优化验证实验,测得内含物的萃取率分别为4.17%、4.24%、4.37%,平均值为4.26%,均高于表2中的萃取率数据,表明在此优化条件下可以获得最好的萃取效果。该萃取工艺具有萃取率高、萃取速度快、操作简便、原料便宜等优点,为研究木材内含物的萃取提供了重要的技术支持。

3 小结

3.1 单因素实验结果

单因素实验结果表明:大果紫檀内含物的萃取率随着萃取压力的增大而提升,但压力过高时萃取率反而降低,萃取压力最佳区间为20～30 MPa;萃取温度对萃取率的影响是双重的,萃取温度最佳区间为45～55 ℃;萃取率在萃取时间2.5 h之前增长速度较快,之后随着时间增长,萃取率提升不明显,萃取时间的最佳区间为2～3 h；萃取率随物料粒度的减小而增大,但60目与40目物料相比,萃取率提升幅度较小,且物料过细会给操作带来不便。

表2 正交实验结果及分析

3.2 正交实验结果

超临界CO2萃取大果紫檀内含物的最佳工艺为:萃取压力30 MPa;萃取温度55 ℃;萃取时间3 h;物料粒度60目。正交实验中各因素对萃取率的影响大小表现为萃取压力>萃取温度>萃取时间>物料粒度。3次验证实验得到的内含物的萃取率分别为4.17%、4.24%、4.37%,平均值为4.26%,均大于正交实验表中的萃取率数据。

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