亚临界萃取棉酚工艺研究

荣梦杰，金云倩，王延琴

（中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000）

0 引言

不同棉花品种中棉籽仁含量约为50%～55%[1]，棉籽仁中含有棉酚约1.6%～2.8%，由于棉酚对人和动物有害，使得棉副产品不能有效被利用，制约了棉籽资源在饲料和食品等方面的应用。然而，随着科学技术的发展，发现棉酚在农业、工业和医药方面有着广泛的用途。在农业上棉酚除了有抗虫的作用[2]，还能抑制植物生长发育[3]；在工业上常被作为抗氧化剂、阻燃剂、稳定剂、灭鼠剂等[4]；在医药方面棉酚具有男子节育[5]、抗结核、抗肿瘤[6]和治疗妇科疾病[7]等功效。中国是一个产棉大国，每年棉籽的产量约为750万t。如果以棉酚占棉籽1%的含量计，每年棉酚的产量约为7万t，天然棉酚的价格是黄金的20倍，因此，研究棉酚的萃取工艺，从棉籽中萃取出棉酚，不仅能对棉副产品进行脱毒处理，充分开发利用我国棉籽蛋白资源，促进养殖业和食品业的发展，还能将其充分利用起来，变废为宝，对于中国的油脂企业来说也将是一笔巨大的财富。

目前，棉酚的提取方法主要为有机溶剂浸出法[8-12]和萃取法。祝强等[13]采用6号溶剂萃取棉籽油的同时，用甲醇萃取棉酚；邵仕香等[14]利用微波萃取技术辅助提取棉酚；Zhu等[15]通过改良的两相萃取，同时得到棉籽油、棉酚、甾醇和棉籽糖等。随着提取技术的发展成熟，亚临界萃取技术已成为一种新型提取方法[16-19]，与传统提取工艺相比，亚临界萃取技术具有低温萃取、节能环保、脱溶温度低、溶剂残留少、可以大规模工业化生产等诸多优点[20]，而且亚临界萃取技术的低温特性保证了提取物中的热敏成分不被破坏，在花椒油、大豆油、亚麻油，特别是玉米胚芽油和小麦胚芽油等多种贵重油脂的提取上已经规模化生产[21-25]。亚临界技术虽然应用广泛，但在棉酚的萃取上鲜有报道。因此，本研究尝试将亚临界技术应用于棉酚的萃取，通过控制萃取温度、萃取时间、料液比、萃取次数等影响因素分析单因素对提取率的影响，采用正交试验的方法探索提高天然棉酚得率的新方法，以期为棉副产品的脱毒、棉酚的开发应用及加快工业化进程提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

棉籽：由中国农业科学院棉花研究所生产提供，棉酚含量约为1.05%。

试剂：棉酚标准品（美国Sigma公司），磷酸，无水甲醇，无水乙醇，丙酮，均为色谱纯，二甲醚（分析纯），试验用水为超纯水。试验在河南省安阳市亚临界生物技术有限公司，于2018年7月—2019年12月份进行。

1.2 试验方法

1.2.1 前处理 试验中，将棉籽仁做了三种方式的处理，棉籽仁粉碎过40目不轧胚、棉籽仁不粉碎轧胚和棉籽仁粉碎过40目轧胚，称取50 g样品加入萃取罐中，温度设置为20℃，萃取时间30 min，次数为3次，注入萃取罐中的萃取溶剂体积为600 mL，通过考察萃取目标产物中棉酚提取率的高低筛选最佳前处理方式。

1.2.2 萃取溶剂 在常温下为气态，在中低压下可以液化的物质在理论上都可以作为亚临界萃取剂。在相同条件下，蒸气压越高的溶剂在进行亚临界萃取时所需要的萃取压力越大，对设备的压力安全性要求也就越高。本试验比较了棉酚常用萃取剂甲醇、乙醇、丙酮、二甲醚、液氨的物理特性、安全性和能耗等特点（表1），以确定合适的亚临界萃取溶剂。从表1中可以看出甲醇、乙醇和丙酮在常温下为液体，不适合作为亚临界萃取剂，二甲醚和液氨为气体，可作为亚临界萃取剂。但是，在20℃时液氨所需要的压力最高，达882 kpa，二甲醚所需的压力最低，仅0.495 kpa，同时二甲醚为不燃物质，安全性优于液氨，二甲醚的沸点低，可确保棉酚的化学性质不发生改变，二甲醚价格低、来源广，毒性极低，且二甲醚易回收，可反复利用，从而大大降低生产成本，是理想的多用途亚临界萃取溶剂。因此，本试验选择二甲醚作为亚临界萃取棉酚的萃取溶剂。

表1 亚临界极性萃取溶剂比较

1.2.3 萃取方法 棉籽仁经粉碎过40目孔径为425.0 μm的筛子轧胚预处理之后，分别取样50 g装入200目孔径为74.2 μm的筛子尼龙反应袋中，扎紧后放入萃取罐中，抽真空至100 KPa以下。采用循环热水对萃取罐进行加热，控制试验要求的萃取温度后，通过控制萃取时间、萃取次数，料液比对样品进行萃取，萃取完成后将萃取物从萃取罐中取出，放入蒸发罐中进行减压脱除溶剂，然后准确称量提取物质量，计算萃取率。

式中：M1为原料棉籽仁粉的质量，g；M2为产物的质量，g；P1为原料棉籽仁粉棉酚的含量，%；P2为产物中棉酚的含量，%。

1.2.4 分析方法 棉酚含量用高效液相色谱法进行测定。色谱条件为：色谱柱为ODS-C18(4.6 mm 250，5 μm)柱子，柱温40±1℃，流动相为体积分数为1%磷酸溶液与甲醇(15:85，v/v)，流动速度为1.0 mL/min，检测波长为235 nm。

2 结果与分析

2.1 物料预处理方法的选择

三种处理方式中，粉碎过40目筛轧胚处理方式得到棉酚提取率最高为57.1%，而直接轧胚比粉碎不轧胚得到的提取率要高（如图1）。这可能是因为棉籽仁经粉碎后的组织结构被破坏，故比直接轧胚提取率高，而粉碎轧胚后，棉籽仁粉会形成很多不规则的小薄片，与萃取溶剂的接触面积增大，且不易结块，所以棉酚的提取率最高。故棉籽仁前处理方式选择粉碎轧胚。

图1 不同预处理方式棉酚提取率

2.2 单因素试验

2.2.1 萃取温度对棉酚提取率的影响 称取粉碎过40目筛轧胚的棉籽仁50 g，溶剂体积为600 mL，萃取次数为3次，萃取时间为30 min，设置萃取温度分别为10℃、20℃、30℃、40℃和50℃进行亚临界萃取，结果如图2所示。

由图2可知，棉酚提取率随着温度的升高先升高后降低，在20℃时达到58.2%，随后出现降低的趋势。由于温度对棉酚提取率影响较为复杂，其原因可能有两方面，一方面是温度影响了亚临界萃取体系；另一方面，由于棉酚的性质比较活泼，且极易被氧化变性，温度的改变会导致棉酚的结构发生改变，使得萃取体系中的游离棉酚含量降低，从而造成游离棉酚的提取率变低。

图2 不同萃取温度棉酚提取率

2.2.2 萃取时间对萃取率的影响 称取粉碎过40目筛轧胚的棉籽仁50 g，溶剂体积为600 mL，萃取次数为3次，萃取温度20℃，料液比为1：12，设置萃取时间分别为10 min、20 min、30 min、40 min和50 min进行亚临界萃取，结果如图3所示。

从图3可以看出，随着提取时间的延长，棉酚的提取率一直升高，但变化速率在逐渐变慢，在萃取30 min时提取率已达到58.6%，之后，虽然棉酚提取率随时间延长仍在提高，但增长幅度趋于平缓。由Sovova[26]萃取模型可知，在萃取刚开始时萃取过程处于快速传质阶段，此时棉仁细胞内的棉酚分子还未向溶剂中扩散，萃取率较低，随着萃取时间的增加，萃取过程到达过渡阶段和慢速传质阶段，萃取率逐渐升高，但增长幅度变小，当棉酚扩散达到动态平衡以后，棉酚提取率趋于平缓。因此，为了节约时间，降低提取成本，提取时间应控制在30 min左右。

图3 不同萃取时间棉酚提取率

2.2.3 萃取次数对萃取率的影响 称取粉碎过40目筛轧胚的棉籽仁50 g，溶剂为600 mL，萃取温度20℃，萃取时间为30 min，设置萃取次数为1、2、3、4和5次进行亚临界萃取，结果如图4所示。

图4 不同萃取次数棉酚提取率

由图4可知，棉酚提取率随着萃取次数的增加而增大，在提取次数为4时提取率达到68.9%，但当萃取次数在4次之后，提取率升高的速率趋于变缓，由此可知，在温度、时间、料液比不变的情况下，当物料中棉酚被提取充分时，增加提取次数也不能提高提取率，而且增加次数会导致萃取时间和整体功耗的增加，所以，从生产周期及成本方面考虑，提取次数应为4次。

2.2.4 料液比对萃取率的影响 称取粉碎过40目筛轧胚的棉籽仁50 g，萃取次数为3次，萃取温度20℃，萃取时间为30 min，萃取料液比为1:8、1:10、1:12、1:14、1:16进行亚临界萃取，结果如图5所示。

由图5可知，棉酚提取率随着料液比的增加而逐渐变大，当料液比由1:8到1:12的时候，提取率由30%增加到了58.5%，棉酚的提取率明显增大，然而当料液比由1:12到1:16的时提取率增长缓慢，这是因为当溶剂量较少时，溶剂与物料接触不充分，影响萃取体系的传质过程，导致萃取率低，随着溶剂的增加，反应充分，萃取率增大。当物料中棉酚被提取充分时，增大料液比也不能明显提高提取率，故料液比在1:12时较为合适。

图5 不同料液比棉酚提取率

2.3 正交试验

在进行单因素试验后，明确了单一因素对棉酚提取率的影响。为了进一步确定以上各因素对棉酚提取率影响的大小，按L9(34)正交表进行试验，考察萃取温度(A)、萃取时间(B)、料液比(C)和萃取次数(D)四因素的3个水平对棉酚萃取率的综合影响，以棉酚萃取率作为考察指标，优化萃取工艺条件。正交水平与因素见表2，正交试验设计及结果见表3，方差分析见表4。

表2 正交设计试验因素水平表

表3 正交试验设计及结果表

表4 方差分析结果

根据极差R得出影响棉酚萃取的因素主次顺序为：A＞D＞C＞B；根据各因素的均值得出的优水平为A1、B1、C3、D3；优组合为：A1B1C3D3。从正交试验数据的直观分析和方差分析来看，选取的4个因素从总体来看并不是很显著，可以考虑以成本较低的方式来选。因此，优化的萃取工艺条件为：萃取温度为20℃，萃取时间20 min，料液比1:14，萃取次数4次。

3 讨论

有机溶剂浸出法等传统方法为棉酚的提取提供了切实可行的生产工艺，但是棉酚具有很强的生物化学活性，极易受温度、氧气等因素作用而氧化变质，而且，有机溶剂浸出法多为双溶剂，后期的溶剂脱除比较困难，溶剂回收路径延长，设备投入比较大，回收成本增加，不利于工业化生产。

本研究采用亚临界萃取方法，将研究重点放在原料的制备和萃取条件的进一步优化方面，以提高棉酚的提取率。通过单因素试验发现：萃取温度、萃取时间、料液比和萃取次数均能影响棉酚的提取效果，故本试验从萃取温度、萃取时间、料液比和萃取次数等4种因素的不同水平上，通过正交试验研究发现：棉籽仁中棉酚最佳的提取工艺条件是：萃取温度为20℃，萃取时间20 min，料液比1：14，萃取次数4次。根据极差得出影响棉籽仁中棉酚萃取效率的因素依次为：萃取温度＞萃取次数＞料液比＞萃取时间，萃取温度对棉酚的萃取效率影响最大。

本研究的工艺条件具有如下优点：（1）与传统提取棉酚的技术相比，亚临界萃取技术在低温条件下进行，既减少棉酚的氧化分解，又保证了棉籽仁中其他营养成分特性不被破坏。（2）萃取剂选择二甲醚，萃取完成后在常温常压下汽化，容易与目标成分分离，溶剂残留少。（3）二甲醚价格低、来源广、易回收，可反复利用，能够大规模生产，在一定程度上降低生产成本。但本方法也有一定的缺陷，就是提取率不太理想仅68.9%，后续有待进一步改进萃取工艺，提高棉酚的萃取率。