漆籽漆蜡超临界CO2萃取工艺研究

王志龙， 陈新强， 李宇诚， 黄 浩， 刘 丽，钟 帆， 葛发欢， 李志良

(1.梅州市林业局， 广东 梅州 514011； 2.梅州市农林科学院林业研究所， 广东 梅州 514011； 3.大埔县洲瑞镇农业服务中心， 广东 大埔 514257； 4.蕉岭县福泰生物科技有限公司， 广东 蕉岭 514165； 5. 中山大学药学院，广东 广州 510006)

漆蜡(Lacquer wax)又叫木蜡、野漆果蜡等，是由漆籽果皮提取的一种天然生物蜡，成分主要为：85%～95%脂肪酸甘油酯、3%～15%游离脂肪酸， 1%～2%游离脂肪醇；其中结合脂肪酸主要是65%～80%棕榈酸、10%～20%油酸、5%～10%硬脂酸及约2%～5%二元脂肪酸(C16～C26)[1-4]。漆蜡是优良的固态植物油脂，呈淡黄色或黄绿色，手感滑腻，具有熔点高(52～53℃)、碘值低(23～25 g·100 g-1)、无毒无副作用的特点，是生物蜡中稀有珍贵的产品[2，4]。主要应用范围为：一是化妆品原料，利用漆蜡的细腻性、粘着性和延展性制造的唇膏、口红、眉笔、发蜡、润肤膏、面霜等化妆品为其中的高端产品；二是文教品原料，利用漆蜡所具有的优良接触感和润滑性制造的铅笔芯和蜡笔等是各国广泛认同的优良产品；三是离型剂，在食品生产中用作各类饼干、巧克力、糖果等的脱模和增强光亮效果；四是其他轻工业，如作为医药品涂膜剂、精密仪器的绝缘剂及润滑剂、高级家具保养剂等；五是化工原料，用于分离精制棕榈酸、硬脂酸、油酸和亚油酸等，也可以精制三十烷醇等高级脂肪醇、各种脂肪酸异丙酯，及制成各种脂肪酸金属盐等[5-7]。用途非常广泛。

我国漆树资源十分丰富，具有二千多年的栽培历史，主要分布在陕西、贵州、云南、四川、湖北等省份[8-9]。漆树品种不同，漆籽的含蜡量、脂肪酸组分和理化性质均有所差异，其中野漆树(Toxicodendronsuccedaneum)为最重要的一种采籽产蜡为主的特用经济树种，漆籽果皮含蜡量43%～61%，具开发价值。传统上漆蜡的加工提取方法主要采用压榨法和有机溶剂浸提法，但采用这两种方法存在一些缺点：一是纯粹用压榨法加工时出蜡率较低，所得粗蜡水分和杂质含量较高，品相较差，需进一步精炼；其次压榨残渣蜡残留较多(>8%)，须重新用有机溶剂浸提；三是漆籽果皮中含有多种植物色素，都极易溶解于油脂， 特别是在高温过程中氧化的色素极难从油脂中除去，使得后期脱色困难；四是有机溶剂萃取日常生产成本高，管理困难，后期除溶剂残留等精炼工艺复杂[2，10-11]。

超临界CO2流体萃取技术是一种优良的物质分离技术，同时具备精馏和液相萃取的特点，将萃取和分离过程一体化，具有萃取时间短、萃取的产品纯度高等优点，被广泛应用于植物化学物的分离和提取[12-13]，如香茅精油[14]、核桃油[15]、花椒挥发油[16]等植物油脂的提取。在漆蜡(油)的超临界提取技术上，目前研究文献较少，仅有张冲等[17]用响应曲面法优化漆蜡超临界CO2流体萃取工艺，得出漆蜡萃取最佳工艺条件为:萃取压力35 MPa，萃取温度 45 ℃，萃取时间2.5 h，CO2流量18 L·h-1，漆蜡萃取得率为32.56%；陈新强等[2]对漆蜡提取的三种方法：超临界CO2流体萃取法、有机溶剂萃取法和压榨法进行了对比分析，得出超临界CO2萃取漆蜡的平均得率为37.31%，虽低于有机溶剂萃取法，但所得漆蜡外观、品质最好，各项指标均能达到食用漆蜡的国家标准GB/T 17526，达到中国林业科学研究院林产化学工业研究所确定的精制野漆树漆蜡指标；史安伯等[18]采用超临界CO2萃取技术对漆籽籽核中的漆籽油提取方法进行了研究，得出漆籽籽核中漆籽油的最佳萃取条件为：压力25 MPa ，温度35 ℃，CO2流量1 kg·100 g-1漆籽，漆籽油萃取率为20.2%。本研究目的在于探讨超临界CO2流体萃取技术用于萃取漆蜡的效果，拟定萃取参数，指导产业化生产。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用材料采自广东省梅州市蕉岭县广福镇留畲村日本野漆树种植基地种植的日本野漆树当年成熟漆果干品(母树树龄8年)。

1.2 实验仪器与试剂

SFE330-50-72高效超临界CO2萃取装置、SFE231-50-06型超临界CO2逆流萃取装置(中山大学南药集成制造与过程控制技术研究中心与南通睿智超临界科技发展有限公司联合制造)；二氧化碳(纯度99.0%)、硫代硫酸钠标准溶液(0.1 mol·L-1)、盐酸标准溶液(0.503 6 mol·L-1)、氢氧化钾标准溶液(0.100 5 mol·L-1)(广州臻萃质检技术服务有限公司)；95%乙醇、丙酮、乙醚(分析纯，广州化学试剂厂)。

1.3 工艺流程

工艺流程：干燥漆籽→清理除杂→脱核(得含蜡果皮)→果皮破碎→制粒→超临界CO2流体萃取→漆蜡。试验以漆蜡得率为评价指标，计算公式为：

(1)

1.4 漆蜡超临界CO2萃取工艺单因素试验

1.4.1 萃取时间试验 在萃取压力为30 MPa、萃取温度为55 ℃以及相同的分离条件下(分离釜Ⅰ压力为15 MPa、温度为50 ℃，分离釜Ⅱ压力为6MPa，温度为 50 ℃，分离釜 Ⅲ 压力为6 MPa，温度为50 ℃)，分别萃取30、60、90、120 min，考察萃取时间对漆蜡得率的影响。

1.4.2 萃取压力试验 在萃取温度为55 ℃、萃取120 min以及相同的分离条件下(分离釜Ⅰ压力为15 MPa、温度为55 ℃，分离釜Ⅱ压力为6 MPa，温度为50 ℃，分离釜Ⅲ压力为6 MPa，温度为50℃)，将萃取压力分别控制为25、30、35 MPa，考察萃取压力对漆蜡得率的影响。

1.4.3 萃取温度试验 在萃取压力为30 MPa、萃取120 min以及相同的分离条件下(分离釜Ⅰ压力为15 MPa、温度为55 ℃，分离釜 Ⅱ 压力为6 MPa，温度为50 ℃，分离釜Ⅲ压力为6 MPa，温度为 50℃)，分别在萃取温度为50、55、60℃的条件下进行萃取，考察萃取温度对漆蜡得率的影响。

1.4.4 分离釜I压力试验 分离釜Ⅰ压力设3个处理，分别为9、12、15 MPa，在相同的萃取分离条件下(萃取压力30 MPa、温度55 ℃，分离釜 Ⅰ 温度55 ℃，分离釜 Ⅱ 压力为6 MPa、温度为50℃，分离釜 Ⅲ 压力为6 MPa，温度为50℃)，考察不同分离釜 Ⅰ 压力对漆蜡得率的影响。

1.4.5 分离釜I温度试验 分离釜Ⅰ温度设3个处理，分别为50、55、60 ℃，在相同的萃取分离条件下(萃取压力30 MPa、温度55 ℃，分离釜Ⅰ压力12 MPa，分离釜Ⅱ压力为6 MPa、温度为50℃，分离釜Ⅲ压力为6 MPa，温度为50 ℃)，考察不同分离釜Ⅰ温度对漆蜡得率的影响。

1.5 漆蜡超临界CO2萃取工艺优化

根据单因素试验结果，选择萃取釜压力、萃取温度、分离釜Ⅰ压力、分离釜Ⅰ温度作为考察因素，以漆蜡得率为评价指标，对整个萃取工艺进行优化。试验采用正交试验设计，按正交表L9(34)进行四因素三水平正交试验，正交设计因素水平表见表1。整个试验共计9个组合见表2，每个组合重复3次，每次进样3 500 g，分离釜Ⅱ压力为6MPa，温度为50 ℃，分离釜Ⅲ压力为6MPa，温度为50 ℃，萃取时间120 min。在得出最佳工艺组合后，以最佳工艺组合条件进行3次试验验证。

表1 正交设计因素水平表Tab.1 Orthogonal design factor level table

1.6 超临界CO2萃取漆蜡理化性质及脂肪酸组分检测

对最佳工艺组合条件进行验证萃取的漆蜡进行理化性质检测及脂肪酸组分测定。理化性质检测指标为：熔点、水分及可挥发物、酸值、碘值、皂化值；脂肪酸组分测定使用GC-MS 分析。检测方法参照陈新强[2]对漆蜡理化性质及脂肪酸组分检测的相关方法。

1.7 数据统计与处理

采用SPSS 19.0软件与Microsoft Excel 2007软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 萃取时间单因素试验 萃取时间单因素试验结果见图1，萃取时间对漆蜡萃取得率有较显著的影响，萃取开始前60 min，萃取得率增加迅速；萃取60 min后，得率的增加逐渐缓慢；90 min后萃取基本完全，漆蜡得率增加有限。通常情况下，随着萃取时间的延长，萃取得率相应的增加。因此为了尽可能萃取完全，后续试验确定采用萃取120 min进行工艺考察。

图1 萃取时间对漆蜡得率的影响Fig.1 Effect of extraction time on extraction process

2.1.2 萃取压力单因素试验 萃取压力单因素试验结果见图2：萃取压力对漆蜡萃取得率有较显著的影响，当萃取压力小于30 MPa时，漆蜡萃取得率随着萃取压力的增大提高明显；当萃取压力大于30 MPa时，漆蜡萃取得率随着压力增大，增加不显著。通常萃取得率随萃取压力的升高而增加，这是由于萃取压力的升高使超临界CO2流体的密度增大，对物质的溶剂能力增强，因此更多的组分被萃取出来。但是，当萃取压力增加到一定程度后，萃取率因压力增加而变缓慢，而且萃取压力的增加会增加萃取成本以及萃取物中杂质的含量增多，而增加的萃取物并非所需目标成分，反而影响产品的质量。因此，30 MPa是较为合适的萃取压力。

图2 萃取压力对漆蜡得率的影响Fig.2 Effect of extraction pressure on extraction process

2.1.3 萃取温度单因素试验 萃取温度单因素试验结果见图3：萃取温度对漆蜡萃取得率有较显著的影响，在萃取温度小于55 ℃时，萃取率随温度的增加增长较显著，当温度达到55 ℃时，萃取率最高，温度大于55 ℃时，萃取率有趋于下降的趋势。温度是影响超临界CO2萃取的一个重要因素：一方面，萃取温度升高使萃取目标成分的挥发性增加，扩散系数增大，增加萃取物质在流体中的浓度，萃取率升高；另一方面，萃取温度升高，超临界流体密度降低，其溶解能力下降，萃取率降低，当这两个影响达到某种平衡时，萃取得率最大。这说明温度变化会引起漆蜡萃取得率的变化。因此，较适合的萃取温度为55 ℃。

图3 萃取温度对漆蜡得率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction process

2.1.4 分离釜Ⅰ压力单因素试验

分离釜Ⅰ压力单因素试验结果见图4。可以看出，漆蜡萃取得率在分离釜Ⅰ压力为12 MPa之前，随着分离釜Ⅰ压力升高而升高，达到12 MPa后反而随压力升高而降低。

图4 分离釜I压力对漆蜡得率的影响Fig.4 Effect of pressure of separating kettle I on the yield of rhus wax

2.1.5 分离釜Ⅰ温度单因素试验 分离釜Ⅰ温度单因素试验结果见图5。可以看出，分离釜Ⅰ温度对漆蜡萃取得率的影响与分离釜Ⅰ压力对漆蜡萃取得率的影响情况相似，在55 ℃时得率最高。

图5 分离釜Ⅰ温度对漆蜡得率的影响Fig.5 Effect of temperature of separating kettle I on the yield of rhus wax

2.2 超临界CO2萃取漆蜡工艺优化

超临界CO2萃取漆蜡工艺优化正交试验结果见表3。方差分析表明(见表4):萃取压力间的F=974.475，P<0.01，差异极显著；萃取温度间的F=64.853，P<0.01，差异极显著；分离釜Ⅰ温度间的F=53.447，P<0.01，差异极显著；分离釜Ⅰ压力间的F=434.269，P<0.01，差异极显著。Eta值显示各试验因素对漆蜡萃取率的影响程度顺序为：萃取压力>分离釜Ⅰ压力>萃取温度>分离釜Ⅰ温度。F检验结果表明，不同萃取压力、萃取温度、分离釜Ⅰ压力、分离釜Ⅰ温度对漆蜡萃取得率都有极显著影响，故应考察各因素的多重比较结果，选出最优组合。从多重比较分析结果可知(见表5)，显示萃取釜压力采用30 MPa、萃取釜温度采用55 ℃、分离釜Ⅰ压力采用9 MPa、分离釜Ⅰ温度采用为55 ℃时，漆蜡得率均显著高于其他两个水平。同时根据试验操作实际来看，分离釜Ⅰ压力采用12 MPa的分离及出料效果均比9 MPa的好，因此，最佳工艺组合为：萃取釜压力30MPa、萃取釜温度55 ℃，分离釜Ⅰ压力12 MPa、温度为55 ℃，分离釜Ⅱ压力为6 MPa、温度为50℃，分离釜Ⅲ压力为6 MPa，温度为50 ℃，萃取时间120 min。以最佳工艺组合条件进行验证试验3批样品，结果见表6，验证3批漆蜡的平均萃取得率为36.45%，表明最佳工艺组合的萃取效果比较理想。

2.3 超临界萃取漆蜡理化指标及脂肪酸组分

超临界萃取的漆蜡的脂肪酸组成主要为：棕榈酸、硬脂酸、亚油酸、油酸及二十烷酸(花生酸)，见表7，其中棕榈酸、油酸和硬脂酸共约占92%～95%。

超临界萃取漆蜡的理化指标检测结果见表8。

表3 萃取漆蜡工艺优化正交试验结果Tab.3 Orthogonal test results of optimization of extraction process of rhus wax

表4 方差分析表Tab.4 ANOVA table

表5 主要影响因素的比较分析Tab.5 Comparative analysis of main influencing factors

表6 正交优化组合萃取漆蜡得率Tab.6 Extraction yield of rhus wax by orthogonal optimization

表7 超临界CO2萃取漆蜡的脂肪酸组分Tab.7 Fatty acid components of rhus wax extracted by supercritical CO2

表8 超临界CO2萃取漆蜡的理化指标Tab.8 Physicochemical indexes of rhus wax extracted by supercritical CO2

3 结论与讨论

(1)由单因素及正交试验可知， 超临界CO2流体萃取日本野漆树漆籽果皮漆蜡的最佳工艺条件为:萃取釜压力30 MPa、萃取釜温度55 ℃，分离釜Ⅰ压力12 MPa、温度为55 ℃；分离釜Ⅱ压力为6 MPa、温度为50 ℃；分离釜Ⅲ压力为6 MPa，温度为50 ℃，萃取时间120 min。在此工艺条件下， 漆蜡的平均萃取得率为36.45%。以漆蜡萃取得率为考察指标， 考察各试验因素的影响程度大小，结果表明各试验因子的影响顺序为：萃取压力>分离釜Ⅰ压力>萃取温度>分离釜Ⅰ温度。

(2)通过对超临界萃取漆蜡的GC-MS色谱分析， 其脂肪酸组分主要为：棕榈酸、硬脂酸、亚油酸、油酸及二十烷酸(花生酸)，其中棕榈酸、油酸和硬脂酸共约占92%～95%，此结果与唐丽等[19]的检测结果相似。对超临界萃取漆蜡的理化性质进行分析，结果为：熔点53 ℃、酸值21.61～25.96 mg·g-1、碘值34.79～36.82 g·100 g-1、皂化值198.29～214.65 g·100 g-1。