史學偉,程衛(wèi)東,肖婧

新疆棉籽油脫臭餾出物中甾醇的超臨界CO2萃取工藝研究

史學偉,程衛(wèi)東,肖婧

(石河子大學食品學院,石河子832003)

本試驗研究了利用超臨界CO2萃取新疆棉籽油脫臭餾出物植物中甾醇的提取工藝。通過研究表明:當萃取壓力為20 MPa,溫度45℃,CO2流量為25 L/h時萃取3 h,植物甾醇的萃取率可達80.6%,經 HPLC分析其純度達到83.24%。

脫臭餾出物;超臨界CO2萃取;植物甾醇

棉籽油脫臭餾出物是棉籽油加工的副產品,約占原料的0.15%～0.45%。其主要成分是天然維生素E、植物甾醇、甾醇酯等。其中天然維生素E和植物甾醇的含量與原料油的品種、產地及精煉條件等有關。目前,新疆棉籽油產量約40萬t,脫臭餾分按植物油處理量的0.3%計算,可利用的棉籽油脫臭餾出物可達1200 t,為新疆棉籽油脫臭餾出物中植物甾醇的提取研究提供了良好的物質基礎[1-2]。

植物甾醇已應用于臨床醫(yī)學、甾體藥物原料、化妝品和促進動物生長等方面。在食品工業(yè)中,植物甾醇和植物甾烷醇作為食品添加劑中的降膽固醇成分正日益受到人們的重視。美國FDA(美國食品和藥物管理局)己經批準添加植物甾醇的食品可使用“有益健康”標簽。近幾年來,我國植物甾醇的需求量大大增加。據(jù)2008年國際市場甾體激素類藥物原料藥統(tǒng)計,全世界每年植物甾醇需要量為2萬 t。我國制藥企業(yè)每年對雄烯二酮的需求量約6000 t,其中約3000 t來自植物甾醇生產。由于天然生育酚和甾醇都混溶于脫臭餾出物中,它們都是低揮發(fā)性物質,在高溫下易氧化、酯化而變質。因此,提取純化難度大。至今國內只有少數(shù)幾家單位先后采用真空蒸餾、分子蒸餾技術建立了分離植物甾醇的車間。大量的精煉副產物-脫臭餾出物中的植物甾醇的合理利用已成為亟待解決的課題。因此,研究從廉價的油脂副產品中提取高附加值植物甾醇具有重要的經濟和社會意義[4-5]。

本試驗擬對新疆棉籽油脫臭餾出物進行SCFCO2萃取,以期為棉籽油脫臭餾出物的開發(fā)利用以及植物甾醇的生產加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

棉籽油脫臭餾出物產自新疆石河子糧油加工廠。

1.2 主要儀器

ISCO超臨界流體萃取系統(tǒng)(ISCOTM-2-1O型超臨界萃取主機,2臺260D型柱塞泵及泵控儀),HA-120-40-O1型超臨界萃取裝置(江蘇南通華安超臨界萃取設備有限公司),LC-14C型高效液相色譜測定系統(tǒng)。

1.3 方法

1.3.1 超臨界萃取工藝流程[3]

棉籽油脫臭餾出物→上樣SCF-CO2動態(tài)萃取→分離餾出物(分析萃取率)→(-20℃)冷凍保存,分析備用。

1.3.2 棉籽油脫臭餾出物植物甾醇的萃取率

1.3.3 高效液相色譜相分析條件

色譜柱:Nova-Pak C18 Column(150 mm×4.6 mm×5μm);流動相:甲醇∶水(體積比為100∶4);檢測波長:205 nm;柱溫:25 ℃;流速:1.0 mL/min;進樣量:20μL。

1.3.4 棉籽油脫臭餾出物中甾醇SCF-CO2萃取的單因素試驗及正交試驗設計[6-7]

以新疆石河子糧油加工廠棉籽油脫臭餾出物為原料,按照超臨界流體萃取的工藝方法,結合參考資料,對超臨界CO2萃取技術中萃取壓力,萃取溫度,萃取時間,CO2流量進行單因素考查。在以上研究基礎上,進行超臨界CO2萃取棉籽油脫臭餾出物中甾醇工藝條件的優(yōu)化,考查因素水平表如表1。

表1 棉籽油脫臭餾出物中甾醇SCF-CO2萃取正交試驗因素水平Tab.1 The orthogonal on the SCF-CO2 treatment

2 實驗結果

2.1 甾醇SCF-CO2萃取的單因素試驗

2.1.1 萃取時間對甾醇提取的影響

在萃取溫度40℃,分離溫度50℃,萃取壓力分別為20 MPa,分離壓力6 MPa,CO2流量15 L/h的條件下 ,考查不同萃取時間(1、2、3、4、5 h)對甾醇萃取率的影響,結果見圖1。

圖1結果表明,隨著時間的延長,甾醇萃取率顯著升高。在超臨界萃取的壓強、溫度及流量一定的條件下,萃取時間為4 h時,原料中甾醇的提取率開始降低。因此,棉籽油脫臭餾出物中甾醇最優(yōu)萃取時間為4 h。

圖1 萃取時間對甾醇提取率的影響Fig.1 Influence of time on extraction of phytosterol

2.1.2 萃取壓力對甾醇萃取率的影響

在萃取溫度40℃,分離溫度50℃,萃取時間為4 h,分離壓力6 MPa,CO2流量15 L/h的條件下,考查不同萃取壓力(10、15、20、25、30 MPa)對甾醇萃取率的影響,結果見圖2。

由圖2可知,隨著萃取壓力的增加,甾醇萃取率呈上升趨勢,而在大于25 MPa時甾醇萃取率呈下降趨勢。因此,棉籽油脫臭餾出物中甾醇最優(yōu)萃取壓力為25 MPa。

圖2 萃取壓力對甾醇提取率的影響Fig.2 Influence of pressure on extraction of phytosterol

2.1.3 萃取溫度對甾醇萃取率的影響

在萃取壓力為20 M Pa,分離壓力6 M Pa,CO2流量15 L/h,萃取時間為4 h的條件下,考查不同萃取溫度(35、40、45、50、55 ℃)對甾醇萃取率的影響,結果見圖3。

由圖3可知,萃取溫度<45℃,甾醇萃取率隨溫度的變化顯著,而萃取溫度>45℃之后,甾醇萃取率隨溫度升高顯著降低。因此,棉籽油脫臭餾出物中甾醇最優(yōu)萃取溫度為45℃。

圖3 萃取溫度對甾醇提取率的影響Fig.3 Influence of temperature on extraction of phytosterol

2.1.4 CO2流量對甾醇萃取率的影響

在萃取壓力25 MPa,萃取溫度45℃,分離溫度50℃,萃取時間4 h,分離壓力6 MPa考查不同CO2流量(10、15、20、25、30 L/h)對甾醇萃取率的影響 ,結果見圖4。

由圖4可知,甾醇萃取率隨CO2流量變化比較顯著,在流量>20 L/h時,曲線隨流量的增加呈下降趨勢,這可能是由于隨著CO2流量的增加,使甾醇與超臨界流體達到溶解平衡而被萃取出來,甾醇萃取率反而有所下降。當CO2流量增加時,CO2流速增大,由于物料在加熱狀態(tài)下呈液態(tài),則部分物料被超臨界CO2夾帶出來,從而導致甾醇損失較大,故不能采用過大的流量。因此,棉籽油脫臭餾出物中甾醇最優(yōu)CO2流量為20 L/h。

圖4 二氧化碳流量對甾醇提取率的影響Fig.4 Influence of he flow rate of CO2 on extraction of phytosterol

2.2 甾醇 SCF-CO2萃取的正交L 9(34)試驗[8]

在以上單因素試驗的基礎上,對萃取壓力、萃取溫度、CO2流量及萃取時間進行正交優(yōu)化,結果如表2所示。

表2 棉籽油脫臭餾出物中甾醇SCF-CO2萃取正交試驗Tab.2 the result of the orthogonal on the SCF-CO2 treatment

由表2可知,正交試驗中影響因子的先后順序為:C>D>A>B,即CO2流量對棉籽油脫臭餾出物中甾醇萃取率影響最為顯著,溫度影響最小。最佳水平組合為A1B2C3D1,即萃取壓力為20 MPa,萃取溫度為45℃,CO2流量為25 L/h,萃取時間為3.0 h,依照此水平進行萃取試驗驗證,得出棉籽油脫臭餾出物中甾醇萃取率為80.6%,比最優(yōu)組高出2.1%。

2.3 棉籽油脫臭餾出物中甾醇的組成測定

色譜分析結果如圖4所示,依次為菜籽甾醇、豆甾醇、菜油甾醇、β-谷甾醇。對圖4采用面積歸一化方法,測定了棉籽油脫臭餾出物中各甾醇組分的質量分數(shù),分析結果見表3。

從表3可以看出棉籽油脫臭餾出物中甾醇主要主要包括油菜籽甾醇、豆甾醇、菜油甾醇、β-谷甾醇,含量分別為 14.35%、10.09%、23.62%、35.18%,甾醇純度達到83.24%。

圖4 植物甾醇液相色譜Fig.4 HPLC pattern of standardized phytosterol

表3 棉籽油脫臭餾出物中甾醇組成Tab.3 Phytosterol components of cottonseed oil deodorizer distillate

3 討論

1)采用SCF-CO2法對棉籽油脫臭餾出物進行萃取時,影響因素依次為:CO2流量>時間>壓力>溫度,萃取壓力為20 MPa,萃取溫度為 45℃,CO2流量為25 L/h,萃取時間為3.0 h,依照此水平進行萃取試驗,甾醇萃取率為80.6%。

2)棉籽油脫臭餾出物中甾醇主要主要包括油菜籽甾醇、豆甾醇、菜油甾醇、β-谷甾醇,含量分別為14.35%、10.09%、23.62%、35.18%,甾醇純度達到83.24%。

[1]雷炳福.油脂脫臭餾出物的組成與市場前景[J].中國油脂,2002,27(1):75-78.

[2]王興國,汪勇,胡學言.大豆磷脂的超臨 CO2萃取研究[J].中國油脂,2000,25(2):29-31.

[3]劉福禎,高欣.天然植物甾醇的應用與提取工藝[J].化工進展,2002(1):49-53.

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[5]姚專.植物甾醇的開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].糧食與食品工業(yè),2003(3):22-24.

[6]裘愛泳,吳時敏.脫臭餾出物中植物甾醇的回收[J].中國油脂,1997,22(3):49-50.

[7]Duford J,W King.Thermal Gradient Deacidification of Crude Rice Bran Oil Utilizing Supercritical Carbon Dioxide[J].Am Oil Chem Soc,2001,78(1):121-124.

[8]Salm Omar,Badei Girgis.Carbonaceous materials from seed hulls for bleaching of vegetable oils[J].Food Research international,2003,36:11-17.

Pur if ieation of Phytosterol from Cottonseed Oil Deodor izer Distillate by Supercr itical-CO2

SHI Xuewei,CHENG Weidong,XIAO Jing
(College of Food,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

The extraction and purification of phytosterolsf rom cottonseed oil deodorizer distillate were studied with supercritical-CO2(SCF-CO2)fluid.The results showed that the optimum reaction parameter of extracting pressure was 20 Mpa,with CO2flow-rate 25 L/h at 45℃for 3 hours.The recovery rate of p hytosterols was 80.6%,with the help of HPLC,and the sterol purity can be up to 83.24%.

deodorized soybean oil;oxidative stability SCF-CO2extraction;Phytosterol

O69

A

1007-7383(2010)05-0606-04

2010-02-26

新疆兵團科技支疆專項(2008zj31)

史學偉(1980-),男,講師,碩士生,專業(yè)方向為食品質量安全與食品分析。

程衛(wèi)東(1969-),男,副教授,從事食品質量安全與食品分析的研究。