李躍金，趙榮芳，李丹

（1.濱州學(xué)院化學(xué)與化工系 濱州 256603，2.濱州市液態(tài)污染物綜合利用技術(shù)重點實驗室 濱州 256603， 3.遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，撫順113001，4.山東省工業(yè)污水資源化工程技術(shù)研究中心濱州 256603）

大豆的主要成分是蛋白質(zhì)和脂肪。從營養(yǎng)價值看，大豆油中含棕櫚酸2.4%～6.8%，硬脂酸4.4%～7.3%，花生酸0.4%～1.0%，油酸32% ～5%，亞油酸51.7%～57%，亞麻油酸2%～10%[1]。亞麻酸也屬于必需脂肪酸，能抵抗動脈硬化及血栓，預(yù)防內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的疾病。因此大豆具有重要的使用價值。

當(dāng)今，國內(nèi)外對于大豆油的制取一般采用高溫技術(shù)和溶劑浸出技術(shù)，但上述技術(shù)存在一些弊端。利用超臨界流體的優(yōu)良溶解能力，將基質(zhì)與萃取物有效分離、提取和純化[2-3]，能夠避免傳統(tǒng)工藝的一些問題。

目前，超臨界萃取主要有CO2、C6H6、CH4、C2H6等相對分子質(zhì)量低的含碳化合物以及H2O和NH3等，工業(yè)上使用的超臨界萃取主要是CO2。超臨界CO2萃取具有以下優(yōu)點：臨界溫度31.06℃，非常接近室溫；臨界壓強適中，工業(yè)化易于實現(xiàn)；原材料價廉易得，無毒無污染，環(huán)境友好型溶劑；密度比較大，溶解能力強[4]，傳質(zhì)速率快；可重復(fù)利用，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求[5]。因此，超臨界CO2萃取技術(shù)得到廣泛應(yīng)用與研究。超臨界CO2萃取技術(shù)主要應(yīng)用于中藥成分的提取、天然香料提取及環(huán)境樣品前處理等研究[6-7]。超臨界萃取技術(shù)[8]一般考慮萃取壓力、萃取溫度、原料顆粒度、萃取時間等因素，本實驗根據(jù)單因素實驗的結(jié)果，采用正交實驗確定超臨界萃取的最佳工藝條件。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

食用級大豆購于山東德州陵縣；乙醇（95%） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。HA221-50-015型超臨界萃取裝置 江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；電子天平日本島津，電動粉碎機 浙江九陽股份有限公司；標(biāo)準(zhǔn)篩 浙江上虞市道墟張興紗篩廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 測定標(biāo)準(zhǔn) 萃取率的計算公式如下[9]：

萃取率(%)=大豆萃取物重量(g)/大豆總重量(g)×100

大豆萃取物重量=大豆原料總重量-萃取后大豆重量

1.2.2 超臨界 CO2萃取大豆油的單因素實驗設(shè)計

1.2.2.1 萃取壓力實驗 準(zhǔn)確稱取100g、粒度為20目的大豆，在萃取溫度為 40℃的條件下萃取60min。研究萃取壓力對大豆油萃取率的影響，萃取壓力分別為20、22.5、25、27.5、30MPa。

1.2.2.2 萃取溫度實驗 準(zhǔn)確稱取100g、粒度為20目的大豆，在萃取壓力為20MPa的萃取條件下萃取60min，研究萃取溫度對大豆油萃取率的影響，萃取溫度分別為40、42.5、45、47.5、50、55℃。

1.2.2.3 顆粒度實驗 準(zhǔn)確稱取100g、粒度分別為≤20目、20目、30目、40目、50目的大豆，在溫度為40℃、壓力為20MPa的萃取條件下萃取60min，考察顆粒度對大豆油萃取結(jié)果的影響。

1.2.2.4 萃取時間實驗 準(zhǔn)確稱取100g、粒度為20目的大豆，在萃取溫度為 40℃、萃取壓力為20MPa的萃取條件下，分別萃取30、45、60、75、90min，研究萃取時間對大豆油萃取率的影響。

1.2.3 大豆超臨界 CO2萃取正交試驗設(shè)計 根據(jù)單因素實驗的結(jié)果，選擇影響大豆油萃取率的各因素的水平進(jìn)行正交試驗，采用四因素三水平正交表進(jìn)行正交試驗。

表1 正交實驗因素和水平設(shè)計Table1 Factors and levels of orthogonal experimental

3 47.5 40 50 75

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果分析

2.1.1 萃取壓力對大豆油萃取率的影響 結(jié)果如圖1所示：當(dāng)壓力在20-27.5MPa時大豆油的萃取率隨著壓力的增加而增加，壓力大于27.5MPa后萃取率降低，壓力為27.5MPa萃取率達(dá)到最大值14.5%。原因是壓力適當(dāng)?shù)脑黾?，CO2進(jìn)入萃取物顆粒內(nèi)與被萃取物相互作用的能力增強，有效地克服了傳質(zhì)阻力，超臨界CO2的擴(kuò)散能力增加，密度增大，對萃取物的溶解能力增強[10-12]。當(dāng)壓力超過一定值后，隨壓力增大，擴(kuò)散系數(shù)減小，阻礙傳質(zhì)，CO2流量會增大，減少流體在物料中的傳質(zhì)時間，因而萃取率隨壓力的增大而減小[13-14]。

圖1 萃取壓力對大豆油萃取率的影響Fig.1 Effects of extraction pressure on soybean oil extraction rate

2.1.2 萃取溫度對大豆油萃取率的影響 結(jié)果如圖2所示，在溫度為45℃時，萃取率值最大為15%。與壓力相比，溫度對超臨界CO2溶解能力的影響要復(fù)雜得多。隨著溫度的增加，萃取率先增大而后減小，最后呈增大的趨勢。這是因為溫度升高，分子的相對運動增強，降低了流體的粘度，從而提高了其擴(kuò)散系數(shù)，增大溶解性，傳質(zhì)過程加快，有利于萃取[15-16]；隨著溫度升高，超臨界CO2的密度降低，導(dǎo)致其溶解能力減弱；溫度繼續(xù)升高，被萃取物的蒸汽壓升高，使物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度增加[17]。所以，超臨界CO2的溶解能力隨溫度的升高先升高再降低后升高。

圖2 萃取溫度對大豆油萃取率的影響Fig.2 Effects of extraction temperature on extraction rate of soybean oil

2.1.3 顆粒度對大豆油萃取率的影響 如圖3所示：顆粒度對大豆油萃取率的影響比較明顯。一般而言在一定范圍內(nèi)，顆粒越細(xì)，越有利于超臨界流體滲入物料內(nèi)部，也有利于溶質(zhì)進(jìn)入超臨界流體[18]。但顆粒過細(xì)，會造成原料結(jié)塊，出現(xiàn)溝流，從而使原料局部受熱不均，溝流處線速度顯著增加，產(chǎn)生很大的摩擦熱，嚴(yán)重時會使一些生物活性物質(zhì)收到破壞[19]。通過實驗，測得當(dāng)顆粒度為50目時，物料嚴(yán)重結(jié)塊，所以本實驗固定原料顆粒度采用40目。

圖3 顆粒度對大豆油萃取率的影響Fig.3 Effect of particle size on soybean oil extraction rate ofsoybean oil

2.1.4 萃取時間對大豆油萃取率的影響 結(jié)果如圖4所示：30-60min期間大豆油的萃取率隨萃取時間的增加而增加，60-90min期間大豆油的萃取率變化不大。因此，在本研究中選擇萃取時間為60min為適宜。因為當(dāng)達(dá)到一定的萃取時間后，再延長時間，萃取率基本保持不變。然而單位萃取時間內(nèi)能耗是不變的，產(chǎn)品產(chǎn)值抵不上消耗的能源，就會大大增加生產(chǎn)成本[20]。

圖4 萃取時間對大豆油萃取率的影響Fig.4 Effects of extraction time on the extraction rate of soybean oil

2.2 正交實驗結(jié)果分析

根據(jù)單因素所確定的水平范圍，做四因素三水平正交試驗，正交試驗結(jié)果及分析見表2。

表2 正交試驗結(jié)果及分析Table2 Results of orthogonal test and analysis

由表2可以得，最佳工藝條件：A2B1C3D2，即萃取溫度45℃，萃取壓力25MPa，顆粒度50目，萃取時間60min。比較四個因素的極差得出影響大豆油萃取率的因素的主次順序為：顆粒度>萃取壓力>萃取時間>萃取溫度。

2.3 最佳工藝條件驗證試驗

通過正交實驗所得到最佳萃取條件，并在此條件下進(jìn)行超臨界CO2萃取大豆油的驗證試驗，結(jié)果見表3。從驗證試驗的結(jié)果可以看出，在最佳萃取條件下，采用超臨界CO2萃取大豆油的最大萃取率為21.48%。

表3 最佳工藝條件驗證試驗Table3 The best technological condition test

3 結(jié)論

綜上所述，超臨界CO2萃取大豆中主要成分的最佳工藝條件為：萃取溫度45℃，萃取壓力25MPa，顆粒度50目，萃取時間60min，在此工藝條件下，大豆油的萃取率高達(dá)21.48%。影響大豆中主要成分萃取效果的因素的主次順序為：顆粒度>萃取壓力>萃取時間>萃取溫度。此工藝將為工業(yè)化大生產(chǎn)提供合理的參考依據(jù)。

天然產(chǎn)物中的主要成分種類繁多，各種成分的化學(xué)性質(zhì)差異很大，由于超臨界CO2極性的制約，各成分在超臨界CO2中的溶解性有很大差異，單純依靠調(diào)節(jié)萃取溫度、萃取壓力、顆粒度、萃取時間是不能得到很好地萃取效果的。所以，在進(jìn)一步的研究中，我們應(yīng)將多方面多角度考慮，并進(jìn)行研究分析，以達(dá)到更優(yōu)的萃取效果。

[1]夏劍秋,張毅方.大豆中主要成分和微量元素的功能應(yīng)用[J].中國油脂,2007,32(1):71-73.

[2]王文俠,張慧君,任健,等.超臨界二氧化碳流體萃取亞麻籽油的生產(chǎn)工藝研究[J].食品工業(yè)科技,2009,30(7) :232-234.

[3]呂薇,縱偉,王培敏,等.超臨界CO2萃取花生油工藝研究[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2011,26(1):39-42.

[4]甘芝霖,于明,胡雪芳,等.超臨界二氧化碳萃取孜然油工藝技術(shù)研究[J].食品工業(yè)科技,2010,31(8) : 283-285.

[5]苗雨欣,王昊.超臨界技術(shù)在工業(yè)催化中的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工,2010,39(10):1560-1563.

[6]丁玉明.現(xiàn)代分離方法與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:85-92.

[7] Liu H, Jiao Z G, Liu J C,et al.Optimization of Supercritical Fluid Extraction of Phenolics from Date Seeds and Characterization of its Antioxidant Activity[J].Food Analytical Methods, 2013,6(3):781-788.

[8] Keskin S, Kayrak-Talay D, Akman U,et al.A review of ionic liquids towards supercritical fluid applications[J].The Journal of Supercritical Fluids,2007,43(1):150-180.

[9]何青云,張永康,顏文斌,等.超臨界二氧化碳萃取黃柏?fù)]發(fā)油工藝[J].食品工業(yè)科技,2012,33(3) :217-219.

[10] Quitain A T, Moriyoshi T, Goto M.Coupling M icrowave-Assisted Drying and Supercritical Carbon Dioxide Extraction for Coconut Oil Processing[J].Chemical Engineering and Science , 2013,1 (1): 12-16.

[11]王文淵,唐守勇,龍紅萍,等.超臨界CO2流體萃取黃瓜葉中黃酮的研究[J].食品與機械,2011,27(6):98-100.

[12]陳秀清,丁邦東,毛云飛,等.超臨界萃取八角茴香油的研究[J].中國調(diào)味品,2011,36(10):79-85.

[13]孫國鋒,李鳳飛,等.花椒有效成分的CO2超臨界萃取工藝[J].食品與生物技術(shù)報,2011,30(6):899-904.

[14]江煒.超臨界萃取技術(shù)在辣椒紅色素中的應(yīng)用[J].南京理工大學(xué)學(xué)報,2002,26(1):79-82.

[15]劉成國,王冬冬,陳瑤,等.CO2超臨界萃取桂皮精油工藝條件的優(yōu)化[J].食品與機械, 2011, 27(2): 41-43.

[16]楊靖.葡萄籽油超臨界流體萃取工藝[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報,2008,27(3):41-44.

[17]朱子華.超臨界CO2萃取枸杞籽油數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報, 2007, 26(4): 101-104.

[18]彌宏,曲莉莉,任玉林,等.超臨界萃取中藥白芷的化學(xué)成分的氣相色譜質(zhì)譜分析[J].分析化學(xué),2005,22(3):366-370.

[19]胡圣堯,聶志妍,宋聿文,等.超臨界萃取后紫草籽中黃酮類化合物的提取及其抗氧化性研究[J].中國生化藥物雜志,2008,29(2):100-103.

[20]劉艷清,汪洪武.超臨界萃取荷花玉蘭葉揮發(fā)油及其成分分析[J].精細(xì)化工, 2008,25(6): 573-575.