李躍金，胡晉昭

（1.濱州學院化工技術(shù)研究中心，山東濱州256603；2.濱州市液態(tài)污染物綜合利用技術(shù)重點實驗室，山東濱州256603；3.山東省工業(yè)污水資源化工程技術(shù)研究中心，山東濱州256603）

超臨界萃取花椒中主要成分

李躍金1，2，3，胡晉昭1

（1.濱州學院化工技術(shù)研究中心，山東濱州256603；2.濱州市液態(tài)污染物綜合利用技術(shù)重點實驗室，山東濱州256603；3.山東省工業(yè)污水資源化工程技術(shù)研究中心，山東濱州256603）

采用超臨界流體萃取技術(shù)萃取花椒油脂，通過單因素試驗和正交試驗設計，研究花椒粉粒度、萃取壓力、萃取時間和萃取溫度等因素對花椒油脂的萃取率的影響，找到最佳的工藝條件。研究結(jié)果表明最佳工藝參數(shù)為花椒粉粒度60目、萃取壓力15 MPa、萃取時間1.5 h、萃取溫度45℃、CO2流量5 L/h～10 L/h。在此條件下，花椒油脂的萃取率可達12.27%以上。影響提取率的主次因素為萃取溫度＞萃取壓力＞萃取時間。

超臨界CO2流體；萃??；花椒油脂

花椒是一種重要的食品。除用作食品外，花椒的莖、根、葉、果實都可用作藥材，具有活血散瘀及鎮(zhèn)痛、治療嘔吐、鎮(zhèn)靜等功效［1］，另外在抗腫瘤、抑菌殺蟲、抗炎等方面具很好的藥理活性和價值［2-4］。其中的花椒油脂揮發(fā)性成分在醫(yī)療上應用尤為廣泛［5-8］?；ń酚椭瑩]發(fā)性成分中極性較大的化學成分主要對細菌起抑制作用［9］，而極性較小的化學成分主要對真菌起抑制作用；較低濃度的花椒油脂的揮發(fā)性成分對人肺癌細胞株有誘導細胞凋亡的作用［10］，較高濃度的花椒油脂的揮發(fā)性成分對人肺癌細胞株有較強的殺傷作用；花椒油脂的揮發(fā)性成分還具有抗豚鼠實驗性動脈粥樣硬化形成的作用［11］；袁方曙等證明花椒油脂的揮發(fā)性成分治療蠕形螨病無毒高效［12］。

傳統(tǒng)的花椒油脂的加工方法有蒸餾和有機溶劑萃取等方法，這些傳統(tǒng)方法往往會造成花椒油脂中某些熱敏感性或化學不穩(wěn)定性的成分在加工過程中遭到破壞，從而改變了花椒的營養(yǎng)價值和獨特的風味［13］。超臨界CO2流體萃取是利用超臨界狀態(tài)下的CO2流體作為萃取劑，從液體或固體物料中萃取出某種成分的一種新型分離技術(shù)［14］，它克服了傳統(tǒng)萃取法費力費時、回收率低、操作繁瑣、污染嚴重等系列問題，特別是消除了使用有機溶劑萃取法對環(huán)境和人體的危害，因此被喻為“綠色環(huán)保技術(shù)”。用超臨界CO2萃取萃取技術(shù)萃取的花椒油脂由于無毒、無有機溶劑殘留［15-16］萃取后不經(jīng)過加工便可直接用于食品工業(yè)。超臨界萃取技術(shù)已廣泛應用于香料工業(yè)［17］、化妝及醫(yī)藥、食品等各個領域［18-20］。

1材料與方法

1.1材料與設備

實驗材料：花椒：陜西韓城大紅袍花椒；食用級CO2（純度99.9%）。

實驗設備：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，電動粉碎機：浙江九陽股份有限公司；標準篩：浙江上虞市道墟張興紗篩廠。

1.2方法

1.2.1測定方法

花椒經(jīng)除雜質(zhì)、篩選、烘干后粉碎過篩。將精確稱取粉碎好的一定粒度的花椒粉放入料筒置于萃取釜中，在設計好的萃取條件下進行超臨界CO2萃取，溶解有花椒油脂的超臨界CO2流體在分離釜中經(jīng)過減壓、升溫等過程，萃取結(jié)束后，萃取物在分離釜中分離、收集、獲得花椒油脂并進行精確稱量［21］，計算出花椒油脂的萃取率。

萃取率的計算公式如下：

萃取率=花椒萃取物重量（g）/花椒總重量（g）× 100%

1.2.2超臨界CO2萃取大豆油的單因素試驗設計

在CO2流量為14 L/h～16 L/h條件下研究影響萃取率的因素：壓力、溫度、顆粒度、萃取時間等因素進行單因素試驗。

1.2.3大豆超臨界CO2萃取正交試驗設計

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，選擇影響花椒油萃取率的各因素的水平進行正交試驗，采用三因素三水平正交表進行正交試驗。

2結(jié)果與討論

2.1單因素試驗結(jié)果分析

2.1.1花椒粒度對花椒油脂萃取率的影響

花椒粒度對花椒油脂萃取率的影響見圖1。

花椒油脂的萃取率隨花椒粒度的增加而增加，但當粒度大于60目時，油脂的萃取率有所下降，原因是物料粉碎粒度對花椒油脂的萃取率有雙向影響：一方面通過破碎，物料粒度減小增加了花椒顆粒與二氧化碳萃取劑的接觸面積，減小了傳質(zhì)的阻力，有利于提高萃取率；另一方面由于萃取釜壓力較高，過細的物料就會在萃取釜中被壓實，極大的增加了物料的堆積密度，致使花椒油脂的液滴穿不過物料層而進入二氧化碳萃取劑主體，從而導致油脂萃取率的降低［22］。過細的物料在高壓下還可導致萃取釜中燒結(jié)板及管路的堵塞及對儀器造成損壞。因此，實驗表明花椒粒度不宜過小，綜合考慮選用的花椒的粒度為60目。

圖1　花椒粒度對花椒油脂萃取率的影響Fig.1The impact of pepper grain size on the pepper oil extraction rate

2.1.2萃取時間對花椒油脂萃取率的影響

萃取時間對花椒油脂萃取率的影響見圖2。

圖2　萃取時間對花椒萃取率的影響Fig.2The impact of the extraction time on the extraction rate of pepper

花椒油脂萃取率隨萃取時間增加而增加，在1.5 h前，花椒油脂萃取率增加非常明顯，萃取1.5 h后花椒油脂萃取率增加不明顯。若萃取時間過短，則無法將油脂萃取完全；萃取時間過長，則萃取所需成本相應增加。因此，出于經(jīng)濟角度考慮萃取時間不宜過長。

2.1.3萃取壓力對花椒油脂萃取率的影響

萃取壓力對花椒油脂萃取率的影響見圖3。

花椒油脂的萃取率隨萃取壓力的增加而增加，因為增加壓力會增加CO2的密度從而使花椒油脂在CO2中的溶解度增加，并且減少了傳質(zhì)距離，增加了傳質(zhì)效率，因此，增加萃取壓力有利于花椒油脂的萃取。但是過高的壓力不僅會增加設備的投資和操作費用，而且還會對花椒油脂的純度造成影響，故壓力不宜過高。

圖3　萃取壓力對花椒油脂萃取率的影響Fig.3The impact of extraction pressure on the oil extraction rate of pepper

2.1.4萃取溫度對花椒油脂萃取率的影響

萃取溫度對花椒油脂萃取率的影響見圖4。

圖4　萃取溫度對花椒油脂萃取率的影響Fig.4The impact of extraction temperature on pepper oil extraction rate

花椒油脂的萃取率隨溫度的升高先升高再下降。壓力一定時，溫度的升高，有利于花椒油脂的揮發(fā)，從而有利于萃取過程的進行。但是溫度的升高使二氧化碳流體的密度降低，溶解花椒油脂的能力相應下降。當二氧化碳流體溶解能力的下降程度對花椒油脂萃取率的影響超過升溫增加花椒油脂揮發(fā)能力對其萃取率的影響時，萃取率下降。溫度對超臨界萃取效果的影響是這兩種因素互相作用的結(jié)果。而且萃取設備對萃取溫度有一定限制。因此，不宜在過高的溫度下進行花椒油脂的萃取。

2.2正交試驗

根據(jù)單因素所確定的水平范圍，做三因素三水平正交試驗，正交試驗結(jié)果及分析見表1。

由表1可以得出，最佳工藝條件：A1B3C3，即萃取溫度45℃，萃取壓力15 MPa，提取時間1.5 h，在最佳工藝條件下，花椒油提取率達到12.26%以上。由3個因素的極差得出影響提取率的主次因素為萃取溫度＞萃取壓力＞萃取時間。

表1　正交試驗結(jié)果及分析Table 1Results of orthogonal test and analysis

2.3最佳工藝驗證試驗

在正交試驗所確定的最佳萃取條件下進行二氧化碳超臨界流體萃取花椒油脂的驗證試驗，結(jié)果見表2。

表2　最佳工藝驗證試驗Table 2Best process validation test

驗證試驗結(jié)果表明：在最佳萃取條件下采用超臨界二氧化碳流體萃取花椒油脂的最大萃取率為12.27%。

3結(jié)論

1）超臨界CO2萃取花椒油脂單因素試驗結(jié)果表明：花椒粉粒度以60目最佳，萃取時間為1.5 h，萃取壓力為25 MPa，萃取溫度為45℃。并由單因素實驗結(jié)果確定了正交實驗3個因素的水平：萃取壓力分別為15、20、25 MPa；萃取溫度分別為35、40、45℃；萃取時間分別為0.5、1.0、1.5 h。

2）由正交試驗得出在CO2流量5 L/h～10 L/h下花椒油脂提取的最佳工藝條件是：花椒粒度為60目，萃取溫度45℃，萃取壓力15 MPa，萃取時間1.5 h，在最佳工藝條件下，花椒油脂的萃取率最大可達到12.27%。并由3個因素的極差得出影響花椒油脂萃取率的主次因素為萃取溫度＞萃取壓力＞萃取時間。

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Supercritical Extraction of Main Components in Zanthoxylum

LI Yue-jin1，2，3，HU Jin-zhao1
（1.Department of Chemistry and Chemical Engineering，Binzhou University，Binzhou 256603，Shandong，China；2.Key Laboratory for Comprehensive Utilization of liquid pollutants of Binzhou City，Binzhou 256603，Shandong，China；3.Engineering Research Center for Industrial Waste Water Reclamation of Shandong Province，Binzhou 256603，Shandong，China）

The aim of this manuscript was to investigate the effects of process parameters on the extracted rate of the pepper oil by supercritical CO2fluid.Those parameters include extracting pressure，time，temperature and dosage，the optimal process conditions were found.The results showed that the optimum process parameters were determined by single facter，orthogonal experiment and listed as follows pepper powder particle size 60 mesh，extraction pressure 15 MPa，extraction time 1.5 h，extraction temperature 45℃，CO2flow rate of 5 L/h-10 L/h. Under this condition，extraction rate of pepper oil up to more than 12.27%.Primary and secondary factors which affected the extraction rate were extraction temperature＞extraction pressure＞extraction time.

supercritical CO2；extraction；pepper grease

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.11.012

2014-01-07

李躍金（1983—），男（滿），講師，碩士，主要從事工業(yè)污染物的資源化技術(shù)及天然產(chǎn)物提取研究。