陳　媛, 陶　佳, 毛秋平, 李雪輝

(華南理工大學 化學與化工學院, 廣東 廣州　510640)

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芝麻中植物油提取的加速溶劑萃取技術

陳媛, 陶佳, 毛秋平, 李雪輝

(華南理工大學 化學與化工學院, 廣東 廣州510640)

使用加速溶劑萃取技術提取黑芝麻中的植物油,通過旋轉蒸發(fā)法回收溶劑，采用重量分析法對實驗結果進行評價,以及對黑芝麻和黑芝麻粉中植物油的含量進行比較。該實驗向學生介紹了一種高效、快速、環(huán)境友好的樣品前處理方法。該實驗具有較好的可設計性,即可拓展為系列植物油提取實驗,可作為大學本科綜合及設計性分析化學實驗的教學內容。

加速溶劑萃??； 旋轉蒸發(fā)； 綜合化學實驗

樣品分析過程主要包括5個步驟，即取樣、試樣制備與處理、測定、數據處理、總結報告[1]。統(tǒng)計研究發(fā)現,樣品處理所需時間占整個分析過程的61%,而分析測定的時間僅占6%[2]。傳統(tǒng)的萃取是目前實驗室較常用的樣品前處理技術,其主要包括索氏提取、液—液萃取、超聲萃取、微波萃取和超臨界流體萃取等[3-7]。索氏提取、液—液萃取耗時長、所需溶劑量大；超聲萃取效率低、噪聲污染嚴重,長時間的超聲萃取過程對學生及實驗教學人員等的耳膜有傷害作用,超聲萃取也常伴有熱效應,對于不穩(wěn)定、易揮發(fā)或易分解的樣品,在超聲萃取過程中,會導致樣品的損失；微波萃取和超臨界流體萃取技術雖然具有萃取效果較好的特點,但存在操作繁瑣、安全性不夠高、重現性不夠好等缺點,在本科生的實踐教學過程中難以得到推廣和普及。

快速溶劑萃取技術是近年發(fā)展起來的一種在高溫(室溫～200 ℃)、高壓(標準大氣壓～20 MPa)條件下對固體或半固體樣品進行提取的前處理方法。與常規(guī)萃取方法相比,具有節(jié)省溶劑、快速、健康環(huán)保、自動化程度高等優(yōu)點[8-9],如可大大縮短萃取時間、提高萃取效率、減少萃取溶劑用量、顯著降低了單個樣品的提取成本等。目前,快速溶劑萃取技術在實驗室及工業(yè)生產過程中得到廣泛應用[10]。為普及新型加速溶劑萃取前處理技術及理論,結合化石資源日益枯竭及可再生資源高效利用的時代背景,購置加速溶劑萃取儀,設計了系列加速溶劑萃取前處理綜合分析化學實驗項目并用于植物油的提取。經過3年來的實踐教學,取得良好的實驗效果。以加速溶劑萃取技術對芝麻中植物油的提取實驗項目為例進行系統(tǒng)介紹,旨在向本科實踐教學推廣技術先進、安全、可靠的樣品前處理方法,開闊學生的眼界,倡導時尚的教學理念[11-12]。

1　實驗目的和內容

我校的本科綜合分析化學實驗是8個學時,包括兩部分的教學內容:樣品前處理和樣品的測定。每次進行實驗的學生人數為8人,兩人一組,分成4組。本實驗使用加速溶劑萃取儀對黑芝麻中的植物油進行提取,采用旋轉蒸發(fā)技術回收萃取溶劑,利用重量分析法測定黑芝麻中植物油的含量。通過該實驗,可以讓學生了解快速溶劑萃取儀的基本結構和工作原理,初步掌握快速溶劑萃取儀及旋轉蒸發(fā)儀的操作過程,學習一種重量分析法,掌握快速溶劑萃取技術提取芝麻中植物油的方法以及普及生物質資源高效利用的理念。

2　實驗原理

加速溶劑萃取儀是一種快速樣品預處理裝置,儀器結構如圖1所示。根據樣品的不同,設定的萃取時間為幾分鐘到數十分鐘不等,溶劑消耗量為幾毫升到幾十毫升。加速溶劑萃取過程包括清洗管路、預熱樣品、加載溶劑、加熱、靜態(tài)萃取、淋洗、吹掃過濾、萃取液收集等8個步驟。整個萃取過程均是在完全密閉的系統(tǒng)中進行,有效地減少了有機溶劑的揮發(fā)以及實驗人員接觸有機蒸氣的可能,屬于環(huán)境友好且健康安全的實驗項目。

圖1　儀器結構示意圖

APLE-1000的工作原理是在萃取過程中將樣品進行快速加熱,在高溫(室溫～200 ℃)、高壓(標準大氣壓～18 MPa)條件下,加速萃取溶劑在樣品體相中的擴散與滲透，并促進提取物從基體上的快速解吸,從而有效提高萃取效率并縮短提取時間，同時,在較高的溫度下,溶劑對被萃取物的溶解度高,可極大減少溶劑的用量。

3　試劑和儀器

試劑:正己烷(分析純),廣州化學試劑有限公司；硅藻土,北京吉天儀器有限公司分裝；黑芝麻,購自廣州某超市。

儀器:加速溶劑萃取儀,北京吉天儀器有限公司(APLE1000),配備33mL的樣品萃取池及收集瓶；旋轉蒸發(fā)儀,上海亞榮生化儀器廠(RE52CS-2型號),配恒溫水浴鍋,循環(huán)水真空泵。

4　實驗步驟

4.1植物油收集瓶的準備

本實驗中,直接使用旋轉蒸發(fā)儀的圓底燒瓶作為植物油收集瓶,既可減少萃取液在轉移過程中的損失,又可避免轉移過程中使用淋洗溶劑,可達到降低誤差的目的。實驗前,將干凈的圓底燒瓶放入烘箱中(102±2 ℃)進行烘干,然后冷卻(防塵)至室溫并準確稱量,精確至0.1 mg,備用。

4.2樣品處理

用天平分別稱取3.0 g硅藻土以及5.0 g(準確到0.1 mg)黑芝麻,在研缽中混合并研磨均勻,然后填裝至萃取池中,如有空隙用硅藻土填滿。

4.3樣品萃取

萃取條件:萃取溶劑為分析純的正己烷；加熱溫度110 ℃；萃取壓力10 MPa；加熱時間5 min；靜態(tài)時間5 min；淋洗體積40%；吹掃時間60 s ；循環(huán)次數2次；清洗0次；預熱溫度110 ℃ ；總萃取時間14 min；使用的萃取溶劑總量約 30 mL。

在樣品處理前預先開機,按照上述APLE萃取條件設置萃取參數,保存方法文件,準備萃取溶劑,并使儀器開始預熱。待樣品全部填充完畢后,將萃取池放在儀器樣品盤上,調出方法文件,進行依次萃取。需要注意的是,如果之前儀器使用的溶劑體系與本實驗的溶劑不同,應單獨運行“清洗”程序并操作3遍,以消除系統(tǒng)中其他殘留的溶劑可能帶來的干擾。

4.4溶劑蒸發(fā)回收

萃取完成后,將收集瓶直接連接到旋轉蒸發(fā)儀,根據萃取體系的不同等,確定旋轉蒸發(fā)條件,進行溶劑蒸發(fā)及回收,本實驗確定為40 ℃下水浴加熱蒸發(fā)。

4.5烘干稱重

待溶劑揮發(fā)完全后,將燒瓶外壁用濾紙擦拭干凈后用電吹風吹干,然后準確稱量,精確至0.1 mg。

4.6植物油的含量計算

M% = (m1-m2)×100÷m0

式中:m0(g)為黑芝麻的質量,m1(g)萃取液蒸干后圓底燒瓶的質量,m2(g)空圓底燒瓶質量。

5　結果和討論

5.1萃取池的選擇

根據加速溶劑萃取儀的工作原理,即通過快速加載溶劑,使萃取池瞬間產生高壓,強化溶劑向固體顆粒體相的滲透過程及待測物從基體上的解吸和溶解動力學過程。因此,萃取池體積越大,需要使用的原料樣品越多,所需的萃取溶劑也越多,后續(xù)溶劑回收過程的實驗時間也偏長。同時,萃取池的填充密度越大,溶劑的使用量越少,即少量的溶劑就可快速產生高壓。但如果溶劑的用量太少,可能發(fā)生不完全萃取的情況,因此,需要根據儀器配備的萃取池的體積大小來確定硅藻土及樣品的量。前期通過對比試驗,確定體積比為1∶1的樣品與硅藻土混均,萃取效果最好。如分別考察了66 mL及33 mL兩種規(guī)格的萃取池的情況,使用66 mL的萃取池體,填裝了15 g芝麻與5 g硅藻土的混合物,萃取溶劑使用量約為60 mL,植物油提取率為87%(按照黑芝麻中植物油的含量為46%計算)。當使用33 mL的萃取池時,如填裝5 g芝麻與3 g硅藻土,消耗的溶劑量為30 mL左右,植物油的提取率可達到92%。因此,選擇了33 mL的萃取池。

5.2萃取條件的優(yōu)化

首先進行了萃取溶劑的選擇。文獻調研表明,工業(yè)上經常使用石油醚及正己烷兩種溶劑來提取植物油。雖然石油醚的價格比正己烷便宜,但因為石油醚是戊烷和己烷等的混合物,純度沒有正己烷高。前期實驗中,使用石油醚的提取效果沒有正己烷好,因此,選擇了正己烷作為萃取溶劑。其次是關于萃取壓力的設定,壓力設置的最基本要求是大于萃取溶劑的臨界壓力,即保證萃取溶劑在設置溫度下呈液體狀態(tài),不會出現沸騰的情況,從而避免發(fā)生危險或導致運行故障。但是,體系的壓力也不能無限提高,要根據儀器本身耐壓指標而進行控制。設計該實驗時,嘗試在20 MPa下進行萃取,發(fā)現壓力表讀數接近20 MPa時又瞬間下降為零,在淋洗的過程中,沒有萃取相流出,即收集瓶在實驗結束時沒有收集到萃取液。說明在高壓下儀器出現故障,事后檢查儀器時發(fā)現一根管路脫落,導致漏氣和漏液的現象。對比不同壓力(10、12、15、18 MPa)下的萃取結果表明,當萃取壓力大于10 MPa時,萃取壓力對萃取效率的影響甚微。綜合考慮儀器的耐壓指標及操作過程安全性等問題,本實驗中推薦的萃取壓力為10 MPa。

5.3實驗數據分析

表1為8組學生實驗原始數據,前4組是以芝麻顆粒為原料,計算后獲得芝麻中植物油含量平均值為41.8%,低于文獻中46%的參考值。表中第3組實驗后獲得的植物油含量偏低(37.9%),事后分析表明,研磨后的芝麻粉的粒度偏大,導致萃取溶劑擴散不均,以及收集液轉移到旋轉蒸發(fā)儀時可能潤洗溶劑太少而造成了部分損失等,最終均導致偏低的實驗結果。因此,本實驗提出直接使用旋轉蒸發(fā)儀的樣品瓶作為萃取液的收集瓶,可減少實驗誤差。同時,為了考察研磨后芝麻粉的粒度對植物油提取量的影響,使用商品化的芝麻粉為原料進行萃取,結果表明(見表1),使用芝麻粉可獲得較高的提取率,及獲得芝麻粉中植物油含量為53.2%的平均值,明顯高于使用手工研磨的芝麻粉為原料的提取結果。此外,使用商品化的芝麻粉獲得的結果的相對標準偏差為0.7%,說明實驗重現性良好。

表1　實驗結果與數據分析

6　結語

介紹了關于利用加速溶劑萃取技術提取芝麻中植物油的綜合性分析化學實驗項目,旨在向本科生介紹一種更高效、快速、健康、安全、環(huán)保的樣品前處理方法,不僅可以增加本科生的學習興趣、強化環(huán)境友好、資源高效利用等意識,而且通過改變諸如原料的種類、原料的粒度及萃取過程因素(如萃取溫度、壓力及萃取溶劑的選擇等),可拓展為系列綜合性分析化學實驗。

References)

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Accelerated solvent extraction technology for extraction of vegetable oil from black sesame

Chen Yuan, Tao Jia, Mao Qiuping, Li Xuehui

(School of Chemistry and Chemical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

In this comprehensive chemical experiment,the accelerated solvent extraction technology was used for the extraction of vegetable oil from black sesame,and the rotary evaporation method was utilized for the recycle of the solvents. The experimental results are evaluated by the gravimetric analysis method,and the content of vegetable oils from both black sesame and black sesame powder were all compared. Thus,a highly efficient and environmental benign technology for the pretreatment of sample was introduced for the students. This experiment method also has well design ability,it can be developed to a series of experiments for the extraction of vegetable oil from different bioresources,and it meets well with the teaching content of the comprehensive and designing experiments for undergraduate students.

accelerated solvent extraction; rotary evaporation; comprehensive chemical experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.044

2016-03-25

華南理工大學第二批“探索性實驗”教學項目(Y1150390)

陳媛(1987—),女,廣西來賓,碩士,助理實驗師,主要從事分析化學實驗教學與研究工作

E-mail：ceychen@scut.edu.cn

李雪輝(1970—),男,湖南,教授、博士生導師,主要從事催化生物質高效轉化的研究工作及本科生教學工作.

E-mail：cexhli@scut.edu.cn

O65；G642.423

A

1002-4956(2016)9-0169-03