新疆棉籽油脱臭馏出物中甾醇的超临界CO2萃取工艺研究

史学伟,程卫东,肖婧

新疆棉籽油脱臭馏出物中甾醇的超临界CO2萃取工艺研究

史学伟,程卫东,肖婧

(石河子大学食品学院,石河子832003)

本试验研究了利用超临界CO2萃取新疆棉籽油脱臭馏出物植物中甾醇的提取工艺。通过研究表明:当萃取压力为20 MPa,温度45℃,CO2流量为25 L/h时萃取3 h,植物甾醇的萃取率可达80.6%,经 HPLC分析其纯度达到83.24%。

脱臭馏出物;超临界CO2萃取;植物甾醇

棉籽油脱臭馏出物是棉籽油加工的副产品,约占原料的0.15%～0.45%。其主要成分是天然维生素E、植物甾醇、甾醇酯等。其中天然维生素E和植物甾醇的含量与原料油的品种、产地及精炼条件等有关。目前,新疆棉籽油产量约40万t,脱臭馏分按植物油处理量的0.3%计算,可利用的棉籽油脱臭馏出物可达1200 t,为新疆棉籽油脱臭馏出物中植物甾醇的提取研究提供了良好的物质基础[1-2]。

植物甾醇已应用于临床医学、甾体药物原料、化妆品和促进动物生长等方面。在食品工业中,植物甾醇和植物甾烷醇作为食品添加剂中的降胆固醇成分正日益受到人们的重视。美国FDA(美国食品和药物管理局)己经批准添加植物甾醇的食品可使用“有益健康”标签。近几年来,我国植物甾醇的需求量大大增加。据2008年国际市场甾体激素类药物原料药统计,全世界每年植物甾醇需要量为2万 t。我国制药企业每年对雄烯二酮的需求量约6000 t,其中约3000 t来自植物甾醇生产。由于天然生育酚和甾醇都混溶于脱臭馏出物中,它们都是低挥发性物质,在高温下易氧化、酯化而变质。因此,提取纯化难度大。至今国内只有少数几家单位先后采用真空蒸馏、分子蒸馏技术建立了分离植物甾醇的车间。大量的精炼副产物-脱臭馏出物中的植物甾醇的合理利用已成为亟待解决的课题。因此,研究从廉价的油脂副产品中提取高附加值植物甾醇具有重要的经济和社会意义[4-5]。

本试验拟对新疆棉籽油脱臭馏出物进行SCFCO2萃取,以期为棉籽油脱臭馏出物的开发利用以及植物甾醇的生产加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

棉籽油脱臭馏出物产自新疆石河子粮油加工厂。

1.2 主要仪器

ISCO超临界流体萃取系统(ISCOTM-2-1O型超临界萃取主机,2台260D型柱塞泵及泵控仪),HA-120-40-O1型超临界萃取装置(江苏南通华安超临界萃取设备有限公司),LC-14C型高效液相色谱测定系统。

1.3 方法

1.3.1 超临界萃取工艺流程[3]

棉籽油脱臭馏出物→上样SCF-CO2动态萃取→分离馏出物(分析萃取率)→(-20℃)冷冻保存,分析备用。

1.3.2 棉籽油脱臭馏出物植物甾醇的萃取率

1.3.3 高效液相色谱相分析条件

色谱柱:Nova-Pak C18 Column(150 mm×4.6 mm×5μm);流动相:甲醇∶水(体积比为100∶4);检测波长:205 nm;柱温:25 ℃;流速:1.0 mL/min;进样量:20μL。

1.3.4 棉籽油脱臭馏出物中甾醇SCF-CO2萃取的单因素试验及正交试验设计[6-7]

以新疆石河子粮油加工厂棉籽油脱臭馏出物为原料,按照超临界流体萃取的工艺方法,结合参考资料,对超临界CO2萃取技术中萃取压力,萃取温度,萃取时间,CO2流量进行单因素考查。在以上研究基础上,进行超临界CO2萃取棉籽油脱臭馏出物中甾醇工艺条件的优化,考查因素水平表如表1。

表1 棉籽油脱臭馏出物中甾醇SCF-CO2萃取正交试验因素水平Tab.1 The orthogonal on the SCF-CO2 treatment

2 实验结果

2.1 甾醇SCF-CO2萃取的单因素试验

2.1.1 萃取时间对甾醇提取的影响

在萃取温度40℃,分离温度50℃,萃取压力分别为20 MPa,分离压力6 MPa,CO2流量15 L/h的条件下 ,考查不同萃取时间(1、2、3、4、5 h)对甾醇萃取率的影响,结果见图1。

图1结果表明,随着时间的延长,甾醇萃取率显著升高。在超临界萃取的压强、温度及流量一定的条件下,萃取时间为4 h时,原料中甾醇的提取率开始降低。因此,棉籽油脱臭馏出物中甾醇最优萃取时间为4 h。

图1 萃取时间对甾醇提取率的影响Fig.1 Influence of time on extraction of phytosterol

2.1.2 萃取压力对甾醇萃取率的影响

在萃取温度40℃,分离温度50℃,萃取时间为4 h,分离压力6 MPa,CO2流量15 L/h的条件下,考查不同萃取压力(10、15、20、25、30 MPa)对甾醇萃取率的影响,结果见图2。

由图2可知,随着萃取压力的增加,甾醇萃取率呈上升趋势,而在大于25 MPa时甾醇萃取率呈下降趋势。因此,棉籽油脱臭馏出物中甾醇最优萃取压力为25 MPa。

图2 萃取压力对甾醇提取率的影响Fig.2 Influence of pressure on extraction of phytosterol

2.1.3 萃取温度对甾醇萃取率的影响

在萃取压力为20 M Pa,分离压力6 M Pa,CO2流量15 L/h,萃取时间为4 h的条件下,考查不同萃取温度(35、40、45、50、55 ℃)对甾醇萃取率的影响,结果见图3。

由图3可知,萃取温度<45℃,甾醇萃取率随温度的变化显著,而萃取温度>45℃之后,甾醇萃取率随温度升高显著降低。因此,棉籽油脱臭馏出物中甾醇最优萃取温度为45℃。

图3 萃取温度对甾醇提取率的影响Fig.3 Influence of temperature on extraction of phytosterol

2.1.4 CO2流量对甾醇萃取率的影响

在萃取压力25 MPa,萃取温度45℃,分离温度50℃,萃取时间4 h,分离压力6 MPa考查不同CO2流量(10、15、20、25、30 L/h)对甾醇萃取率的影响 ,结果见图4。

由图4可知,甾醇萃取率随CO2流量变化比较显著,在流量>20 L/h时,曲线随流量的增加呈下降趋势,这可能是由于随着CO2流量的增加,使甾醇与超临界流体达到溶解平衡而被萃取出来,甾醇萃取率反而有所下降。当CO2流量增加时,CO2流速增大,由于物料在加热状态下呈液态,则部分物料被超临界CO2夹带出来,从而导致甾醇损失较大,故不能采用过大的流量。因此,棉籽油脱臭馏出物中甾醇最优CO2流量为20 L/h。

图4 二氧化碳流量对甾醇提取率的影响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)试验[8]

在以上单因素试验的基础上,对萃取压力、萃取温度、CO2流量及萃取时间进行正交优化,结果如表2所示。

表2 棉籽油脱臭馏出物中甾醇SCF-CO2萃取正交试验Tab.2 the result of the orthogonal on the SCF-CO2 treatment

由表2可知,正交试验中影响因子的先后顺序为:C>D>A>B,即CO2流量对棉籽油脱臭馏出物中甾醇萃取率影响最为显著,温度影响最小。最佳水平组合为A1B2C3D1,即萃取压力为20 MPa,萃取温度为45℃,CO2流量为25 L/h,萃取时间为3.0 h,依照此水平进行萃取试验验证,得出棉籽油脱臭馏出物中甾醇萃取率为80.6%,比最优组高出2.1%。

2.3 棉籽油脱臭馏出物中甾醇的组成测定

色谱分析结果如图4所示,依次为菜籽甾醇、豆甾醇、菜油甾醇、β-谷甾醇。对图4采用面积归一化方法,测定了棉籽油脱臭馏出物中各甾醇组分的质量分数,分析结果见表3。

从表3可以看出棉籽油脱臭馏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,含量分别为 14.35%、10.09%、23.62%、35.18%,甾醇纯度达到83.24%。

图4 植物甾醇液相色谱Fig.4 HPLC pattern of standardized phytosterol

表3 棉籽油脱臭馏出物中甾醇组成Tab.3 Phytosterol components of cottonseed oil deodorizer distillate

3 讨论

1)采用SCF-CO2法对棉籽油脱臭馏出物进行萃取时,影响因素依次为:CO2流量>时间>压力>温度,萃取压力为20 MPa,萃取温度为 45℃,CO2流量为25 L/h,萃取时间为3.0 h,依照此水平进行萃取试验,甾醇萃取率为80.6%。

2)棉籽油脱臭馏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,含量分别为14.35%、10.09%、23.62%、35.18%,甾醇纯度达到83.24%。

[1]雷炳福.油脂脱臭馏出物的组成与市场前景[J].中国油脂,2002,27(1):75-78.

[2]王兴国,汪勇,胡学言.大豆磷脂的超临 CO2萃取研究[J].中国油脂,2000,25(2):29-31.

[3]刘福祯,高欣.天然植物甾醇的应用与提取工艺[J].化工进展,2002(1):49-53.

[4]师梓文,付其仲.杏仁油的物化性能及其脂肪酸组成的分析[J].粮食与食品工业,1999,17(5):506-507.

[5]姚专.植物甾醇的开发现状和发展趋势[J].粮食与食品工业,2003(3):22-24.

[6]裘爱泳,吴时敏.脱臭馏出物中植物甾醇的回收[J].中国油脂,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

新疆兵团科技支疆专项(2008zj31)

史学伟(1980-),男,讲师,硕士生,专业方向为食品质量安全与食品分析。

程卫东(1969-),男,副教授,从事食品质量安全与食品分析的研究。