栀子黄色素的二氧化碳超临界萃取研究

李 雄 ，陈茜文

（1.中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2.湖南科技职业技术学院，湖南 长沙 410004）

栀子黄色素是从栀子果实中提取出来的一类着色力强的天然水溶性类胡萝卜素，是国内外市场需求量占第二位的天然色素，广泛应用于食品、化妆品、药品等行业。据报导，国内对栀子鲜果的需求量在200万t以上，而以栀子为原料提炼而成的栀子黄色素的年需求量高达3 750 t，国内约375 t。但目前全球黄素产量不足2 000 t，国内仅150 t[1-2]。这种供求矛盾必将带动栀子产业的发展。我国是世界上产栀子最多，也是最早利用栀子果实的国家。但是我国的研究主要集中在栀子黄色素的一般性质的研究上，生产栀子黄色素的技术水平较低，表现在以下两个方面：一是产品的OD值（238 nm处栀子甙的最大吸光度与440 nm处藏花素和藏花酸的最大吸光度的比值）常高达2～3以上，无法满足国际上对栀子黄色素的OD值要求；二是从栀子果实中提取栀子黄的得率较低，目前得率一般在10%左右，而栀子中栀子黄色素的含量一般可达15%上。所以，改进栀子黄色素的生产工艺，改善生产设备条件，以增加产出率，提高产品的附加值是栀子黄色素产业发展的基础和生命线[3-4]。

超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction，SFE）是一种新型的提取分离技术。最常用的超临界流体为CO2。应用CO2SFE技术提取分离天然药物有效成分，具有萃取速度快、效率高、操作简单等特点，产品中没有有机溶剂残留，所提取的有效成分具有最大的生物活性，对湿热不稳定物的萃取尤为适用。本文在结合国内外文献报道的基础上，采用SFE技术对栀子黄色素的提取进行了研究[5-6]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验原料 粉碎的栀子干果（市售），果实椭圆形或长卵圆形，长1.5～3.5 cm，直径1.0～1.5 cm。表面红黄色或棕红色，具翅状纵棱5～8条，两棱间有纵脉1条，顶端有宿萼。果皮薄而脆；子多数，扁长圆形，暗红色或红黄色。气微，味微酸而苦。

1.1.2 试验试剂 二氧化碳（纯度99.9%）；丙酮（AR，湖南师大化学试剂厂）；乙醇（AR，湖南师大化学试剂厂）；自制蒸馏水。

1.1.3 试验仪器设备 超临界CO2萃取器，江苏南通市华安超临界实业有限公司；UV-1201紫外可见光分光光度计，北京瑞利分析仪器公司；PB403-N电子天平，Mettler-Toledo Group；台式恒温振荡器，上海跃进医疗器械厂。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 对比已有文献，对影响栀子黄色素提取的几个重要因素进行正交设计。通过正交试验，考察各个因素的交互作用。并对各个因素影响程度进行比较，优化选择较好的工艺条件。

1.2.2 试验步骤 试验采用紫外分光光度（UV）法。移取适当体积的提取液于250 mL容量瓶中，加入乙醇溶液并精确定容，摇均静置5 min，在238和440 nm波长测定其吸光度。根据标准曲线确定提取液中栀子黄色素的色价，即OD值[7]。

2 结果与讨论

2.1 萃取压力、萃取温度、流体流量对栀子黄色素OD值的影响

萃取压力、萃取温度、流体流量是整个萃取工艺中最重要的3个参数。萃取压力是影响被萃取物在超临界流体中溶解度的主要因素之一。在一定范围内，当萃取压力增加，超临界流体的密度就会增大，其溶解能力增强，从而萃取率提高[8]。但当压力增大到一定程度，大部分栀子黄色素被释放溶出到超临界CO2中，此时若再增大压力，萃取率也不再增加。萃取温度对超临界流体溶解度的影响可从两方面考虑：一是温度升高后，超临界CO2流体的挥发性和扩散系数提高，这将促进栀子黄色素溶出到超临界CO2中，可提高萃取率；二是随着温度的升高，超临界CO2流体的密度和溶剂化效应下降，这又导致栀子黄色素在CO2流体溶剂中的溶解度下降。流体流量对超临界流体的萃取能力也具有双重作用：流体流量增加，一方面将减少超临界流体在物料中的传质接触时间，从而降低物质的萃取率；另一方面却因增加了传质速率和浓度差而利于物质的萃取。试验采用75%乙醇，利用CO2超临界萃取设备对萃取压力、萃取温度、流体流量3个因素进行正交试验对比来判断其对OD值的影响。每个因素设置3个水平：萃取压力为25、30、35 MPa，萃取温度为 35、40、45℃，流体流量为 8、10、12 L/h。正交试验设计及相应工艺条件下所得产品的OD值结果见表1。

表1 萃取压力、温度、流体流量对栀子黄色素OD值的影响

由表1可知影响栀子黄色素色阶高低的因素主次关系：流体流量>萃取温度>萃取压力。根据正交试验结果，同时考虑到工艺生产性价比问题，选择参考工艺参数为萃取压力25 MPa，萃取温度45℃，流体流量8 L/h，此时所得色素的色价较低。

2.2 萃取时间对栀子黄色素OD值的影响

超临界CO2萃取的过程可分为3个阶段[9]，即萃取初始阶段、转换阶段和萃取最后阶段，各个阶段的作用不同。萃取刚开始时，由于溶剂与溶质未达到良好接触，收率较低。随着萃取时间的加长，溶剂与溶质充分接触，萃取速率增大。之后，由于待分离组分的减少，传质动力降低，萃取速率也降低[10]。当萃取组分的大部分从基体中分离出后，停留在样品中的剩余溶质仅能通过萃取时间的延长而溶出。但试验中99%有效组分的萃取时间是萃取50%的10倍，通过延长时间获得回收率的少量提高的做法不经济[11]。因此，本文在固定萃取温度45℃，萃取压力25 Mpa，流量为8 L/h的情况下，研究了萃取时间对栀子黄色素OD值的影响，结果见表2。

表2 萃取时间对栀子黄色素OD值的影响

试验结果表明，栀子黄色素的萃取量随着时间的增加呈增加趋势。但2 h以后，随着时间的延长，萃取量增加幅度逐渐变缓。因此，萃取时间选择2 h左右为宜。

2.3 夹带剂对栀子黄色素OD值的影响

由于超临界CO2流体的极性较弱，极性大约在正己烷和氯仿之间。其对低分子量的脂肪烃，低极性的亲脂化合物（酯、醚、醛、内酯）有优异的溶解性能，但对强极性和高分子量物质（糖、氨基酸、淀粉、蛋白质等）很难提取，尤其对癌症和心脑血管疾病有显著效果的多糖类、皂苷类、黄酮类的提取几乎无能为力[12]。因此，添加适当极性的夹带剂或简单的改变夹带剂的比例以对流体极性加以改性，一方面可加大超临界CO2体系萃取适用范围，使其不只能萃取低极性物质，也能萃取极性物质；另一方面可大量提高萃取效率[13]。本试验兼顾了水与醇的共同作用，选择了不同浓度的乙醇－水溶液作为夹带剂进行了研究。根据文献报道[14-15]，当夹带剂的用量为3%时，效果较好。因此，在萃取温度为45℃，萃取压力25 Mpa，流量为8 L/h时，系统的研究了不同浓度的乙醇对OD值比率的影响（表3）。

表3 乙醇浓度对栀子黄色素OD值的影响

由表3可知，当乙醇的含量为60%时，所得产品的OD值最低。这是因为，如果乙醇的含量过低，则萃取效果降低，但是，如果乙醇含量过高，则很容易将其他杂质萃取入产品中，从而影响产品质量。

3 结论

本试验探讨超临界CO2流体萃取栀子黄色素的单因素实验和正交实验，考察萃取压力、萃取温度、超临界流体流量、萃取时间与栀子黄色素的OD值的关系。结果表明在萃取2 h后，用含乙醇为60%的溶液为夹带剂，采用萃取压力为25 MPa，萃取温度为45℃，流体流量为8 L/h，此时所得栀子黄色素的色价为1.0.

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