超临界CO2流体萃取葡萄籽油工艺条件的优化

田 刚，李松田，赵晓军

(平顶山学院化学化工学院，河南平顶山 467000)

超临界CO2流体萃取葡萄籽油工艺条件的优化

田 刚，李松田，赵晓军

(平顶山学院化学化工学院，河南平顶山 467000)

采用正交设计法，在超临界CO2流体萃取装置上探索了萃取温度(50～70℃)、萃取压力(18～26 MPa)、萃取时间(1～3 h)以及原料装填量(160～240 g)对葡萄籽油萃取率的影响。萃取压力影响最大，其次为萃取温度和时间，原料装填量影响最小。结果表明，优化的萃取工艺条件为:萃取温度50℃，萃取压力26 MPa，萃取时间1 h，葡萄籽装填量200 g;此条件下，葡萄籽油的萃取率为11.23%。

超临界CO2流体;葡萄籽油;萃取;工艺条件

葡萄是世界上的重要水果，葡萄籽约占葡萄质量的4%～7%［1］。葡萄籽中富含油脂类物质，其中含有两类非常重要的化合物，即亚麻油酸和原花色素。亚麻油酸对人体血管有重要保护作用，它能降低人体中的血压血脂、软化血管、促进细胞之间的微循环，帮助人体吸收维生素C和E、增强血管细胞的活性、保护肌肤中的胶原蛋白，免于紫外线的伤害、防止黑色素的积累沉淀等;原花色素不但能够抗衰老，而且具有天然无毒的特性［2-5］。因此，葡萄籽油的提取受到广泛关注。

葡萄籽油的传统生产方法是机械压榨法和有机溶剂萃取法［5］。采用机械压榨法生产葡萄籽油，营养成分损失少，但出油率低;用有机溶剂萃取法，出油率较高，但营养成分不可避免地会溶于溶剂中，造成二次分离困难，而且有溶剂残留、产品质量不稳定等缺点［6-8］。新型的膨化浸出溶剂提取法虽然突破了传统方法局限，但此法条件控制要求高，操作不当会导致葡萄籽熟化，造成营养成分损失和后续加工困难［9］。微波辅助提取是利用微波能量来提高萃取率，物料经微波作用时，某些物质组分会根据自身性质而被选择性地加热，从而与基体分离，但微波萃取只能吸收透明或者半透明的介质，而且必须考虑萃取溶剂的极性，否则萃取效果不佳［10］。

以超临界CO2流体萃取法萃取葡萄籽油已有一些相关报道［11-12］，但相关研究试验装置较小，所得基础数据对工业规模技术开发支持不够，超临界CO2萃取法生产葡萄籽技术尚未成熟。笔者主要在公斤级超临界CO2流体萃取装置上探索了萃取葡萄籽油的工艺条件，采用正交设计试验的方法，讨论了萃取温度、萃取压力、萃取时间和原料装填量对萃取葡萄籽油的影响，分析得到了试验条件范围内，萃取葡萄籽油的优化工艺条件，以期为超临界CO2流体萃取葡萄籽油技术的工业化开发提供基础数据和理论指导。

1 试验部分

1.1 试验原料和仪器

葡萄籽:使用前，干燥，粉碎，过筛，选取粒度250～380μm(40～60目)的颗粒为原料;CO2:纯度99.99%，河南源正科技发展有限公司。

HA220-50-06型超临界CO2流体萃取装置，配备1 L和5 L两个料筒，江苏南通市华安超临界萃取有限公司;FA2004B电子分析天平，上海精科天美科学仪器有限公司;DHG-9123A真空干燥箱，郑州长城科工贸有限公司;250～380μm(40～60目)筛，上海安谱科学仪器有限公司。

1.2 试验装置和流程

超临界CO2流体萃取装置流程如图1所示。CO2气体净化后通过冷箱冷却变成液态后，由高压柱塞泵压缩升压，再经换热器升温，达到超临界态，然后流过萃取料筒，与料筒中原料葡萄籽接触，葡萄籽中易溶于超临界CO2流体的油脂类物质，随流体流动依次进入分离器Ⅰ和分离器Ⅱ。分离器Ⅰ和分离器Ⅱ前分别设置换热器来调节流体温度，使CO2流体在超临界态、液态和气态之间的转变。控制分离器Ⅰ温度为50℃，压力为8.8 MPa;分离Ⅱ器温度为35℃，压力与CO2储罐压力相同;进而达到萃取油脂与CO2流体相分离。

图1 超临界CO2流体萃取装置流程图

1.3 试验方案设计

试验采用正交试验的方法，参考相关文献报道［6，9，13-14］，并结合装置实际条件，制定因素和水平。选择萃取温度、萃取压力、萃取时间和原料装填量四个因素，分别记作A、B、C和D，各因素均取3个水平，如表1所示。根据因素水平表设计的正交试验表，如表2所示。

表1 因素水平表

表2 正交试验结果表

按表2正交试验设计随机进行每组试验。现列举一次试验详细过程，如下(第8次):称量原料240 g，装入1 L萃取料筒中。萃取料筒密封好后，放入萃取设备中。设定萃取温度70℃和压力22 MPa;萃取时间为1 h。在萃取分离过程中，保持各部分温度、压力参数恒定不变。试验结束后，分离器Ⅰ中萃取出26.68 g葡萄籽油;分离器Ⅱ中萃取出9.46 g葡萄籽油。

试验过程中发现，分离器Ⅰ中得到的油脂，呈亮黄色，色度澄清，与一般市售食用油无表观差别;分离器Ⅱ中得到的油脂为黄色糊状物，品质较差;故仅以分离器Ⅰ中得到葡萄籽油量计算萃取率。萃取率的计算方法如下:

2 结果与讨论

2.1 各因素影响趋势分析

分别以萃取温度、萃取压力、萃取时间和原料装填量四因素中各个水平为横坐标，以各水平中的单个平均值为纵坐标，绘制因素与指标趋势图，如图2所示。

图2 各因素影响趋势图

2.1.1 萃取温度的影响

从图2a中可以看到，萃取率随萃取温度升高，先降低后增加。温度升高一方面会导致超临界CO2流体密度下降，减小了传质系数，导致萃取率下降;另一方面，温度升高有利于葡萄籽中油脂的挥发，故萃取率有所上升，但过高温度有可能造成油脂中活性成分变质，而且能耗也随之上升。已报道的实验结果表明，温度选择在30～40℃较为合适［13-14］，但当装料量较大，床层体积较大，密度较高，传热过程受到一定影响，过低温度不利于整个料床里的油脂挥发。因此，萃取温度选择50℃。

2.1.2 萃取压力的影响

从图2b中可以看到，萃取率随萃取压力上升而增大。压力越高，则超临界CO2流体密度越大，有利于溶质的溶解，增大传质系数，可提高萃取率，但过高压力必然会使能源动力消耗急剧增加。因此，选择萃取压力为26 MPa。

2.1.3 萃取时间的影响

从图2c中可以看到，萃取率随萃取时间增加先大幅下降，后略有上升。萃取时间增加，萃取率本应增大，然而，本试验装置配备了两个分离器，分析时只考虑了产品性状较好的分离器Ⅰ中所得油脂的情况，随着萃取时间增加，分离器Ⅰ油脂一部会被流体带至分离器Ⅱ，若将分离器Ⅰ和Ⅱ中的产品全部考虑，则随萃取时间的增加萃取率不断上升;由这一结果也可推断，不同时刻萃取得到的油脂品质上有较大差异。另外，考虑随萃取时间增加，成本上升。因此，选择萃取时间为1 h。

2.1.4 原料装填量的影响

从图2d中可以看到，萃取率随原料装填量先增大后减小。原料装填量实际影响的是一定时间内超临界CO2流体与葡萄籽的流容比，实验中流容比控制在10左右，但装料量增加后，床层体积和密度增加，在流容比变化不大情况下，仍会降低传质效率，传热不均匀性增加，导致萃取率下降。故选择1 L料筒时，装填200 g物料比较合适。

2.2 优化工艺条件的确定

分析表2所示结果可知，对试验指标影响的主次顺序为B、A、C、D，即萃取压力影响最大，其次是萃取温度和萃取时间，而原料装填量的影响最小。

每个因素下均值k的大小直接反映了水平对试验指标萃取率的影响程度。由表2中结果可知，四个因素的优化水平组合为A1B3C1D2，在此优化组合条件下，开展了验证试验，结果如表3所示。由3次平行试验结果，计算得到葡萄籽油的平均萃取率为11.23%。故可确定超临界CO2流体萃取葡萄籽油优化的工艺条件为:萃取温度50℃，萃取压力26 MPa，萃取时间1 h，原料装填量200 g。另外，在优化的条件下，在5 L料筒中放入原料1 000 g，开展萃取试验，萃取率达到11.05%。

表3 优化组合下验证试验

3 结论

萃取温度、萃取压力、萃取时间以及原料装填量等因素都影响超临界CO2流体萃取葡萄籽油的收率，萃取压力影响最大，其次是萃取温度和萃取时间，而原料装填量的影响最小。在本文实验条件范围内，优化的工艺萃取条件为:萃取温度50℃，萃取压力26 MPa，萃取时间1 h，原料装填量为200 g。优化条件下，葡萄籽油的收率为11.23%。

［1］ 刘 煌，阴景喜，赵明锁，等.葡萄籽综合开发利用［J］.粮油与油脂，2001(10):36-37.

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［3］ 申 鸿，杭 瑚，郝晓丽.葡萄籽化学成分分析及其抗氧化性质的研究［J］.食品工业科技，2000，21(2): 18-19.

［4］ 于修烛，李志西，杨继红，等.葡萄籽油研究进展［J］.杨凌职业技术学院学报，2003，2(1):53-55.

［5］ 王 侠，崔 健，陈 新，等.葡萄籽的化学成分及提取方法概述［J］.吉林中医药，2007，10(2):26-29.

［6］ 孙 峰.正交方法研究溶剂法提取葡萄籽油工艺优化［J］.安徽农业科学，2008，36(34):14823-14830，14845.

［7］ 张 嫱，罗 晶.溶剂提取葡萄籽油工艺的探究［J］.食品研究与开发，2007，28(9):88-90.

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［10］ 张 静，袁 毅，刘利军.葡萄籽油的提取及精炼工艺优化［J］.食品科学，2011(10):12-13.

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Processing Conditions Optim ization of Grape Seed-oil by Super-critical CO2Fluid Extraction

TIAN Gang，LISongtian，ZHAO Xiaojun

(College of Chemistry and Chemical Engineering，Pingdingshan University，Pingdingshan 467000，China)

Using orthogonal design method，the extraction rate of grape seed-oil is investigated under a super-critical CO2fluid extractor.The factors such as extraction temperature(50～70℃)，extraction pressure(18～26 MPa)，extraction time(1～3 h)and loading amount of rawmaterial(160～240 g)affecting the extraction rate of grape seed-oil are determined.The extraction ratio that influenced by each factor is as follows:pressure，and temperature and time，and loading amount of raw material.The experimental results show that the optimization of processing conditions is temperature 50℃，pressure 26 MPa，time 1 h，loading amount200 g.Under these conditions，the highest extraction ratio of grape seed-oil is 11.23%.

super-critical CO2fluid;grape seed-oil;extraction;process conditions

TQ028.32

A

1003-3467(2015)10-0025-04

2015-08-03

平顶山学院高层次人才科研启动经费资助(PXY-BSQD-2015007)

田 刚(1983-)，男，博士，讲师，从事新型化工分离技术方面的研究工作，E-mail:gangty@126.com。