超临界萃取花椒中主要成分

李跃金，胡晋昭

（1.滨州学院化工技术研究中心，山东滨州256603；2.滨州市液态污染物综合利用技术重点实验室，山东滨州256603；3.山东省工业污水资源化工程技术研究中心，山东滨州256603）

超临界萃取花椒中主要成分

李跃金1，2，3，胡晋昭1

（1.滨州学院化工技术研究中心，山东滨州256603；2.滨州市液态污染物综合利用技术重点实验室，山东滨州256603；3.山东省工业污水资源化工程技术研究中心，山东滨州256603）

采用超临界流体萃取技术萃取花椒油脂，通过单因素试验和正交试验设计，研究花椒粉粒度、萃取压力、萃取时间和萃取温度等因素对花椒油脂的萃取率的影响，找到最佳的工艺条件。研究结果表明最佳工艺参数为花椒粉粒度60目、萃取压力15 MPa、萃取时间1.5 h、萃取温度45℃、CO2流量5 L/h～10 L/h。在此条件下，花椒油脂的萃取率可达12.27%以上。影响提取率的主次因素为萃取温度＞萃取压力＞萃取时间。

超临界CO2流体；萃取；花椒油脂

花椒是一种重要的食品。除用作食品外，花椒的茎、根、叶、果实都可用作药材，具有活血散瘀及镇痛、治疗呕吐、镇静等功效［1］，另外在抗肿瘤、抑菌杀虫、抗炎等方面具很好的药理活性和价值［2-4］。其中的花椒油脂挥发性成分在医疗上应用尤为广泛［5-8］。花椒油脂挥发性成分中极性较大的化学成分主要对细菌起抑制作用［9］，而极性较小的化学成分主要对真菌起抑制作用；较低浓度的花椒油脂的挥发性成分对人肺癌细胞株有诱导细胞凋亡的作用［10］，较高浓度的花椒油脂的挥发性成分对人肺癌细胞株有较强的杀伤作用；花椒油脂的挥发性成分还具有抗豚鼠实验性动脉粥样硬化形成的作用［11］；袁方曙等证明花椒油脂的挥发性成分治疗蠕形螨病无毒高效［12］。

传统的花椒油脂的加工方法有蒸馏和有机溶剂萃取等方法，这些传统方法往往会造成花椒油脂中某些热敏感性或化学不稳定性的成分在加工过程中遭到破坏，从而改变了花椒的营养价值和独特的风味［13］。超临界CO2流体萃取是利用超临界状态下的CO2流体作为萃取剂，从液体或固体物料中萃取出某种成分的一种新型分离技术［14］，它克服了传统萃取法费力费时、回收率低、操作繁琐、污染严重等系列问题，特别是消除了使用有机溶剂萃取法对环境和人体的危害，因此被喻为“绿色环保技术”。用超临界CO2萃取萃取技术萃取的花椒油脂由于无毒、无有机溶剂残留［15-16］萃取后不经过加工便可直接用于食品工业。超临界萃取技术已广泛应用于香料工业［17］、化妆及医药、食品等各个领域［18-20］。

1材料与方法

1.1材料与设备

实验材料：花椒：陕西韩城大红袍花椒；食用级CO2（纯度99.9%）。

实验设备：HA221-50-015型超临界萃取装置：江苏南通华安超临界萃取有限公司；电子天平，电动粉碎机：浙江九阳股份有限公司；标准筛：浙江上虞市道墟张兴纱筛厂。

1.2方法

1.2.1测定方法

花椒经除杂质、筛选、烘干后粉碎过筛。将精确称取粉碎好的一定粒度的花椒粉放入料筒置于萃取釜中，在设计好的萃取条件下进行超临界CO2萃取，溶解有花椒油脂的超临界CO2流体在分离釜中经过减压、升温等过程，萃取结束后，萃取物在分离釜中分离、收集、获得花椒油脂并进行精确称量［21］，计算出花椒油脂的萃取率。

萃取率的计算公式如下：

萃取率=花椒萃取物重量（g）/花椒总重量（g）× 100%

1.2.2超临界CO2萃取大豆油的单因素试验设计

在CO2流量为14 L/h～16 L/h条件下研究影响萃取率的因素：压力、温度、颗粒度、萃取时间等因素进行单因素试验。

1.2.3大豆超临界CO2萃取正交试验设计

根据单因素试验的结果，选择影响花椒油萃取率的各因素的水平进行正交试验，采用三因素三水平正交表进行正交试验。

2结果与讨论

2.1单因素试验结果分析

2.1.1花椒粒度对花椒油脂萃取率的影响

花椒粒度对花椒油脂萃取率的影响见图1。

花椒油脂的萃取率随花椒粒度的增加而增加，但当粒度大于60目时，油脂的萃取率有所下降，原因是物料粉碎粒度对花椒油脂的萃取率有双向影响：一方面通过破碎，物料粒度减小增加了花椒颗粒与二氧化碳萃取剂的接触面积，减小了传质的阻力，有利于提高萃取率；另一方面由于萃取釜压力较高，过细的物料就会在萃取釜中被压实，极大的增加了物料的堆积密度，致使花椒油脂的液滴穿不过物料层而进入二氧化碳萃取剂主体，从而导致油脂萃取率的降低［22］。过细的物料在高压下还可导致萃取釜中烧结板及管路的堵塞及对仪器造成损坏。因此，实验表明花椒粒度不宜过小，综合考虑选用的花椒的粒度为60目。

图1　花椒粒度对花椒油脂萃取率的影响Fig.1The impact of pepper grain size on the pepper oil extraction rate

2.1.2萃取时间对花椒油脂萃取率的影响

萃取时间对花椒油脂萃取率的影响见图2。

图2　萃取时间对花椒萃取率的影响Fig.2The impact of the extraction time on the extraction rate of pepper

花椒油脂萃取率随萃取时间增加而增加，在1.5 h前，花椒油脂萃取率增加非常明显，萃取1.5 h后花椒油脂萃取率增加不明显。若萃取时间过短，则无法将油脂萃取完全；萃取时间过长，则萃取所需成本相应增加。因此，出于经济角度考虑萃取时间不宜过长。

2.1.3萃取压力对花椒油脂萃取率的影响

萃取压力对花椒油脂萃取率的影响见图3。

花椒油脂的萃取率随萃取压力的增加而增加，因为增加压力会增加CO2的密度从而使花椒油脂在CO2中的溶解度增加，并且减少了传质距离，增加了传质效率，因此，增加萃取压力有利于花椒油脂的萃取。但是过高的压力不仅会增加设备的投资和操作费用，而且还会对花椒油脂的纯度造成影响，故压力不宜过高。

图3　萃取压力对花椒油脂萃取率的影响Fig.3The impact of extraction pressure on the oil extraction rate of pepper

2.1.4萃取温度对花椒油脂萃取率的影响

萃取温度对花椒油脂萃取率的影响见图4。

图4　萃取温度对花椒油脂萃取率的影响Fig.4The impact of extraction temperature on pepper oil extraction rate

花椒油脂的萃取率随温度的升高先升高再下降。压力一定时，温度的升高，有利于花椒油脂的挥发，从而有利于萃取过程的进行。但是温度的升高使二氧化碳流体的密度降低，溶解花椒油脂的能力相应下降。当二氧化碳流体溶解能力的下降程度对花椒油脂萃取率的影响超过升温增加花椒油脂挥发能力对其萃取率的影响时，萃取率下降。温度对超临界萃取效果的影响是这两种因素互相作用的结果。而且萃取设备对萃取温度有一定限制。因此，不宜在过高的温度下进行花椒油脂的萃取。

2.2正交试验

根据单因素所确定的水平范围，做三因素三水平正交试验，正交试验结果及分析见表1。

由表1可以得出，最佳工艺条件：A1B3C3，即萃取温度45℃，萃取压力15 MPa，提取时间1.5 h，在最佳工艺条件下，花椒油提取率达到12.26%以上。由3个因素的极差得出影响提取率的主次因素为萃取温度＞萃取压力＞萃取时间。

表1　正交试验结果及分析Table 1Results of orthogonal test and analysis

2.3最佳工艺验证试验

在正交试验所确定的最佳萃取条件下进行二氧化碳超临界流体萃取花椒油脂的验证试验，结果见表2。

表2　最佳工艺验证试验Table 2Best process validation test

验证试验结果表明：在最佳萃取条件下采用超临界二氧化碳流体萃取花椒油脂的最大萃取率为12.27%。

3结论

1）超临界CO2萃取花椒油脂单因素试验结果表明：花椒粉粒度以60目最佳，萃取时间为1.5 h，萃取压力为25 MPa，萃取温度为45℃。并由单因素实验结果确定了正交实验3个因素的水平：萃取压力分别为15、20、25 MPa；萃取温度分别为35、40、45℃；萃取时间分别为0.5、1.0、1.5 h。

2）由正交试验得出在CO2流量5 L/h～10 L/h下花椒油脂提取的最佳工艺条件是：花椒粒度为60目，萃取温度45℃，萃取压力15 MPa，萃取时间1.5 h，在最佳工艺条件下，花椒油脂的萃取率最大可达到12.27%。并由3个因素的极差得出影响花椒油脂萃取率的主次因素为萃取温度＞萃取压力＞萃取时间。

［1］刘少波.药用花椒的药理、临床研究进展［J］.广东药学，1996，6（4）：6-7

［2］狄科，石雪萍，张卫明.花椒总多酚的提取及DPPH自由基清除效果［J］.食品研究与开发，2012，33（6）：112-114

［3］谢小梅，陈资文，陈和利，等.花椒肉豆蔻防霉作用实验研究［J］.时珍国医国药，2001，12（2）：100-101

［4］YASUH IRO T，SH HO I，TAKU J IK，et al.Screening of Chinese herbal drug extracts for inhibitory activity on nitric oxide production andidentificationofanactivecompoundofZanthoxylum bungeanum［J］.Journal of Ethnopharmacology，2001，77（2/3）：209-217

［5］卢长庆，路雪雅.不同品种花椒粗提物抗菌、抗氧化作用比较研究［J］.中国中药杂志，1995，20（12）：752

［6］许青媛，于利森.花椒粗提物对实验性血栓形成及凝血系统的影响［J］.中草药，1990，21（12）：17

［7］吴亮亮，石雪萍，张卫明.花椒总黄酮提取技术研究及黄酮成分分析［J］.食品研究与开发，2011，32（2）：16-20

［8］许青媛，杨浦昭，陈春梅.花椒粗提物对应激性心肌损伤的保护作用［J］.中草药，1993，24（5）：277

［9］弭向辉，龚祝南.花椒挥发油的提取、分离和抗菌实验［J］.南京师大学报（自然科学版），2004，27（4）：63-66

［10］臧林泉，胡枫.花椒挥发油抗肿瘤药理作用研究［J］.蛇志，2006，18（3）：183-187

［11］马建旸，石应康.花椒挥发油对实验性动脉粥样硬化的影响［J］.四川大学学报（医学版），2005，36（5）：696-699

［12］袁方曙，郭淑玲.花椒挥发油乳霜剂治疗蠕形螨病疗效观察［J］.中国寄生虫病防治杂志，2003，16（1）：58-61

［13］付陈敏，阚建全，陈宗道，等.花椒的成分研究及其应用［J］.中国食品添加剂，2003（4）：83-86

［14］XVR.Reviews on the development of the techniques of extraction and separation on Chinese traditional medicine within two decades［J］.Chin Tradit Pat Med，2006，28（11）：1646-1651

［15］陈振德，许重远.超临界CO2流体萃取花椒挥发油化学成分的研究［J］.中国中药杂志2001，26（10）：687-688

［16］余德顺，秦军.超临界CO2萃取花椒挥发油及化学组分研究［J］.贵州师范大学学报（自然科学版），2003，1（1）：1-3

［17］马栎.玉米胚芽油制取工艺及综合利用研究进展［J］.食品研究与开发，2012，33（12）：237-240

［18］M.Munoz.Determination of the effect of plant essential oils obtained by supercritical fluid extraction on the growth and viability of Listeria monocytogenes in broth and food systems using flowcytometry［J］.LWT-Food Science and Technology，2009，42：220-227

［19］Seda Keskin.A review of ionic liquids towards supercritical fluid applications［J］.The Journal of Supercritical Fluid，2007，43：150-180.

［20］许群.超临界流体技术制备纳米材料的研究与展望［J］.化学进展，2007，19（9）：1419-1427

［21］陈雪峰，罗仓学，刘爱香，等.超临界CO2萃取花椒油的工艺研究［J］.食品科学，2002，23（3）：84-86

［22］任桂兰，郑永杰，张令莉，等.超临界CO2萃取花椒油树脂研究［J］.齐齐哈尔大学学报，2006，22（5）：31-34

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

李跃金（1983—），男（满），讲师，硕士，主要从事工业污染物的资源化技术及天然产物提取研究。