芝麻中植物油提取的加速溶剂萃取技术

陈　媛, 陶　佳, 毛秋平, 李雪辉

(华南理工大学 化学与化工学院, 广东 广州　510640)



芝麻中植物油提取的加速溶剂萃取技术

陈媛, 陶佳, 毛秋平, 李雪辉

(华南理工大学 化学与化工学院, 广东 广州510640)

使用加速溶剂萃取技术提取黑芝麻中的植物油,通过旋转蒸发法回收溶剂，采用重量分析法对实验结果进行评价,以及对黑芝麻和黑芝麻粉中植物油的含量进行比较。该实验向学生介绍了一种高效、快速、环境友好的样品前处理方法。该实验具有较好的可设计性,即可拓展为系列植物油提取实验,可作为大学本科综合及设计性分析化学实验的教学内容。

加速溶剂萃取； 旋转蒸发； 综合化学实验

样品分析过程主要包括5个步骤，即取样、试样制备与处理、测定、数据处理、总结报告[1]。统计研究发现,样品处理所需时间占整个分析过程的61%,而分析测定的时间仅占6%[2]。传统的萃取是目前实验室较常用的样品前处理技术,其主要包括索氏提取、液—液萃取、超声萃取、微波萃取和超临界流体萃取等[3-7]。索氏提取、液—液萃取耗时长、所需溶剂量大；超声萃取效率低、噪声污染严重,长时间的超声萃取过程对学生及实验教学人员等的耳膜有伤害作用,超声萃取也常伴有热效应,对于不稳定、易挥发或易分解的样品,在超声萃取过程中,会导致样品的损失；微波萃取和超临界流体萃取技术虽然具有萃取效果较好的特点,但存在操作繁琐、安全性不够高、重现性不够好等缺点,在本科生的实践教学过程中难以得到推广和普及。

快速溶剂萃取技术是近年发展起来的一种在高温(室温～200 ℃)、高压(标准大气压～20 MPa)条件下对固体或半固体样品进行提取的前处理方法。与常规萃取方法相比,具有节省溶剂、快速、健康环保、自动化程度高等优点[8-9],如可大大缩短萃取时间、提高萃取效率、减少萃取溶剂用量、显著降低了单个样品的提取成本等。目前,快速溶剂萃取技术在实验室及工业生产过程中得到广泛应用[10]。为普及新型加速溶剂萃取前处理技术及理论,结合化石资源日益枯竭及可再生资源高效利用的时代背景,购置加速溶剂萃取仪,设计了系列加速溶剂萃取前处理综合分析化学实验项目并用于植物油的提取。经过3年来的实践教学,取得良好的实验效果。以加速溶剂萃取技术对芝麻中植物油的提取实验项目为例进行系统介绍,旨在向本科实践教学推广技术先进、安全、可靠的样品前处理方法,开阔学生的眼界,倡导时尚的教学理念[11-12]。

1　实验目的和内容

我校的本科综合分析化学实验是8个学时,包括两部分的教学内容:样品前处理和样品的测定。每次进行实验的学生人数为8人,两人一组,分成4组。本实验使用加速溶剂萃取仪对黑芝麻中的植物油进行提取,采用旋转蒸发技术回收萃取溶剂,利用重量分析法测定黑芝麻中植物油的含量。通过该实验,可以让学生了解快速溶剂萃取仪的基本结构和工作原理,初步掌握快速溶剂萃取仪及旋转蒸发仪的操作过程,学习一种重量分析法,掌握快速溶剂萃取技术提取芝麻中植物油的方法以及普及生物质资源高效利用的理念。

2　实验原理

加速溶剂萃取仪是一种快速样品预处理装置,仪器结构如图1所示。根据样品的不同,设定的萃取时间为几分钟到数十分钟不等,溶剂消耗量为几毫升到几十毫升。加速溶剂萃取过程包括清洗管路、预热样品、加载溶剂、加热、静态萃取、淋洗、吹扫过滤、萃取液收集等8个步骤。整个萃取过程均是在完全密闭的系统中进行,有效地减少了有机溶剂的挥发以及实验人员接触有机蒸气的可能,属于环境友好且健康安全的实验项目。

图1　仪器结构示意图

APLE-1000的工作原理是在萃取过程中将样品进行快速加热,在高温(室温～200 ℃)、高压(标准大气压～18 MPa)条件下,加速萃取溶剂在样品体相中的扩散与渗透，并促进提取物从基体上的快速解吸,从而有效提高萃取效率并缩短提取时间，同时,在较高的温度下,溶剂对被萃取物的溶解度高,可极大减少溶剂的用量。

3　试剂和仪器

试剂:正己烷(分析纯),广州化学试剂有限公司；硅藻土,北京吉天仪器有限公司分装；黑芝麻,购自广州某超市。

仪器:加速溶剂萃取仪,北京吉天仪器有限公司(APLE1000),配备33mL的样品萃取池及收集瓶；旋转蒸发仪,上海亚荣生化仪器厂(RE52CS-2型号),配恒温水浴锅,循环水真空泵。

4　实验步骤

4.1植物油收集瓶的准备

本实验中,直接使用旋转蒸发仪的圆底烧瓶作为植物油收集瓶,既可减少萃取液在转移过程中的损失,又可避免转移过程中使用淋洗溶剂,可达到降低误差的目的。实验前,将干净的圆底烧瓶放入烘箱中(102±2 ℃)进行烘干,然后冷却(防尘)至室温并准确称量,精确至0.1 mg,备用。

4.2样品处理

用天平分别称取3.0 g硅藻土以及5.0 g(准确到0.1 mg)黑芝麻,在研钵中混合并研磨均匀,然后填装至萃取池中,如有空隙用硅藻土填满。

4.3样品萃取

萃取条件:萃取溶剂为分析纯的正己烷；加热温度110 ℃；萃取压力10 MPa；加热时间5 min；静态时间5 min；淋洗体积40%；吹扫时间60 s ；循环次数2次；清洗0次；预热温度110 ℃ ；总萃取时间14 min；使用的萃取溶剂总量约 30 mL。

在样品处理前预先开机,按照上述APLE萃取条件设置萃取参数,保存方法文件,准备萃取溶剂,并使仪器开始预热。待样品全部填充完毕后,将萃取池放在仪器样品盘上,调出方法文件,进行依次萃取。需要注意的是,如果之前仪器使用的溶剂体系与本实验的溶剂不同,应单独运行“清洗”程序并操作3遍,以消除系统中其他残留的溶剂可能带来的干扰。

4.4溶剂蒸发回收

萃取完成后,将收集瓶直接连接到旋转蒸发仪,根据萃取体系的不同等,确定旋转蒸发条件,进行溶剂蒸发及回收,本实验确定为40 ℃下水浴加热蒸发。

4.5烘干称重

待溶剂挥发完全后,将烧瓶外壁用滤纸擦拭干净后用电吹风吹干,然后准确称量,精确至0.1 mg。

4.6植物油的含量计算

M% = (m1-m2)×100÷m0

式中:m0(g)为黑芝麻的质量,m1(g)萃取液蒸干后圆底烧瓶的质量,m2(g)空圆底烧瓶质量。

5　结果和讨论

5.1萃取池的选择

根据加速溶剂萃取仪的工作原理,即通过快速加载溶剂,使萃取池瞬间产生高压,强化溶剂向固体颗粒体相的渗透过程及待测物从基体上的解吸和溶解动力学过程。因此,萃取池体积越大,需要使用的原料样品越多,所需的萃取溶剂也越多,后续溶剂回收过程的实验时间也偏长。同时,萃取池的填充密度越大,溶剂的使用量越少,即少量的溶剂就可快速产生高压。但如果溶剂的用量太少,可能发生不完全萃取的情况,因此,需要根据仪器配备的萃取池的体积大小来确定硅藻土及样品的量。前期通过对比试验,确定体积比为1∶1的样品与硅藻土混均,萃取效果最好。如分别考察了66 mL及33 mL两种规格的萃取池的情况,使用66 mL的萃取池体,填装了15 g芝麻与5 g硅藻土的混合物,萃取溶剂使用量约为60 mL,植物油提取率为87%(按照黑芝麻中植物油的含量为46%计算)。当使用33 mL的萃取池时,如填装5 g芝麻与3 g硅藻土,消耗的溶剂量为30 mL左右,植物油的提取率可达到92%。因此,选择了33 mL的萃取池。

5.2萃取条件的优化

首先进行了萃取溶剂的选择。文献调研表明,工业上经常使用石油醚及正己烷两种溶剂来提取植物油。虽然石油醚的价格比正己烷便宜,但因为石油醚是戊烷和己烷等的混合物,纯度没有正己烷高。前期实验中,使用石油醚的提取效果没有正己烷好,因此,选择了正己烷作为萃取溶剂。其次是关于萃取压力的设定,压力设置的最基本要求是大于萃取溶剂的临界压力,即保证萃取溶剂在设置温度下呈液体状态,不会出现沸腾的情况,从而避免发生危险或导致运行故障。但是,体系的压力也不能无限提高,要根据仪器本身耐压指标而进行控制。设计该实验时,尝试在20 MPa下进行萃取,发现压力表读数接近20 MPa时又瞬间下降为零,在淋洗的过程中,没有萃取相流出,即收集瓶在实验结束时没有收集到萃取液。说明在高压下仪器出现故障,事后检查仪器时发现一根管路脱落,导致漏气和漏液的现象。对比不同压力(10、12、15、18 MPa)下的萃取结果表明,当萃取压力大于10 MPa时,萃取压力对萃取效率的影响甚微。综合考虑仪器的耐压指标及操作过程安全性等问题,本实验中推荐的萃取压力为10 MPa。

5.3实验数据分析

表1为8组学生实验原始数据,前4组是以芝麻颗粒为原料,计算后获得芝麻中植物油含量平均值为41.8%,低于文献中46%的参考值。表中第3组实验后获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,导致萃取溶剂扩散不均,以及收集液转移到旋转蒸发仪时可能润洗溶剂太少而造成了部分损失等,最终均导致偏低的实验结果。因此,本实验提出直接使用旋转蒸发仪的样品瓶作为萃取液的收集瓶,可减少实验误差。同时,为了考察研磨后芝麻粉的粒度对植物油提取量的影响,使用商品化的芝麻粉为原料进行萃取,结果表明(见表1),使用芝麻粉可获得较高的提取率,及获得芝麻粉中植物油含量为53.2%的平均值,明显高于使用手工研磨的芝麻粉为原料的提取结果。此外,使用商品化的芝麻粉获得的结果的相对标准偏差为0.7%,说明实验重现性良好。

表1　实验结果与数据分析

6　结语

介绍了关于利用加速溶剂萃取技术提取芝麻中植物油的综合性分析化学实验项目,旨在向本科生介绍一种更高效、快速、健康、安全、环保的样品前处理方法,不仅可以增加本科生的学习兴趣、强化环境友好、资源高效利用等意识,而且通过改变诸如原料的种类、原料的粒度及萃取过程因素(如萃取温度、压力及萃取溶剂的选择等),可拓展为系列综合性分析化学实验。

References)

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[3] 陆彬.改进型索氏提取装置及应用试验[J].实验科学与技术,2013,11(4):190-191.

[4] 张维冰,王智聪,万昊,等.基于冷冻熔炼的液-液萃取样品富集技术研究[J].中国科学,2013,43(2):209-216.

[5] 王宁,张立娟,赵芳萍.气质联用技术：超声萃取法测试聚合物中邻苯二甲酸酯类物质[J].计量与测试技术,2015,42(1):11-15.

[6] 吴龙琴,李克.微波萃取原理及其在中草药有效成分提取中的应用[J].中国药业,2012,21(12):110-112.

[7] 毕永贤,何聪芬.超临界萃取技术在中草药化妆品原料开发中的应用进展[J].香料香精化妆品,2012(5):49-52.

[8] 赵江华.加速溶剂萃取仪ASE200简介[J].西北地质,2010(2):52.

[9] 李丽蓉,林文,张红刚.六路并联全自动加温加压快速溶剂萃取仪控制系统[J].现代科学仪器,2009,6(3):11-14.

[11] 李珺,张逢星,董绮功,等.开设化学学科本科生“综合化学实验”的做法和体会[J].高等理科教育,2003(1):50-58.

[12] 周璐珊,张文雄.化学类本科综合化学实验教学的实践与思考[J].化学通报,2012,75(3):279-283.

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

华南理工大学第二批“探索性实验”教学项目(Y1150390)

陈媛(1987—),女,广西来宾,硕士,助理实验师,主要从事分析化学实验教学与研究工作

E-mail：ceychen@scut.edu.cn

李雪辉(1970—),男,湖南,教授、博士生导师,主要从事催化生物质高效转化的研究工作及本科生教学工作.

E-mail：cexhli@scut.edu.cn

O65；G642.423

A

1002-4956(2016)9-0169-03