超临界CO2萃取玉米胚芽油的工艺研究

刘鸿雁，李延春，金 星，张建坡

(吉林化工学院 化学与制药工程学院，吉林 吉林132022)

玉米胚芽油又称玉米油，是从玉米胚芽中提炼出的一种高级食用油，营养价值极高.玉米胚芽油含有的亚油酸是构成人体细胞的重要组成部分，在人体内可与胆固醇相结合，有防治动脉粥样硬化等心血管疾病的功效.因此，玉米胚芽油还享有“健康油”和“长寿油”等美称[1-3].

目前，国内外玉米胚芽油制取大多采用传统的压榨法[4]、溶剂浸出法[5]和水酶法[6]等.压榨法是较为传统的方法，这种方法工艺繁琐，难以保证产品的质量.溶剂浸出法是一种常见的提取玉米胚芽油的方法，该方法工艺简单，成本低，但是玉米油纯度较低，并且缺乏后续纯化工艺[7].水酶法是近些年开始研究和利用的新方法，这种方法优点是处理条件温和，缺点是对酶的培养和选择要求严格，目前酶的市场价格相对较高.超临界 CO2萃取法是近些年发展较为迅速的萃取分离技术，这种方法能够有效的将基质和萃取物分离提取，避免了传统方法中的一些问题.超临界 CO2萃取法的优点主要包括：临界温度低，比较接近室温，有效避免高温压榨过程中有效成分的分解；临界压力适中，有利于工业化生产；传质速率快，溶解效率高；环境友好，并且可重复利用，符合可持续发展战略的需求[8-11].本文采用正交实验法，根据萃取压力、萃取温度、原料颗粒度、萃取时间等单因素实验结果，确定超临界CO2萃取玉米胚芽油的最佳工艺.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

实验使用的玉米胚芽为吉林省酒精工业集团天顺生化科技有限公司生产；无水乙醇购于国药集团化学试剂有限公司，纯度为分析纯.HA221-50-015型超临界萃取装置购于大连卓尔高科技有限公司；电子天平为日本岛津，购于碧沄科技；电动粉碎机购于台杏贸易(上海)有限公司；标准筛为浙江上虞市道墟张兴纱筛厂生产.

1.2 实验过程

将干燥的玉米胚芽粉过筛，准确称量100 g装入超临界萃取釜中，调节萃取的压力、温度到设定值，待温度和压力稳定后，向萃取柱中缓慢注入CO2.实验结束后，记录实验数据，计算玉米胚芽油的萃取率.

1.3 计算公式

玉米胚芽萃取物重量(g)=玉米胚芽原料重量-萃取后玉米胚芽重量

萃取率(%)=玉米胚芽萃取物重量/玉米胚芽原料重量×100%

1.4 单因素实验设计

1.4.1 萃取压力的选择

实验萃取压力分别选择10、15、20、25、30 MPa时，在萃取温度40 ℃、时间50 min和颗粒度为50目不变条件下萃取，按照1.2的步骤操作，计算萃取率.

1.4.2 萃取温度的选择

实验萃取压力分别选择30、35、40、45、50 ℃时，在萃取压力25 MPa、时间50 min和颗粒度为50目不变条件下萃取，按照1.2的步骤操作，计算萃取率.

1.4.3 颗粒度的选择

实验萃取颗粒度分别选择20、30、40、50、60目时，在萃取压力25 MPa、时间50 min和温度为为45 ℃不变条件下萃取，按照1.2的步骤操作，计算萃取率.

1.4.4 萃取时间的选择

实验萃取时间分别选择20、30、40、50、60 min时，在萃取压力25 MPa、颗粒50目和温度为45 ℃不变条件下萃取，按照1.2的步骤操作，计算萃取率.

1.5 正交实验设计

在单因素实验的基础上，采用正交实验方法，优化超临界CO2萃取玉米胚芽油的工艺.以萃取率为考察指标，选择萃取压力、萃取温度、原料颗粒度、萃取时间四个影响玉米胚芽油萃取率的实验条件，采用四因素三水平正交表进行正交实验(如表1)，根据正交实验结果，研究超临界CO2萃取玉米胚芽油的最佳工艺.

表1 正交实验因素水平设计

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 萃取压力对玉米胚芽油萃取率的影响

实验结果如图1所示.

图1实验结果表明，随着萃取压力升高，玉米油的萃取率先升高后降低，当压力为25 MPa时萃取率达到最大值24.37%.压力在一定范围时，萃取压力升高有利于超临界CO2克服传质阻力，与被萃取物相互作用的能力增强，对被萃取物的溶解能力增强，所以萃取率随着萃取压力增加而升高.当压力超过适当范围时，超临界CO2流量增大，缩短流体在被萃取物中的传质时间，因此萃取率随萃取压力的升高而降低.

压力/MPa图1 萃取压力对玉米胚芽油萃取率的影响

2.1.2 萃取温度对玉米胚芽油萃取率的影响

实验结果如图2所示.

温度/℃图2 萃取温度对玉米胚芽油萃取率的影响

图2实验结果表明，温度由30 ℃升高到40 ℃时，萃取率随温度升高而增长.这是由于萃取温度升高，超临界萃取溶质的蒸汽压随之增大，有利于玉米油的挥发，增加玉米油在超临界CO2中的溶解度，因此萃取率呈现上升趋势.继续升高温度至50 ℃时，萃取率下降.这是由于随着温度升高，超临界CO2的密度降低，对被萃取物的溶解能力下降，所以当超临界CO2的密度为主要影响因素时，温度升高，萃取率下降.

2.1.3 颗粒度对玉米胚芽油萃取率的影响

实验结果如图3所示.

图3实验结果表明，颗粒度对萃取率的影响比较明显，当颗粒度由30目升高到50目时，萃取率由16.55%升高到22.73%，但继续增加颗粒度至60目时，萃取率迅速下降，出现明显结块现象.一般而言，颗粒越细越有利于超临界CO2进入物料内部对主要成分进行萃取[12]，但颗粒过细，原料容易结块，反而不利于萃取效果.综合实验结果，本实验选择颗粒度为50目.

颗粒度/目图3 颗粒度对玉米胚芽油萃取率的影响

2.1.4 萃取时间对玉米胚芽油萃取率的影响

实验结果如图4所示.

时间/min图4 萃取时间对玉米胚芽油萃取率的影响

图4实验结果表明，萃取率随时间的延长而逐渐升高，但萃取时间足够长时，继续延长萃取时间萃取率不会有明显变化，说明该时间为萃取工艺的最佳时间.结合实验结果和成本考虑，本实验采取萃取时间为50 min为最佳条件.

2.2 正交实验确立优化实验条件

按正交实验结果表进行实验，结果见表2.

从表2中可以得出，颗粒度对玉米胚芽油萃取率的影响最为明显，而萃取温度对萃取率的影响不大.即四因素对玉米胚芽油萃取率影响的主次顺序为：颗粒度 > 萃取时间 > 萃取压力 > 萃取温度.最佳工艺条件为：A3B2C3D3，即萃取压力25 MPa，萃取温度40 ℃，颗粒度50目，萃取时间50 min.

表2 正交实验结果

2.3 验证实验

以此最佳工艺条件为基础进行验证实验，结果见表3.

表3 验证实验

在最佳工艺条件下萃取玉米胚芽油，萃取率结果稳定，平均值为24.33%，标准差SD为0.27表明本实验优选的工艺稳定可靠.

3 结 论

在单因素试验基础上，通过正交实验优化超临界CO2萃取玉米油的工艺条件，以玉米油萃取率为评价指标，得出各因素对萃取率影响的主次顺序依次为颗粒度>萃取时间>萃取压力>萃取温度.

超临界CO2萃取玉米油的最佳工艺条件为萃取压力25 MPa，萃取温度40 ℃，颗粒度50目，萃取时间50 min.在最佳工艺条件下，萃取率可达到24.54%，达到和超过目前文献报道超临界CO2萃取玉米油的萃取率.

本课题成功探索一条简便、清洁、成本较低，萃取路线绿色环保，弥补了现有工艺的不足，因此超临界CO2萃取玉米油是一种较为理想的制油方式.

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