肉豆蔻油超临界CO2提取工艺优化方法研究

⊙文 寇秀颖 无限极（中国）有限公司

肉豆蔻为肉豆蔻科植物肉豆蔻的干燥种仁，其味辛、性温，有温中、止泻、行气等功能，常用于治疗虚寒久泻、食欲不振、脘腹冷痛，蒙医用肉豆蔻主治心刺痛、谵语、晕厥、心慌。现代科学研究表明，肉豆蔻油（包括挥发油和脂肪油）是肉豆蔻的主要功能成分，具有抗氧化、抑菌、抗炎和镇痛等多种功能。鉴于肉豆蔻油的保健功效，研究肉豆蔻油的提取工艺对肉豆蔻油的高值化利用具有重要的现实意义。一般情况下，经常采用水蒸气蒸馏法、亚临界萃取和超临界CO萃取工艺对肉豆蔻油进行提取，其中超临界CO萃取工艺的效果最佳。本文主要对肉豆蔻油超临界CO提取工艺的优化方法进行了研究，旨在为科学选择肉豆蔻油的提取工艺提供参考。

一、肉豆蔻油的三种提取工艺介绍

肉豆蔻，购于广州黄沙清平药材市场，符合2010版中华人民共和国药典要求；挥发油测定仪，上海那艾实验仪器有限公司；HP6890气相色谱-HP5972质谱仪，美国惠普公司；HA221-50-06型超临界萃取设备，南通仪创实验仪器有限公司；5L亚临界流体罐组式萃取装置，定制。

（1）水蒸气蒸馏法。称取40-60目的肉豆蔻粉40g置于挥发油测定仪的烧瓶中，加入200mL水混匀，水蒸气蒸馏5h。读取收集器中挥发油的体积数并记录，将提取的挥发油放入干净的10mL离心管中，置于-20℃的冰箱中保存。

（2）亚临界萃取法。称取40-60目的肉豆蔻粉300g置于5L的亚临界流体萃取罐中，开启真空泵使萃取系统压力降为0.01MPa，向萃取罐水浴夹套中注入热循环水，将萃取系统加热到40℃。将事先计量的丁烷从丁烷储罐导入萃取罐，在0.37MPa下进行静态萃取1h。脱溶结束后，开启破真空阀和分离罐底部放油阀，用具塞离心管收集肉豆蔻油，称量并记录，置于-20℃冰箱保存待分析。

（3）超临界萃取法。称取40-60目的肉豆蔻粉350g置于超临界装置的1L萃取筒中，开启循环水对萃取罐、分离罐I和分离罐II进行预热，当达到46℃时打开CO储罐阀门送气，启动高压调频柱塞泵加压，达到30MPa压力值时对肉豆蔻油进行萃取。萃取过程完成后，用质量恒定的50mL试管分别收集分离罐I和分离罐II中的萃取物，放入-20℃冰箱保存待分析。

肉豆蔻油得率（%）=肉豆蔻油质量/原料质量×100%

二、三种工艺的肉豆蔻油提取率及物理特性

肉豆蔻油采用水蒸汽蒸馏方法的提取率为6.96%，采用亚临界萃取的提取率为19.68%，超临界CO萃取的提取率最高为24.52%。

从不同工艺得到的肉豆蔻油外观性状来看（表1所示），水蒸汽工艺得到的肉豆蔻油都是一些低沸点的挥发性组分，粘度较低，色泽最浅；亚临界萃取和超临界萃取的肉豆蔻油中还包含一些高沸点的脂肪酸以及蜡质成分等，粘度较水蒸汽工艺提取的肉豆蔻油要高很多。

表1：不同方法制取的肉豆蔻油物理特性比较

三、肉豆蔻油超临界CO2提取工艺优化方法

鉴于超临界CO提取工艺提取的肉豆蔻油较多且质量较好，本实验采用超临界CO提取工艺，通过单因素实验及正交实验分析影响该工艺的因素。

（1）萃取压力对超临界CO提取肉豆蔻油的影响。将CO压力分别限定为14、18、22、26和30MPa，考察不同萃取压力对肉豆蔻油提取率的影响，试验结果如图1所示。从图1可知，随着萃取压力的上升，肉豆蔻油的提取率先降低后又逐渐升高。当萃取压力从19MPa继续升高时，肉豆蔻油提取率缓慢上升，最终在萃取压力为30MPa时，提取率升高到35.55%。

图1：萃取压力对肉豆蔻油提取率的影响

（2）物料粒径对超临界CO提取肉豆蔻油的影响。将肉豆蔻粉碎后进行筛分，粒径分别限定为＜30目、30-60目和＞60目，考察不同物料粒径对肉豆蔻油提取率的影响。由试验结果得知，物料粒径对肉豆蔻油提取率有显著影响。当肉豆蔻粉粒径小于30目时，由于物料颗粒较大，与CO相对接触面积变小，肉豆蔻油提取率较低，为27.36%；肉豆蔻粉粒径在30-60目时，肉豆蔻油提取率最高达34.57%；肉豆蔻粉粒径太细时（＞60目），颗粒间容易成团，提取率降低为24.05%。

（3）CO流量对超临界CO提取肉豆蔻油的影响。在萃取过程中，将CO流量分别限定为15、25和30L/h，考察不同CO流量对肉豆蔻油提取率的影响。从试验结果可知，随着CO萃取流量的加大，肉豆蔻油的提取率有较大的提升。当流量从15L/h升高到25L/h时，提取率从24.47%提高到32.23%，提高比例为31.71%；而当流量从25L/h升高到35L/h，提取率提高比例为16.85%，有所减缓。

（4）萃取温度对超临界CO提取肉豆蔻油的影响。将萃取温度分别设定为30、35、40、45和50℃，考察不同萃取温度对肉豆蔻油提取率的影响。从试验结果可知，萃取温度在30-40℃之间变化时，对肉豆蔻油提取率的影响较小；当萃取温度升高到45℃，肉豆蔻油提取率上升到最高，达到34.84%；萃取温度继续升高到50℃，肉豆蔻油提取率又开始下降。

图2：萃取时间对肉豆蔻油提取率的影响

（5）萃取时间对超临界CO提取肉豆蔻油的影响。将萃取时间分别限定为10、20、30、40和50min，考察不同萃取时间对肉豆蔻油提取率的影响，试验结果如图2所示。由图2可知，随着萃取时间的延长，肉豆蔻油提取率逐渐增加；当萃取时间为40min时，提取率为30.51%，继续增加萃取时间，肉豆蔻油提取率变化不明显。

表2：正交试验安排表及结果

来源 平方和 自由度 均方 F值 p-值 显著性Prob ＞ F模型 118.35 6 19.73 2.38 0.1006 不显著A-萃取温度 32.83 2 16.41 1.98 0.1839 B-萃取时间 72.69 2 36.34 4.39 0.0396 显著C-萃取压力 12.84 2 6.42 0.78 0.484残差 91.04 11 8.28失拟 21.03 2 10.52 1.35 0.3066 不显著纯误差 70.01 9 7.78总和 209.39 17

根据单因素试验结果，选取萃取温度、萃取时间和萃取压力为优化参数，其它参数固定为单因素的最佳值，进行三因素三水平的正交优化试验，选取L（3）的正交表进行试验设计，试验安排及试验结果如表2所示。对正交试验结果进行方差分析，分析结果如表3所示。从表3的方差分析结果可知，萃取温度和萃取压力对肉豆蔻油的超临界CO提取率的影响不显著，萃取时间对肉豆蔻油提取率有显著的影响。由于模型不显著，则以肉豆蔻油提取率最大为目标来优化参数，则可直接在正交实验组中挑选，因此，肉豆蔻油超临界CO萃取的最佳工艺参数为：萃取温度35℃、萃取时间60min和萃取压力15MPa，此时最高的提取率为36.89%。

四、结论

分别采用水蒸汽蒸馏、亚临界萃取和超临界CO萃取工艺对肉豆蔻油进行提取，结果表明：水蒸汽工艺的提取率为6.96%，亚临界萃取工艺的提取率为19.68%，超临界CO萃取工艺的提取率为24.52%。水蒸汽工艺得到的肉豆蔻油为低沸点的挥发性组分，粘度较低，色泽最浅；亚临界萃取和超临界萃取的肉豆蔻油中包含高沸点的脂肪酸以及蜡质成分等，粘度较水蒸汽工艺高。

再进一步对超临界CO萃取工艺进行系统研究，从单因素试验的结果可知，萃取压力、CO流量、提取时间、萃取温度和物料粒径对超临界CO萃取肉豆蔻油的提取率都有较大影响。选取萃取温度、萃取时间和萃取压力为优化参数，进行三因素三水平的正交试验，得到最佳工艺参数为：萃取温度35℃、萃取时间60min和萃取压力15MPa，此时最高的提取率为36.89%。