含夹带剂超临界CO2萃取芝麻油

肖杨李朝

(中南民族大学化学与材料科学学院，湖北 武汉 430074)

超临界流体既不同于气体，也不同于液体，具有许多独特的物理化学性质，因具有接近于液体的密度，这赋予它很强的溶剂化能力。同时，其黏度与气体接近，扩散系数比液体大，具有良好的传质性能。二氧化碳由于其具有临界点低（TC=31.3℃，PC=7.38 MPa）、无毒、无味、不易燃、化学惰性、价廉等优点，使超临界二氧化碳成为被广泛认可的一种环境友好的绿色溶剂，已应用于石油化工、化学反应工程、环境保护、分析技术、天然产物提取、材料加工、生物工程等诸多领域[1]。

芝麻油是食用品质好，营养价值高的优良食用油。经常食用芝麻油可以调节毛细血管的渗透作用，加强人体组织对氧的吸收能力，改善血液循环，延缓衰老保持青春。芝麻油传统提取方法过程时间长、温度高、系统开放易造成热不稳定及易氧化成分的破坏和会发损失，对不分组分有破坏作用。超临界二氧化碳流体萃取过程使萃取和分离合二为一，工艺流程简单，无毒、无害、无残留、时间短、温度低、提取系统封闭、收油率大大提高，具有传统方法难以达到的效果[2,3]。

二氧化碳无极性，夹带少量极性有机溶剂可提高超临界二氧化碳流体的溶解能力。本文对含夹带剂超临界二氧化碳萃取芝麻油的工艺条件进行了研究，分析了各个工艺条件对萃取率的影响，并尝试探索较优提取工艺条件。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

芝麻 (市售)，CO2气体 (高纯， 武钢集团公司)， 夹带剂(有机溶剂，夹分析纯)；超临界 CO2萃取装置，型号HL-1L/50MPa/200℃-ⅡA，杭州华黎泵业有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，

型号DGX-9623BC-1，上海福玛实验设备有限公司；高速万能粉碎机，FW100型，天津市泰斯特仪器有限公司；架盘药物天平，JYT-10型。

1.2 实验装置

实验装置流程如图 1所示，由供气、冷却、萃取、分离、循环等系统构成。首先将芝麻作在120℃烘箱中干燥10 h以上并粉碎过筛预处理，实验装料100 g后密封萃取釜，然后当冷凝器中CO2温度冷凝到-5℃时，开启萃取釜的进气阀和出气阀，调节微调阀，将萃取釜中的压力控制在实验要求压力。分离釜Ⅰ的温度控制在45℃，压力控制在5.0～6.0 MPa之间；分离釜Ⅱ的温度控制在40℃，压力控制在 4.5～5.5 MPa之间。夹带剂由副泵输入，控制其流量为主体流量的3%。经一定工艺条件（萃取温度、萃取压力、萃取时间、CO2流量等）萃取结束后，收集提取样，测定提取样质量。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.3 评价指标

定义萃取率为实验中萃取得到芝麻油的质量与每次萃取所加芝麻的质量的百分比 （%），并作为实验指标。由于每次实验白芝麻的用量均为100 g，所以每次萃取所得芝麻油的质量数值与萃取率（%）相等。

2 结果与讨论

2.1 萃取压力的影响

萃取压力是超临界流体萃取过程中最重要的操作参数之一。由图 2可以看出，萃取率随着压力的升高而升高，这是由于萃取压力增加则超临界流体密度增加，从而使其溶解能力增强，提高了萃取率。萃取压力为40 MPa时萃取率达到最高，萃取效果最好，压力从20 MPa提高到25 MPa时萃取率增加的幅度最大，但当压力增大到30 MPa后，芝麻油萃取率增加趋势变缓，可能的原因是压力进一步增大，使超临界流体的粘度增大，扩散阻力变大。另外，萃取压力过大，将会导致设备老化损坏速度增加，设备投资和操作费用增加。萃取压力30 MPa较适宜。

图2 萃取压力的影响

2.2 萃取温度的影响

萃取温度是超临界流体萃取过程中另一重要的操作参数。同样调节温度会影响超临界流体的密度。升高温度对萃取率的影响有两方面，其一是升高温度有利于溶质挥发性的增加和提高扩散系数，有利于萃取；另一方面是升高温度会降低CO2密度，使其溶剂化能力降低，不利于萃取[4]。萃取釜温度对芝麻油萃取率的影响如图 3所示。可以看出，温度在 45℃以下时，萃取率随着温度对升高而升高，温度升高导致溶质热运动加快，物质传递速率增大，使萃取率提高。但当温度超过45℃以后，萃取率有所下降。与压力不同的是，压力增加，密度会增加，而温度升高会降低超临界流体的密度，超临界流体密度降低，溶解能力下降，萃取率也随之降低。可能的原因是在高温下，超临界CO2密度下降是主导因素，从而导致溶解度下降。本实验萃取温度选取 45℃为较好。

图3 萃取温度的影响

2.3 萃取时间的影响

萃取时间对萃取率的影响如图4所示。可以看出，萃取率随着时间的延长而整体呈增加趋势，但随着时间的延长，萃取率增加的趋势逐渐放缓。这是由于在萃取开始时，芝麻颗粒表面与超临界流体接触充分，两相间芝麻油的浓度差大，传质推动力大，而且从颗粒表面向超临界相进行物质的传递阻力小，传质面积大，传质速率快，萃取率会显著增加。随着传质界面由表面向内部的不断推进，芝麻油的传递阻力不断增加，两相的浓度差减小，传质推动力下降，传递速率变低，萃取率增加幅度降低。由图中可以看出萃取率还有上升的趋势，但140 min后萃取率增加趋势放缓。到180 min时仍有增加趋势，180 min到220 min芝麻油萃但取率增加不足1%。较好萃取时间为180 min。

图4 萃取时间的影响

2.4 CO2流量的影响

由图 5可以看出，随CO2流量增大，萃取率是呈明显上升趋势的。CO2流量增加，CO2流速增加，超临界CO2在萃取釜中停留时间减少，萃取釜中溶质与新鲜溶剂接触时间相应增加，两相间浓度差增大，传质推动力增加，有利于萃取能力的提高。表明CO2流量越大，越有利于萃取。采用设备最大CO2流量10 kg/h为佳。

图5 萃取率随CO2流量变化的趋势

2.5 较优条件

对上述各单因素实验中分析得到的较好萃取条件进行了验证性实验研究，在萃取压力30 MPa、萃取温度 45℃、萃取时间 180 min、CO2流量10 kg/h条件下进行三次实验，得到芝麻油的萃取率分别为35.6%、36.0%、34.9%，平均值达到35.5%，该值大于单因素实验中最大萃取率，达到最大值。因此确定超临界CO2流体萃取芝麻油的较优工艺条件为萃取压力40 MPa、萃取温度45℃、萃取时间 180 min、CO2流量 10 kg/h。

3 结论

利用含夹带剂超临界CO2流体从芝麻中萃取了芝麻油，探索了萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流量等因素对芝麻油萃取率的影响。确定了较优实验操作条件：萃取压力30 MPa、萃取温度 45℃、萃取时间 180 min、CO2流量10 kg/h。

[1]韩布兴.超临界流体科学与技术[M].北京:中国石化出版社,2005.

[2]张令莉,郑永杰,任桂兰.CO2超临界萃取芝麻油中芝麻素含量的GC-MS测定 [J].齐齐哈尔大学学报,2006,22(5):28-30.

[3]谢春英,袁雨婕,宁德山,葛发欢.超临界CO2萃取芝麻油及芝麻素的工艺研究[J].中药材,2007,30(9):1163-1165.

[4]熊婕,吴和珍,杨艳芳,刘焱文.超临界二氧化碳流体萃取鹅不食草的正交实验研究[J].时珍国医国药,2007,18(6):1328-1329.