超臨界二氧化碳雙柱逆流萃取天然維生素e的工藝研究

超臨界二氧化碳雙柱逆流萃取天然維生素e的工藝研究

天然維生素e是一種天然有效的添加劑。它具有良好的生理活性和食用安全。它廣泛用于食品、藥物和護理領(lǐng)域。近年來,超臨界CO2雙柱萃取技術(shù)用于提取濃縮天然維生素E已成為廣大科技工作者研究的熱點。有關(guān)超臨界CO2雙柱萃餾濃縮天然維生素E的文獻資料國內(nèi)外都有報道,歸納起來分為兩大類:一類是輕組分先出料,另一大類則是重組分先出料。輕組分先出料指的是從低壓柱到高壓柱的雙柱萃取方式,要想實現(xiàn)真正意義上的連續(xù)化生產(chǎn)存在一些不足:高壓萃取維生素E時,由于維生素E在超臨界CO2的溶解度較低,所以萃取所需時間長,且在萃取后期隨著體系粘度的變大,傳質(zhì)效果就變得困難,致使維生素E的萃取率不高,并在高壓柱底餾分很容易形成黑色塊狀的粘稠油狀物,影響物料的連續(xù)進出。根據(jù)筆者自行測定的維生素E/CO2體系相平衡基礎(chǔ)可知,脂肪酸甲酯對維生素E在超臨界CO2中的溶解起著很大的協(xié)同作用,這樣就可利用脂肪酸甲酯的協(xié)同作用最大可能地萃出維生素E,除去色素等其它一些較難溶的油渣,然后再用精餾柱分離脂肪酸甲酯與天然維生素E,為重組分先出料(指的是從高壓柱到低壓柱的雙柱萃取方式)提供了理論支持。但是至今未見超臨界CO2雙柱逆流濃縮天然維生素E,有關(guān)重組分先出料最佳工藝參數(shù)的文獻報道。因此,本文報告了萃取柱和精餾柱的最佳工藝操作參數(shù)正交實驗結(jié)果,并比較了雙柱萃餾產(chǎn)品與國內(nèi)某企業(yè)分子蒸餾產(chǎn)品的理化特性,目的是探討超臨界CO2雙柱萃餾濃縮天然維生素E工藝的可操作性及其實際應(yīng)用潛力,為進一步的工業(yè)化生產(chǎn)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1材料和方法1.1大豆油脫空液預處理大豆油脫臭餾出物:江蘇泰興春之谷生物工程公司提供;dl-α-生育酚標樣:購自SIGA公司,W(dl-α生育酚)>98%;液態(tài)CO2:φ(CO2)=99.9%,江蘇飛宇石油科技開發(fā)有限公司提供。在雙柱萃餾前,首先將大豆油脫臭餾出物進行甲酯化、甲醇解、冷析脫甾醇預處理,用預處理后的餾出物作為萃餾實驗原料,每次進料200g。預處理后的餾出物中維生素E總質(zhì)量分數(shù)為:10.5876%;進柱Ⅱ(即進精餾柱)前物料中維生素E質(zhì)量分數(shù)為:8.5023%。1.2萃取柱頂和柱下底餾分的分離和最佳工藝參數(shù)的確定本試驗所用設(shè)備是在江蘇飛宇石油科技開發(fā)有限公司原有超臨界CO2萃取系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改進研制的。雙柱逆流萃餾工藝流程圖與實驗步聚詳見文獻。實驗發(fā)現(xiàn),每進一批物料,對于萃取柱(≤20MPa)而言,在經(jīng)約1h萃取后,可將原料中80%左右的物質(zhì)萃取出來,而柱底富集的則是一些較難溶且粘稠的色素和長鏈烷烴等油渣。此時停止實驗分別收集萃取柱柱頂和柱底餾分,同時分析柱底餾分中的維生素E純度和收率,作為確定萃取柱工藝參數(shù)的指標,而柱頂餾分則是進入精餾柱的原料。對于精餾柱(≤14MPa)而言,經(jīng)2.5h～3.5h精餾分離后,可將進入精餾柱原料的70%～80%從頂部分離出來,而天然維生素E則在精餾柱的底部富集,以精餾柱底部餾分和頂部餾分中維生素E的純度和收率作為考察精餾柱最佳工藝操作參數(shù)的指標。在實際實驗中,每次進料量相同,經(jīng)相同時間萃取后,當萃取柱和精餾柱頂部和底部餾分總重量分別占進料重量的70%～80%時,則終止此次實驗。由于各批次進料固定,萃取時間和收率基本相同,自然維生素E純度越高的樣品,其收率也高,這樣正交優(yōu)化實驗中考察指標就可簡化為一個,即考察餾分中維生素E的純度,并據(jù)此進行數(shù)據(jù)處理與分析。1.3分析1.3.1hplc產(chǎn)品價值分析參見文獻1.3.2有害元素鉛、砷的測定Pb、As的測定:參照中華人民共和國國家標準(GB/T5009.12-1996、GB/T5009-1996)食品中有害元素鉛、砷的測定方法利用原子吸收光譜法進行測定。檢測條件見表1。1.3.3gc-msthermoquet產(chǎn)品的成分分析采用GC-MS方法。將一定量的樣品溶于無水乙醇中,定容10mL,樣品濃度約為2mg/mL～4mg/mL。具體分析條件如下:氣質(zhì)聯(lián)用儀器:FINNIGANTRACEGC-MSThermoQuest,美國FINNIGAN公司產(chǎn)品氣質(zhì)聯(lián)用分析處理軟件:FINNGANXcalibur1.1version色譜柱:OV170130m×0.25μm×0.25mm毛細管柱;進樣溫度:280℃;接口溫度:250℃;柱溫:240℃升至265℃,升溫速度為10℃/min,待溫度到達后保溫40min;進樣量1μL;倍增器電壓:350V;離子源溫度:200℃;燈絲電流:150mA;分流比:不分流;載氣:高純He,流量為0.8mL/min;電離方式:EI;電子能量:70eV;掃描范圍:33u～550u(原子質(zhì)量單位)1.3.4黏度分析及條件黏度測定儀器:AR1000Rheometer流變儀,英國TAInstruments公司產(chǎn)品黏度分析軟件:RheologyAdvantageDataAnalysisVersionV1074黏度測定條件:剪切速率30/s;10,60mm錐板;測定溫度范圍:20℃～60℃2結(jié)果與討論2.1柱底餾分維生素e的萃取工藝優(yōu)化根據(jù)萃取柱單因素實驗結(jié)果確定了正交實驗的因素與水平范圍,正交實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理見表2～3。正交實驗所有數(shù)據(jù)處理都是通過正交設(shè)計助手(Vol2.3)軟件處理得到的,數(shù)據(jù)分析如下:(1)影響萃取柱柱底餾分維生素E含量各因素的主次順序為:A(柱壓)>D(進料口位置)>B(柱溫)>C(CO2流量);(2)以C(CO2流量)作誤差估計,A、B、D以α=0.10為衡量水準,A為顯著因子,D、B因子影響不大。(3)以萃取柱柱底餾分維生素E的純度最低作為考察指標,得到了萃取柱最佳工藝參數(shù)為:柱壓采用20MPa,柱溫40℃,CO2流量14L/h,進料口位置為柱第3節(jié)。此時柱底餾分中維生素E含量較低,為10.36%;同時還發(fā)現(xiàn)這一條件下從柱底收集到的餾分重量也是各批次實驗中最少的。2.2柱頂和柱底餾分維生素e含量的正交實驗精餾柱的關(guān)鍵在于將溶解度較大的脂肪酸甲酯分離出來,使天然維生素E在柱底得到富集,達到濃縮天然維生素E的目的。根據(jù)天然維生素E在超臨界CO2中溶解度的測定,得知當體系壓力低于15MPa時,天然維生素E在超臨界CO2中的溶解度很低,并且脂肪酸甲酯與維生素E的相對分離因子大于2.5,因此精餾柱的壓力選擇在15MPa以下。如果柱內(nèi)再設(shè)定溫度梯度,那么恒壓下,超臨界CO2在上升的過程中,溶解能力將不斷降低,從而導致溶解度低的組分重新析出,并沿柱內(nèi)流下,形成內(nèi)回流;同時,回流液與上升的超臨界CO2相遇,進行熱和質(zhì)的交換。這樣,在柱內(nèi)就進行著如同蒸餾過程一樣的“多級平衡”,從而大大改善了超臨界CO2萃取過程的選擇性。這種不等溫柱的內(nèi)回流作用使獲得較高純度的天然維生素E產(chǎn)品成為可能。分別以柱頂和柱底餾分維生素E含量作為考察指標,對影響精餾柱各主要因素如柱壓、柱溫、CO2流量和進料位置等因素進行正交實驗優(yōu)化。正交實驗設(shè)計及結(jié)果分析見表4～6。精餾柱正交實驗所有數(shù)據(jù)處理都是通過正交設(shè)計助手(Vol2.3)軟件處理得到的,從中可以得出:(1)對精餾柱柱底餾分維生素E含量而言,各影響因素的主次順序為:A(柱壓)>B(柱溫)>D(進料口位置)>C(CO2流量);柱壓采用12MPa,柱溫40℃～85℃,CO2流量12L/h,進料口位置為柱第3節(jié)時,柱底餾分中維生素E含量較高,為52.91%,同時還發(fā)現(xiàn)這一條件下從柱底收集到的餾分重量也是各批次實驗中最多的。對精餾柱柱頂餾分而言,各影響因素的主次順序為:A(柱壓)>D(進料口位置)>B(柱溫)>C(CO2流量);柱壓采用12MPa,柱溫40℃～85℃,CO2流量12L/h,進料口位置為柱第3節(jié)時,柱頂餾分中維生素E含量最低,為0.15%。(2)從方差分析表中可以看出,在實驗范圍內(nèi),對于精餾柱柱頂餾分維生素E含量來說,各影響因素都沒有顯著性;對于柱底餾分維生素E含量來說,柱壓為影響顯著、柱溫和進料位置為有影響因子。綜上所述,如以最終產(chǎn)品中維生素E純度大于50%作為指標,本實驗確定精餾柱各主要影響因子最佳參數(shù)為:柱壓采用12MPa,柱溫40℃～85℃,CO2流量12L/h,進料口位置為柱第3節(jié)。2.3試驗實驗與產(chǎn)品的物理和化學性質(zhì)2.3.1精餾柱各主要影響因子最佳參數(shù)根據(jù)前面單因素和正交實驗可知,從大豆油脫臭餾出物醇解產(chǎn)物中,利用超臨界CO2雙柱逆流萃餾濃縮天然維生素E的最佳工藝參數(shù)為:萃取柱各主要影響因子最佳參數(shù)為:柱壓采用20MPa,柱溫40℃,CO2流量14L/h,進料口位置為柱第3節(jié);精餾柱各主要影響因子最佳參數(shù)為:柱壓采用12MPa,柱溫40℃～85℃,CO2流量12L/h,進料口位置為柱第3節(jié)。在此條件下進行驗證實驗,進料300g,醇解物中維生素E含量為10.5876%,萃餾一定時間后可以得到維生素E含量為58.4058%的濃縮物17.67g,此時天然維生素E的得率為42.98%。2.3.2低型天然維生素e濃縮油的合成通過HPLC分析發(fā)現(xiàn),分子蒸餾產(chǎn)品中α-維生素E的相對含量占總維生素E的14.88%,比超臨界CO2雙柱萃餾產(chǎn)品中α-維生素E的相對含量高出約5%左右,但都屬于低α型天然維生素E濃縮油。雙柱萃取維生素E濃縮油中維生素E純度為58.4058%,高出分子蒸餾產(chǎn)品中維生素E含量約6%。2.3.3雙柱萃取醇的原子吸收光譜結(jié)果雙柱萃餾產(chǎn)品中的重金屬元素Pb、As檢測結(jié)果見表7。2.3.4維生素e異構(gòu)體及分子蒸餾產(chǎn)品的測定為了弄清楚雙柱萃餾產(chǎn)品中除天然維生素E外的其他物質(zhì),對萃餾產(chǎn)品進行了GC-MS分析,并與分子蒸餾產(chǎn)品作了比較。超臨界CO2萃餾產(chǎn)品共檢出8種成分,除幾種維生素E異構(gòu)體外,還檢出有3-(3,8,12,16-四甲-3,7,11,15-四烯基)-環(huán)已烯、角鯊烯、芥酸和豆甾醇等雜質(zhì);而分子蒸餾產(chǎn)品共檢出13種成分,除幾種維生素E異構(gòu)體外,還檢出有二十二碳烷酸甲酯、9-十八烯酸乙酯、二十三碳烷酸甲酯、二十四碳烷酸甲酯、3-(3,8,12,16-四甲-3,7,11,15-四烯基)-環(huán)已烯、角鯊烯、麥角甾醇、谷甾醇、菜籽甾醇和豆甾醇等雜質(zhì)。由此可見,超臨界CO2雙柱萃餾濃縮天然維生素E產(chǎn)品中所含雜質(zhì)比分子蒸餾產(chǎn)品少。2.3.5產(chǎn)品表觀黏度和表觀黏度利用AR1000-Rheometer流變儀測定雙柱萃餾產(chǎn)品和分子蒸餾產(chǎn)品的表觀黏度。結(jié)果表明:超臨界CO2雙柱萃餾產(chǎn)品的流動性很好,尤其是在45℃以下時的表觀黏度明顯低于分子蒸餾產(chǎn)品。3柱壓及流程再造的產(chǎn)品品質(zhì)探討了超臨界CO2雙柱逆流萃取技術(shù)從大豆脫臭餾出物中萃取濃縮天然維生素E的工藝,分別得到了萃取柱和精餾柱的最佳工藝操作參數(shù),將實驗所得產(chǎn)品與分子蒸餾產(chǎn)品進行了比較,結(jié)論如下:1.最佳工藝操作參數(shù)為:萃取柱柱壓采用20MPa,柱溫40℃,CO2流量14L/h,進料位置為柱第3節(jié);精餾柱柱壓采用12MPa,柱溫40℃～85℃,