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Analysis of extraction process and composition of tea seeds oil with supercritical carbon dioxide

超临界CO2提取茶籽油的工艺及其成分分析



全 文 :第 11 卷第 4 期
2013 年 7 月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol. 11 No. 4
Jul. 2013
doi:10. 3969 / j. issn. 1672 - 3678. 2013. 04. 006
收稿日期:2012 - 09 - 23
基金项目:国家自然科学基金(200973002);安徽省教育厅重点项目(KJ2008A083)
作者简介:孙益民(1954—),男,山东文登人,教授,研究方向:天然产物科学,E⁃mail:wshuxianqin@ 163􀆰 com
超临界 CO2 提取茶籽油的工艺及其成分分析
孙益民1,2,胡献琴1,2,翟春海1,2,钟  明1,张  晓1,陈海娟1
(1. 安徽师范大学 化学与材料科学学院 安徽省功能性分子固体重点实验室,芜湖 241000;
2. 安徽省天然产物超临界提取工程技术研究中心,芜湖 241007)
摘  要:对超临界 CO2工艺提取茶籽油进行研究,选择萃取压力、温度、时间、分离釜Ⅰ压力为影响因素,茶籽油的
提取率为试验指标,采用多因素多水平可视化分析方法对数据进行分析,得出最佳工艺范围:萃取压力 2􀆰 5 × 107 ~
3􀆰 0 × 107 Pa、温度 30 ~ 35 ℃、时间 110 ~ 140 min、分离釜Ⅰ压力 4􀆰 0 × 106 ~ 5􀆰 0 × 106 Pa。 并用气相色谱 质谱法测
定茶籽油中的各个成分及含量,发现茶籽油中单不饱和脂肪酸主要为油酸,多不饱和脂肪酸主要为亚油酸,饱和脂
肪酸主要为棕榈酸和硬脂酸。
关键词:多因素多水平可视化分析;超临界二氧化碳;茶籽油
中图分类号:TQ420. 66        文献标志码:A        文章编号:1672 - 3678(2013)04 - 0031 - 05
Analysis of extraction process and composition of tea seeds oil
with supercritical carbon dioxide
SUN Yimin1,2,HU Xianqin1,2,ZHAI Chunhai1,2,ZHONG Ming1,ZHANG Xiao1,CHEN Haijuan1
(1. Key Laboratory of Functional Molecular Solids of Anhui Province,College of Chemistry and Materials Science,
Anhui Normal University,Wuhu 241000,China;
2. Anhui Provincial Research Center of Extraction of Natural Product by Supercritical Fluid,Wuhu 241007,China)
Abstract:The extracting of tea seeds oil with supercritical carbon dioxide was investigated. Four factors,
i. e. extracting pressure,extracting temperature,extracting time and separating pressure were chosen. The
experimental target was extracting rate of tea seeds oil. Multifactor and multilevel visual analysis method
(m2VA) was used to analyze experimental data. The optimal parameters were:extracting pressure 2􀆰 5 ×
107 to 3􀆰 0 × 107 Pa, extracting temperature 30 to 35 ℃, extracting time 110 to 140 min, separating
pressure I 4􀆰 0 × 106 to 5􀆰 0 × 106 Pa.
Key words:multifactor multilevel visual analysis;supercritical carbon dioxide;tea seeds oil
    茶籽油是从油茶树(Camellia oleifera Abel)的种
子中提取的油脂,由于其脂肪酸组成与橄榄油的脂
肪酸组成十分相似,在亚洲国家,茶籽油被称为“东
方橄榄油” [1]。 茶籽油中含有微量的山茶甙、山茶
皂甙和茶多酚等在其他植物油中所没有的活性
物质[2 - 3]。
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传统茶籽油的提取工艺主要有压榨法和浸出
法[4 - 5]:其中压榨法所须设备多,提取率低且精炼复
杂[6];浸出法则成本较低,但采用有机溶剂存在安全
隐患[7]。 水酶法[8]、水代法[9]和超声波强化提取
法[10]是茶籽油提取中正在研究的新工艺,因为工艺
成本较高,目前还没有产业化。 超临界 CO2流体萃取
技术具有纯净、安全、保持生物活性、提取率高、目标
选择性强等优点[11 - 12],已成为提取天然产物的常用
方法[14]。
笔者采用超临界 CO2提取茶籽油,选取 4 个影
响因素, 10 个水平,用非线性分析———多因素多水
平可视化分析方法[13 - 15],直观地从图上分析出实验
研究范围内提取茶籽油的最佳工艺参数范围;并用
气质联用技术测定其含量和成分,与优质食用油成
分相比较,确定此种方法提取的茶籽油是否符合优
质食用油标准,以期用于实际生产的指导。
1  材料与方法
1􀆰 1  试剂与仪器
油茶籽:安徽省黄山市油茶树种植基地;CO2
(食品级)、甲醇(分析纯)、乙醚(分析纯)、KOH(分
析纯),国药集团化学试剂有限公司;石油醚(分析
纯),北京长海化工厂。
HA221 50 06 C 型超临界 CO2 萃取仪,江
苏华安超临界萃取有限公司(16 000 W);FA1204
电子天平,上海民桥精密科学仪器有限公司;WG
43 电热鼓风干燥机,天津市泰斯特仪器有限公司;
WF 111型高速中药粉碎机,江阴市新友机械制造
有限公司;标准筛,上虞市大地分样筛厂;GCMS
QP2010 气质联用仪(GCMS Postrun Analysis),日本
岛津公司。
1􀆰 2  超临界 CO2 萃取茶籽油
以采摘 5 个月后的油茶籽为原料,对原料进行
预处理:将油茶籽在 40 ℃的条件下,烘 48 h,去壳、
粉碎,过筛后贮存待用。
取 200 g油茶籽粉末置于 1 L 的萃取釜中,待
温度达到设定值时打开储气罐阀门,平衡萃取釜、
分离釜Ⅰ、分离釜Ⅱ及管道压力。 然后打开 CO2
泵进行升压,待 3 个釜的压力分别达到预定值后
开始记录萃取时间,进入提取过程。 提取过程中
要随时调节 3 个釜的压力使其与预定值吻合。 当
时间达设定值时停止整个提取流程,收集茶籽油
并记录。
1􀆰 3  气质联用测定超临界 CO2提取的茶籽油中的
脂肪酸
    油样的甲酯化:取 1 mL油样置于 50 mL玻璃试
管中,加体积比为 1 ∶ 1的乙醚与石油醚溶液 10 mL
使其溶解;加 0􀆰 4 mol / mL KOH CH3OH 甲醇溶液
5 mL,振摇 1 min;静置 15 min 后,加重蒸馏水 20
mL,振摇 1 min后静置,取上层油样 0􀆰 5 μL用 GC
MS分析,质谱定性,面积归一化法定量。
气质联用条件:GC(30 ℃保留 5 min,以25 ℃ / min
升温到 200 ℃,维持此状况 3 min,再以 10 ℃ / min
升温到 260 ℃保留 2 min,流速为 1􀆰 3 mL / min,进样
口温度为 260 ℃,分流比为 100 ∶ 1,色谱柱型号
RTX 5);MS(离子源温度为 200 ℃,接口温度为
250 ℃,检测器电压为 0􀆰 91 kV、质量扫描范围为
50 ~ 600 aum、进样体积为 0􀆰 5 μL)。
2  结果与讨论
2􀆰 1  实验设计与结果
取 200 g油茶籽粉末于萃取釜中。 分离釜Ⅱ压
力和温度分别恒为 5 ×106 Pa和 65 ℃,分离釜Ⅰ温度
恒为 65 ℃,CO2 流速为 22 L / h。 由于分离釜Ⅱ压力
和温度都恒定,文中后面所提到的分离压力均特指分
离釜Ⅰ压力,实验参数设计与结果如表 1所示。
表 1 设计了 4 个因素,10 个水平,采用可视化
分析法对茶籽油提取率(提取率 =提取出的茶籽油
质量∕原料质量)进行分析,并用气质联用技术分
析了茶籽油中几种主要的油脂及其含量。
2􀆰 2  多因素多水平可视化分析方法对实验数据的
分析
    图 1 为 4 个实验因素对实验指标(茶籽油提取
率 PR)的影响分析结果,横纵坐标分别表示影响因
素,图中的点(●和○)表示表 1 中的 10 组提取率
的真实值,其中●表示的是 PR≤30%的实验值,○
表示的是 PR > 30%的实验值。 通过可视化的分析
原理,借助因子分析和 Matlab 等作图软件,绘制成
了 2􀆰 5 维图,图中的矩形框表示提取率高(PR大于
30% )的区间范围。
23 生  物  加  工  过  程    第 11 卷 
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表 1  实验设计及结果
Table 1  Experimental design and results
实验
编号
因素
萃取压力 /
(106 Pa)
萃取温度 /

萃取时间 /
min
分离压力Ⅰ/
(106 Pa)
提取率 /

w(酸) / %
棕榈酸 油酸 亚油酸 硬脂酸
1 10 36􀆰 7 100 5􀆰 8 4􀆰 98 0 0 0 0
2 12􀆰 2 46􀆰 7 153 8􀆰 0 8􀆰 83 2􀆰 14 29􀆰 23 0􀆰 96 0􀆰 45
3 14􀆰 4 56􀆰 7 60 5􀆰 3 4􀆰 14 13􀆰 55 62􀆰 66 0􀆰 06 4􀆰 23
4 16􀆰 7 30 113 7􀆰 6 35􀆰 74 12􀆰 47 64􀆰 89 8􀆰 14 4􀆰 45
5 18􀆰 9 40 167 4􀆰 9 41􀆰 53 11􀆰 94 57􀆰 85 9􀆰 19 3􀆰 69
6 21􀆰 1 50 73 7􀆰 1 11􀆰 93 9􀆰 39 59􀆰 49 8􀆰 59 3􀆰 31
7 23􀆰 3 60 127 4􀆰 4 30􀆰 11 12􀆰 02 57􀆰 51 9􀆰 30 3􀆰 63
8 25􀆰 6 33􀆰 3 180 6􀆰 7 43􀆰 07 10􀆰 15 67􀆰 67 7􀆰 97 3􀆰 48
9 27􀆰 8 43􀆰 3 87 4􀆰 0 35􀆰 77 12􀆰 24 64􀆰 78 9􀆰 42 3􀆰 40
10 30 53􀆰 3 140 6􀆰 2 45􀆰 02 13􀆰 87 71􀆰 32 6􀆰 13 5􀆰 62
图 1  多因素水平对茶籽油提取率的影响
Fig. 1  Effects of multiple factor level on extraction rate of tea seeds oil
    图 1(a)中萃取压力在 2􀆰 5 × 107 ~ 3􀆰 0 × 107 Pa
之间,萃取温度的变化对提取率的影响较小,矩形
框贯穿整个实验温度范围,在这一区间内的茶籽油
提取率 PR > 30% ;图 1(b)中萃取压力 2􀆰 5 × 107 ~
3􀆰 0 × 107 Pa、萃取时间 80 ~ 180 min 的区间内提取
率 PR > 30% ;图 1 ( c)中萃取压力在 2􀆰 5 × 107 ~
3􀆰 0 ×107 Pa之间,分离压力在整个实验设定区域内
被矩形框贯穿,提取率 PR > 30% ;图 1(d)中萃取温
度在30 ~ 35 ℃、萃取时间 110 ~ 180 min和萃取温度
在 55 ~ 60 ℃、萃取时间 100 ~ 170 min 的范围内,茶
籽油的提取率 PR > 30% ;图 1 ( e)中萃取温度在
30 ~ 40 ℃,分离压力 4􀆰 0 × 106 ~ 5􀆰 0 × 106 Pa 或
6􀆰 5 × 106 ~ 8􀆰 0 × 106Pa的范围内提取率 PR > 30% ;
图 1( f)中萃取时间 120 ~ 180 min、分离压力 4􀆰 0 ×
106 ~ 7􀆰 3 × 106 Pa的区间内提取率 PR > 30% 。
2􀆰 3  可视化分析结论
通过可视化分析(图 1)可知,对茶籽油提取率
的影响由大到小依次为萃取压力、萃取时间、萃取
温度、分离压力。 综合以上分析,在 4 个影响因素的
重合区域,找出最佳工艺范围:萃取压力为 2􀆰 5 ×
33  第 4 期 孙益民等:超临界 CO2 提取茶籽油的工艺及其成分分析
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107 ~ 3􀆰 0 × 107 Pa、萃取温度为 30 ~ 35 ℃、萃取时间
为 110 ~ 140 min、分离釜Ⅰ压力为 4􀆰 0 × 106 ~ 5􀆰 0 ×
106 Pa。 为进一步验证可视化分析的正确性,在最
佳工艺范围内选取:萃取压力 2􀆰 7 × 107 Pa、萃取温
度 32 ℃、萃取时间 120 min、分离釜Ⅰ压力 4􀆰 5 ×
106 Pa,得到茶籽油的提取率达 51􀆰 9% 。 可见,可视
化分析方法用于萃取工艺优化中具有有效性。
超临界 CO2 萃取工艺中 4 个影响因素的分析:
萃取压力是影响超临界 CO2 流体萃取的关键因素,
压力越高超临界 CO2 流体的密度越大,溶解能力增
强,其提取率因此增高。 萃取温度对超临界 CO2 提
取茶籽油的影响比萃取压力复杂,温度升高,CO2 流
体密度降低,溶剂化效应下降,茶籽油在 CO2 流体
中的溶解度下降,使得提取率下降;另一方面,温度
升高,茶籽油蒸气压增大,导致溶解度增大,提取率增
高;综合这两个方面及工业生产中的节能减排要求,
萃取温度的选择不宜过高,应选择温度偏低的区间。
萃取时间越长,溶剂与溶质之间的传质传热越充
分,溶质在溶剂中的含量越高,提取率越大;但萃取
时间对提取率的影响不是越长越好,茶籽油是天然
产物,成分复杂,性质相近的成分间存在“溶解互助
效应”,时间越长各成分间的溶解互助效应减弱,因
此在萃取过程中,应增大萃取强度,用尽量短的时
间,更有利于提取率的提高。 同时,由表 1 可知:分
离釜Ⅰ压力对提取率的影响很小,但其对茶籽油的
成分组成有很大影响,不同的分离压力使得分离出
       
的成分及其含量不同,在实际操作中,通过调节分
离压力,可以得到不同的目标产物,也证明了超临
界 CO2 萃取工艺具有目标选择性。
2􀆰 4  茶籽油中脂肪酸成分及含量的确定
选取萃取压力 2􀆰 7 × 107 Pa、萃取温度 32 ℃、萃
取时间 120 min、分离釜Ⅰ压力 4􀆰 5 × 106 Pa 条件下
提取的茶籽油,进行甲酯化,在前面所述的色谱条
件下进样分离,分离效果较好,得出的总离子流图,
共检测出 42 种成分,结果见图 2。
图 2  茶籽油中脂肪酸甲酯总离子流图
Fig. 2  Total ion current diagram of fatty
acids methyl ester of tea seeds oil
为了简化分析结果,只选取含量大于 0􀆰 15 %以
上的色谱峰进行质谱定性分析,茶籽油中主要脂肪酸
的含量用峰面积归一化法测出;各色谱峰相应的质谱
图经人工解析及相应的质谱库(采用 NIST05􀆰 LIB 及
NIST05s􀆰 LIB谱库)进行检索,其结果见表 2。
表 2  茶籽油中主要脂肪酸成分及相对含量
Table 2  Compositions and contents of fatty acids of tea seeds oil
峰号 化合物 相对分子质量 分子式 相对含量 / %
1 9 十六碳烯酸(甲酯) 268 C17H32O2 0􀆰 17
2 十六烷酸(棕榈酸甲酯) 270 C17H34O2 12􀆰 49
3 2 己基环丙烷辛酸(甲酯) 282 C18H34O2 0􀆰 16
4 9,12 十八碳二烯酸(亚油酸甲酯) 294 C19H34O2 8􀆰 12
5 9 十八碳烯酸(油酸甲酯) 282 C19H38O2 51􀆰 77
6 十八烷酸(硬脂酸甲酯) 298 C18H36O2 3􀆰 88
7 9 十八碳烯酸(油酸) 282 C18H34O2 1􀆰 13
8 11 二十碳烯酸(甲酯) 324 C21H40O2 1􀆰 20
9 9 十八碳烯酰胺(油酸酰胺) 281 C18H35NO 0􀆰 27
10 2 羟基 1 (羟甲基)乙基十六碳烯酸酯 330 C19H38O4 1􀆰 52
11 2,3 二羟基丙基 9 十八碳烯酸酯 356 C21H40O4 15􀆰 59
12 2,3 二羟基十八酸丙酯 358 C21H42O4 0􀆰 57
13 三十碳六烯(角鲨烯) 410 C30H50 0􀆰 16
总量 97􀆰 03
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    从表 2 可以看出:茶籽油的酯化程度较高,茶籽
油中的油酸与硬脂酸不仅与甲醇发生了酯化反应,
还与茶籽油中本身含有的少量丙三醇发生了酯化
反应。 去酯化后,茶籽油中的主要成分为不饱和脂
肪酸,其中单不饱和脂肪酸主要为油酸,质量分数
为 68􀆰 49% ;多不饱和脂肪酸主要为亚油酸,质量分
数为 8􀆰 12% ;饱和脂肪酸主要为棕榈酸和硬脂酸,
其质量分数分别为 12􀆰 49%和 4􀆰 45% ;并测出含有
微量的活性物质角鲨烯,其提取出的这种成分组成
符合优质食用油的标准。 所以,在优化工艺参数区
间内提取茶籽油,无论从其提取率还是含量上分
析,对工业生产都具有很大的参考价值。
3  结  论
通过多因素多水平可视化分析方法分析实验
数据,找出茶籽油的最佳工艺范围:萃取压力为
2􀆰 5 × 107 ~ 3􀆰 0 × 107 Pa、萃取温度为 30 ~ 35 ℃、萃
取时间为110 ~ 140 min、分离釜Ⅰ压力为 4􀆰 0 × 106 ~
5􀆰 0 × 106 Pa。 为进一步验证可视化分析的正确性,
在最佳工艺范围内选取:萃取压力 2􀆰 7 × 107 Pa、萃
取温度 32 ℃、萃取时间 120 min、分离釜Ⅰ压力
4􀆰 5 × 106 Pa,得到茶籽油的提取率达 51􀆰 9% ,高于
实验设计数值。 多因素多水平可视化分析方法亦
可以推广到其他天然产物的提取中。
采用气相色谱 质谱法测定茶籽油中的各个成
分及含量,在最佳工艺范围内选取萃取压力2􀆰 7 ×
107 Pa、萃取温度 32 ℃、萃取时间 120 min、分离釜Ⅰ
压力 4􀆰 5 × 106 Pa条件下提取的茶籽油,得出茶籽油
中的单不饱和脂肪酸主要为油酸,质量分数为
68􀆰 49% ;多不饱和脂肪酸主要为亚油酸,质量分数
为 8􀆰 12% ;饱和脂肪酸主要为棕榈酸和硬脂酸,其
质量分数分别为 12􀆰 49%和 4􀆰 45% 。 还测出含有微
量的活性物质角鲨烯。 脂肪酸组成比例符合优质
食用油的标准,可进一步开发为高档食用油。
超临界 CO2 萃取工艺提取的茶籽油保留了天
然活性成分,说明超临界 CO2 萃取法应用于茶籽油
的提取具有广阔的前景。
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