全 文 ：第 23卷 第 8期
2007年 8月
农 业 工 程 学 报
Transactions of the CSAE
Vol. 23　 No. 8
Aug.　 2007
超临界 CO2萃取万寿菊花中叶黄素的研究
马清香 , 徐　响 , 高彦祥※
(中国农业大学食品科学与营养工程学院 ,北京 100083)
摘　要: 采用超临界 CO2萃取技术 ,研究了从万寿菊花中萃取叶黄素的工艺条件。 对影响超临界 CO2萃取叶黄素的各种因素 ,包括分离参
数、原料含水率、粉碎粒径 ,超临界萃取温度、压力、流速、时间等因素进行了考察 ,得到较佳的萃取工艺条件为: 原料含水率 10. 92% ,粒径
40目 ,萃取温度 60℃ ,压力 30 M Pa, CO2流速 15 L /h,分离釜Ⅰ 温度 40℃ ,压力 6 M Pa,分离釜Ⅱ温度 20℃ ,时间为 6 h。
关键词: 万寿菊 ; 超临界 CO2萃取 ; 叶黄素
中图分类号: TS201. 1　　　　文献标识码: B　　　　文章编号: 1002-6819( 2007) 8-0257-04
马清香 ,徐　响 ,高彦祥 .超临界 CO 2萃取万寿菊花中叶黄素的研究 [ J ].农业工程学报 , 2007, 23( 8): 257- 260.
Ma Qingxiang, Xu Xiang, Gao Yanxiang. Supercriti cal carbon dioxide ext raction of lu tein f rom marigold ( Tagetes er ect L. ) [ J ]. Transac-
tions of th e C SAE, 2007, 23( 8): 257- 260. ( in Ch inese w ith Englis h abs t ract )
收稿日期: 2006-04-13　修订日期: 2007-07-02
作者简介: 马清香 ( 1980- ) ,女 ,主要从事天然产物的萃取分离研
究。 北京　中国农业大学食品科学与营养工程学院 , 100083。
Emai l: caugyx@ 126. com
※通讯作者: 高彦祥 ( 1961- ) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,研究方向:天
然产物与食品添加剂。北京　中国农业大学食品科学与营养工程学
院 , 100083。 Email: hygyx@ sohu. com
0　引　言
万寿菊 ( Ma rig o ld;学名 Tagetes erecta L. )花中的色素是类
胡萝卜素类化合物 ,主要为叶黄素及其酯类 [1] ,作为天然食用色
素已广泛应用于食品工业中。由于叶黄素具有抗氧化、预防年龄
相关性视黄斑及白内障 [2]、抗癌、预防心血管疾病 [3]等生理功能 ,
在保健品及药品领域中有广阔的应用前景 [4 ]。
常规溶剂法从万寿菊花中萃取的叶黄素油树脂有机溶剂残
留高 ,容易污染环境 ,浓缩分离时还会造成有效成分的损失和溶
剂中杂质对产品的污染 ,萃取的产品还有树脂等的令人不快的
臭味 ,不能满足叶黄素作为食品添加剂和药品的要求。 超临界
CO2萃取技术是目前国内外取得迅猛发展的、很有特色的绿色
萃取分离技术之一 ,已经成功地应用到辣椒红素 [5, 6]、β -胡萝卜
素 [7, 8]、番茄红素 [9]等类胡萝卜素的萃取中。然而 ,国内外关于天
然色素的超临界 CO2萃取研究中 ,除 Favati [10]在 1988年用小试
设备研究了萃取压力对苜蓿叶蛋白浓缩物中叶黄素的影响 ,
Sov ová [11]研究了在近临界状态以乙醇为夹带剂的条件下小荨麻
叶中叶绿素和类胡萝卜素类物质的萃取状况外 ,没有关于超临
界状态下万寿菊花中叶黄素萃取分离的系统研究。
本研究利用超临界 CO2流体技术从万寿菊花中萃取分离叶
黄素做了单因素试验 ,包括原料物性 (含水率、粒径 ) ,萃取条件
(温度、压力、 CO2流速及萃取时间 ) ,分离参数对叶黄素得率的
影响 ,以期给相关研究及工业化生产提供一定的指导作用。
1　材料与方法
1. 1　原料
万寿菊花颗粒由烟台物华天然色素有限公司提供 ,含水率
22. 54% ,使用前经室温干燥 ,粉碎机粉碎。
1. 2　试剂
CO2 (北京凌云建材气体有限公司 ,纯度 99. 0% ) ;有机溶剂
(无水乙醇 ,环己烷等 ,分析纯 ,北京化工厂 )。
1. 3　仪器
HA220-50-06超临界萃取装置 (江苏南通华安超临界萃取
设备有限公司 ) ; UV757分光光度计 (上海棱光仪器有限公司 ) ;
SENCOR系列旋转蒸发仪 (上海申生仪器有限公司 ); SC69-02C
水分快速测定仪 (上海世义精密仪器有限公司 ) ;小型高速粉碎
机 (北京鑫环亚科技有限公司 )。
1. 3. 1　超临界 CO2萃取工艺流程
超临界 CO2萃取工艺流程如图 1所示。
1. CO2钢瓶　 2、 5.净化器　 3.储罐 (冷箱 )　 4.混合器　 6.萃取
釜　 7、 8.分离釜Ⅰ 和Ⅱ　 9.压力表
图 1　超临界 CO2萃取及分离装置图
Fig. 1　 Schematic o f Supe rcritical CO2 ( SC-CO2 )
ex t raction appara tus
1. 3. 2　试验步骤
本研究的萃取方式是间歇式操作 ,两个分离釜 ,通过调节温
度和压力得到不同的产物。 每次试验时 ,将粉碎的 200g万寿菊
花装入 1 L的萃取釜 ,然后打开萃取釜、分离釜Ⅰ 、分离釜Ⅱ 、制
冷及冷循环开关 ,按预定试验设定萃取和分离温度 ,对系统进行
257
加热或冷却 ,待萃取分离温度达到设定温度后 ,打开阀门放入
CO2 ,启动高压泵 ,调节萃取釜压力到预定条件后 ,萃取开始记
时 ,再调节分离釜Ⅰ 压力到预定值 ,分离釜Ⅱ 压力不调节 ,和储
罐相同。 每隔一定时间分别从两个分离器放出萃取物 ,称重计
量 ,当在设定间隔时间内萃取物质量≤ 0. 1 g时 ,停止试验 ,计算
得率 ,将萃取物从萃取釜中取出 ,准备下一个试验。
1. 4　研究方法
1. 4. 1　分离条件对叶黄素得率的影响
萃取器中分别装入等量 ( 200 g )、含水率 ( 10. 92% )相同的原
料在萃取压力为 45 M Pa、温度 60℃、 CO2流速 10 L /h的条件下
萃取 9 h,改变分离釜Ⅰ 的温度、压力 ,分离釜Ⅱ的温度 ,确定最
佳的分离条件 ,在后续的萃取试验中采用该分离条件。
1. 4. 2　原料物性参数对叶黄素得率的影响
1)含水率对叶黄素萃取的影响　萃取器中分别装入等量、
含水率不同的原料 (粒径范围分布为: < 20目: 13. 9% ; 20～ 40
目: 45. 83% ; 40～ 60目: 12. 81% ; 60～ 80目: 10. 15% ; 80～ 100
目: 6. 4% ; > 100目: 10. 91% )在萃取压力为 30 M Pa、温度 60℃、
CO2流速 10 L /h的条件下萃取 ,确定原料的最佳含水率。
2) 粒径对叶黄素得率的影响　含水率相同 ( 10. 92% )的等
量原料 ,粉碎机粉碎后经振动筛筛分得到粒径分别为 20、 40、 60
目的原料 ,在萃取压力 30 MPa、温度 60℃、 CO2流速 10 L /h的
条件下萃取 ,确定最佳粉碎粒径。
1. 4. 3　超临界萃取工艺参数对叶黄素得率的影响
万寿菊花颗粒在 1. 4. 2 1)原料粒径分布和含水率 10. 92%
的物性参数下 ,萃取温度 50℃ ,流速 15 L /h,考察萃取压力 ( 20～
40 MPa )对超临界 CO2萃取叶黄素得率的影响 ;然后在确定的
最佳压力 ,流速 15 L /h下研究萃取温度 ( 35～ 65℃ )对叶黄素得
率的影响 ;然后在确定的最佳压力和温度条件下研究 CO2流速
( 5～ 20 L /h )对叶黄素得率的影响 ;最后在确定的最佳压力、温
度和 CO2流速条件下研究萃取时间对叶黄素得率的影响。
1. 5　分析方法
1. 5. 1　含水率
远红外水分测定仪测定样品的含水率。
1. 5. 2　叶黄素含量测定
得到的油树脂按 FAO /W HO[12]方法测叶黄素含量 ,进而计
算叶黄素萃取质量。 计算方法如下:
C =
A× V1× V2
2900× V× W
式中　 A—— 吸光度 ; V1—— 初次定容体积 , mL; V2—— 二次
定容体积 , mL; 2900—— 叶黄素在环己烷∶乙醇 ( 96% ) = 1∶ 1
中 444 nm处的比吸收系数 ; V—— 移取体积 , m L; W—— 样品
质量 , g ; C—— 油树脂中叶黄素含量 ,%。
本文中叶黄素得率以每百克原料可萃取得叶黄素质量计 ,
计算公式如下:
r = G× C× 1000 /200
式中 　G—— 油树脂重 , g ; r—— 叶黄素得率 , mg /( 100 g );
200—— 原料添加量 , g。
2　结果与分析
2. 1　分离条件对叶黄素得率的影响
分离条件对分离釜中色素影响较大 ,若分离条件不好 ,一方
面可能在两个分离釜中都有色素 ,另一方面萃取出的水会跟色
素混在一块。较好的分离条件是一个分离釜中是色素 ,另一分离
釜中是水。 在相同的萃取条件下 ,分离釜Ⅰ 温度 50℃、 10 M Pa、
分离釜Ⅱ 温度 35℃的条件下 ,分离釜Ⅰ 中的叶黄素得率为
488. 45 mg /( 100 g ) ,而在分离釜Ⅰ 温度 40℃ ,压力 6 M Pa、分离
釜Ⅱ 温度 20℃的条件下 ,分离釜Ⅰ 中的叶黄素得率为 765. 4
mg /( 100 g ) ,且该分离条件下 ,实现了油树脂和水分离。 本研究
中其余试验均采用该分离条件。
2. 2　原料物性参数对叶黄素得率的影响
2. 2. 1　原料含水率对叶黄素得率的影响
由图 2可知 ,萃取 8 h时叶黄素得率随原料含水率的增加先
下降又上升。一些研究已经证明 ,物料的含水率对超临界流体萃
取的得率有一定程度的影响 [13]。含水率较高时 ,容易在物料的表
面形成一层水膜 ,不利于溶质的溶出 ,当万寿菊花原料含水率为
14. 05%时 ,叶黄素得率低就与原料的含水率过高有关。 当原料
含水率为 18. 59%时 ,叶黄素得率又有所回升 ,这可能是因为一
定量的水分溶解在高压的超临界 CO2中 ,起到了夹带剂的作
用 [14]。若原料含水率太高 ,会增加油树脂和水分离的困难。因此 ,
有必要对原料的含水率进行一定的控制 ,从而有利于萃取的进
行 ,本研究中后续试验均采用含水率为 10. 92%的原料。
图 2　原料含水率对叶黄素得率的影响
Fig. 2　 Effec t of marig old moistur e on lutein yield
2. 2. 2　粒径对叶黄素得率的影响
在其他萃取条件相同的条件下 ,粒径为 20目的原料萃取
13 h,叶黄素得率为 448. 82 mg /( 100 g ) ,粒径为 40目的原料萃
取叶黄素得率为 790. 64 mg /( 100 g ) ,是 20目的 1. 76倍 ,如图 3
所示。然而当原料粒径为 60目时 ,叶黄素得率又呈下降趋势。原
料越细 ,物料与超临界流体的接触面积也增大 ,有利于提高得
率 ,但原料过细 ,增加了原料的堆积密度 ,一方面增大了外传质
阻力 ,另一方面致使超临界 CO2只沿着阻力小的线路通过料层 ,
形成许多针孔 ,使萃取不均匀 [26]。因此 ,超临界 CO2萃取叶黄素
较好的粒径为 40目。
2. 3　萃取工艺参数对叶黄素得率影响
2. 3. 1　萃取压力对叶黄素得率的影响
叶黄素随萃取压力变化情况见图 4,在 20 M Pa时萃取 10 h,
所得叶黄素仅为 15. 59 mg /( 100 g )。当萃取压力上升到 30 M Pa
时萃取叶黄素为 618. 29 mg /( 100 g )原料。 在 20～ 30 MPa的范
围内 ,随着压力的增大 ,色素的得率随之增加。在 20～ 30 MPa范
258 农业工程学报 2007年　
围内叶黄素量随萃取压力的增加而增加的原因是随着萃取压力
的增加超临界流体对叶黄素的溶解度增加。当压力超过 30 MPa
时 ,得率又呈下降趋势 ,超临界 CO2扩散系数减小及外传质阻力
的加剧都会在一定程度上影响叶黄素得率 [15]。因此 ,超临界 CO2
萃取叶黄素较好的萃取压力为 30 MPa。
图 3　原料粒径对叶黄素得率的影响
Fig. 3　 Effect o f pa rticle si ze of ma teria l on lutein yield
图 4　萃取压力对叶黄素萃取的影响
Fig. 4　 Ef fect o f ex trac tion pressure on lutein yield
2. 3. 2　萃取温度对叶黄素得率的影响
由图 5可知 ,温度对叶黄素萃取的影响比较复杂 ,萃取 10 h
时随温度增加 ,萃取的叶黄素首先下降 ,当温度从 40℃上升至
60℃时萃取的叶黄素也呈上升趋势 ,这与 Sovová 研究结果相一
致。 但当温度高于 60℃时 ,萃取的叶黄素又呈下降趋势 ,番茄红
素也存在类似的情况 [11]。
图 5　萃取温度对叶黄素得率的影响
Fig. 5　 Effect o f ex trac tion tempera ture on lutein yield
随着温度的升高 , CO2流体密度降低 ,导致了超临界 CO2对
溶质的溶解能力下降 ,使物质在其中的溶解度下降 ,增大了内传
质阻力 ;二是温度对物质蒸汽压及扩散系数的影响 ,随温度升
高 ,一方面物质的蒸汽压增大 ,使物质在超临界 CO2流体中的溶
解度增大 ,另一方面 ,温度升高 ,扩散系数增大 ,降低了外传质阻
力。这两种相反的影响导致在一定压力下 ,溶解度等压线出现最
低点 ,在最低点温度以下 ,前者占主导地位 ,导致溶解度曲线呈
下降趋势 ,在最低点温度以上 ,后者占主导地位 ,溶解度曲线呈
上升趋势 [16]。 60℃以前叶黄素萃取曲线和等压溶解度曲线规律
完全相同。 但当萃取温度高于 60℃时 ,叶黄素得率又呈下降趋
势 ,这与叶黄素是热敏性色素有关 ,萃取温度太高 ,会导致叶黄
素降解。 所以超临界 CO2萃取叶黄素较好的萃取温度为 60℃。
2. 3. 3　 CO2流速对叶黄素得率的影响
在超临界萃取过程中 , CO2流速对萃取过程同时存在着两
方面的影响。 一方面 ,随着 CO2流速的增加 ,增加了溶剂对原料
的萃取次数 ,提高了传质速率 ,缩短萃取时间。 但另一方面 , CO2
流速较大时 ,溶质与超临界流体来不及充分作用 ,以至于从萃取
釜内出去的 CO2是不饱和的 [17 ] ,色素得率的提高受到限制 ,导
致 CO2的耗量增加 ,提高了生产成本。 CO2流速在 5～ 20 L /h时
其萃取效果见图 6,在流速为 5 L /h的条件下 ,原料萃取 9 h所
得叶黄素仅为 595. 48 mg /( 100 g ) ,而在 15 L /h,叶黄素得率上
升到 963. 02 mg /( 100 g ) ,当流速为 20 L /h,所得叶黄素为
890. 12 mg /( 100 g )。因此试验确定超临界 CO2萃取叶黄素较好
的 CO2流速为 15 L /h。
图 6　 CO2流速对叶黄素得率的影响
Fig. 6　 Effect o f CO2 flow rate on lutein yield
2. 3. 4　萃取时间对叶黄素得率的影响
由图 7及图 8结果可知 ,叶黄素的得率随着时间的增加而
增加 , 前一个小时得到叶黄素为 483. 43 mg /( 100 g ) , 占总叶黄
图 7　萃取时间对叶黄素得率的影响
Fig. 7　 Eff ect o f ex trac tion time on lut ein yield
259　第 8期 马清香等 :超临界 CO2萃取万寿菊花中叶黄素的研究
素的 64. 65% ,此时所得油树脂色素含量也较高 ,为 14. 69%。但
随着时间的延长 ,得率的增加幅度逐渐变缓 , 6 h时 ,所得叶黄素
为 726. 21 mg /( 100 g ) ,此时油树脂色素含量为 10. 07%。继续延
长萃取时间到 9 h,所得叶黄素总量为 747. 73 mg /( 100 g ) ,油树
脂色素含量已经降为 8. 7%。 因此 , 6 h是理想的萃取时间。
图 8　萃取时间对叶黄素含量的影响
Fig. 8　 Effect o f ex traction time on lutein cont ent
3　结　论
通过超临界 CO2萃取万寿菊中叶黄素的单因素试验 ,得到
了萃取叶黄素的较佳的参数为: 原料含水率 10. 92% ,粒径 40
目 ,萃取压力 30 M Pa,萃取温度 60℃ , CO2流速 15 L /h,萃取时
间 6 h、分离釜Ⅰ 温度 40℃、压力 6 M Pa、分离釜Ⅱ温度 20℃。
[参　考　文　献 ]
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Supercritical carbon dioxide extraction of lutein
from marigold(Tagetes erect L. )
Ma Qingxiang , Xu Xiang , Gao Yanxiang※
(College of Food Science and Nutritional Engineering , China Agricultural University , Beijing 100083, China)
Abstract: Lutein w as ex tr acted fr om marig old ( Tagetes erecta L. ) w ith super critical CO2. The effects o f mo istur e, pa rticle size o f th e
mate rial and the process parameters, such as ex tr action tempera ture, pressure, solvent flow rate, ex trac tion time , separa tion temper-
ature and pressur e on the yield o f lutein were investig ated. The results demonstr ate that the bette r ex trac tion param eters ar e a s
fo llow s: ex trac tion pressure 30 M Pa , ex trac tion tempera ture 60℃ , tem perature o f 40℃ and pressure of 6 M Pa in separ ato r Ⅰ ,
tempera ture of 20℃ in separa to r Ⅱ , material moisture 10. 92% , pa r ticle size of material 40 mesh, so lv ent flow ra te 15 L /h and
ex trac ting time 6 h.
Key words: marigo ld; supercritical CO2 ex traction; lutein
260 农业工程学报 2007年