全 文 ：超临界 CO2萃取万寿菊花中叶黄素的
工艺优化
李高峰 ,聂永亮 ,王佩维
(中国日用化学工业研究院 ,山西 太原 030001)
摘要:通过五因素四水平正交实验考察了超临界 CO2 萃取工艺参数对叶黄素收率的影响。最佳工艺为:萃取压力 45 MPa 、
萃取温度 50℃;分离压力Ⅰ 8 MPa ,分离Ⅰ温度 55℃,在分离釜Ⅰ中收集主要提取物;分离Ⅱ压力 4 MPa 、分离Ⅱ温度 20℃,在分
离Ⅱ收集的为杂质。萃取温度 、分离Ⅰ压力对叶黄素浸膏的超临界CO2 萃取工艺有显著性影响。
关键词:超临界CO2;萃取;万寿菊;叶黄素
中图分类号:TS202.3　 文献标识码:A　 文章编号:0253-4320(2009)S2-0182-03
Optimization of extracting technique of lutein from marigold flower by
supercritical CO2 extraction
LI Gao-feng , NIE Yong-liang , WANG Pei-wei
(China Research Institute of Daily Chemical Industry , Taiyuan 030001 , China)
Abstract:A 5-factor and 4-level orthogonal design is used to study conditions of the supercritical CO2 extraction process to
the yield of lutein from marigold flower.The optimum process is found as follows:45 MPa of extracting pressure , 50℃ of
extracting temperature , 8MPa and 55℃ for the separating kettle Ⅰ , 4 MPa and 20℃ for the separating kettle Ⅱ.The main
extracts are collected in separated kettle Ⅰ .The extracting temperature and the pressure of separating kettle Ⅰ have remarkable
effects on supercritical CO2 extracting result of lutein.
Key words:supercritical CO2;extraction;marigold flower;lutein
　收稿日期:2009-02-19
　基金项目:山西省科技攻关项目(2007031079)
　作者简介:李高峰(1980-),男 ,硕士生;聂永亮(1965-),男 ,学士 , 高级工程师 ,主要研究方向为天然产物提取及其制品的开发 ,通讯联系人 ,
nyl2870@163.com;王佩维(1965),男 ,学士 ,教授级高工 ,主要研究方向为表面活性剂及天然产物的分析化学。
　　叶黄素是一种广泛存在的天然抗氧化剂[ 1] ,而
且具有抑制肿瘤生长 、防治因肌体衰老而引发的心
血管硬化 、冠心病[ 2-3]等疾病的功效 ,还具有明显的
防辐射 、护肤 、润肤和抗衰老作用[ 4] 。另外 ,预防和
治疗老年性眼球视网膜黄斑区病变引起的视力下降
与失明[ 5] 、白内障等眼部疾病[ 6]是叶黄素的独特功
能。叶黄素还是一种很好的天然着色剂 。国际市场
上1 g叶黄素的价格与 1 g 黄金相当。万寿菊花花
瓣是非常好的叶黄素来源 ,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 ,萃取的产品还有令人不快的
臭味 ,不能满足叶黄素作为医药和食品等工业的要
求 ,研究者开始了将超临界 CO2 萃取技术应用于叶
黄素提取中[ 7-10] 。笔者针对超临界 CO2 萃取全过
程采用正交实验进行研究 ,确定了各因素对叶黄素
提取率的影响规律 ,得出最佳工艺参数 。
1　实验部分
1.1　主要试剂与仪器
CO2 ,食品级 ,纯度在 99%以上 ,太原天计应用
化工有限公司。万寿菊干花颗粒来自大同市天然色
素提取有限公司 ,将干花颗粒 40℃下干燥 5 h , 粉
碎 ,筛分 ,取颗粒粒径小于 1.25 mm的干花粉末进行
实验。HA121-50-01-C超临界萃取装置(采用一萃
二分流程), 江苏南通华安超临界萃取有限公司 。
DF-20型流水式中药粉碎机 ,无锡中银机械制造有
限公司 。LC5500高效液相色谱仪 ,北京东西电子技
术研究;Millipore膜过滤器及真空泵 ,美国Waters公司。
1.2　超临界萃取实验过程
基本流程为:CO2 瓶—制冷系统 —高压泵—萃
取釜—分离釜 Ⅰ —分离釜 Ⅱ —(循环),实验装置如
图1所示。采用 1个萃取釜 、2个分离釜间歇式操
作 ,通过调节温度和压力得到不同的产物。每次实
·182·
Oct.2009 现代化工 第 29卷增刊(2)
Modern Chemical Industry 2009年 10月
验时将烘干 、粉碎的 300 g 万寿菊干花颗粒装入 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 ,按预定实验设定萃取和分离温度 ,
对系统进行加热或冷却 ,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 10 min分别从 2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 ,停止实验 ,计算得率 ,将萃取剩余物从萃取釜中
取出 。
1—二氧化碳气瓶;2—贮罐;3—冷箱;4—流量计;5 、10—高压泵;
6—萃取釜;7、8—解析釜;9—分离柱;11—夹带剂罐
图 1　HA121-50-01-C型插临界萃取装置
1.3　叶黄素含量的测定
取超临界制得的叶黄素浸膏 15 g ,在 KOH 的甲
醇与异丙醇的混合体系中 ,40℃下皂化 ,从产物中分
离出游离态叶黄素 ,并经过纯化 、真空干燥后可制得
叶黄素晶体 ,经天然产物标准样品国家核心实验室
(北京)分析鉴定含量为 97.29%,作为标准样品 。
色谱条件:色谱柱为 Diamonsil C18柱 ,甲醇/乙
腈/乙酸乙酯/水体积比 30∶29∶40∶1为流动相 ,流速
0.75 mL/min ,检测波长 450 nm ,柱温25℃,进样量20
μL。叶黄素样品的 HPLC色谱图如图 2所示。
图 2　叶黄素样品的HPLC色谱图
1.3.1　线性关系的考察
精密称取叶黄素对照品20.00mg 置50 mL量瓶
中 ,用流动相溶解并稀释至刻度。精密移取 0.1 、
0.5 、1 、1.5 、2 、3 mL 置 50 mL 量瓶中 ,用流动相稀释
至刻度 ,摇匀。在上述色谱条件下进样 ,以叶黄素峰
面积 A(mv/ s)对进样浓度 C(μg/mL)进行回归 ,得到
回归方程为:Y = -14377.4 +59811.7C , r2 =
0.9939 ,叶黄素在 0.8 ～ 24.0μg/mL 范围内线性关系
良好 。
1.3.2　方法精密度
精密称取叶黄素对照品 20.0 mg ,用流动相溶解
制成 8×10-6 g/mL的溶液 ,在上述色谱条件下重复
进样 6次 ,将上述溶液放置 2 d后 ,再次重复进样 6
次 ,RSD为 0.96%,表明该方法精密度良好 。
1.3.3　加标回收率
按不同比例准确称取已知含量的叶黄素样品和
叶黄素标准品 ,配制 5种样品 ,并用流动相溶解 ,
　　(上接第 181页)
在天然气储存和超级电容器电极材料领域有广泛的
应用前景 。
参考文献
[ 1] 陈景华 ,侯贵华.KOH 作用下稻壳制备高比表面积活性炭的研
究[ J] .材料导报 , 2009, 23(10):90-92.
[ 2] Xia J , Kagawa S ,Wakao N , et al.Production of activated carbon from
bagasse(waste)of sugarcane grown in Brazil[ J] .J Chem Eng Jpn ,
1998 , 31(66):987-990.
[ 3] 孙康 ,蒋剑春 ,张天健 ,等.水蒸气法制备橡胶籽壳活性炭的研
究[ J] .林产化学与工业 , 2006, 26(2):41-43.
[ 4] 孙康 ,蒋剑春 ,卢辛成.文冠果皮活性炭的制备及其在甘油脱色
脱臭中的应用[ J] .林产化学与工业 , 2009 , 29:77-81.
[ 5] 张志霄 ,池涌 ,严建华 ,等.利用废轮胎热解炭制取活性炭的试
验研究[ J] .浙江大学学报:工学版 , 2004 , 38(6):775-778.
[ 6] Guo Yupeng , Yang Shaofeng , Yu Kaifeng , et al.The preparation and
mechanism studies of rice husk based porous carbon [ J] .Materials
Chemist ry and Physics , 2002 , 74(3):320-323.
[ 7] Hu Z , Srinivasan M P.Preparation of high-surface-area activated car-
bons from coconut shell[ J] .Microporous and Mesoporous Materials ,
1999 , 27:11-18.
[ 8] Lozano-Castello D , Lillo-Rodenas M A , Cazorla-Amoros D , et al.Prepa-
ration of activated carbons f rom spanish anthracite:1.Activated by KOH
[ J] .Carbon , 2001, 39:741-79.
[ 9] 刘洪波 ,常俊玲 ,张红波 ,等.竹炭基高比表面积活性炭电极材
料的研究[ J] .炭素技术 , 2003 , 22(5):1-7.
[ 10] Darmst A H , Roy C , Kaliaguine S , et al.Solid state 13C-NMR spec-
troscopy and XRD studies of commercial and pyrolytic carbon blacks
[ J] .Carbon , 2000, 38:1279-1287.□
·183·2009年 10月 李高峰等:超临界 CO2 萃取万寿菊花中叶黄素的工艺优化
制得浓度为8×10-6 g/mL 的溶液 ,在上述色谱条件
下测定 , 每种样品进样 3 次 , 回收率为 99.49%～
100.22%, RSD为 0.82%～ 1.64%。
1.3.4　样品的测定
取超临界制得的叶黄素浸膏 15 g ,在 KOH 的异
丙醇的混合体系中 ,40℃下皂化 ,从产物中分离出游
离态叶黄素 ,并经过纯化 、真空干燥后可制得叶黄素
晶体 ,精密称取叶黄素样品 20.0 mg ,用流动相溶解
制成 8×10-6 g/mL的溶液 ,在上述色谱条件下测定。
2　实验结果
2.1　超临界萃取工艺参数对叶黄素浸膏得率影响
考察因素及水平的选择为得到最佳萃取工艺 ,
对影响工艺的几个因素 ,进行了考察 ,采用 L16(45)
正交表设计实验 ,以作为考察指标 ,并结合收率进行
优选 ,其因素水平见表 1。每次称取干燥粉碎的万
寿菊干花颗粒 300 g ,置于萃取釜中 ,按选定的正交
表安排实验。收集分离釜 Ⅰ中的提取物 ,称定质量 。
将所得叶黄素浸膏通过皂化 、分离和纯化处理制备
高纯度叶黄素单体 ,通过 HPLC 法测定样品中叶黄
素含量 ,确定出叶黄素的得量 ,所得结果见表 2。根
据极差对实验数据进行直观分析。结果见表 3。结
果表明 ,最佳工艺搭配为 A4B3C2D4E1。直观分析
较难反映分析的精密度 ,因此在直观分析的基础上
又进行了 2 个指标因素来源的方差分析 , 结果见
表4 ,表明萃取压力和分离 Ⅰ压力对萃取工艺有显
著影响。
表 1　正交实验因素水平表
水平
A B C D E
萃取
压力/MPa
萃取
温度/ ℃
分离Ⅰ
压力/MPa
分离Ⅰ
温度/ ℃
分离Ⅱ
温度/ ℃
1 30 40 5 40 20
2 35 45 8 45 25
3 40 50 11 50 30
4 45 55 14 55 35
表 2　实验设计与结果表
所在列
因素
1 2 3 4 5
萃取
压力/
MPa
萃取
温度/
℃
分离Ⅰ
压力/
MPa
分离Ⅰ
温度/
℃
分离Ⅱ
温度/
℃
实验
结果
实验 1 1 1 1 1 1 2.03
实验 2 1 2 2 2 2 3.54
实验 3 1 3 3 3 3 3.05
实验 4 1 4 4 4 4 2.76
实验 5 2 1 2 3 4 4.62
实验 6 2 2 1 4 3 3.97
实验 7 2 3 4 1 2 3.62
实验 8 2 4 3 2 1 4.10
实验 9 3 1 3 4 2 5.98
实验 10 3 2 4 3 1 4.79
实验 11 3 3 1 2 4 5.53
实验 12 3 4 2 1 3 6.22
实验 13 4 1 4 2 3 6.44
实验 14 4 2 3 1 4 6.92
实验 15 4 3 2 4 1 9.33
实验 16 4 4 1 3 2 7.74
均值 1 2.845 4.768 4.818 4.697 5.063
均值 2 4.078 4.805 5.928 4.902 5.220
均值 3 5.630 5.383 5.012 5.050 4.920
均值 4 7.607 5.205 4.402 5.510 4.957
极差 4.762 0.615 1.526 0.813 0.300
表 3　主次因素 、最佳水平与工艺搭配
　　指标 叶黄素得量
因素主次 A>C>D>B>E
最佳工艺搭配 A4B3C2D4E1
萃取压力/MPa 45
萃取温度/ ℃ 50
分离Ⅰ压力/MPa 8
分离Ⅰ温度/ ℃ 55
分离Ⅱ温度/ ℃ 20
表 4　方差分析
　　　因素 偏差平方和 自由度 F 比 F临界值 显著性
萃取压力/MPa 50.738 3 234.898 9.280 ＊
萃取温度/ ℃ 1.096 3 　5.074 9.280
分离Ⅰ压力/MPa 4.977 3 23.042 9.280 ＊
分离Ⅰ温度/ ℃ 1.429 3 　6.616 9.280
分离Ⅱ温度/ ℃ 0.216 3 　1.000 9.280
误差 0.22 3
2.2　验证实验
按照优选工艺条件安排 5次实验 ,实验结果见
表5 ,结果验证实验中 RSD=0.28%,说明工艺稳定
可行 。
表 5　验证实验
实验
序号
萃取
压力/MPa
萃取
温度/ ℃
分离Ⅰ
压力/MPa
分离Ⅰ
温度/℃
分离Ⅱ
温度/ ℃
叶黄素
得量/g
1 45 50 8 55 20 9.45
2 45 50 8 55 20 9.52
3 45 50 8 55 20 9.47
4 45 50 8 55 20 9.50
5 45 50 8 55 20 9.49
RSD 0.28%
　　 (下转第 186页)
·184· 现代化工 第 29卷增刊(2)
明显加快 ,当温度达到 180℃时 ,采用 ZSM-5作催化
剂 ,得率和转化率分别是 29.58%和 82.58%,而采
用氢型丝光沸石作催化剂 ,得率和转化率分别是
28.35%和 75.85%。从 140℃至 180℃,随着温度的
升高转化率和得率都在上升 。当实验反应温度为
200℃时 ,反应压力骤然增大 ,反应体系变得极不稳
定。出现这种现象的原因是 ,温度较高时原料乳酸
乙酯易发生α-羟基酸的脱羧基反应 ,同时温度过高
可能使原料发生过度脱水 ,碳化现象加剧 ,积碳覆盖
在催化剂表面 ,致使脱水反应体系及不稳定。综上
所述最终确定优化脱水温度在 180℃。
(a)ZSM-5作催化剂 (b)丝光沸石作催化剂
1—乳酸乙酯转化率;2—丙烯酸乙酯产率
图 1　温度对脱水反应的影响
2.2　反应时间对反应的影响
由图 2所示 ,无论是 ZSM-5还是丝光沸石 ,但
它们作为脱水催化剂都有一个共同点 ,即是反应后
产物丙烯酸乙酯的得率都随时间的延长而增大 ,在
3 h达到最高 ,当反应时间大于3 h ,尽管转化率显著
的增大 ,但是丙烯酸乙酯的得率却下降。原因可能
在于在反应温度很高的条件下 ,反应时间越长 ,副反
应程度越大 ,导致即使转化率增大但产物的得率 、转
化率均降低 。并且温度越高 ,聚合反应生成的乳酸
聚合物越会沉积在催化剂的表面 ,致使实际的加热
时间延长 ,从而导致结焦现象的发生 ,总之增加反应
时间并不会提高产物的得率。
(a)ZSM-5作催化剂 (b)丝光沸石作催化剂
1—乳酸乙酯转化率;2—丙烯酸乙酯产率
图 2　反应时间对反应的影响
2.3　催化剂用量对反应的影响
在温度等其他反应条件都相同的情况下 ,考察
了催化剂用量对反应的影响 ,如图 3所示。随着丝
光沸石用量的增大 ,丙烯酸乙酯的得率及乳酸乙酯
的转化率都在增大;ZSM-5做催化剂时类似于丝光
沸石 ,但当用量大于 7.5%时 ,丙烯酸乙酯的得率在
不断上升 ,但是原料乳酸乙酯转化率却有下降的趋
势。原因可能在于氢型丝光沸石催化裂化的效果更
强 ,脱水反应副产物得率更大 。
(a)丝光沸石作催化剂 (b)ZSM-5作催化剂
1—乳酸乙酯转化率;2—丙烯酸乙酯产率
图 3　催化剂用量对反应的影响
　　(上接第 184页)
3　结语
通过 5因素 4水平正交实验确定了超临界 CO2
萃取叶黄素的最佳工艺条件为:萃取压力 45 MPa ,
萃取温度 50℃,分离 Ⅰ压力 8 MPa , 分离 Ⅰ温度
55℃,分离 Ⅱ温度 20℃,此条件下叶黄素浸膏萃取
率高 ,结果稳定 。
参考文献
[ 1] Alexandra A R , Andrew S.The science behind lutein[ J] .Toxicology
Letters ,2004 , 150:57-83.
[ 2] O Connell C D.Functional fututes[ J] .Prepared Foods ,2004 , 173(4):
1-9.
[ 3] O Connell C D.Buying into bioactives[ J] .Prepared Foods , 2004 , 173
(4):9-13.
[ 4] Del Campo J A , Moreno J , Rodriguez H , et al.Carotenoid content of
chlorophycean microalgae:Factors determining lutein accumulation in
Muriellopsis sp.(Chlorophyta)[ J] .Journal of Biotechnology , 2000
(76):51-59.
[ 5] Whitehead A J , Mares J A , Danis R P.Macular pigment:A review of
current knowledge.[ J] .Arch Ophthalmol ,2006 , 124:1038-1045.
[ 6] Tai C Y , Chen BH.Analysis and stability of carotenoids in the flowers
of daylily(Hemeorcallis disticha)as affected by various treatments.[ J]
J.Agri.Food Chem , 2000 , 48:5962-5968.
[ 7] Raghunath R J , et al.Extraction of lutein from marigold f lower:PCT/
IB01/ 02057[ P] .2003-05-08.
[ 8] 侯相林 ,杜俊明 ,王富国.用超临界二氧化碳从万寿菊花提取叶
黄素的方法:中国, 02103042.1[ P] .2002-02-06.
[ 9] 聂永亮 ,王万绪 , 杜志平 ,等.叶黄素浸膏的超临界 CO2 流体萃
取及其皂化工艺研究[ J] .日用化学品科学 , 2008 , 31(1):15-
18.
[ 10] 马清香 ,徐响 ,高彦祥.超临界CO2 萃取万寿菊花中叶黄素的研
究.[ J] .农业工程学报.2007 ,27(8):257-260.□
·186· 现代化工 第 29卷增刊(2)