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(hù)理領(lǐng)域。近年來(lái),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(diǎn)。有關(guān)超臨界CO2雙柱萃餾濃縮天然維生素E的文獻(xiàn)資料國(guó)內(nèi)外都有報(bào)道,歸納起來(lái)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(shí)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(shí),由于維生素E在超臨界CO2的溶解度較低,所以萃取所需時(shí)間長(zhǎng),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(jìn)出。根據(jù)筆者自行測(cè)定的維生素E/CO2體系相平衡基礎(chǔ)可知,脂肪酸甲酯對(duì)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(jiàn)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(xiàn)報(bào)道。因此,本文報(bào)告了萃取柱和精餾柱的最佳工藝操作參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并比較了雙柱萃餾產(chǎn)品與國(guó)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(shí)際應(yīng)用潛力,為進(jìn)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(yù)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(biāo)樣:購(gòu)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(kāi)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(jìn)行甲酯化、甲醇解、冷析脫甾醇預(yù)處理,用預(yù)處理后的餾出物作為萃餾實(shí)驗(yàn)原料,每次進(jìn)料200g。預(yù)處理后的餾出物中維生素E總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:10.5876%;進(jìn)柱Ⅱ(即進(jìn)精餾柱)前物料中維生素E質(zhì)量分?jǐn)?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(yàn)所用設(shè)備是在江蘇飛宇石油科技開(kāi)發(fā)有限公司原有超臨界CO2萃取系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)研制的。雙柱逆流萃餾工藝流程圖與實(shí)驗(yàn)步聚詳見(jiàn)文獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),每進(jìn)一批物料,對(duì)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(lái),而柱底富集的則是一些較難溶且粘稠的色素和長(zhǎng)鏈烷烴等油渣。此時(shí)停止實(shí)驗(yàn)分別收集萃取柱柱頂和柱底餾分,同時(shí)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(biāo),而柱頂餾分則是進(jìn)入精餾柱的原料。對(duì)于精餾柱(≤14MPa)而言,經(jīng)2.5h～3.5h精餾分離后,可將進(jìn)入精餾柱原料的70%～80%從頂部分離出來(lái),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(biāo)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,每次進(jìn)料量相同,經(jīng)相同時(shí)間萃取后,當(dāng)萃取柱和精餾柱頂部和底部餾分總重量分別占進(jìn)料重量的70%～80%時(shí),則終止此次實(shí)驗(yàn)。由于各批次進(jìn)料固定,萃取時(shí)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(shí)驗(yàn)中考察指標(biāo)就可簡(jiǎn)化為一個(gè),即考察餾分中維生素E的純度,并據(jù)此進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。1.3分析1.3.1hplc產(chǎn)品價(jià)值分析參見(jiàn)文獻(xiàn)1.3.2有害元素鉛、砷的測(cè)定Pb、As的測(cè)定:參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T5009.12-1996、GB/T5009-1996)食品中有害元素鉛、砷的測(cè)定方法利用原子吸收光譜法進(jìn)行測(cè)定。檢測(cè)條件見(jiàn)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(wú)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(guó)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(xì)管柱;進(jìn)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(dá)后保溫40min;進(jìn)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(cè)定儀器:AR1000Rheometer流變儀,英國(guó)TAInstruments公司產(chǎn)品黏度分析軟件:RheologyAdvantageDataAnalysisVersionV1074黏度測(cè)定條件:剪切速率30/s;10,60mm錐板;測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平范圍,正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理見(jiàn)表2～3。正交實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)處理都是通過(guò)正交設(shè)計(jì)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?yàn)?A(柱壓)>D(進(jìn)料口位置)>B(柱溫)>C(CO2流量);(2)以C(CO2流量)作誤差估計(jì),A、B、D以α=0.10為衡量水準(zhǔn),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(biāo),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(jìn)料口位置為柱第3節(jié)。此時(shí)柱底餾分中維生素E含量較低,為10.36%;同時(shí)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(shí)驗(yàn)中最少的。2.2柱頂和柱底餾分維生素e含量的正交實(shí)驗(yàn)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(lái),使天然維生素E在柱底得到富集,達(dá)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(cè)定,得知當(dāng)體系壓力低于15MPa時(shí),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(duì)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(guò)程中,溶解能力將不斷降低,從而導(dǎo)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(shí),回流液與上升的超臨界CO2相遇,進(jìn)行熱和質(zhì)的交換。這樣,在柱內(nèi)就進(jìn)行著如同蒸餾過(guò)程一樣的“多級(jí)平衡”,從而大大改善了超臨界CO2萃取過(guò)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(biāo),對(duì)影響精餾柱各主要因素如柱壓、柱溫、CO2流量和進(jìn)料位置等因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析見(jiàn)表4～6。精餾柱正交實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)處理都是通過(guò)正交設(shè)計(jì)助手(Vol2.3)軟件處理得到的,從中可以得出:(1)對(duì)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?yàn)?A(柱壓)>B(柱溫)>D(進(jìn)料口位置)>C(CO2流量);柱壓采用12MPa,柱溫40℃～85℃,CO2流量12L/h,進(jìn)料口位置為柱第3節(jié)時(shí),柱底餾分中維生素E含量較高,為52.91%,同時(shí)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(shí)驗(yàn)中最多的。對(duì)精餾柱柱頂餾分而言,各影響因素的主次順序?yàn)?A(柱壓)>D(進(jìn)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(jìn)料口位置為柱第3節(jié)時(shí),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(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),對(duì)于精餾柱柱頂餾分維生素E含量來(lái)說(shuō),各影響因素都沒(méi)有顯著性;對(duì)于柱底餾分維生素E含量來(lái)說(shuō),柱壓為影響顯著、柱溫和進(jìn)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(biāo),本實(shí)驗(yàn)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(jìn)料口位置為柱第3節(jié)。2.3試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)與產(chǎn)品的物理和化學(xué)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)料口位置為柱第3節(jié)。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),進(jìn)料300g,醇解物中維生素E含量為10.5876%,萃餾一定時(shí)間后可以得到維生素E含量為58.4058%的濃縮物17.67g,此時(shí)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(guò)HPLC分析發(fā)現(xiàn),分子蒸餾產(chǎn)品中α-維生素E的相對(duì)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(duì)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(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。2.3.4維生素e異構(gòu)體及分子蒸餾產(chǎn)品的測(cè)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(duì)萃餾產(chǎn)品進(jìn)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(jiàn),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(cè)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(dòng)性很好,尤其是在45℃以下時(shí)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(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)品與分子蒸餾產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)料位置為柱第3節(jié);精餾柱柱壓采用12MPa,柱溫40℃～85℃,