超临界二氧化碳双柱逆流萃取天然维生素e的工艺研究

超临界二氧化碳双柱逆流萃取天然维生素e的工艺研究

天然维生素e是一种天然有效的添加剂。它具有良好的生理活性和食用安全。它广泛用于食品、药物和护理领域。近年来,超临界CO2双柱萃取技术用于提取浓缩天然维生素E已成为广大科技工作者研究的热点。有关超临界CO2双柱萃馏浓缩天然维生素E的文献资料国内外都有报道,归纳起来分为两大类:一类是轻组分先出料,另一大类则是重组分先出料。轻组分先出料指的是从低压柱到高压柱的双柱萃取方式,要想实现真正意义上的连续化生产存在一些不足:高压萃取维生素E时,由于维生素E在超临界CO2的溶解度较低,所以萃取所需时间长,且在萃取后期随着体系粘度的变大,传质效果就变得困难,致使维生素E的萃取率不高,并在高压柱底馏分很容易形成黑色块状的粘稠油状物,影响物料的连续进出。根据笔者自行测定的维生素E/CO2体系相平衡基础可知,脂肪酸甲酯对维生素E在超临界CO2中的溶解起着很大的协同作用,这样就可利用脂肪酸甲酯的协同作用最大可能地萃出维生素E,除去色素等其它一些较难溶的油渣,然后再用精馏柱分离脂肪酸甲酯与天然维生素E,为重组分先出料(指的是从高压柱到低压柱的双柱萃取方式)提供了理论支持。但是至今未见超临界CO2双柱逆流浓缩天然维生素E,有关重组分先出料最佳工艺参数的文献报道。因此,本文报告了萃取柱和精馏柱的最佳工艺操作参数正交实验结果,并比较了双柱萃馏产品与国内某企业分子蒸馏产品的理化特性,目的是探讨超临界CO2双柱萃馏浓缩天然维生素E工艺的可操作性及其实际应用潜力,为进一步的工业化生产提供必要的基础数据。1材料和方法1.1大豆油脱空液预处理大豆油脱臭馏出物:江苏泰兴春之谷生物工程公司提供;dl-α-生育酚标样:购自SIGA公司,W(dl-α生育酚)>98%;液态CO2:φ(CO2)=99.9%,江苏飞宇石油科技开发有限公司提供。在双柱萃馏前,首先将大豆油脱臭馏出物进行甲酯化、甲醇解、冷析脱甾醇预处理,用预处理后的馏出物作为萃馏实验原料,每次进料200g。预处理后的馏出物中维生素E总质量分数为:10.5876%;进柱Ⅱ(即进精馏柱)前物料中维生素E质量分数为:8.5023%。1.2萃取柱顶和柱下底馏分的分离和最佳工艺参数的确定本试验所用设备是在江苏飞宇石油科技开发有限公司原有超临界CO2萃取系统的基础上进行改进研制的。双柱逆流萃馏工艺流程图与实验步聚详见文献。实验发现,每进一批物料,对于萃取柱(≤20MPa)而言,在经约1h萃取后,可将原料中80%左右的物质萃取出来,而柱底富集的则是一些较难溶且粘稠的色素和长链烷烃等油渣。此时停止实验分别收集萃取柱柱顶和柱底馏分,同时分析柱底馏分中的维生素E纯度和收率,作为确定萃取柱工艺参数的指标,而柱顶馏分则是进入精馏柱的原料。对于精馏柱(≤14MPa)而言,经2.5h～3.5h精馏分离后,可将进入精馏柱原料的70%～80%从顶部分离出来,而天然维生素E则在精馏柱的底部富集,以精馏柱底部馏分和顶部馏分中维生素E的纯度和收率作为考察精馏柱最佳工艺操作参数的指标。在实际实验中,每次进料量相同,经相同时间萃取后,当萃取柱和精馏柱顶部和底部馏分总重量分别占进料重量的70%～80%时,则终止此次实验。由于各批次进料固定,萃取时间和收率基本相同,自然维生素E纯度越高的样品,其收率也高,这样正交优化实验中考察指标就可简化为一个,即考察馏分中维生素E的纯度,并据此进行数据处理与分析。1.3分析1.3.1hplc产品价值分析参见文献1.3.2有害元素铅、砷的测定Pb、As的测定:参照中华人民共和国国家标准(GB/T5009.12-1996、GB/T5009-1996)食品中有害元素铅、砷的测定方法利用原子吸收光谱法进行测定。检测条件见表1。1.3.3gc-msthermoquet产品的成分分析采用GC-MS方法。将一定量的样品溶于无水乙醇中,定容10mL,样品浓度约为2mg/mL～4mg/mL。具体分析条件如下:气质联用仪器:FINNIGANTRACEGC-MSThermoQuest,美国FINNIGAN公司产品气质联用分析处理软件:FINNGANXcalibur1.1version色谱柱:OV170130m×0.25μm×0.25mm毛细管柱;进样温度:280℃;接口温度:250℃;柱温:240℃升至265℃,升温速度为10℃/min,待温度到达后保温40min;进样量1μL;倍增器电压:350V;离子源温度:200℃;灯丝电流:150mA;分流比:不分流;载气:高纯He,流量为0.8mL/min;电离方式:EI;电子能量:70eV;扫描范围:33u～550u(原子质量单位)1.3.4黏度分析及条件黏度测定仪器:AR1000Rheometer流变仪,英国TAInstruments公司产品黏度分析软件:RheologyAdvantageDataAnalysisVersionV1074黏度测定条件:剪切速率30/s;10,60mm锥板;测定温度范围:20℃～60℃2结果与讨论2.1柱底馏分维生素e的萃取工艺优化根据萃取柱单因素实验结果确定了正交实验的因素与水平范围,正交实验结果与数据处理见表2～3。正交实验所有数据处理都是通过正交设计助手(Vol2.3)软件处理得到的,数据分析如下:(1)影响萃取柱柱底馏分维生素E含量各因素的主次顺序为:A(柱压)>D(进料口位置)>B(柱温)>C(CO2流量);(2)以C(CO2流量)作误差估计,A、B、D以α=0.10为衡量水准,A为显著因子,D、B因子影响不大。(3)以萃取柱柱底馏分维生素E的纯度最低作为考察指标,得到了萃取柱最佳工艺参数为:柱压采用20MPa,柱温40℃,CO2流量14L/h,进料口位置为柱第3节。此时柱底馏分中维生素E含量较低,为10.36%;同时还发现这一条件下从柱底收集到的馏分重量也是各批次实验中最少的。2.2柱顶和柱底馏分维生素e含量的正交实验精馏柱的关键在于将溶解度较大的脂肪酸甲酯分离出来,使天然维生素E在柱底得到富集,达到浓缩天然维生素E的目的。根据天然维生素E在超临界CO2中溶解度的测定,得知当体系压力低于15MPa时,天然维生素E在超临界CO2中的溶解度很低,并且脂肪酸甲酯与维生素E的相对分离因子大于2.5,因此精馏柱的压力选择在15MPa以下。如果柱内再设定温度梯度,那么恒压下,超临界CO2在上升的过程中,溶解能力将不断降低,从而导致溶解度低的组分重新析出,并沿柱内流下,形成内回流;同时,回流液与上升的超临界CO2相遇,进行热和质的交换。这样,在柱内就进行着如同蒸馏过程一样的“多级平衡”,从而大大改善了超临界CO2萃取过程的选择性。这种不等温柱的内回流作用使获得较高纯度的天然维生素E产品成为可能。分别以柱顶和柱底馏分维生素E含量作为考察指标,对影响精馏柱各主要因素如柱压、柱温、CO2流量和进料位置等因素进行正交实验优化。正交实验设计及结果分析见表4～6。精馏柱正交实验所有数据处理都是通过正交设计助手(Vol2.3)软件处理得到的,从中可以得出:(1)对精馏柱柱底馏分维生素E含量而言,各影响因素的主次顺序为:A(柱压)>B(柱温)>D(进料口位置)>C(CO2流量);柱压采用12MPa,柱温40℃～85℃,CO2流量12L/h,进料口位置为柱第3节时,柱底馏分中维生素E含量较高,为52.91%,同时还发现这一条件下从柱底收集到的馏分重量也是各批次实验中最多的。对精馏柱柱顶馏分而言,各影响因素的主次顺序为:A(柱压)>D(进料口位置)>B(柱温)>C(CO2流量);柱压采用12MPa,柱温40℃～85℃,CO2流量12L/h,进料口位置为柱第3节时,柱顶馏分中维生素E含量最低,为0.15%。(2)从方差分析表中可以看出,在实验范围内,对于精馏柱柱顶馏分维生素E含量来说,各影响因素都没有显著性;对于柱底馏分维生素E含量来说,柱压为影响显著、柱温和进料位置为有影响因子。综上所述,如以最终产品中维生素E纯度大于50%作为指标,本实验确定精馏柱各主要影响因子最佳参数为:柱压采用12MPa,柱温40℃～85℃,CO2流量12L/h,进料口位置为柱第3节。2.3试验实验与产品的物理和化学性质2.3.1精馏柱各主要影响因子最佳参数根据前面单因素和正交实验可知,从大豆油脱臭馏出物醇解产物中,利用超临界CO2双柱逆流萃馏浓缩天然维生素E的最佳工艺参数为:萃取柱各主要影响因子最佳参数为:柱压采用20MPa,柱温40℃,CO2流量14L/h,进料口位置为柱第3节;精馏柱各主要影响因子最佳参数为:柱压采用12MPa,柱温40℃～85℃,CO2流量12L/h,进料口位置为柱第3节。在此条件下进行验证实验,进料300g,醇解物中维生素E含量为10.5876%,萃馏一定时间后可以得到维生素E含量为58.4058%的浓缩物17.67g,此时天然维生素E的得率为42.98%。2.3.2低型天然维生素e浓缩油的合成通过HPLC分析发现,分子蒸馏产品中α-维生素E的相对含量占总维生素E的14.88%,比超临界CO2双柱萃馏产品中α-维生素E的相对含量高出约5%左右,但都属于低α型天然维生素E浓缩油。双柱萃取维生素E浓缩油中维生素E纯度为58.4058%,高出分子蒸馏产品中维生素E含量约6%。2.3.3双柱萃取醇的原子吸收光谱结果双柱萃馏产品中的重金属元素Pb、As检测结果见表7。2.3.4维生素e异构体及分子蒸馏产品的测定为了弄清楚双柱萃馏产品中除天然维生素E外的其他物质,对萃馏产品进行了GC-MS分析,并与分子蒸馏产品作了比较。超临界CO2萃馏产品共检出8种成分,除几种维生素E异构体外,还检出有3-(3,8,12,16-四甲-3,7,11,15-四烯基)-环已烯、角鲨烯、芥酸和豆甾醇等杂质;而分子蒸馏产品共检出13种成分,除几种维生素E异构体外,还检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)-环已烯、角鲨烯、麦角甾醇、谷甾醇、菜籽甾醇和豆甾醇等杂质。由此可见,超临界CO2双柱萃馏浓缩天然维生素E产品中所含杂质比分子蒸馏产品少。2.3.5产品表观黏度和表观黏度利用AR1000-Rheometer流变仪测定双柱萃馏产品和分子蒸馏产品的表观黏度。结果表明:超临界CO2双柱萃馏产品的流动性很好,尤其是在45℃以下时的表观黏度明显低于分子蒸馏产品。3柱压及流程再造的产品品质探讨了超临界CO2双柱逆流萃取技术从大豆脱臭馏出物中萃取浓缩天然维生素E的工艺,分别得到了萃取柱和精馏柱的最佳工艺操作参数,将实验所得产品与分子蒸馏产品进行了比较,结论如下:1.最佳工艺操作参数为:萃取柱柱压采用20MPa,柱温40℃,CO2流量14L/h,进料位置为柱第3节;精馏柱柱压采用12MPa,柱温40℃～85℃,