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来源：中国色谱技术网
摘要：运用均匀试验设计研究了超临界CO2流体萃取姜黄油的工艺条件，试验结果表明；最佳的萃取工艺条件为萃取压力36Mpa，萃取温度50℃，CO2流量15kg／h，萃取时间3h。在分析萃取机理的基础上建立了初步的数学模型。
关键词：超临界CO2；姜黄油；均匀试验；数学模型
姜黄油是重要的食品添加剂，也是姜黄中主要成分之一，姜黄块茎中大约含4％～6％的姜黄油，药理研究证明姜黄油具有很好的抗氧化、抗菌、抗突变等作用。传统提取姜黄油的方法主要有水蒸气蒸馏法和有机溶剂萃取法。水蒸气蒸馏法由于水蒸气的温度较高，存在着姜黄油中低沸点香料易被破坏，而高沸点的组分不易被蒸出，而且蒸馏时间也较长等缺点；利用有机溶剂提取姜黄油，存在着有机溶剂残留，溶剂耗费大等问题。超临界CO2萃取姜黄油与传统的方法相比，具有纯度高、收率大、品质优等优点。本文将探讨均匀法超临界CO2萃取姜黄油工艺条件并建立相庆的姜油萃取的数学模型。
1、材料与方法
1．1主要试验材料与仪器
姜黄，购于西安药材市场；CO2(纯度为99.99%)，陕西兴化股份有限公司；食用酒精(95%)，陕西省宝鸡酒精厂；JA5OO3电子天平，上海精密科学仪器厂；DZF-6020真空干燥箱，上海益恒实验仪器有限公司；JA120-40-0l超临界萃取装置，江苏南通华安超临界萃取有限公司。
1．2试验方法
将姜黄粉碎，过筛，干燥，称取一定量的姜黄粉末于萃取釜中，设定温度，然后加热或制冷。当达到设定温度时，开启CO2钢瓶，通过常压泵对系统进行加压，当萃取釜和分离釜达到所选定的压力，同时调节CO2流量达到一定的值，保持恒温、恒压、恒流量的状态萃取一定时间，放出姜黄油，称量，计算得率和萃取率。计算公式如下：
姜黄油得率（%）=萃取出的姜黄油的质量（g）/原料质量（g）×100%，
姜黄油的萃取率（%）=萃取出的姜黄油的质量（g）/原料中姜黄油的质量（g）×100%。
2、试验结果与讨论
2．1试验方案设计
2．1．1确定试验指标
根据本试验的目的，选取姜黄油得率作为试验指标，显然指标值越大越好。
2．1．2确定试验因素
根据经验和查阅资料选取影响姜黄油萃取率较大的萃取压力(x1)、萃取温度(x2)、CO2流量(x3)和萃取时间(x4)四个因素为试验因素。
2．1．3确定试验次数
本试验考察的因素共4个，考虑到萃取压力x1、萃取温度x2、CO2流量x3对姜黄油萃取率(y)的影响接近于二次关系。
2．1．4确定因素水平，选择均匀设计表在超临界区域，萃取压力(x1)的微小变化将引起超临界CO2密度的较大变化，因此，萃取压力(x1)对姜黄油的得率影响十分敏感，本试验取12个水平，以对其变化规律作尽可能多的了解。萃取温度(x2)、分离温度(x3)和萃取时间(x4)的水平不宜分得过细，均取6个水平。故选U12(12×216)混合水平均匀设计表采用拟水平法安排试验。
其它试验条件：姜黄原料100.0g，分离压力6.0Mpa，分离温度45℃。
2．1．5试验方案及结果
由文献拟水平构造混合水平均匀设计表的指导表查出构造混合水平均匀设计表U12应选U12(12的平方)表的第1、3、4、11列，拟水平法构造。然后把x1、x2、x3、x4依次安排在Ul2(12×216)表的1、2、3、4列上，再将各列的水平代码换成相应因素的具体水平值，确定试验方案及结果。
2．2试验结果分析
2．2．1直观分析法
对表2进行直接分析，可见第l1号试验的结果(姜黄油得率)最好，为5.40％，姜黄油萃取率达到96.5％，可以说第l1号试验对应的条件即为较佳的工艺条件。
2．2．2回归分析法
运用均匀设计1.0软件对表2中数据进行处理，回归分析结果整理。经F检验，F=18.291>F(0.01，7，4)=14.976，说明回归方程十分显著。根据标准回归系数的绝对值，各因素对指标影响的主次顺序为：X1(萃取压力)>X2(萃取温度)X4(萃取时间)>X3(CO2>流量)。
在无约束条件下对上式求偏导，得：
X1，max=0.243/2×0.00196=62.0
X2，max=0.181/2×0.00217=41.7
X3，max=0.0873/2×0.00271=16.1
X1，max=62.0，X2，max=41.7，X3，max=16.1代入，且令ymax=5.6（姜黄油得率最大为5.6%），则X4.min=3.1。因此，理论上超临界CO2萃取姜黄油的最优工艺条件为：萃取压力62.0MPa，萃取温度41.7℃，CO2流量16.1kg／h，萃取时间3.1h。事实上，现在大型工业化超临界CO2萃取装置设计压力都未能达到40MPa以上，一般多在30MPa左右，原因在于设备设计压力越高，其制造技术要求就越高，相应的制造成本可能会呈几何增长，限制其应用。通过对表的直观分析可知，第l1号试验中姜黄油得率达到了5.4％，其萃取率为96.50％，基本接近完全萃取，其工艺条件为：萃取压力36MPa，萃取温度50℃，CO2流量15kg／h，萃取时间3h。对比二者工艺条件除了压力以外，其它几个因素的数值相差不大，且11号试验的萃取率已经达到96.50%。所以最佳工艺条件为：萃取压力36MPa，萃取温度5O℃，CO2流量15kg／h，萃取时间3h。
2．3姜黄油的萃取机理分析和数学模型的建立
2．3．1萃取过程机理的分析
基于吸附理论和超临界流体萃取天然产物的过程，超临界CO2萃取姜黄油的动力学过程有以下五步：超临界CO2流体在姜黄粉末颗粒表面形成一滞留层(流体膜)；超临界CO2流体向颗粒内扩散；超临界CO2分子与姜黄油分子作用，使姜黄油分子溶解并从基体中脱附；被溶解的姜黄油分子通过颗粒内部孔道，扩散到颗粒外表面；姜黄油分子通过超临界CO2流体膜扩散到流体相主体中。
2．3．2萃取数学模型的建立
以超临界CO2流体萃取姜黄油为研究对象，利用质量守恒方程建立数学模型。在萃取过程中，影响因素较多，为了建立数学模型，现作以下假设。
2．3．2．1相同萃取与解吸条件下，得到的产品有相似的传质行为，物性具有很大的相似性，可视为单一化合物。即在同一操作过程中，同一分离釜里收集的产品在模型中视其为同一物质；
2．3．2．2超临界流体均匀地通过萃取釜，不考虑萃取釜的压降和温度梯度；
2．3．2．3萃取物在萃取过程中不发生变化，床层空隙率不变；
2．3．2．4流体相中的溶质浓度为时间和塔高的函数，萃取釜径向无浓度梯度。
根据以上的机理和假设，运用质量守恒规律，采用微元平衡法建立数学模型，则有：流体相中传质平衡。
3、结论
3．1超临界CO2萃取姜黄油的最佳工艺条件为：萃取压力36MPa，萃取温度50℃，CO2流量15kg／h，萃取时间3h。