化工工艺论文

超临界二氧化碳萃取沉香精油工艺条件研究毕业论文【摘要】以国产沉香药材为原料,研究超临界CO2萃取沉香精油的工艺条件。

方法采用正交实验，考察萃取压力、萃取温度、萃取时间和物料粒度4因素对沉香超临界CO2萃取物得率的影响。

结果超临界CO2萃取沉香精油影响因素次序为萃取压力>物料粒度>萃取温度>萃取时间。

结论最佳萃取工艺条件为：萃取压力18 MPa，沉香药材粉末过40目筛，萃取温度40℃，萃取时间2 h。

此条件下沉香精油得率为0.62%。

【关键词】沉香超临界二氧化碳萃取萃取工艺
沉香为瑞香科植物白木香Aquilaria sinensis(Lour.)Gilg含树脂的木材,系《中国药典》收载的品种，是临床上常用的理气药。

其味辛、苦，性温，归脾、胃、肾经，具有降气、温中、暖肾助阳的功能。

主治胸腹胀闷疼痛、胃寒呕吐呃逆、肾虚气逆喘急［1］。

沉香含挥发油的量较高，具有浓郁的香气，是沉香挥发性药效的主要成分，其含挥发油的量直接与药材的质量相关。

水蒸气蒸馏法是目前提取沉香挥发性油的常用方法，不仅时间长，而且在提取过程中易造成热不稳定及易氧化成分的破坏与挥发损失，对部分成分有破坏作用［2］。

因此，寻求一种能保持药材原有组分而且更快捷的提取方法，具有十分重要的意义。

超临界CO2流体萃取技术是近年来兴起的一项高新型物质分离精制技术，具有在接近室温的环境下进行萃取，不会破坏生物活性物质，而且操作方便，能耗低，无污染，分离能力高，无溶剂残留等特点［3］。

目前该技术已被广泛应用于医药、食品等方面［4～6］，但超临界CO2流体萃取技术用于沉香挥发油的提取尚未见报道。

本课题主要研究萃取压力、萃取温度、萃取时间和物料粒度对超临界CO2流体萃取沉香精油的影响，探讨最佳的萃取工艺条件，旨在为沉香药材更深层次的开发利用提供理论依据。

1 材料与仪器
沉香药材，购于电白观珠镇沉香生产基地，经茂名市中医院陈林副教授鉴定为白木香Aquilaria sinensis(Lour.)Gilg含树脂的木材。

HA120-50-01型
1L-SFE二氧化碳萃取装置，由江苏南通华安有限公司研制。

2 方法
2.1 超临界CO2萃取流程见图1［7］。

将沉香药材粉碎筛分，精确称取100 g装填萃取釜中，当系统各部分达到设定温度后，控制CO2流量平均20 L/h，设置温度、压力等参数后开始萃取。

达到设置的时间后，减压收集精油（黄色透明油状物，有浓郁香味），计算萃取率。

图1 超临界CO2萃取流程图（略）
2.2 单因素实验
2.2.1 萃取压力对萃取率的影响将沉香粉过30目筛，称取100 g，控制CO2流量平均20 L/h，在萃取温度为40℃，萃取间为2 h，萃取压力分别为12，15，18，21 MPa时进行超临界CO2萃取，考察萃取压力对萃取率的影响。

2.2.2 萃取温度对萃取率的影响将沉香粉过30目筛，称取100 g，控制CO2流量平均20 L/h，在萃取压力为15 MPa，萃取时间为2 h，萃取温度分别为35，40，45，50℃时进行超临界CO2萃取，考察萃取温度对萃取率的影响。

2.2.3 萃取时间对萃取率的影响将沉香粉过30目筛，称取100 g，控制CO2流量平均20 L/h，在萃取压力为15 MPa，萃取温度为40℃条件下，分别设置萃取时间为1，1.5，2，2.5 h，进行超临界CO2萃取，考察萃取时间对萃取率的影响。

2.2.4 物料粒度对萃取率的影响将沉香粉分别过40，30，20，10目筛，各称取100 g，控制CO2流量平均20 L/h，在萃取压力为15 MPa，萃取温度为40℃条件下，萃取时间定为2 h，考察物料粒度对萃取率的影响。

2.2.5 正交实验在单因素实验基础上，采用L9（34）正交实验优化萃取工艺条件。

各因素及水平值见表1。

表1 L9(34)正交实验设计（略）
3 结果
3.1 萃取压力对沉香精油萃取率的影响通常情况下，萃取压力增加，不但会增加CO2的密度，还会减少分子间的传质距离，增加溶质和溶剂的传质效率，有利于萃取物的提取。

但当压力过大，萃取收率不升反降（见图2）。

因为高压下CO2密度比较大，黏度也比较大，传质性能变差，萃取能力减弱，而且超临界压力越高，CO2密度也增加，其萃取物的成分越复杂，其选择越差，影响萃取物的品质，还会使设备投资增加。

综合考虑，选择18 MPa为最佳的萃取压力。

图2 萃取压力对沉香精油萃取率的影响（略）
3.2 萃取温度对沉香精油萃取率的影响在萃取压力不变的情况下，温度的变化主要对萃取效果产生正负两方面的影响。

一方面，随着温度升高，加大了萃取物在超临界CO2流体中的饱和蒸气压，提高了溶解度，萃取率相应提高；同时温度上升促进物料分子的扩散，也能使萃取率增加。

另一方面，温度升高引起CO2流体密度下降，导致CO2流体的溶剂化效应下降，使物质在其中的溶解度降低，从而使萃取率减小［8］。

从图3可以看出当温度从35℃升到40℃时，萃取率升幅明显，但温度继续升高时，萃取率升幅减小。

因此确定最佳萃取温度为40℃。

图3 萃取温度对沉香精油萃取率的影响（略）
3.3 萃取时间对沉香精油萃取率的影响随着时间的增加沉香精油的收率也相应增加，但达到一定值时，萃取率的升幅减少（见图4）。

因为开始阶段由于萃取物料颗粒中提取的有效成分在颗粒表层，因而内扩散阻力较小，因此萃取率比较高。

随着萃取过程的深入，内扩散阻力逐渐增大，有效成分含量逐渐降低，
萃取效率逐渐降低，最后萃取率随时间的增加几乎不变。

考虑到延长萃取时间势必会增加相应的设备损耗和原料的浪费，确定最佳萃取时间为2 h。

图4 萃取时间对沉香精油萃取率的影响（略）
3.4 沉香粉粒度对沉香精油萃取率的影响从图5可见，粒度越小萃取的效率越高。

因为萃取物颗粒越小它和CO2的接触面越大，有利于溶质的溶解，而且萃取物料在颗粒表层的有效成分增多，要求深入提取的成分减少。

因为内扩散阻力较小，有利于精油的提取。

但是，物料粉碎过细增加了粉碎的难度，而且在粉碎过程中产生的高温容易使沉香挥发成分损失。

适宜的粒度应为30～40目。

图5 物料粒度对沉香精油萃取率的影响（略）
3.5 正交实验结果综合单因素对沉香精油萃取率影响的初步研究结果，确定了萃取温度、萃取压力、萃取时间、物料粒度的参数范围。

以萃取率为考核指标，对萃取温度/℃（因素A），萃取时间/h（因素B），萃取压力/MPa（因素C），物料粒度/目（因素D）进行4因素3水平正交实验，结果及分析见表2。

表2 正交实验结果与分析（略）
由表2的结果分析可以看出，4因素对萃取率的影响顺序为：萃取压力＞物料粒度＞萃取温度＞萃取时间；最佳萃取工艺条件为：压力18 MPa，物料粒度40目，温度40℃，时间2 h，在此条件下，萃取率达0.62%。

为了进一步验证此结果的准确性,我们在最佳条件下做了3次追加验证实验,相应得沉香精油萃取率分别为0.64%,0.62%和0.60%，其均值为0.62%，从而进一步证实此结果的正确性。

4 结论
超临界CO2萃取沉香精油最佳工艺条件为A2B2C3D1。

从极差分析可得出各因素的主次关系为：C＞D＞A＞B即萃取压力＞物料粒度＞萃取温度＞萃取时间。

根据实验结果结合省时经济的原则认为超临界CO2萃取沉香精的最佳萃取工艺条件为萃取压力18 MPa，物料粒度40目，萃取温度40℃，萃取时间2 h。

在此条件下，沉香精油萃取率达0.62%。

【参考文献】
［1］国家药典委员会.中国药典,Ⅰ部［S］.北京：化学工业出版社，2005：128.
［2］邱琴，张国英，刘辛欣，等.超临界CO2流体萃取法与水蒸气蒸馏法提取干姜片挥发油化学成分的比较［J］.上海中医药杂志，2005，39（3）：55.
［3］夏春辉，刘亚琴，张杰.超临界CO2流体萃取技术在医药中的应用［J］.临床医学，2005，18（5）：541.
［4］宿树兰，吴启南，欧阳臻，等．超临界ＣＯ2萃取测定姜黄中姜素的实验研究［J］.中国中药杂志，２００４，２９（９）：８５７.
［5］宁正样，秦燕，林炜，等.高压脉冲-超临界萃取法提取荔枝种仁精油［J］.食品科学，１９９８，１９（１）：９.
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［7］王硕成.关于超临界CO2萃取工业化应用的探讨［J］.化工设计通讯，1999，25（2）：43.
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