CN106929155A - 一种超临界co2萃取花椒风味物质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法，包括以下步骤：1)将花椒粉碎放入萃取釜；2)开启超临界CO₂萃取装置对花椒进行萃取；3)萃取后的超临界CO₂流体带着部分被溶解的溶质进入分离釜；4)分离后的萃取物从分离釜底部收集。本发明的方法采用超临界CO₂萃取技术，以正交试验和单因素实验相结合的方法对影响超临界CO₂流体萃取花椒风味物质的各个因素进行了研究，以挥发油含量和萃取率为衡量指标，优化出最佳萃取工艺条件，通过试验确定超临界CO₂萃取花椒风味物质的最佳条件，经实验验证最佳工艺条件下花椒风味物质的萃取率达12.8％，挥发油含量7.016(mL/100g)。

Description

一种超临界CO2萃取花椒风味物质的方法

技术领域

本发明涉及食品加工领域，特别涉及一种超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法。

背景技术

花椒在世界上的分布较广，全世界约有250种，分布在亚洲、美洲、非洲以及大洋洲的热带、亚热带地区。我国约有50多个地方品种和类型，其栽培面积和产量正不断地增加，形成了陕西、四川、重庆、山西、山东、甘肃、河北等全国闻名的花椒种植基地。花椒作为一种我国的特色辛香料和中药材已有近二千多年的历史，被誉为“八大调味品″之一，是家庭常用烹饪调料和中药配料。

花椒的有效成分主要有挥发油、生物碱、酰胺、香豆素、木脂素以及脂肪酸等，花椒组分中最有特色的成分是其辛麻香气，花椒油的风味直接影响花椒油的品质，这些风味物质具有很多生物活性，如对血小板的凝集作用、杀虫作用、抑菌作用、对神经及消化系统的作用、抗氧化、抗疲劳、抗缺氧、抗肿瘤、平喘等功效。

花椒中的挥发油是其独特风味和香气的主要成分。由于花椒品种及种植环境的不同，花椒中所含挥发油成分和含量会有很大差异，同一品种生长于不同地区和环境下，挥发油的化学组成和含量将会产生较大差异。

花椒油的传统提取方法一般有溶剂提取法和水蒸气蒸馏法，这些传统方法的提取率都较低，而且提取时间过长，加之花椒的一些有效成分耐热性差，因此选择更适合花椒风味组分提取的新工艺便成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法，从而克服现有技术的上述缺陷。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法，采用超临界CO₂萃取装置萃取，包括以下步骤：

1)将干花椒去梗除杂后在恒温鼓风干燥箱中烘干，分离花椒的果皮和籽儿，将果皮粉碎成粉末后放入萃取釜；

2)开启超临界CO₂萃取装置的冷循环、萃取釜以及各级分离釜的加热开关，待冷冻机温度降到0℃后，当萃取釜温度达到35-55℃，分离釜I的温度达到35-50℃，分离釜II的温度达到30℃时，开启柱塞泵驱赶装置内的空气，对萃取釜进行加压，当萃取压力达到15-35MPa，控制分离釜I的压力为6-12MPa、分离釜II的压力为5MPa，超临界CO₂流体从萃取釜的底部进入并穿过萃取釜内的原料层对花椒进行萃取；

3)萃取后的超临界CO₂流体带着部分被溶解的溶质由萃取釜顶部流出并进入分离釜内进行气液相的分离；

4)分离后的萃取物从分离釜底部采样阀收集，气态CO₂重新进入萃取系统，循环使用。

优选地，上述技术方案中，所述步骤1)中烘干的条件是50℃烘干8h。

优选地，上述技术方案中，所述步骤2)萃取的条件为：压力为20MPa，萃取温度为40℃，CO₂流量为19L/h，原料粒度40目，萃取时间2.0h；分离釜I压力8MPa，分离釜I温度40℃，分离釜II温度30℃。

优选地，上述技术方案中，所述步骤2)萃取时间为0.5-2.5h。

优选地，上述技术方案中，所述超临界CO₂萃取装置包括：超临界流体萃取系统，氟利昂制冷系统以及循环水加热系统，所述超临界流体萃取系统包括：高压柱塞泵、过滤器、缓冲罐、萃取釜、分离釜I和分离釜II，萃取釜、分离釜I和分离釜II的压力由相应的进出口阀门调节，由指针式压力表显示，温度由数字式温度仪调节并显示。

优选地，上述技术方案中，所述超临界CO₂萃取装置包括还包括夹带剂辅助系统，其可将夹带剂加入到夹带剂贮罐中，通过夹带剂计量泵加入到萃取釜中。

一种超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法萃取得到的风味物质，所述风味物质包括56个组分，其中，可鉴定的化学成分占挥发油总量的92.85％。

优选地，上述技术方案中，在可鉴定的化学成分中，单萜烯类化合物占挥发油总量的44.60％；醇类化合物占挥发油总量的17.74％；其余物质为酯类、醛类、醚类、酮类以及酚类。

优选地，上述技术方案中，在可鉴定的化学成分中，柠檬烯含量为22.60％，3-甲基-2-氮杂芴含量为16.72％，(R)-4-甲基-1-异丙基-3-环己烯-1-醇含量为11.34％，桉树脑含量为7.25％，β-月桂烯含量为4.75％，罗勒烯含量为3.12％，1-甲基-4-(1-甲基亚乙基)-环己烯含量为2.86％，芳樟醇含量为2.84％。

本发明上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明的方法采用超临界CO₂萃取技术，以正交试验和单因素实验相结合的方法对影响超临界CO₂流体萃取花椒风味物质的各个因素进行了研究，以挥发油含量和萃取率为衡量指标，优化出最佳萃取工艺条件，通过试验确定超临界CO₂萃取花椒风味物质的最佳条件，经实验验证最佳工艺条件下花椒风味物质的萃取率达12.8％，挥发油含量7.016(mL/100g)。同时，本发明的萃取时间大为缩短，生物活性最大保留，研究证明此工艺明显优于传统提取工艺。

附图说明

图1为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的原料粒径对萃取率的影响图。

图2为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的原料粒径对挥发油含量的影响图。

图3为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的萃取压力对萃取率的影响图。

图4为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的萃取压力对挥发油含量的影响图。

图5为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的萃取温度对萃取率的影响图。

图6为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的萃取温度对挥发油含量的影响图。

图7为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的CO₂流量对萃取率的影响图。

图8为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的CO₂流量对挥发油含量的影响图。

图9为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的萃取时间对萃取率的影响图。

图10为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的萃取时间对挥发油含量的影响图。

图11为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的分离I压力对萃取率的影响图。

图12为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的分离I压力对挥发油含量的影响图。

图13为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的分离I温度对萃取率的影响图。

图14为本发明的超临界CO₂萃取花椒风味物质的分离I温度对挥发油含量的影响图。

图15为溶剂提取法的不同溶剂用量对提取率的影响图。

图16为溶剂提取法的不同溶剂用量对挥发油含量的影响图。

图17为溶剂提取法的提取时间对提取率的影响图。

图18为溶剂提取法的提取时间对挥发油含量的影响图。

图19为溶剂提取法的原料粒径对提取率的影响图。

图20为溶剂提取法的原料粒径对挥发油含量的影响图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细描述，以便于进一步理解本发明。

以下实施例中所有使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。以下实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。

实施例1材料和方法

(1)实验材料

花椒：产地为湖南怀化。自然阴干，备用。

CO₂：纯度99.99％食品级。

(2)实验仪器与设备

如表1所示：

表1 实验仪器与设备

实施例2实验设计

(1)单因素实验方案的确定

超临界流体萃取的影响因素较多，如萃取压力、萃取温度、CO₂流量、萃取时间、原料粒度等。称取一定量的花椒粉装入萃取釜中进行超临界CO₂萃取实验，对主因素进行单因素分析。由于花椒应用最广的是花椒油树脂，呈香物质主要是其挥发油组分，所以超临界萃取实验以花椒油树脂萃取率和挥发油含量为指标，确定合理工艺参数范围。

花椒挥发油含量的测定方法如下：称取一定量的花椒油树脂放入圆底烧瓶中，加入适量蒸馏水和几粒沸石，接上挥发油提取器，再与回流冷凝管相连接，用铁架台对实验装置进行固定，并检查玻璃磨口处是否结合严密，以防挥发油逸出防止测定误差。接通冷却水后，用电热套缓缓加热，加热时控制蒸馏速率每秒1-1.5滴，直至连续间隔1小时2次读数油量不再增加，即可停止加热。用细铁丝拨动蒸馏头使水层分散的挥发油再滴回到油层中，放置片刻，等油层变清开始读数，计算挥发油含量。

上述的单因素实验参数如下：

原料粒径：20目，40目，60目，80目，100目；

萃取釜压力：15MPa，20MPa，25MPa，30MPa，35MPa；

分离I压力：6MPa，8MPa，10MPa，12MPa；

分离II压力：分离II压力即为CO₂贮气罐压力；

萃取釜温度：35℃，40℃，45℃，50℃，55℃；

分离I温度：35℃，40℃，45℃，50℃；

CO₂流量：10L/h，13L/h，16L/h，19L/h，22L/h；

萃取时间：0.5h，1.0h，1.5h，2.0h，2.5h。

超临界CO₂萃取单因素参数考察固定水平：

样品粒径：40目，萃取压力：30MPa，分离I压力：8MPa，分离II压力：5MPa，萃取温度：45℃，分离I温度：40℃，分离II温度：30℃，CO₂流量：16L/h，萃取时间：2.0h。

(2)正交实验方案的确定

通过单因素实验确定出各个影响因素的参数范围后，采用正交设计方法来安排实验，利用正交表计算并分析实验结果。

采用L9(34)正交实验表，以萃取压力、萃取温度、CO₂流量为考察因素，每个因素下取3个水平，探讨超临界CO₂萃取花椒风味物质的最佳工艺条件。然后进行正交分析，获得最佳萃取工艺条件，并做验证实验。

实施例3实验工艺流程

(1)花椒预处理

将干花椒去梗除杂后，在恒温鼓风干燥箱中于50℃放置8h进行烘干，将花椒果皮和籽分离，然后对花椒果皮进行粉碎、保存待用。

(2)超临界萃取工艺流程

开始超临界萃取实验之前，首先需检查钢瓶中CO₂气体的压力，本实验条件要求钢瓶内气体压力必需在4MPa以上，否则在实验过程中无法通过柱塞泵加压装置达到实验条件所需的压力。检查完成后才能按下列操作步骤开始实验：

1)称取一定量的原料加入到设备的萃取釜中；

2)接通电源，打开制冷开关，并打开冷循环开关，打开萃取釜、各级分离釜的加热开关，并将各自控温仪调节到各自所需的设定温度；

3)待冷冻机温度降到0℃左右，且萃取釜、各级分离釜的温度接近设定的温度并且稳定时，开始实验操作；

4)开启柱塞泵先将萃取分离系统内的空气驱赶，然后加压至所需的萃取压力，成为超临界CO₂流体状态，依次进入净化器和预热器；

5)调节萃取釜和分离釜的高压气体节流阀，使其达到各个釜所需的压力，并使CO₂的流量达到在萃取器和分离器之间循环所需的流量。超临界CO₂流体从萃取釜的底部进入并穿过萃取釜内的原料层，此时超临界CO₂流体带着部分被溶解的溶质由萃取釜顶部流出，然后进入分离釜内进行气-液相的分离，萃取产品从分离釜底部采样阀收集。气相从分离釜顶部出来，经调节阀再进入二级分离釜，最后气态CO₂经过转子流量计后，重新进入萃取系统，循环使用；

6)萃取过程完毕后停机，先将主泵关闭，然后将萃取器的进气阀关闭，同时关闭各种加热循环开关，再关闭电源总开关，待萃取釜内的CO₂气体回至管路各处，使萃取釜内压力与分离釜内压力平衡后，关闭分离釜回路阀，打开萃取釜放气阀进行放气卸压；

7)萃取物从分离釜底部收集，打开萃取釜取出萃余物。

实施例4超临界CO₂萃取花椒风味物质的结果

(1)单因素影响考察

1)原料粒径

在萃取压力30MPa，萃取温度45℃，分离I压力：8MPa，，分离I温度：40℃，分离II压力：5MPa，分离II温度：30℃，CO₂流量：16L/h，萃取时间：2.0h的实验条件下，测定不同原料粒径经超临界CO₂萃取后其萃取率和花椒挥发油含量的变化。原料粒径为20目、40目、60目、80目、100目。

由图1和图2可知，花椒油树脂萃取率随原料粒径减少而升高，当粒径达到一定值时，萃取率达到最高，再逐步降低时，萃取率则呈现下降趋势。超临界流体扩散到原料内部将溶质溶解，再从原料中扩散出来。增大料液接触面会增大传质效率，提高萃取率。就理论而言，原料粉碎程度越大，物料越细，萃取速度越快，萃取越完全充分，但原料粒度过小会导致物料受高压挤压出现板结，阻碍流体在物料内的流通与扩散，严重者可造成萃取缸出口过滤网的堵塞，从而降低了萃取率。花椒挥发油的含量也是随原料粒径的减小而降低的，可能由于原料粒径越小，粉碎程度越大，粉碎时间越长，原料颗粒长时间与粉碎机的刀头摩擦产生的热量使花椒风味物质挥发，破坏了其活性组分，降低了花椒风味物质的含量。综上所述，超临界CO₂萃取花椒油树脂的最佳原料粒径为40目。

2)萃取压力

在萃取温度45℃，分离I压力：8MPa，，分离I温度：40℃，分离II压力：5MPa，分离II温度：30℃，CO₂流量：16L/h，原料粒径：40目，萃取时间：2.0h的实验条件下，测定不同萃取压力经超临界CO₂萃取后其萃取率和花椒挥发油含量的变化。萃取压力为15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa。

从图2-5和图2-6可以看出，花椒油树脂萃取率随萃取压力的升高而升高，这是由于随着萃取压力的升高，CO₂流体的密度逐渐增大，分子间距减小，使得物料溶解度也逐渐增大，有利于萃取率的提高。在低压时花椒挥发油的含量较高，随着萃取压力的逐渐提升花椒挥发油含量开始慢慢减小。压力的变化对物料的选择性有一定影响，物料中待提取物的含量有限，随着萃取压力地不断升高，超临界CO₂流体的选择性降低，花椒中的更多组分被CO₂流体溶解并带出萃取釜，花椒中的更多组分被CO₂流体溶解并带出萃取釜，萃取率的提高将主要来自于物料中的其他杂质，增加了花椒风味物质的分离难度，且压力过高容易造成物料板结从而影响物质的溶出效率，故不宜盲目地增大压力。因此，综合以上实验分析认为较适宜的萃取压力为30MPa。

3)萃取温度

考虑到萃取温度对萃取结果的双重影响，选择在萃取压力30MPa和20MPa两个压力范围下查看萃取温度对萃取率的影响。在分离I压力：8MPa，分离I温度：40℃，分离II压力：5MPa，分离II温度：30℃，CO₂流量：16L/h，原料粒径：40目，萃取时间：2.0h的实验条件下，测定不同萃取温度对超临界CO₂萃取花椒油萃取率和挥发油含量的变化。萃取温度为35℃、40℃、45℃、50℃、55℃。

萃取温度对超临界CO₂溶解度的影响存在两个竞争因素，升高温度既可增加溶解度，又可降低溶解度。从图2-7和图2-8可以看出，当萃取温度升高时，溶质的蒸汽压上升，CO₂分子热运动加强，使溶解度增加，同时，温度的上升可引起CO₂密度下降，溶质在CO₂流体中的溶解度下降。在30MPa萃取压力下，萃取率随温度的升高而升高，超过40″C时萃取率增加缓慢，花椒挥发油含量随温度升高而降低。在这个压力下，CO₂流体密度较高，可压缩性小，升高温度对流体密度的影响小，却能够提高溶质的蒸汽压和扩散系数，使CO₂流体的溶解能力得到提高，挥发油含量减少，而萃取率不断升高，说明在高压下随温度的升高，花椒中的非挥发物质的提取效果较好。在20MPa萃取压力下，随着萃取温度的升高，萃取率先升高又降低，花椒挥发油含量随温度升高而升高，可能是低压下挥发性组分的溶解度高于非挥发性组分，此压力下升高温度会使CO₂流体的密度降低，溶解能力不及高压，溶质的蒸汽压和扩散系数没有得到显著提高。

4)CO₂流量

在萃取压力30MPa，萃取温度45℃，分离I压力：8MPa，，分离I温度：40℃，分离II压力：5MPa，分离II温度：30℃，原料粒径：40目，萃取时间：2.0h的实验条件下，测定不同CO₂流量经超临界CO₂萃取后其萃取率和花椒挥发油含量的变化。CO₂流量为10L/h、13L/h、16L/h、19L/h、22L/h。

由图2-9和图2-10可知，随CO₂流量增大，萃取率也随之升高，但当流量超过一定值时，萃取率变化幅度减小，花椒挥发油的含量也是随CO₂流量的增加而减小的，这是由于CO₂流量的增加使超临界流体流经物料层的速率增大，从而增大了萃取过程的传质动力，有利于花椒非挥发物质的溶出。同时，增大CO₂流量能够增大溶剂与物料的比例，加快了可溶性物质的溶出速率，使萃取率获得很大提高。然而，当溶剂流速过快且超过了溶质从物料内部向溶剂中扩散的速度时，不仅不能增加溶质的溶出速度，而且会消耗CO₂的用量与动能损耗。综合分析选择19L/h的CO₂用量最为适宜。

5)萃取时间

在萃取压力30MPa，萃取温度45℃，分离I压力：8MPa，，分离I温度：40℃，分离II压力：5MPa，分离II温度：30℃，原料粒径：40目，CO₂流量：16L/h的实验条件下，测定超临界CO₂萃取经不同萃取时间后其萃取率和花椒挥发油含量的变化。萃取时间为0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、2.5h。

由图2-11和图2-12可以看出，刚开始时萃取率较低，随着时间的延长萃取率随之不断升高，当萃取时间经过2.0h以后，萃取率的增长变得缓慢，花椒挥发油含量在前2.0h内降低较为平缓，但2.0h过后，含量明显降低。理论而言，时间越长萃取率越高，由于物料加入量有限，待萃取物的含量一定，经过2.0h的萃取，花椒挥发油基本被提取完，延长时间可能造成其他组分被萃取出来，所以并不是时间越长越好。考虑到延长萃取时间对设备的损耗和CO₂的消耗量等因素，本实验选取2.0h。

6)分离I压力

在萃取压力30MPa，萃取温度45℃，分离I温度：40℃，分离II压力：5MPa，分离II温度：30℃，原料粒径：40目，CO₂流量：16L/h的实验条件下，测定超临界CO₂萃取过程中分离I压力不同对萃取率和花椒挥发油含量的变化。分离I的压力分别为6MPa，8MPa，10MPa，12MPa。

由图2-13和图2-14可以看出，花椒油树脂萃取率和挥发油含量都随着分离I压力的增大，先升高后又降低，这是因为当分离I压力过小时，CO₂溶剂压力下降，密度随之减小，溶解度也随之减小。当分离I压力接近CO₂的临界压力时，此时的CO₂密度增大，溶剂的溶解度增大，溶解选择性增大。继续加压，压力过高，超临界CO₂萃取过程的传质阻力增大，导致溶剂的溶解度降低。综合以上因素考虑，分离I压力选择8MPa最为适宜。

7)分离I温度

在萃取压力30MPa，萃取温度45℃，分离I压力：8MPa，分离II压力：5MPa，分离II温度：30℃，原料粒径：40目，CO₂流量：16L/h的实验条件下，测定超临界CO₂萃取过程中分离I温度不同对萃取率和花椒挥发油含量的变化。分离I温度为35℃，40℃，45℃，50℃。

由图2-15和图2-16可以看出，随分离I温度的升高，花椒油树脂萃取率也逐渐升高，当分离I温度达到40℃时萃取率呈现缓慢下降趋势。分离I温度对花椒挥发油含量的影响也比较明显，多数情况下，分离温度的提高有助于萃取率的提高。分离I的温度升高，CO₂流体的密度降低，溶解度随之减小，产物与溶剂较易分离，萃取率提高，但温度过高，萃取物中的易挥发组分会丢失。另一方面，分离I的温度降低，CO₂流体的密度增大，溶解度也随之增大，产物与溶剂较难分离，萃取率降低。综合分析分离I温度在40℃为宜。

(2)超临界CO₂萃取正交实验工艺条件优化

1)正交实验设计

根据单因素的实验结果可知，花椒油树脂的超临界CO₂萃取主要受萃取压力、萃取温度、CO₂流量的影响，经综合分析，确定其他条件为：原料粒度40目，萃取时间2.0h，装料量100g。选用三因素、三水平正交表L9(34)进行正交实验，因素水平设计列表如表2所示：

表2 正交实验设计表L₉(3⁴)

实验结果分别以花椒油树脂萃取率和挥发油含量为考核指标，在此基础上进行超临界CO₂萃取工艺条件的优化，确定出超临界CO₂萃取花椒风味物质的合适工艺参数。

正交实验结果及相关数据的分析见表3所示：

表3 花椒油树脂超临界萃取正交实验数据及结果

表3列出了以花椒油树脂萃取率为考核指标的实验数据与结果分析，从中可以看出各因素对花椒油树脂萃取率的影响程度大小为：温度对萃取率的影响最大，其次是CO₂流量，压力对萃取率的影响最小，字母顺序为：B＞C＞A，即萃取温度＞CO₂流量＞萃取压力。超临界CO₂萃取花椒油树脂的最佳工艺条件为：B1C3A3，即萃取压力为30MPa，萃取温度为40℃，CO₂流量为19L/h。在此条件下萃取花椒油树脂的萃取率为13.4％。

表4 花椒挥发油含量超临界萃取正交实验数据及结果

表4列出了以花椒挥发油含量为考核指标的实验数据与结果分析，从中可以看出各因素对花椒挥发油含量的影响程度大小为：温度对挥发油含量的影响最大，其次是压力，CO₂流量对挥发油含量的影响最小，字母顺序为：B＞A＞C，即萃取温度＞萃取压力＞CO₂流量。超临界CO₂萃取花椒挥发油的最佳工艺条件为：A1B1C3，即萃取压力为20MPa，萃取温度为40℃，CO₂流量为19L/h。

结合花椒油树脂萃取率和挥发油含量，综合分析超临界萃取花椒风味物质的最佳工艺条件。在高压条件下，花椒油树脂的萃取率比较高，而挥发油的萃取是在低压条件下较好，考虑本中请的最终目的是萃取花椒的风味物质，花椒挥发油是其重要的体现其香味的物质，因此，确定最终的工艺条件为：压力为20MPa，萃取温度为40℃，CO₂流量为19L/h。

在最佳工艺操作条件下做验证实验，花椒油树脂的萃取率为12.8％，挥发油含量为6.995mL/100G。因为超临界CO₂萃取过程中影响因素较多，如取样没有彻底取完或CO₂流量不稳定等都有可能造成两次平行实验条件下实验结果的不同，但结果偏差不大，不影响对实验结论的验证，说明正交实验的结论是可靠的。

实施例5超临界CO₂萃取花椒风味物质的中试验证试验

(1)中试验证实验

中试实验过程如下：检测中试实验设备的完整性及气密性后，接通设备电源进行自检。自检通过后，打开萃取釜盖自动上料，每次实验加料约为1.5KG，体系密闭。使用PID自动控制对CO₂流体进行冷却、加压，待达到实验工艺参数后进行萃取过程，自动调节萃取釜温度、压力及分离釜温度、压力使CO₂的流量达到在萃取器和分离器之间循环所需的流量。萃取过程中在分离釜1，2接收被萃组分。实验结束后，对系统进行清洗。

(2)中试验证实验结果与讨论

利用超临界流体中试萃取装置萃取花椒风昧物质，按照超临界CO₂萃取小试的最优工艺条件，并与小试实验作比较，比较结果见表5。

表5 小试和中试萃取实验的效果比较

表5给出了超临界CO₂萃取花椒风味物质的小试与中试的实验比较，在中试实验中，按照小试实验的最佳工艺条件进行萃取实验，实验现象相近，产物萃取率略低于小试结果，挥发油含量与小试实验结果较接近，基本符合实验规律及预期范围。由此，在有效萃取容积放大10倍的工艺条件下，本实验研究所确定的最佳小试工艺在中试设备中具有良好的适应性，使用本研究中超临界CO₂流体萃取工艺，放大系数较小，结果表明，超临界流体对于花椒体系传质及传热性能良好，且受设备体积影响较小，具有良好的放大潜力，中试验证实验证明小试工艺具行一定的通用性，为进一步工业化设计及大生产提供一定的科学指导及数据依据。

实施例6理化分析

(1)实验原料

花椒油树脂：超临界CO₂萃取出的产品。

(2)实验仪器与设备

气相色谱-质谱联用分析仪：QP-5050A型(日本岛津)。

(3)实验内容与方法

1)花椒挥发油的定量检测

称取一定量的花椒油树脂放入圆底烧瓶中，加入一定量的蒸馏水和几粒玻璃珠，接上挥发油提取器，再与回流冷凝管相连接，用铁架台进行固定防止松动，检查玻璃磨口处的严密性，以防挥发油从空隙逸出造成测定误差。接通冷却水后，用电热套缓缓加热烧瓶，加热时控制蒸馏速率在每秒1-1.5滴，间隔1小时2次读取挥发油量，直至连续两次读数的油量不再增加时停止加热。开始读取挥发油油量之前先要用较细的铁丝拨动蒸馏头，让分散在水层的挥发油滴回到油层中，放置片刻，等油层变清后开始读数，计算挥发油含量。

此方法应用于超临界CO₂萃取法实验和溶剂提取法实验中。

2)花椒挥发油的定性检测

本公司采用气相色谱-质谱联用(GC.MS)法对花椒挥发油进行分析检测。

气相色谱条件：色谱柱型号：HP-5石英毛细管柱(0.25mmx30mx0.2Sum)，进样口温度为250℃，柱温为40℃，升温速率5℃/min上升至250℃，维持10min。载气：高纯氦气，氦气流速为1.0mL/min，分流进样分流比50∶1，进样量1.0μL。

质谱条件：接口温度250℃，电离方式为EI，电子能量70eV，电子倍增器电压：1153eV，离子源温度200℃，四极杆温度130℃，调谐方式：标准调谐，扫描范围(M/Z)：50-550。

(4)实验结果

1)气相色谱-质谱联用分析结果

质谱数据通过美国NIST02版标准谱库检索，并参考相关文献资料鉴定花椒挥发油的化学组成，定量分析采用面积归一化法。分析结果如表6所示。

表6 花椒挥发油的GC-MS分析结果

对表6进行分析，共分离出56个组分，鉴定出32个化学成分，占挥发油总量的92.85％。其中有单萜烯类化合物12种，占挥发油总量的44.60％，醇类化合物7种，占挥发油总量的17.74％，其余物质为酯类、醛类、醚类、酮类、酚类等。已鉴定出的组分当中，花椒挥发油含量最高的几种化学成分为：柠檬烯含量为22.60％，3-甲基-2-氮杂芴含量为16.72％，(R)-4-甲基-1-异丙基-3-环己烯-1-醇含量为11.34％，桉树脑含量为7.25％，β-月桂烯含量为4.75％，罗勒烯含量为3.12％，1-甲基-4-(1-甲基亚乙基)-环己烯含量为2.86％，芳樟醇含量为2.84％。花椒挥发油的主要成分是萜类化合物，其中含量最高的是柠檬烯，柠檬烯不仅是食品生产中重要的食用香精，它还具有一些生物活性能够溶解胆结石，镇静中枢神经，消除疲劳，抗肿瘤及抑菌等作用。

实施例7对比例-溶剂法提取花椒风味物质

使用索氏提取器(脂肪提取器)进行提取，物料浸泡在较纯的溶剂中，提取物在溶剂的浓度梯度较大，在虹式吸管的回流提取中，溶液处于沸腾状态，溶液与物料间的扰动增强，减少了物料表面流体膜的扩散阻力，根据菲克扩散定律，固体颗粒内外浓度相差较大使扩散速率提高，达到相同浓度所需时间缩短，每次提取都重新加入溶剂，使溶解能力增强，有利于提高提取率。

(1)实验原料与试剂

如表7所示：

表7 实验原料与试剂

(2)实验仪器

如表8所示：

表8 实验仪器

(3)实验内容

1)溶剂的确定

称取一定量的花椒粉，在相同溶剂用量、相同提取时间的条件下，用不同溶剂进行提取实验，通过对比实验结果选择出最佳的提取溶剂。

2)溶剂用量的确定

称取一定量的花椒粉，在相同提取时间的条件下，用不同用量的最佳溶剂进行提取实验，通过对比实验结果选择出最佳的溶剂用量。

3)提取时间的确定

称取一定量的花椒粉，在相同溶剂用量的条件下进行提取实验，通过不同提取时间的实验结果的比较，选择出溶剂的最佳提取时间。

4)原料粒径的确定

称取相同质量不同粒径的花椒粉，在相同溶剂用量、相同提取时间的条件下，通过对比实验结果选择出最佳的原料粒径。

以花椒油提取率和挥发油含量为指标综合进行考察。

(4)实验结果

溶剂法单因素的影响

1)不同溶剂对花椒风味物质的影响

称取40目花椒粉20g，装入索氏提取器的套袋中，分别选择甲醇、无水乙醇、乙酸乙酯、乙醚、丙酮进行提取实验，提取剂用量40ml，提取时间4.0h，以花椒油树脂提取率和挥发油含量为考察指标，实验结果见表9。

表9 不同溶剂对提取效果的影响

由表9可以看出，以甲醇作为提取花椒油树脂的溶剂，其提取率较高，是由于甲醇的化学极性强，溶解度高但选择性较低，能够溶解出花椒中的多种成分，萃取率得到提高。但本实验的目标产物是花椒风味物质，乙醚对花椒挥发油的溶解度较好，因此选择乙醚作为提取溶剂。

2)溶剂用量(固液比，g/mL)对花椒风味物质的影响

称取40目花椒粉20G，装入索氏提取器的套袋中，乙醚的用量分别为20ml、40ml、60ml、80ml、100ml，提取时间4.0h，以花椒油树脂提取率和挥发油含量为考察指标，实验结果见图15和16。

由图15和图16可以看出，随着乙醚溶剂用量的增加，花椒油树脂的提取率也随之增大，但当固液比超过1∶2时，提取率上升缓慢，增大溶剂用量会增大经济费用，且溶剂用量过大，给溶剂脱除造成负担，在固液比1∶3(g/mL)时挥发油含量最高，所以选择溶剂用量为60ml。

3)提取时间对花椒风味物质的影响

提取时间关系到提取率的高低，称取40目花椒粉20g，装入索氏提取器的套袋中，分别测定乙醚溶剂提取2.0h，4.0h，6.0h，8.0h的提取率，实验结果见图17和18。

由图17和图18可以看出，提取时间低于4.0h时，提取率较低，提取率随提取时间的增加而升高，当提取时间超过4.0h以后，提取率增加缓慢，挥发油含量在提取时间4.0h时达到最高，随后逐渐降低，考虑到提取时间过长，花椒油树脂提取率增加不大，挥发油已基本提出，只会增加设备能耗，因此选择提取时间4.0h为宜。

4)原料粒径对花椒风味物质的影响

称取20g花椒粉，装入索氏提取器的套袋中，测定不同原料粒径对提取率和挥发油含量的影响，原料粒径选择20目、40目、60目、80目。实验结果见图19和20。

由图19和图20可以看出，花椒粉颗粒过细，容易堵塞滤布，不利于原料的提取，提取率较低，原料粒径为40目时提取率最高，挥发油含量随原料粒径的减小而降低，粉碎程度越大，物料与粉碎机刀片摩擦越久，摩擦产生的热量使一些挥发性组分被破坏，因此选择原料粒径40目为宜。

溶剂法最优工艺条件的确定：

综合上面实验数据，可以得出溶剂法提取花椒油树脂的最佳工艺条件为：采用乙醚为提取溶剂，溶剂用量为固液比1∶3(g/mL)，花椒粉粒径40目，提取时间4.0h。

(2)超临界CO₂萃取实验与溶剂法实验的比较

表10 超临界CO₂萃取实验与溶剂法结果比较

将超临界CO₂萃取法与溶剂法提取花椒风味物质进行比较，实验结果见表10，从表中可以看出，超临界CO₂萃取花椒油树脂萃取率远高于溶剂法，有机溶剂提取花椒油树脂提取率最高的是甲醇，其次是乙酸乙酯，最低的是无水乙醇。花椒挥发油含量最高的是乙醚，最低的是无水乙醇，超临界萃取的花椒挥发油含量高于乙醚溶剂提取的结果。分析原因可能为甲醇的化学极性强，溶解度高但选择性较低，能够溶解出花椒中的多种成分，从而提高了花椒油树脂的提取率，但挥发油含量较低。乙醚对花椒挥发油的溶解性较好，优于其他有机溶剂。乙醚虽对花椒挥发油有较高的溶解性，但易燃易挥发，不适宜用于工业化生产，且花椒油树脂若用于食品添加剂中，有机溶剂脱除不净就会有残留，影响食品品质。有机溶剂提取法虽然工艺简单、容易操作，但是其操作时间长，热敏性物质容易被破坏，有溶剂残留。超临界萃取法无毒无污染，萃取时间短效率高，综合以上分析，超临界CO₂萃取花椒风味物质优于溶剂法。

实施例8结论

(1)建立了超临界CO₂萃取花椒风味物质的工艺流程。根据实验结果可知，花椒油树脂的最佳萃取工艺条件为：萃取压力20MPa，萃取温度40℃，CO₂流量19L/h，原料粒度40目，萃取时间2.0h。分离I压力8MPa，分离I温度40℃，分离II温度30℃，萃取率达到12.8％，挥发油含量7.016(mL/100g)，萃取效果较好。各因素的影响效力为：萃取温度(B)＞CO₂流量(C)＞萃取压力(A)。最佳的操作工艺为A1B1C3，其指标为产品的收率指标与挥发油含量指标的综合参考。

(2)溶剂法提取花椒油树脂实验结果显示，甲醇提取花椒油树脂的提取率最高，但选择性不高，乙醚提取花椒挥发油优于其他有机溶剂，提取剂用量为固液比1∶3(g/mL)，提取时间4.0h，原料粒径40目，提取率较高。

(3)进行了超临界CO₂萃取法与溶剂法的比较，实验结果显示超临界CO₂萃取花椒油树脂的萃取率远高于溶剂法，且超临界CO₂萃取物无毒无污染，可直接作为食品加工原料，溶剂法提取物有溶剂残留，影响食品质量。

(4)在超临界CO₂萃取花椒风味物质的小试工艺最佳条件下进行了中试放大试验，花椒油树脂萃取率和挥发油含量与小试结果较接近，符合实验规律与预期范围，可以为工业化放大生产提供一定的科学指导及依据。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种不同的选择和修改，因此本发明的保护范围由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法，采用超临界CO₂萃取装置萃取，其特征在于，包括以下步骤：

1)将干花椒去梗除杂后在恒温鼓风干燥箱中烘干，分离花椒的果皮和籽儿，将果皮粉碎成粉末后放入萃取釜；

2)开启超临界CO₂萃取装置的冷循环、萃取釜以及各级分离釜的加热开关，待冷冻机温度降到0℃后，当萃取釜温度达到35-55℃，分离釜I的温度达到35-50℃，分离釜II的温度达到30℃时，开启柱塞泵驱赶装置内的空气，对萃取釜进行加压，当萃取压力达到15-35MPa，控制分离釜I的压力为6-12MPa、分离釜II的压力为5MPa，超临界CO₂流体从萃取釜的底部进入并穿过萃取釜内的原料层对花椒进行萃取；

3)萃取后的超临界CO₂流体带着部分被溶解的溶质由萃取釜顶部流出并进入分离釜内进行气液相的分离；

4)分离后的萃取物从分离釜底部采样阀收集，气态CO₂重新进入萃取系统，循环使用。

2.根据权利要求1所述的超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法，其特征在于，所述步骤1)中烘干的条件是50℃烘干8h。

3.根据权利要求1所述的超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法，其特征在于，所述步骤2)萃取的条件为：压力为20MPa，萃取温度为40℃，CO₂流量为19L/h，原料粒度40目，萃取时间2.0h；分离釜I压力8MPa，分离釜I温度40℃，分离釜II温度30℃。

4.根据权利要求1所述的超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法，其特征在于，所述步骤2)萃取时间为0.5-2.5h。

5.根据权利要求1-4任一所述的超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法萃取得到的风味物质，其特征在于，所述风味物质包括56个组分，其中，可鉴定的化学成分占挥发油总量的92.85％。

6.根据权利要求5得到的超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法萃取得到的风味物质，其特征在于，在可鉴定的化学成分中，单萜烯类化合物占挥发油总量的44.60％；醇类化合物占挥发油总量的17.74％；其余物质为酯类、醛类、醚类、酮类以及酚类。

7.根据权利要求6得到的超临界CO₂萃取花椒风味物质的方法萃取得到的风味物质，其特征在于，在可鉴定的化学成分中，柠檬烯含量为22.60％，3-甲基-2-氮杂芴含量为16.72％，(R)-4-甲基-1-异丙基-3-环己烯-1-醇含量为11.34％，桉树脑含量为7.25％，β-月桂烯含量为4.75％，罗勒烯含量为3.12％，1-甲基-4-(1-甲基亚乙基)-环己烯含量为2.86％，芳樟醇含量为2.84％。