实验室和半工业超临界二氧化碳提取工艺在从蒲公英种子中高效提取高附加值油脂方面的应用评估

《Separation and Purification Technology》：Evaluation of the laboratory and semi-industrial supercritical carbon dioxide extraction process for the efficient production of added-value oil from dandelion seeds

蒲公英种子油超临界CO?萃取工艺优化及规模化研究，实验室与半工业规模对比显示床高直径比(H/D)提升可使萃取率线性增加至27.5%，所得油品富含87.2%不饱和脂肪酸及31.1mg GAE/g抗氧化成分，估算生产成本241.8欧元/公斤，验证了该技术可持续和经济性。

　　

Rafa? Kowalski | Marko Stamenic | Stoja Milovanovic

?ukasiewicz研究网络-新化学合成研究所，Al. Tysi?clecia Państwa Polskiego 13a，24-110 Pu?awy，波兰

摘要

尽管超临界CO₂萃取（SCE）已被广泛用于从植物种子中提取高价值油脂，但其工业应用仍然有限。为了促进可持续、可扩展且环保的油脂生产，本研究利用未充分利用的蒲公英种子进行了SCE实验，实验分别在实验室（0.6 L）和半工业（41 L）规模下进行。实验在450巴和60摄氏度的条件下进行，并改变了床层几何形状以优化油脂产量，最终产率范围为20.9%至27.5%。在同一高压萃取装置内，增加床层H/D比例后，萃取产量几乎呈线性增长。此外，对最佳半工业SCE过程中收集的蒲公英油组分进行了密度、植物化学成分含量及抗氧化活性的分析。结果表明，提取的蒲公英油富含不饱和脂肪酸，含量高达87.2%；同时含有高达31.1 mg GAE/g的酚类化合物、5.5 mg QE/g的黄酮类化合物和12.3 mg α-TE/g的生育酚类化合物，以及1.1 mg/g的叶绿素A和0.3 mg/g的类胡萝卜素。初步估算的工业规模蒲公英油生产成本表明，最低单位成本约为241.8欧元/千克。总体而言，这些研究结果为高效生产富含生物活性化合物的无溶剂蒲公英油提供了指导。

引言

超临界CO₂萃取（SCE）相比食品和化妆品行业常用的传统溶剂萃取方法（如热己烷萃取[20]、[32]）具有诸多优势。与传统技术不同，SCE在相对较低的温度下进行，可防止热不稳定化合物的降解，并保持生育酚和不饱和脂肪酸等生物活性成分的天然特性[1]、[10]。使用超临界二氧化碳（scCO₂）作为溶剂可避免有毒有机溶剂的使用，从而获得无需复杂后处理的纯度高、无溶剂的油脂[12]、[33]。此外，scCO₂的可调密度和选择性使得能够针对性地提取特定成分，提高工艺控制性和产品一致性[17]、[31]。除了环境和安全优势外，SCE不会产生有害溶剂残留物，为高价值天然油脂的生产提供了更可持续和清洁的途径[12]、[32]。尽管全球因气候变化而对大气中CO₂浓度表示担忧，但研究表明使用可回收scCO₂的技术不会加剧温室效应[37]。目前全球已有超过200家SCE商业化生产设施[37]，其产品已获得欧洲和美国市场的认可。因此，这项技术非常适合探索具有多功能特性的新型可持续天然油脂。然而，SCE在商业油脂生产中的应用仍受到限制[7]、[20]。主要原因在于高昂的投资成本，此外还有与规模扩大相关的挑战。要将该工艺从实验室推向工业应用，需要研究和优化众多参数[24]。明确哪些参数应保持不变以及哪些信息需要输入到SCE工艺开发中至关重要。并非所有SCE系统都适用统一的放大标准（例如某些标准适用于某一类系统，而不适用于另一类系统[44]）。这些参数包括压力、温度、CO₂流量、CO₂与植物材料质量比（即填充床层高度H与萃取容器内径D的比值）等（Crampon等人[24]、[39]、[44]）。

我们之前的研究表明，SCE从未充分利用的可持续生物质资源（包括蒲公英种子[25]、[26]、[30]）中提取油脂的效果显著。蒲公英在欧洲广泛分布，并在多个国家进行商业化种植，主要用于制药和食品领域。随着市场对蒲公英衍生产品的兴趣日益增长，预计到2030年全球蒲公英市场规模将超过9000万欧元，年增长率约为7%[42]。尽管市场不断扩大，但在种植和收获过程中产生的蒲公英种子仍大多未被充分利用，形成了一个未被开发的生物质资源。值得注意的是，蒲公英籽油（DSO）因含有丰富的天然抗氧化剂和其他生物活性成分而具有重要的营养和健康促进作用。然而，与其他含油植物材料相比，针对DSO的系统性研究（尤其是关于可扩展和工业适用性的萃取策略的研究）仍然较少[43]。因此，选择蒲公英种子作为研究对象既是因为其作为未充分利用资源的可行性，也因其高附加值潜力，这使得基于SCE的增值途径在科学上合理且在经济上具有吸引力，符合循环经济和生物经济的原则。

在之前的研究中，我们系统地探讨了关键SCE工艺参数（压力、温度和共溶剂添加）对提取DSO成分和生物活性的影响。基于这些发现，本研究旨在进一步优化SCE工艺，并探索从实验室规模向半工业规模转变的蒲公英籽油生产过程。评估了床层几何形状（H/D）对实验室和半工业规模DSO萃取动力学的影响。此外，还分析了最佳半工业SCE过程中收集的DSO组分在密度、生物活性成分含量及抗氧化活性方面的表现。同时估算了蒲公英油的生产成本，这对于评估潜在工业SCE装置的经济可行性至关重要。具体而言，应采用成本效益高的方法，通过选择性萃取最大化目标生物活性化合物的产量，而非先提取全部油脂再分离目标成分[17]。总体而言，本研究旨在更好地理解SCE工艺的放大机制，为推动可持续、可扩展且环保的油脂生产以及扩大蒲公英的利用范围做出贡献。

材料

用于萃取过程的植物材料——蒲公英（Taraxacum officinale，菊科）种子于2021年5月采集，2022年从HerbFarm Edwin Lewczuk（Jablon，波兰）购买，当时正在进行SCE实验。所有萃取过程均使用CO₂（纯度99.9%，Grupa Azoty，Zaklady Azotowe “Pulawy” S.A.，Pulawy，波兰）。分析前，DSO中的脂肪酸通过甲基叔丁基醚（MTBE，Avantor Performance Materials LLC，美国宾夕法尼亚州）转化为甲酯。

实验室规模下的SCE

图2展示了实验室规模萃取器中研磨种子量、萃取时间以及相对CO₂消耗量（消耗的CO₂质量与萃取器中研磨种子量的比值）对DSO萃取产率的影响。结果明确显示，增加装入萃取器的种子量和延长萃取时间均可提高总体萃取产量。这一效应在萃取初期尤为明显。

结论

本研究在450巴和60摄氏度的条件下，通过改变床层几何形状，评估了利用实验室和半工业规模装置从蒲公英种子中提取油脂的SCE过程。获得的最高蒲公英籽油（DSO）产率为27.5%。在保持恒定压力、温度和H/D比例的同时，保持恒定的相对CO₂消耗量和物料颗粒大小，似乎并不是适用于DSO生产的合适放大标准。

未引用的参考文献

[9], [13], [22]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

S. Milovanovic衷心感谢INS（波兰）超临界萃取研究小组的所有同事在2021-2023年间提供的宝贵支持，包括协助采购蒲公英种子以及慷慨提供实验室、化学品和设备，这些都对本研究至关重要。

资金支持

S. Milovanovic感谢波兰国家学术交流机构（NAWA，华沙，波兰）（Ulam计划2020，协议编号PPN/ULM/2020/1/00023/U/00001）的支持。本研究还得到了塞尔维亚共和国科学技术发展与创新部（合同编号451-03-34/2026-03/200135）的资助。