第二节 超临界CO2浸出核桃油工艺
超临界流体浸出技术（Supercritical Fluid Extraction，SFE）是一种新型的分离技术，具有工艺简单、操作方便等传统工艺不可比拟的优点。它克服了溶剂提取法在分离过程中需蒸馏加热、油脂易氧化酸败、存在溶剂残留等缺陷；也克服了压榨法产率低、精制工艺烦琐、油品色泽不理想等缺点。因而，超临界流体浸出技术被广泛应用于食品工业，特别是功能性植物油脂的提取中。笔者采用超临界CO2流体浸出技术对核桃油的浸出进行了研究，着重探讨了浸出条件对浸出率的影响，并利用正交试验法确定了超临界CO2浸出核桃油的最佳工艺条件。
一、材料与方法
（一）试验材料
核桃仁；CO2（食品级，纯度99.99%）。
（二）主要试验仪器
HA220-50-06型超临界CO2浸出设备；DK-S26型电热恒温水浴锅；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱。
（三）超临界浸出工艺流程
超临界CO2萃取工艺流程如图3-13所示。将一定量粉碎后的核桃仁投入浸出釜中，对浸出釜、分离釜、贮罐分别加热或冷却，当系统各部分达到设定温度后，开启CO2钢瓶，从CO2钢瓶出来的CO2气体经净化器净化后进入冷箱（0℃）液化后，由高压调频柱塞泵送入预热器预热，经净化再进入浸出釜，升压到预定设置值使CO2成超临界流体，对核桃仁中油脂进行浸出，CO2经分离釜减压与浸出核桃油分离后循环使用。
（四）试验设计
准确称取烘干粉碎后的核桃仁350g，装到浸出釜中。在设定的浸出条件下进行动态浸出，溶有核桃油的超临界CO2经减压后进入分离釜I（以下简称分I）中，实现与核桃油的分离。浸出结束后精确称量核桃油质量，计算核桃油浸出率。核桃仁含油率根据GB 5009.6-2016测得为65%。
图3-13 超临界CO2萃取工艺流程
浸出率=浸出核桃油质量/（核桃仁原料质量×核桃仁含油率）×100%
1.超临界CO2浸出核桃油的单因素试验
（1）原料粉碎度的选择 本试验选择了核桃仁粉碎后未过筛和过20，30，40，50目筛，浸出压力为30MPa，浸出温度50℃，分I压力10MPa，分I温度45℃，浸出时间3h，浸出结束后精确称量所得核桃油，计算核桃油的浸出率。
（2）浸出压力的选择 本试验选择了浸出压力值分别为20，25，30，32，35MPa，浸出温度50℃，分I压力10MPa，分I温度45℃，浸出时间3h，浸出结束后精确称量所得核桃油，计算核桃油的浸出率。
（3）浸出温度的选择 本试验选择了浸出温度值分别为30，40，50，60，70℃，浸出压力为30MPa，分I压力10MPa，分I温度45℃，浸出时间3h，浸出结束后精确称量所得核桃油，计算核桃油的浸出率。
（4）分I压力的选择 本试验选择了分I压力为6，8，10，12，14MPa，浸出压力为30MPa，浸出温度为50℃，分I温度45℃，浸出时间3h，浸出结束后精确称量所得核桃油，计算核桃油的浸出率。
（5）分I温度的选择 本试验选择了分I温度为35，40，45，50，55℃，浸出压力为30MPa，浸出温度为50℃，分I压力10MPa，浸出时间3h，浸出结束后精确称量所得核桃油，计算核桃油的浸出率。
2.超临界CO2浸出核桃油正交试验
在单因素试验的基础上，对浸出条件进行正交试验。
二、结果与分析
（一）原料粒度对核桃油浸出率的影响
核桃仁作为浸出原料，多为核桃仁经过干燥粉碎后不过筛和过不同目数筛子得到的核桃粉。本试验选择了核桃仁粉碎后未过筛和过20，30，40，50目筛为原料，在浸出压力为30MPa，浸出温度50℃，分I压力10MPa，分I温度45℃下，利用超临界CO2流体作为浸出剂，浸出3h。不同颗粒下核桃油的浸出率如图3-14所示。
图3-14 不同颗粒下核桃油的浸出率
核桃仁的粉碎粒度对浸出率具有两面性的影响：较小的粒度可以缩短传质距离，减小传质阻力，有利于浸出；粒度太小会影响CO2流体在物料间的流动，增加传质阻力而不利于浸出，还可能因为太细而被溶剂带出浸出釜。由图3-14可以看出，过30目筛的核桃粉为原料时，核桃油的浸出率最高。选择粉碎后过30目筛的核桃粉为原料。
（二）浸出压力对核桃油浸出率的影响
本试验选择了浸出压力值分别为20，25，30，32，35MPa，浸出温度50℃，分I压力10MPa，分I温度45℃，浸出时间3h。浸出压力对核桃油浸出率的影响如图3-15所示。
图3-15 浸出压力对核桃油浸出率的影响
在温度一定的条件下，超临界CO2的溶解能力随压力升高而上升，因为增加压力不但会增加CO2的密度，还会减少分子间的传质阻力和传质距离，增加溶质与溶剂之间的传质效率，有利于目标成分的浸出，并且减少了浸出时间，使浸出更加完全。由图3-15可以看出，随着浸出压力的升高，核桃油的浸出率增加，但是当浸出压力大于30MPa后，核桃油浸出率增加幅度很小。因此，本试验选择浸出压力为30MPa。
（三）浸出温度对核桃油浸出率的影响
本试验选择了浸出温度值分别为30，40，50，60，70℃，浸出压力为30MPa，分I压力10MPa，分I温度45℃，浸出时间3h。浸出温度对核桃油浸出率的影响如图3-16所示。
图3-16 浸出温度对核桃油浸出率的影响
浸出温度是对浸出率的影响有正反两个方面：随着温度升高，造成浸出釜内部热回流加剧，相互碰撞的概率增加，CO2溶解能力增强；温度升高，使CO2密度降低，携带物质的能力减弱。由图3-16可以看出，随着浸出温度的增加，核桃油的浸出率先增加后降低，当浸出温度为50℃时，核桃油浸出率最大。因此，本试验选择浸出温度为50℃。
（四）分I压力对核桃油浸出率的影响
本试验选择了分I压力为6，8，10，12，14MPa，浸出压力为30MPa，浸出温度为50℃，分I温度45℃，浸出时间3h。分I压力对核桃油浸出率的影响如图3-17所示。
在高压下溶解浸出，然后降低压力使浸出相中的溶质因溶解度的大幅下降而析出，达到分离目的，但并非压力降得越低越好。由图3-17可以看出，随着分I压力的升高，核桃油的浸出率逐渐增加，当分I压力达到10MPa时，核桃油浸出率最大，分I压力再升高时核桃油浸出率反而降低。因此，本试验选择分I压力为10MPa。
图3-17 分I压力对核桃油浸出率的影响
（五）分I温度对核桃油浸出率的影响
本试验选择了分I温度为35，40，45，50，55℃，浸出压力为30MPa，浸出温度为50℃，分I压力10MPa，浸出时间3h。分I温度对核桃油浸出率的影响如图3-18所示。
图3-18 分I温度对核桃油浸出率的影响
由于固体在超临界流体中的溶解度主要和流体的密度有关，但也和溶质的蒸气压以及溶质、溶剂分子间的作用力有关。而温度又影响分子运动的激烈程度及分子间的作用力。由图3-18可以看出，分I温度升高，核桃油浸出率先增加后降低，当分I温度为45℃时，核桃油浸出率最大。因此，本试验选择分I 温度为45℃。
（六）超临界CO2浸出正交试验
在单因素试验的基础上，对浸出条件进行正交试验。以浸出率最高为衡量标准得到最优组合，即：浸出压力30MPa，浸出温度50℃，分I压力8MPa，分I温度55℃下，核桃油浸出率为85.31%。此最优组合正好是正交试验的第8组试验组合，第8组试验组合也是正交试验中浸出率最高的一组。
（七）超临界浸出核桃油正交试验的优化试验
准确称取烘干粉碎后核桃仁350g，装到浸出釜中。根据（六）所得最佳浸出条件A3B2C1D3，即浸出压力30MPa，浸出温度50℃，分I压力8MPa，分I温度55℃。在此条件下，每隔30min收集一次核桃油，计算浸出率。浸出时间对核桃油浸出率的影响如图3-19所示。
图3-19 浸出时间对核桃油浸出率的影响
由图3-19可以看出，在此最佳条件下，随着浸出时间的延长，核桃油浸出率逐渐提高，但是当时间超过2h后，浸出率提高很小，且都在85%～86%。从降低成本和提高效率方面考虑，此最佳工艺条件下的浸出时间选择为2h，核桃油已经基本浸出完全。确定出超临界CO2浸出核桃油的最佳工艺条件：浸出压力30MPa，浸出温度50℃，分I压力8MPa，分I温度55℃，浸出时间2h，浸出率为85%以上。
三、结论
（1）超临界CO2浸出核桃油的最佳工艺条件：浸出压力为30MPa，浸出温度50℃，分I压力8MPa，分I温度55℃，浸出时间2h，浸出率为85%以上。
（2）该工艺条件操作简单，生产效率高，浸出时间短，浸出率较高，适合工业化生产。
四、讨论
（1）浸出压力是影响溶质在超临界CO2中溶解度的主要参数，但并不是浸出压力选择越大越好。目前，国内工业化生产上使用的高压容器，设计压力上限高于30MPa的并不多见。因此，从适合工业化生产实际出发，浸出压力参数选择重点应该在30MPa以内。
（2）分离条件对浸出率也有一定的影响，最佳的分离条件只能是分I压力、分Ⅱ压力、分I温度、分Ⅱ温度互相作用和影响的综合结果。因此，在试验参数设计时，应该充分考虑到分离条件的选择。