超临界CO2萃取沙丁鱼油的研究.doc

2013年度本科生毕业论文(设计)超临界CO2萃取沙丁鱼油的研究学 院： 理 工 学 院 专 业： 化 学 年 级： 2009 级 学生姓名： xxxxxxx 学 号： xxxxxxxxxx 导师及职称： xxxx（教授） 2013年5月2013 Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate Study on the Extraction of Oil from Sardine by Supercritical CO2 Fluid Department: School of Science and TechnologyMajor: ChemistryGrade: 2009Students Name: xxxStudent No.: xxxxTutor: Professor xx Finished by May， 2013毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解琼州学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名：日期： 日期： xx 毕业论文答辩小组成员名单姓名职称单位备注琼州学院本科生毕业论文（设计）摘 要沙丁鱼亦称“沙鲻”，是一些鲱鱼的统称，属于近海暖水性鱼类，常分布于低纬度近海区域。中国沙丁鱼类主要为小沙丁鱼属约十余种，以金色小沙丁鱼和裘氏小沙丁鱼产量最高。沙丁鱼水分含量低，蛋白质、脂肪和矿物质较高。其中矿物质有钙、镁、锌、锰等，还有蛋白质和各类维生素，更有丰富的能够促进身体健康的二十五碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）等。本实验利用超临界萃取法提取沙丁鱼鱼油，重点考察萃取压力、萃取温度和萃取时间等因素对沙丁鱼鱼油提取效果的影响，以求得超临界提取沙丁鱼鱼油的最佳工艺，从而达到降低成本、提高产量的目的。以期为沙丁鱼的进一步开发利用提供一定的参考。单因素实验表明：超临界CO2萃取沙丁鱼鱼油的较优工艺条件分别为：萃取温度 38 、萃取时间3 h、萃取压力为2800 psi。正交实验结果表明：超临界CO2萃取沙丁鱼鱼油的最佳工艺条件为：萃取温度40 、萃取时间3 h、萃取压力2900 psi，此条件下鱼油得率0.325%。关键词：沙丁鱼；鱼油；超临界萃取 ABSTRACTSardine also called sand mullet， is a general term for some kinds of herring. it belongs to the offshore warm water fish and often distribute in the low latitude sea area not usually being seen in sea or ocean. In China ， There are ten kinds of Sardines ，which are mainly small sardines genus .and the small golden sardine and s. Jussieu are in the highest pared with the general marine fish， sardines ， low content of water， but protein， fat and mineral high. The minerals such as calcium， magnesium， zinc， manganese， and protein ， various vitamins. Specially it s rich of EPA and DHA， etc.This experiment using sardine fish oil extraction by supercritical extraction method, focuses on factors such as extraction pressure, extraction temperature and extraction time on the effects of the sardine fish oil extraction for supercritical extraction technology of sardine fish oil, so as to achieve the purpose of reduce cost, increase production. In order to provide certain reference for the development and utilization of sardines further.Single factor experiment showed that the supercritical CO2 extraction of sardine fish oil with optimum process conditions are: extraction temperature is 38 , extraction time is 3h, extraction pressure is 2800 psi. Orthogonal experiment results show that the optimum process conditions of supercritical CO2 extraction sardine fish oil as follows: extraction temperature is 40 , extractive time is 3 h, pressure is 2900 psi; Under the condition of the fish oil yield was 0.3246%.Key words: Sardine ；Fish oil ； Supercritical fluid extraction目 录第一章 绪论1页1.1 研究背景1页1.2 研究现状1页1.3 主要研究工作及意义3页1.3.1主要研究工作3页1.3.2研究意义3页第二章 实验材料与方法4页2.1 实验用品4页2.1.1 材料和试剂4页2.1.2 仪器设备4页2. 2 实验过程4页2.2.1 操作流程4页2.2.2 操作要点5页2.2.3鱼油提萃率的计算规则5页2.2.4单因素实验设计5页 2.2.5正交实验设计5页第三章 实验结果分析及讨论6页3.1 单因素实验分析6页3.1.1 萃取压强对萃取率的影响6页3.1.2 萃取温度对萃取率的影响7页3.1.3 萃取时间对萃取率的影响8页3.2正交实验9页第四章 结论12页参考文献13页致谢14页第一章 绪论11 研究背景沙丁鱼(sardine)，又称萨丁鱼、鳁和鰯。最初在意大利萨丁尼亚捕获而得名，古希腊文称其“sardonios”意即“来自萨丁尼亚岛”。沙丁鱼的营养成份的组成是:水分64.6%、蛋白质19.2%、脂肪13.8%、碳水化合物0.5%、矿物质1.9%。与一般海水鱼类相比，沙丁鱼水分含量低，蛋白质、脂肪和矿物质较高。其中矿物质有钙、镁、锌、锰等，还有蛋白质和各类维生素，更有丰富的能够促进身体健康的二十五碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）。这些基本的脂肪酸能够帮助身体里的血液流动畅通，保持一个健康的心脏，能预防胆固醇过高及心脏病、血栓病等疾病。除此之外，沙丁鱼含有丰富的DHA，常吃沙丁鱼还能能活化脑部，能充份提高记忆力及学习能力，有助儿童智力发育，亦能降低老年人罹患失智症的风险2。据美国 F&S 公司的调研报告称：从2002 年至今，国际鱼油市场规模以每年 8%的速度扩大，2010 年鱼油及其制成品的全球市场销售额将超过 50 亿美元，预计今后几年国际市场鱼油交易量将维持在 26 万至 30 万吨的水平上，EPA/DHA等鱼油衍生物产品仍将呈供不应求态势，价格将继续上涨。因此，鱼油具有很高的营养价值和广泛的开发利用前景3。我国沙丁鱼资源主要为金色小沙丁鱼，为暖水性中上层鱼类，广泛分布于我国南海和东海南部。随着灯光围网渔业的发展，六十年代后期金色小沙丁鱼已成为闽南粤东海区的主要渔获对象，自1990年以来其产量不断提高，年平均产量为11.4 104t，占海水鱼类总产量的3.1% -27.4% 4。然而这些捕获的沙丁鱼并没有得到完全的利用，因为沙丁鱼消化道内的极强消化酶使得沙丁鱼自捕获后极不易保存，很多还没有来得及利用便已变质。如能将这一部份沙丁鱼利用起来用以鱼油提取，将会带来不可小觑的经济效益。12 研究现状 查阅相关资料与文献，国内目前还没有人使用超临界萃取法对沙丁鱼鱼油的萃取做研究，目前对于各类鱼油的提取方法主要有压榨法、有机溶剂法、蒸煮法、酶解法、淡碱水解法和超临界流体萃取法等。1第一章 绪论1.2.1 压榨法该法直接对原材料进行压榨而得到粗鱼油。此法操作简单，但是提取率较低，并且取得的鱼油质地很差，现今已很少采用此种方法。1.2.2 有机溶剂法有机溶剂法是利用有机溶剂对鱼类原料中的脂肪进行提取。该法的缺点是不能将与蛋白质结合的脂肪分离出来，提取率较低，且有溶剂残留，对鱼油的品质有一定影响。1.2.3 蒸煮法蒸煮法是通过加热蒸煮以破坏原料中细胞组织，使鱼油分离出来，主要有隔水蒸煮法、水蒸汽蒸煮法和高压蒸煮法等。这些蒸煮方法的基本原理相同，且操作简单；但存在共同缺点，即提取温度较高，如控制不当，将会降低鱼油的品质。1.2.4 酶解法酶解法是利用蛋白酶的水解作用，破坏蛋白质和脂肪的结合关系，使油脂释放出来。该法大大提高了原料的利用率，提取率相对较高，且操作条件温和，同时酶解液中还含有丰富的小分子肽和氨基酸等，可以进一步加以利用。此法飞缺点在于还由于不同蛋白酶的酶切位点不一致，其水解作用也不同，因此为了得到较好的提取效果，有必要对蛋白酶进行筛选。1.2.5 淡碱水解法淡碱水解法是利用淡碱液将鱼类原料中的蛋白质分解，破坏蛋白质与脂肪的结合关系，使脂肪分离出来。主要包括传统淡碱水解法、氨法和钾法等。传统淡碱水解法使用的碱是氢氧化钠和氯化钠，此法优点是提高了鱼油的提取率，且操作简便，工艺成熟，其缺点是提取废液中钠盐含量高，不能利用而对环境造成污染。氨法提取是用氨水和铵盐代替传统方法中的氢氧化钠和氯化钠，此法产生的提取废液可生产肥料，应用于农业；但提取过程中用到氨水，其挥发性较大，有刺激性，故此法利用较少。钾法提取工艺采用的碱是氢氧化钾和氯化钾，该法解决了钠盐污染问题，产生的废液可以制作钾肥，应用于农业生产6。1.2.6 超临界流体萃取法超临界流体萃取法（SFT）是以超临界状态下的流体为萃取剂，从鱼类原料1琼州学院本科毕业论文(设计)中萃取出油脂的一种新型分离技术。其与传统的化学方法相比，具有分离效率高、操作温度低、产品质地好、无环境污染等优点7；但投资成本较高，只在对产品要求较高时才使用该法。13 主要研究工作及意义1.3.1 主要研究工作本实验利用超临界萃取法提取沙丁鱼鱼油，重点考察萃取压力、萃取温度和萃取时间等因素对沙丁鱼鱼油提取效果的影响，求得超临界提取沙丁鱼鱼油的最佳工艺，从而达到降低成本、提高产量的目的。以期为沙丁鱼的进一步开发利用提供一定的参考。1.3.2 研究意义沙丁鱼与一般海水鱼类相比，沙丁鱼水分含量低，蛋白质、脂肪等物质较高。其中脂质有富的能够促进健康的二十五碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）。据美国 F&S 公司的调研报告称：从2002 年至今，国际鱼油市场规模以每年 8%的速度扩大，2010 年鱼油及其制成品的全球市场销售额将超过 50 亿美元，预计今后几年国际市场鱼油交易量将维持在 26 万至 30 万 t 的水平上，EPA/DHA这些数据说明鱼油广泛的开发利用前景。我国沙丁鱼资源主要为金色小沙丁鱼，随着捕捞技术的不断提高，自1990年以来其产量不断提高，年平均产量为11.4 104t占鱼类总产量的3.1% -27.4%。然而这些捕获的沙丁鱼并没有得到完全的利用，因为沙丁鱼消化道内的消化酶使得沙丁鱼自捕获后极不易保存，很多还没有来得及利用便已变质。如能将这一部分沙丁鱼利用起来用以鱼油提取，将会带来不可小觑的经济效益。选取沙丁鱼作为原材料提取鱼油正是基于上述原因：其一，较其他一般海水鱼种而言，沙丁鱼所含各类脂肪酸更高；其次，国际市场上，鱼油的市场规模不断扩大，鱼油的开发利用有着广泛的开发利用前景；其三，我国沙丁鱼资源的浪费，如能综合利用其资源将会带来很大的经济效益。3第二章 实验材料与方法第二章 实验材料与方法21 实验用品 211 材料和试剂沙丁鱼 （三亚市售）CO2 （海南佳腾化工气体有限公司）212 仪器设备九阳JYL_C022型豆浆机SFT-100XW 型超临界CO2萃取仪 （SUPERCRITCAL FLUID TECHNOLOGIES ,INC）DHG-9030A型电热恒温鼓风干燥箱 （上海精宏实验设备有限公司）；电子分析天平（精密度0.0001g）； （赛多利斯科学仪器公司）海尔BCD-20678电冰箱；22 实验方法221 操作流程操作流程图如下： 选取沙丁鱼粉碎冷藏干燥称量装料超临界萃取获得鱼油单因素影响测定正交实验得出最佳工艺5琼州学院本科生毕业论文(设计)2.2.2 操作要点（1）粉碎 将市售干沙丁鱼除去鱼鳞、内脏、头部和鱼鳍后放入豆浆机机内进行粉碎，粉碎度适宜即可；（2）烘干 将粉碎后的沙丁鱼末放入烘干箱内烘去多余水分，烘干时设定温度50 ，烘干约0.5个小时。时间不宜过长，温度不宜过高。 （3）调节动态萃取 整个系统的压力、温度达到设定值后，缓慢交替打开出料口的两个阀门用手指感应二氧化碳流体的出现，手指感到很凉时，既有二氧化碳流体流出，压力会在设定值内上下浮动（偏差值50左右），动态萃取要继续运作到设定时间内，所得到的鱼油的过程才是动态萃取。 （4）结束操作 关闭二氧化碳高压泵，关闭二氧化碳钢瓶阀门，缓慢交替打开出料口的两个阀门，等到压力降到为零后，关闭所有电源的开关，等到釜的表面温度降低后，打开萃取釜取出物料，操作结束。2.2.3 鱼油萃取率的计算规则萃取率/%=（萃取出的沙丁鱼鱼油质量/沙丁鱼原料质量）100%2.2.4 单因素试验设计主要考察萃取时间、萃取压力和萃取温度等对提取率的影响，以沙丁鱼鱼油的提取率作为考察指标，在评估某一因素对萃取率的影响时，只改变被考察因素的值，而其他各因素的值保持固定不变。2.2.5 正交试验设计在单因素试验结果的基础上，利用正交试验进行设计，对影响沙丁鱼鱼油的提取率的关键因素进行研究和探索，以获得沙丁鱼鱼油提取率的最佳工艺条件参数。 第三章 实验结果分析及讨论3.1 实验条件的选择3.1.1 萃取压强对萃取率的影响在考查单因素的实验中，考察萃取压强对萃取率的影响时，保持萃取温度为37 、萃取时间为2 h、CO2流量为15 mL/min不变，萃取压强为2600-2800 psi（1 MPa 145 psi），对提取率的影响结果见图1。图1 萃取压强对萃取率的影响萃取压强是影响溶质在超临界CO2中溶解度的一个主要参数。在温度一定的条件下，当压力处于较低水平时，压强增加一方面使CO2流体的密度增大，溶质的溶解度随之上升，另一方面减少了分子之间的传质距离使传质效率较为理想，有利于萃取的进行。由于CO2对鱼油的溶解度与压强不是线性关系，当压强较高时，继续增加萃取压强，虽CO2流体密度和其对溶质的溶解度有较小的上升，但CO2流体黏度增大，质的流动性降低，传质性受到严重的影响，从而造成产物得率降低8。由图1可知，沙丁鱼鱼油的萃取率随着压强变化有一个极大值，即在2800 psi左右时达到最大，这是因为温度恒定，增加超临界萃取压强，超临界CO2流体的密度随之增大，溶解度能力增大，故萃取率随压强的增大而增大，当压强大于2800 psi后，提取率降低是因为随着萃取压强升高，CO2流体黏度增大，传质速率降低，从而导致提取率降低。所以沙丁鱼鱼油的适宜萃取压强是在2800 psi左右。3.1.2 萃取温度对萃取率的影响在考查单因素的实验中，考察温度对萃取率的影响时，保持萃取时间2 h、萃取压强为2900 psi、CO2流量为15 mL/min不变，萃取温度35-44 ，对提萃取的影响结果见图2。图2 萃取温度对萃取率的影响超临界萃取温度是沙丁鱼鱼油萃取中的一个重要参数；温度对超临界流体萃取过程的影响是呈现正负两方面：一方面，随着温度升高，分子热运动速度加快，分子间发生相互碰撞的几率增加，超临界CO2与被萃取组分的接触机会增大，而且温度升高也使有效成分的扩散系数增大，CO2流体的粘度下降，传质速度加快，使鱼油在其中的溶解度增大，从而有利萃取。另一方面，温度升高致使超临界CO2的密度降低，被萃取组份在其中的溶解度降低，从而导致萃取下降9。见图2可知，萃取温度35 升高到38 时，萃取率明显提高，说明温度对CO2扩散系数增加和被萃取物的溶解度增大的作用强于CO2流体密度下降带来的不利影响。当温度由38升高到44 时，萃取率随温度升高而减少，因为升高温度使超临界CO2的溶解度和密度都下降的不利影响占据主导地位，因而萃取率下降。所以沙丁鱼鱼油的适宜萃取温度在38 左右。3.1.3 萃取时间对萃取率的影响在考查单因素的实验中，考察时间对萃取率的影响，保持萃取温度为38 、萃取压强为2800 psi、CO2流量为15 mL/min、萃取时间为1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h，对萃取率的影响如图3。图3萃取时间对萃取率的影响超临界萃取时间也是沙丁鱼鱼油萃取中的一项主要参数，萃取时间太短，原料的萃取分离过程不能进行完全，萃取效果差，萃取时间太长，相当于用大量能耗和物流损失来换取微小萃取效果的提高。由如图3可知，从图中可以把超临界萃取过程分为3个阶段：萃取初始阶段、转换阶段和最后萃取阶段；萃取初始阶段时间1.5 h，萃取率较低是被萃取物质与CO2接触时间短，原料萃取分离过程不能进行完全，萃取效果差，所以单位时间内萃取率较低；萃取转换阶段时间1.5-2.5 h范围内，随着萃取时间的增加，超临界CO2与沙丁鱼的接触时间长，传质逐渐达到良好的状态，单位时间萃取物的量明显增加10。当达到3 h时萃取率的增长达到最大值，3 h-3.5 h时间范围内因萃取对象中待分离组分含量的减少，所以被萃取的物质含量降低而又使单位时间内的萃取率降低，萃取时间延长还会导致生产率降低11。所以沙丁鱼鱼油的萃取适宜时间是在3 h左右。3.2 正交实验根据前期单因素实验的基础上，影响沙丁鱼鱼油萃取率的主要影响因素为萃取温度、萃取时间、萃取压力；为了进一步优化萃取工艺，以萃取温度、萃取时间、萃取压力、以及动静态萃取4个因素进行正交实验，以确定他们对超临界二氧化碳萃取效果的影响主次关系；考虑到单因素实验时，压强相比于温度和时间来说，其影响较为明显；时间参数在鱼油的萃取过程中1.5-2h之间处于萃取的转换阶段，此时已经能够保证CO2和物料完全接触。因此，正交实验时选取了混合位级，其中萃取压强取4水平，温度、时间、动静态各取两水平，分别以1、2、3、4编码，具体分布如表1。根据单因素实验所得时间参数的数据与正交实验中时间参数的差异，在正交实验后另附3个时间参数的辅助实验，其内容为选取正交实验表中最优条件，保持萃取压强、萃取温度和动静态为最优条件的参数，时间参数变化，分别为2.5 h、3 h和3.5 h。表1 正交实验因素水平表因素水平A萃取压力 / psiB萃取温度 / C萃取时间 / hD萃取方式12700381.5动态22800402静态32900-43000-根据表1所列进行正交实验，所得实验结果如表2所示：表2 正交实验结果试验号ABCD萃取率/%111220.104232210.285322220.094441210.141512210.108631120.126721110.216842120.117K10.1060.1470.1410.186K20.1550.1500.1560.110K30.205-K40.1289-R0.0990.0030.0150.076由正交实验表实验结果可以得到：从表2中直接看出实验2号A3B2C2D1的提取率是最高的，达到0.285%的萃取率，而通过极差数据分析，压强因素中第3水平最佳，温度因素中第2水平最佳，时间因素中第2水平最佳，动静态因素中第1水平最佳，因此最佳工艺条件也为A3B2C2D1；所以超临界二氧化碳萃取沙丁鱼鱼油在时间条件为1.5h和2h时的最佳工艺条件是A3B2C2D1：动态萃取、萃取温度40 、萃取压力2900 psi、萃取时间2 h。对实验数据的极差分析还表明：各因素的影响顺序为AD C B，即萃取压强 动/静态萃取 萃取时间 萃取温度。由正交试验结果可以确定其3个辅助实验各个条件参数为：动态萃取、萃取温度40 、萃取压力2900 psi、萃取时间分别为2.5 h、3 h、3.5 h，以1、2、3对实验编号，详情见表3。表3 辅助实验表因素实验号A萃取压力 / psiB萃取温度 / C萃取时间 / hD动静态12900402.5动态22900403动态32900403.5动态根据辅助实验表进行实验所得结果见表4。 表4 辅助实验结果实验号萃取率%10.30220.32530.340由辅助实验结果可以得出，由正交实验结果表得出的最佳工艺在改变时间参数的条件下，其萃取率由0.285%增长到0.336%，且在2.5 h-3 h增长率最快，因此由正交实验和辅助实验可以确定超临界CO2萃取沙丁鱼鱼油的最佳工艺条件：动态萃取，压强为2900 psi，萃取温度为40 ，萃取时间为3 h，其萃取率为0.325%。1第四章 结论1利用超临界CO2萃取法可以萃取沙丁鱼鱼油，沙丁鱼鱼油是具有鱼腥味、透明的淡黄色油状物。2单因素实验表明：超临界CO2萃取沙丁鱼鱼油的较优工艺条件分别为：萃取温度 38 、萃取时间3 h、萃取压力为2800 psi。3正交实验结果表明：超临界CO2萃取沙丁鱼鱼油的最佳工艺条件为：萃取温度40 、萃取时间3 h、萃取压力2900 psi；此条件下鱼油得率0.325%。参考文献1 王明彦，董文德.远东拟沙丁鱼的开发利用现状J.水产科学，1992，14-162 陈庆森，郭志东.多不饱和脂肪酸(EPA，DHA)的研究现状与开发前景(续)J.天津商学院学报，1998，6，68-743 王海磊，罗庆华，黄美娥.鱼油的提取方法及精制工艺探讨J.湖南农业科学 2012，（17）：99101，1024 叶孙忠，何