蔗蠟提取工藝的研究

甘蔗是存在于甘蔗中的一種類型的脂肪，主要由蠟狀物（甘蔗蠟）和脂肪脂（甘蔗脂）組成，約為0.18%0.26%。在糖廠的壓榨過(guò)程中,約有60%類脂物殘留于蔗渣中,40%進(jìn)入混合汁,在混合汁的澄清處理過(guò)程中,由于加灰沉淀,95%蔗蠟與脂肪物又集中進(jìn)入濾泥中。濾泥中的粗蠟含量,因甘蔗的品種,土壤、氣候條件、收獲與壓榨的方法與清凈的方法(石灰法、亞硫酸法、碳酸法),甘蔗的濾泥產(chǎn)率等因素而有很大的差異。蔗蠟的用途很廣,可用于制造特效化妝品、蠟?zāi)?、壓模?rùn)滑劑,還可作為皮革、汽車、地板等優(yōu)質(zhì)上光劑;此外蔗蠟中含有許多價(jià)值很高的高級(jí)有機(jī)物,如固醇、磷脂、二十八烷醇等。蔗脂的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也很高,是肥皂、甘油、潤(rùn)滑油工業(yè)的原料,蔗脂加堿皂化后,未皂化部分為用途廣泛的植物甾醇。提取蔗蠟的方法通常為溶劑萃取法,溶劑萃取法又分濕法和干法。濕法是采用新鮮濾泥為原料,一般采用不溶于水的溶劑萃取,如氯仿、汽油、苯等溶劑。干法是采用干濾泥為原料,既可采用不溶于水的溶劑,又可采用與水相溶的酒精、丙酮等溶劑。本實(shí)驗(yàn)研究旨在采用干法從濾泥中提取蔗蠟粗品,探尋簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)的工藝路線,為蔗蠟精制研究以及深加工提供中間原料。1材料和方法1.1實(shí)驗(yàn)原材料廣西上思糖廠新鮮濕濾泥(亞硫酸法),于55~60℃干燥至水分為5%~10%,并粉碎為粉末狀。1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備恒溫裝置、回流裝置;、蒸餾裝置、真空過(guò)濾裝置。1.3萃取溶劑的選擇提取過(guò)程中按蔗脂除去與否,分為兩種路線:兩步法提取蔗蠟(先分離除去蔗脂,再提取硬蔗蠟)和一步法提取蔗蠟(先提取粗蔗蠟,后再脫脂精制),提取工藝流程如下。根據(jù)對(duì)蔗蠟萃取溶劑的性質(zhì)比較分析以及探討研究,實(shí)驗(yàn)選取93#汽油(A1)、97#汽油(A2)、氯仿-酒精(v∶v,1∶1)(A3)、石油醚-酒精(1∶1)(A4)為蠟溶性溶劑,分別對(duì)溶劑用量、回流溫度和回流時(shí)間進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)考察。根據(jù)蔗脂易溶于丙酮、冷酒精或其他冷溶劑的特性,實(shí)驗(yàn)以冷酒精(A1)、丙酮(A2)及酒精-丙酮(1∶1)(A3)、酒精-丙酮(2∶1)(A4)為脂溶性溶劑,分別對(duì)溶劑用量、浸提溫度和浸提時(shí)間進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)考察。1.4實(shí)驗(yàn)步驟1.4.1萃取溶劑的選擇稱取50.0g干濾泥粉末,加入定量的脂溶性溶劑,在設(shè)定的溫度下浸提一定時(shí)間。真空抽濾得到萃取液,再加入200mL原脂溶性溶劑洗滌,蒸餾得到蔗脂,同時(shí)作溶劑的回收實(shí)驗(yàn)。分離蔗脂后的濾泥,再加入定量的蠟溶性溶劑,在設(shè)定溫度下恒溫?zé)峄亓鬏腿?。殘留物?00mL原蠟溶性溶劑洗滌,蒸餾得到蔗蠟,同時(shí)回收溶劑。得到的蔗脂和蔗蠟在55~60℃干燥數(shù)小時(shí),揮發(fā)殘留溶劑,取出稱量。2結(jié)果與討論2.1酒精+丙酮法提取蔗脂表1為兩步法從干濾泥中分離除去蔗脂的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為考察分離蔗脂的最佳工藝條件,對(duì)以上正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中蔗脂產(chǎn)率和溶劑回收率兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行極差分析并作出因素-指標(biāo)關(guān)系圖,見圖1、圖2。從圖1可看出,最佳萃取條件為:溶劑為酒精、5倍溶劑用量(對(duì)干濾泥質(zhì)量,下同)、浸提溫度和時(shí)間分別為40℃與8h,此時(shí)蔗脂的提取產(chǎn)率約為5%~10%。從溶劑回收率方面來(lái)看,最佳提取溶劑為酒精、6倍溶劑用量、浸提溫度和時(shí)間分別為30℃與8h,溶劑的回收率為64.3%~73.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明酒精的萃取率與提取效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于丙酮,從酒精與丙酮混合液來(lái)看,隨著酒精含量增大,蔗脂產(chǎn)率增大。純酒精提取的蔗脂色澤為青色或青綠色油脂狀物質(zhì),而純丙酮提取的蔗脂為褐黃色濕蠟狀物質(zhì)。由于蔗脂具有溶于冷酒精和丙酮的特性,溫度的控制對(duì)于蔗脂的萃取至關(guān)重要。溫度較低時(shí),溶劑分子運(yùn)動(dòng)速度較慢(如溶劑分子的布朗運(yùn)動(dòng)和滲透擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)),萃取效果不是很理想;溫度升高,分子運(yùn)動(dòng)速度加快,有利于濾泥中蔗脂的萃取,但此時(shí)濾泥中少量蔗蠟、色素、膠體等物質(zhì)也可能在溫度較高的溶劑中被萃取出來(lái)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在室溫下可獲得最佳的提取效率,并簡(jiǎn)化了工藝設(shè)備,降低了生產(chǎn)成本。綜上分析,從干燥濾泥中萃取分離蔗脂的最優(yōu)工藝條件是:用5倍的酒精,在室溫下浸提4~6h,此時(shí)蔗脂的提取產(chǎn)率約為5%~10%,溶劑回收率可達(dá)到70%。2.2分離并提取甘蔗蠟用分離蔗脂后的濾泥和干濾泥分別通過(guò)兩步法和一步法提取蔗蠟,為探討蔗蠟提取的最佳工藝條件,設(shè)計(jì)L16(44)正交實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。2.2.1回流溫度和溶劑種類的影響從圖3中可看出,蔗蠟提取的最佳溶劑為97#汽油、溶劑用量為4倍、回流溫度為80℃、回流時(shí)間為3h或5h,提取產(chǎn)率為8.19%~11.3%。從圖4中溶劑回收率分析可以看出,蔗蠟提取的最佳溶劑為氯仿-酒精(1∶1)、溶劑用量為5倍、回流溫度和時(shí)間分別為70℃與5h,溶劑回收率為60%~80%。在此條件下,回流溫度和提取溶劑變?yōu)橹饕囊蛩?其原因主要與提取溶劑的沸點(diǎn)有關(guān)。在回流過(guò)程中,回流溫度須達(dá)到溶劑的沸點(diǎn)或高于沸點(diǎn),若提取溶劑的沸點(diǎn)差異較大,溶劑受熱揮發(fā)再冷凝回流的循環(huán)次數(shù)也不同。在同一溫度下,沸點(diǎn)較低的溶劑受熱揮發(fā)再冷凝回流的循環(huán)速度較快,溶劑揮發(fā)帶來(lái)的損耗也較大;就同一溶劑來(lái)說(shuō),溫度越高,冷凝回流速度也越快。所以回流溫度和溶劑種類對(duì)溶劑回收率的影響最為重要。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),汽油提取的蔗蠟色澤為棕色、棕褐或棕黃色,具有蠟的光澤性和形態(tài);而用氯仿、石油醚與酒精混合液提取的蔗蠟色澤為青色和青黃色居多,光澤性不強(qiáng),呈糊狀。原因?yàn)槿~綠素等色素、磷脂和鈣鹽等膠體物質(zhì)也被隨之萃取出來(lái),混于蔗蠟粗品中,所得的樣品蠟的成分較少,蔗蠟的特征不很明顯,產(chǎn)品的純度和色澤遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如溶劑為汽油時(shí)的產(chǎn)品。故本實(shí)驗(yàn)選用汽油作為蔗蠟的最佳提取溶劑,并且隨著汽油純度越高,效果越佳?；亓鳒囟葘?duì)蔗蠟的得率影響不大,但對(duì)溶劑的回收率的影響較大,結(jié)合兩方面的因素考慮,回流溫度適宜選70~80℃,一般取為75℃。從節(jié)省成本與提高效率方面分析,4倍的溶劑用量,回流萃取3h即能得到比較高的產(chǎn)率。綜上分析,從分離蔗脂的濾泥中提取蔗蠟的最優(yōu)工藝條件是:用4倍的汽油,在75℃熱回流萃取3h,得到產(chǎn)率為8.19%~11.3%、純度較高、色澤為棕色或棕黃色有光澤的塊狀蔗蠟,汽油的回收率為70%~75%。2.2.2提取溶劑的選擇為考察一步法直接提取蔗蠟的最佳工藝條件,對(duì)蔗蠟產(chǎn)率和溶劑回收率兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行極差分析并作出因素-指標(biāo)關(guān)系變化圖,見圖5、圖6。分析以上數(shù)據(jù),并結(jié)合2.2.1的分析討論可得出,提取溶劑為氯仿-酒精(1∶1)和石油醚-酒精(1∶1)時(shí),蔗蠟得率比較高,但產(chǎn)品的純度和色澤遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如溶劑為汽油時(shí)的產(chǎn)品,且價(jià)格較高,氯仿還具有一定的毒性,故實(shí)驗(yàn)選用汽油作為提取溶劑。對(duì)于提取溶劑的用量,結(jié)合蔗蠟產(chǎn)率和溶劑回收率兩方面,選用5倍溶劑用量。從蔗蠟產(chǎn)率和溶劑回收率變化圖中可以直觀看出,熱回流的適宜溫度為75℃,最適宜的熱回流時(shí)間為4h。此時(shí)蔗蠟的產(chǎn)率為11.0%~12.5%,回收溶劑為60%~70%。比較兩步法和一步法,蔗蠟提取的最佳工藝條件基本一致,實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論為工業(yè)化生產(chǎn)提供了一定的參考依據(jù)。一步法與兩步法提取蔗蠟的區(qū)別主要在于蔗脂的先后除去與否,所得到的蔗蠟純度存在一定的差異,由于一步法中提取的蔗蠟未作蔗脂的分離處理,蔗脂成分含量比兩步法要多,故一步法的蔗蠟產(chǎn)率比兩步法高出1~2個(gè)百分點(diǎn),根據(jù)對(duì)蔗蠟產(chǎn)品不同純度的要求,實(shí)際生產(chǎn)中可選擇不同的提取工藝流程來(lái)提取蔗蠟產(chǎn)品。2.3蔗蠟中長(zhǎng)鏈脂肪酸的含量參考相關(guān)文獻(xiàn),實(shí)驗(yàn)測(cè)得蔗蠟的不同物化指標(biāo),結(jié)果如表3。從表3可看出,蔗蠟的不同物化指標(biāo)常數(shù)滿足文獻(xiàn)值的范圍,得到的產(chǎn)品符合蔗蠟產(chǎn)品的特征要求。為進(jìn)一步測(cè)定產(chǎn)品蔗蠟的組成成分,對(duì)濾泥中提取的蔗蠟進(jìn)行傅立葉紅外光譜分析,圖譜見圖7。在圖7蔗蠟的紅外光譜圖中,可以看出以濾泥為原料提取的蔗蠟成分較為復(fù)雜。結(jié)合相關(guān)資料分析,由譜圖中2952.64、2882.83、1466.29、1376.79、722.27cm-1出現(xiàn)一系列的吸收峰,說(shuō)明蔗蠟樣品中存在CH3-(CH2)n-(n≥4)基團(tuán),可推斷混合物中可能有長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔锏拇嬖?3302.21范圍有一寬峰,1174.42cm-1處的吸收峰推斷有長(zhǎng)鏈脂肪醇類存在;1734.81cm-1有一很強(qiáng)的吸收峰,這是羰基(C=O)最明顯的特征峰,1174.42cm-1為鑒定酯的重要光譜數(shù)據(jù),所以1734.81、1174.42cm-1兩處的波峰可推斷有長(zhǎng)鏈飽和酯類存在;3447.24cm-1的寬峰以及2664.90、2334.11,2018.89cm-1三處的吸收峰,可推斷蔗蠟中有長(zhǎng)鏈脂肪酸的存在。綜上,通過(guò)紅外光譜檢測(cè)分析,可推斷出產(chǎn)品蔗蠟的主要組成為長(zhǎng)鏈飽和酯類、長(zhǎng)鏈脂肪醇、長(zhǎng)鏈脂肪酸以及長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔锏瘸煞帧?產(chǎn)品的物化指標(biāo)和回收回收率實(shí)驗(yàn)主要采用兩步法和一步法從甘蔗濾泥中提取蔗蠟,對(duì)其工藝和條件進(jìn)行了優(yōu)化,得到蔗蠟的提取最佳溶劑為汽油、溶劑用量為4~5倍、熱回流溫度為75℃,時(shí)間為3~4h,蔗蠟產(chǎn)率為8.19%~12.5%,同時(shí)得到5%~10%蔗脂副產(chǎn)物。通過(guò)測(cè)定分析,產(chǎn)品蔗蠟物化指標(biāo)滿足文獻(xiàn)值要求,主要組成為長(zhǎng)鏈飽和酯類、長(zhǎng)鏈脂肪醇和酸以及長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔锏瘸煞?。?shí)驗(yàn)工藝路線簡(jiǎn)易,可為工業(yè)化生產(chǎn)以及甘蔗副產(chǎn)品的深加工提供參考和新的途徑。實(shí)驗(yàn)中,溶劑回收率為60%~75%,相對(duì)較低。為提高回收使用率,一方面要注意加熱回流時(shí)溶劑的揮發(fā)損失;另一方面,溶液和濾泥分離時(shí),殘留于濾泥中無(wú)法分離出的這部分溶劑,在工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)可以通入飽和蒸氣使之過(guò)熱汽化