應用超臨界流體分餾技術延續超臨界流體萃取技術之優點，除了無活性成分破壞之外，更有節省能源之優點。本研究嘗試自行開發超臨界流體分餾設備，並以此設備進行薑油樹脂中薑酚(主要為6-gingerol)的濃縮工藝，以測試該設備之性能與可利用性。6-gingerol是薑的辣味成份來源之一，約15-25 %。以超臨界CO2萃取乾生薑所得之薑油樹脂中6-gingerol含量最高約20.23%，再進行超臨界二氧化碳分餾，以35、45及55 ℃三種不同溫度，8、10及12 MPa三種不同壓力，超臨界CO2流體與薑油樹脂液體以5:1、10:1及15:1三種不同流量比，以及萃餘液回流次數為0、1及2次等作為分餾萃取條件之四個主要變數，採取四因素三水平正交試驗法進行十個薑油樹脂樣品之超臨界二氧化碳流體分餾萃取，並以HPLC分析所得分餾萃取物之6-gingerol含量。結果顯示以12 MPa、35 ℃、超臨界CO2流體與薑油樹脂液體流量比為10:1及萃餘液回流2次的條件下，分餾所得產物之6-gingerol含量最高為68.83 %。本研究證明了超臨界流體分餾設備之技術國產化，並證實了可聯用超臨界CO2萃取與分餾方法提升薑油樹脂中6-gingerol含量，未來可應用於保健食品之開發!!前言超臨界流體技術應用在天然物的萃取已經是一種成熟的工藝，國內外已有多種商業化產品。由於萃取的過程係在低溫下進行，而且二氧化碳可循環回收使用，因此能耗低且無活性成分破壞之虞，因此非常適合保健食品、中草藥的有效成分萃取。然而萃取物為油溶性混合物，進一步的分離、濃縮如果使用傳統分子蒸餾、真空薄膜蒸餾等技術，有可能因溫度過高而破壞有效成分。超臨界流體分餾技術在歐洲已發展超過二十年，但在國內卻鮮少有人投入研究，亦未見有商業化實例。超臨界流體分餾技術乃利用溶質在超臨界流體中溶解度的差異而做萃取分離，並非如蒸餾法利用沸點的差異來作分離，因此具有在較低溫度下實現溶質分離或濃縮的優點，特別適合共沸液體(如異丙醇水溶液、乙醇水溶液等)之分離，不須使用共沸劑而且操作上節省能源。有鑑於超臨界二氧化碳萃取天然物之精油中含有不純物影響其品質，傳統的精餾製程溫度過高容易造成劣化，因此超臨界流體分餾之低溫操作特點非常適合應用在精油的精製，藉以去除氧化物或雜味，或提高某特定成分的濃度。然而在台灣研究超臨界流體分餾技術者甚少，亦缺乏相關的實驗設備，因此乃參考國外的設計自行開發國產化設備，並與保健食品業者港香蘭應用生技股份有限公司合作，以其利用超臨界二氧化碳萃取之薑油樹脂作為測試原料，進行薑酚(主要成分為6-gingerol)的濃縮，並分離出品質較佳的薑精油。二、超臨界流體分餾製程與設備 一般傳統的蒸餾技術乃利用物質間相對揮發度的不同來達到分離的目的，當相對揮發度小於1.1，此時使用傳統蒸餾技術來分離顯得不夠經濟。對於有共沸物存在的系統甚至無法分離，此時就需要利用特殊蒸餾技術，如共沸蒸餾、萃取蒸餾、加鹽蒸餾、壓敏蒸餾、反應蒸餾等技術，才能達到純化的目的[1]。超臨界流體分餾之液體進料係由分餾塔上段或中段進入，與由塔底進入之超臨界二氧化碳逆向接觸後，利用待分離物在二氧化碳中溶解度之差異，使得分離後餾取物及餾餘物各由塔頂、塔底流出。此外，對於醇類蒸餾純化，利用超臨界二氧化碳可破壞其共沸情形，解決傳統蒸餾後共沸物仍需以分子篩純化之步驟。傳統蒸餾因在高溫操作，容易造成生技產品中活性物質的破壞，透過超臨界二氧化碳進行分餾由於操作溫度低，且只要再經過降壓即可回收產品，不但避免有效原份被破壞，也同時達到節能減碳之目標。除對萃取所得粗萃物活性進行成份分離，以達到”濃縮純化”目的，若遇待分離物有共沸情形，無法以傳統蒸餾進行之分離，如水與IPA分離，亦可以此技術輕鬆達成。由於超臨界流體分餾填料段的回流是在某一壓力下通過沿填料柱升高溫度，降低溶劑能力，使溶解度較小的餾分從超臨界流體相中析出，因此分餾段溫差的大小直接影響到回流量的大小，較大的溫差對提高分離效率有利[2]。中的關鍵部件為超臨界流體分餾管柱，分餾管柱中裝填結構式填充材(structure packing)，管柱之加熱夾套分成三段獨立溫控，頂段為熱指(hot finger)式回流。實驗時液體從分餾管柱的上部進料，超臨界流體從分餾管柱底部進入，形成兩相逆流。由於分餾管柱之溫度控制自下而上形成遞增之溫度梯度，因此在恆定壓力下，超臨界流體向上流經分餾段時會因溫度的上升導致溶解能力的降低，使部分含有溶質的液體析出，流回填料層形成內回流。熱指式回流設計進一步強化其回流比例，在結構上比液體泵回流設計簡單、造價較低。此超臨界二氧化碳分餾設備在設計時考量到多種實驗用途，因此至少具有以下三種操作方式：1. 逆流式萃取操作方式：將流動性佳之液態原料倒入原料槽中，原料增壓泵送到分餾管柱的上段或中段入口，從上而下流到底部的萃取槽與連通的集液槽；超臨界二氧化碳則從萃取槽底部中央進入，從分餾管柱的上端中央流出，在管柱的填充材中與液態原料接觸，將其中的低極性精油成分溶解而與較高極性成分或水分離。此時管柱的溫度梯度控制為由下而上增加，△T=5~10℃，因而部份低溶解度成分回流，僅剩溶解度較高者離開管柱進入分離槽。2. 塔式分餾操作方式：將流動性差(高黏度)之液態原料倒入萃取槽中，關閉萃取槽與集液槽間之球閥，以及分餾管柱的各段入口針閥。超臨界二氧化碳從萃取槽底部中央進入，經過氣體分散器在液態原料中分散並萃取低極性精油成分。超臨界二氧化碳與溶解其中的精油成分往上流經管柱，因溫度梯度關係使得低溶解度成分回流，僅剩溶解度較高者離開管柱進入分離槽。3. 萃取蒸餾操作方式：將固態原料裝在萃取籃中，再將萃取籃置入萃取槽中，關閉萃取槽與集液槽間之球閥，以及分餾管柱的各段入口針閥。超臨界二氧化碳從萃取槽底部中央進入，經過萃取籃並萃取低極性精油成分。超臨界二氧化碳與溶解其中的精油成分往上流經管柱，因溫度梯度關係使得低溶解度成分回流，僅剩溶解度較高者離開管柱進入分離槽。三、薑油樹脂之分餾市售的薑油主要有「薑精油」與「薑油樹脂」兩種產品，其中薑精油是以水蒸餾法得到的揮發性油份，具有濃郁的芳香氣味，使用途徑以食品香料、芳香療法為主。薑油樹脂則以有機溶劑萃取法得到的黑褐色黏稠狀液體，含有高沸點之倍半萜物質與非揮發性脂肪成分，包括薑精油與薑辣素，為高價的食品調味料與香料。薑的芳香成分含揮發油0.25-3.00 %，其主要成份為薑醇 (zingiberol)、薑烯 (zingiberene)、水芹烯 (phellandrene)、樟烯 (camphene)、檸檬醛 (citrial)、芳樟醇 (linalool)等。辛味成分主要為6-薑醇 (6-gingerol)、8-薑醇 (8-gingerol)、10-薑醇 (10-gingerol)、6-生薑醇 (6-shogoal)等[3]。其中6-gingerol則是薑的辣味成份來源之一，約15-25 %，有明顯的抗氧化作用及抑制血小板聚集的作用，並具有抗發炎作用、抗胃潰瘍作用、抑制腫瘤、抗癌症及抗突變作用等功效[4]。由於薑的主要藥理活性成分為揮發油、薑醇、薑烯等化學成分，這些成分具有熱不安定性，若以高溫萃取方式極不容易得到該類成分。分餾技術可以減少上述成分的損失，從而明顯地增加產品的穩定性。應用超臨界二氧化碳流體萃取進行中藥研究開發及產業化，和中藥傳統方法相比主要優點如下：(1)低溫萃取尤適於熱敏性、易氧化分解成分之保存；(2)操作參數容易控制，有效成分及產品質量穩定；(3)萃取時間快、生產週期短，不需濃縮步驟；(4)通過調節操作壓力、溫度而達到分段萃取、去除雜質目的；(5)可直接從單方或複方中藥中萃取不同部位或直接萃取浸膏進行藥理篩選，開發新藥，大大提高新藥篩選速度；(6)通過直接與GC、IR、MS與LC等 本研究材料為取材薑科之生薑 (Zingiber officinale Roscoe)，標記為ZO，購自高雄市甲仙區，取部份進行基原鑑定，其餘進行乾燥及粉碎等前處理。將2900 kg生薑全數切成1 cm大小之飲片，以35℃乾燥5天後得到300 kg的亁燥飲片，再取20 kg亁燥後之飲片，以打碎機打碎後，進行過篩分為10 mesh、20 mesh、50 mesh三種不同粒徑大小薑顆粒。分別取三種不同粒徑大小之薑顆粒，以三種壓力參數(15、20、25 MPa)、三種溫度參數(35、40、45 ℃)進行超臨界二氧化碳流體萃取，依三因素三水平正交試驗法，共組成九種薑樣品，每組樣品重複三次，分別計算其萃取率。以HPLC (高效液相層析儀)進行薑油樹脂中6-gingerol含量測定，選取6-gingerol含量最高之萃取條件，進行剩餘280 kg薑顆粒之超臨界二氧化碳萃取，獲得30 kg之薑油樹脂，再進行超臨界二氧化碳分餾實驗。結果顯示以粒徑0.840~2.000 mm之薑顆粒於35 ℃與20MPa條件下進行萃取所得薑油樹脂之6-gingerol含量最高(20.23 %)。超臨界二氧化碳分餾實驗之參數包括壓力、溫度、超臨界流體與薑油樹脂質量流率比及萃餘物回流次數等四個因素對於提高6-gingerol濃度之影響。以三種壓力參數(8、10、12 MPa)、三種溫度參數(35、45、55 ℃)、三種超臨界流體與薑油樹脂質量流率比(5:1、10:1、15:1)及三種萃餘物回流次數(0、1、2次)，依四因素三水平正交試驗法，共組成九種薑樣品分別進行超臨界二氧化碳分餾實驗，每組樣品重複三次。每次稱取薑油樹脂1 kg，置於5 L的進料槽中，依表1分別進行九組超臨界二氧化碳流體分餾實驗。從進料開始每10 min自底槽與第一及第二分離槽出口處收集分餾物，直至底槽與分離槽無分餾物產生為止，可得ZOF1~9分餾萃取物，並以HPLC分析ZOF1~9 薑分餾萃取物之6-gingerol含量，其結果如表1所示。分餾所得精油樣品如圖3所示，第一、第二分離槽收集到分子量較低、色澤較淡的薑精油，具有濃郁的薑香氣與辛辣味，而且第一分離槽收集到的精油可能含有水分有輕微混濁，第二分離槽收集到的精油則非常清澈。底槽(集液槽)收集到分子量較高、色澤深咖啡不透光的薑精油，其中含有高濃度的薑油經分析計算結果，影響因素順序為：壓力＞回流次數＞超臨界流體與薑油樹脂質量流率比＞溫度，並依超臨界二氧化碳分餾水平與指標關係顯示在45 ℃、12 MPa、10：1和回流二次所得之分餾條件是最佳條件組合，因此以此條件再進行薑油樹脂超臨界二氧化碳分餾實驗，所得萃取物標記為ZOF10，其6-gingerol含量由61.88 %提升至68.83 %。對比蔣蘇貞等(2007)以管柱層析法自超臨界二氧化碳萃取薑油樹脂中分離濃縮薑酚達到52.87%之結果[5]，本研究可以獲得更高的濃度而且可以連續式量產，有助於未來商業化應用。四、結論本研究證實了自行開發的超臨界二氧化碳分餾實驗設備確實可以達到預期的分餾效果，而且比傳統真空蒸餾法節省能源，預估應可節省30%以上。利用田口品質實驗法由最佳化預測的實驗參數中，得到超臨界二氧化碳分餾濃縮薑酚的最佳化條件為：分餾壓力12 MPa、分餾溫度45℃、超臨界流體與薑油樹脂質量流率比10：1、萃餘物回流次數2，所得到的最佳薑酚純化濃度為68.83%，比薑油樹脂原料(最佳濃度20.23 %)提高了三倍以上，其濃縮程度遠高於一般傳統製程。由以上的結果我們可以清楚的發現，利用超臨界流體的萃取及分餾技術，可以有效改善傳統製程的技術瓶頸，進一步的提升效率。另因其製程環保、低溫、高萃取率與無溶劑殘留等優勢，將逐漸成為天然物原料萃取濃縮技術的主流。
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