（化学工程专业论文）柑橘精油的超临界萃取分离及超临界色谱纯化.pdf

摘要 摘要 柑橘精油由萜烯类化合物、含氧化合物及少量残渣成分组成。其中的主要成 分如柠檬烯、芳樟醇和橙油素是柑桔精油中具有广阔药用价值的物质。超临界流 体萃取和超临界色谱分离是近年发展起来的两种新型分离精制天然产物的技术， 它在柑橘精油及其有效成分分离纯化方面具有较好的应用前景。本文主要研究超 临界c 0 2 萃取和超临界c 0 2 色谱分离纯化柑橘精油中的有效成分。 采用超临界c 0 2 萃取分离柑橘精油中的萜烯类化合物和含氧化合物。首先， 采用g c m s 对柑橘精油原料进行定性及定量分析，定性了柑橘精油中含有7 种 萜烯类化合物，其中柠檬烯在柑橘精油中的含量高达7 8 3 2 ，含氧化合物的含 量为1 7 9 3 。超临界c 0 2 萃取实验探讨了萃取压力、萃取温度、萃取时间和c 0 2 流量等因素对含氧化合物分离效果的影响，主要从萃取相中萜烯类化合物的回收 率和萃余相中柠檬烯和含氧化合物的含量变化三个方面考察柑橘精油的分离效 果。实验结果表明，当萃取压力为1 2 m p a ，萃取温度为4 5 ，萃取时间为4 h 以 及c 0 2 流量为1 0 l m i n 时，萜烯类化合物和含氧化合物分离效果最佳。萃取相 中萜烯类化合物的回收率高达9 0 0 3 ，其中柠檬烯的含量增加到9 9 5 5 。萃余 相中柠檬烯的含量减小为2 2 2 8 ，含氧化合物的含量达到7 6 8 2 ，萃余相中含 氧化合物得到了显著的浓缩。因此，超临界c c h 萃取能够较好地分离柑橘精油 中的萜烯类化合物和含氧化合物。 在超临界c o z 萃取分离萜烯类化合物和含氧化合物的基础上，以萃取所得 主要成分为含氧化合物的萃余相为原料，采用超临界c 0 2 色谱进一步分离萃余 相以浓缩含氧化合物。以柠檬烯为萜烯类化合物的代表物质，将超临界c 0 2 萃 取所得萃余相通过超临界色谱分离获得两个馏份，采用g c 分别进行定性定量分 析。实验考察操作温度、操作压力两个主要参数对其分离效果的影响。实验结果 显示，在实验条件范围内，在恒定压力下，后馏分柠檬烯含量随温度的升高而减 小；在恒定温度下，后馏分柠檬烯含量随压力的升高而减小。在实验考察的条件 范围内，当操作温度为5 5 ，压力为2 5 m p a 时，含氧化合物的浓缩效果最佳， 其后馏分中柠檬烯含量下降到8 1 9 ，含氧化合物的含量提高到9 1 2 5 。因此， 超临界c 0 2 色谱能够进一步有效地浓缩柑橘精油中的含氧化合物。 摘要 采用超临界c 0 2 色谱技术探讨进一步分离含氧化合物中的主要成分芳樟醇 和橙油素的可行性。实验以芳樟醇和橙油素的乙醇溶液为原料，实验考察超临界 色谱的操作压力、操作温度对芳樟醇和橙油素的分配系数、选择性和分离度的影 响。实验结果表明：在实验的温度范围内，芳樟醇和橙油素的分配系数、选择性 和分离度都随着压力的增加呈下降趋势；在实验的压力范围内，芳樟醇和橙油素 的分配系数、选择性和分离度的变化较为复杂，但总体上呈略微上升趋势。芳 樟醇和橙油素的分配系数与c 0 2 的密度线性相关，随着c 0 2 密度的增大而呈 下降趋势。研究结果证明：在实验条件范围内，低压高温的实验条件下可得到较 好的分离效果，芳樟醇和橙油素的分离度都大于1 5 ，在操作压力i o m p a 、操作 温度6 0 条件下分离效果最佳。 综上所述，超临界c 0 2 萃取和超临界色谱可以较好地分离浓缩柑橘精油中 的萜烯类化合物和含氧化合物。超临界c 0 2 色谱分离柑橘精油含氧化合物中的 芳樟醇和橙油素的方法是可行性的。 关键词：超临界c 0 2 萃取；超临界流体色谱；柑橘精油；萜烯类；含氧化合物； 橙油素 a b s t r a c t a b s t r a c t c i t r u sp e e lo i lc o n t a i n st e r p e n e s ，o x y g e n a t e dc o m p o u n d sa n dt h eo t h e rt r a c e c o m p o n e n t s t h em a i nc o m p o n e n t si nt h ec i t r u so i ls u c ha sl i m o n e n e ，l i n a l o o la n d a u r a p t e n eh a v ew i d ea p p l i c a t i o ni np h a r m a c e u t i c a la n df l a v o ri n d u s t r i e s s u p e r c r i t i c a l f l u i de x t r a c t i o n ( s f e ) a n ds u p e r c r i t i c a lf l u i dc h r o m a t o g r a p h y ( s f c ) a r et w ok i n d so f n e wd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yi ns e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o n t h e yh a v es h o w nt h e p r o m i s i n ga p p l i c a t i o n s i n s e p a r a t i o n o fc i t r u so i la n dp u r i f i c a t i o no fa c t i v e c o m p o n e n t s t h i sw o r km a i n l ys t u d i e st h es e p a r a t i o no fc i t r u so i la n dp u r i f i c a t i o no f a c t i v ec o m p o n e n t sb ys f ea n ds f c s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ee x t r a c t i o nw a se m p l o y e dt os e p a r a t et e r p e n e sa n d o x y g e n a t e dc o m p o u n d sf r o mc i t r u so i l t h er a wo i l ，t h eo b t a i n e de x t r a c ta n d r a f f i n a t e w e r ea n a l y z e db yg ca n dg c m sr e s p e c t i v e l y ，a n dt h es e v e nt y p i c a lc o m p o u n d si n t h et e r p e n e sw e r ei d e n t i f i e d t h ec o n t e n to fl i m o n e n ei nt h er a wc i t r u so i li s7 8 3 2 a n dt h ec o n t e n to fo x y g e n a t e dc o m p o u n d si s17 9 3 t h ei n f l u e n c e so fe x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r si n c l u d i n gp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，t i m ea n df l o wr a t e o fc 0 2o nt h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft e r p e n e sa n do x y g e n a t e dc o m p o u n d sw e r es t u d i e d t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rs e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw e r ea t p r e s s u r eo f1 2m p a ，t e m p e r a t u r eo f4 5 ，t i m eo f4h ；c 0 2f l o wr a t eo f 1 0l m i n i nt h eo b t a i n e de x t r a c tt h er e c o v e r yo ft e r p e n e sa n dl i m o n e n ew a s9 0 0 3 a n d 9 9 5 5 ，r e s p e c t i v e l y i nt h eo b t a i n e dr e s i d u a lo i lt h ec o n t e n to f l i m o n e n ed e c r e a s e dt o 2 2 2 8 ，a n do x y g e n a t e dc o m p o u n d si n c r e a s e dt o7 6 8 2 t h e r e f o r e ，t e r p e n e sa n d o x y g e n a t e dc o m p o u n d sw e r ee f f i c i e n t l ys e p a r a t i o nf r o mc i t r u so i lb ys f e s u p e r c r i t i c a lc 0 2c h r o m a t o g r a p h yt e c h n o l o g yw a se m p l o y e dt of u r t h e rp u r i f yt h e o x y g e n a t e dc o m p o u n d sf r o mt h eo b t a i n e dr e s i d u a lo i li na b o v ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s o fs f e t h eo b t a i n e dr e s i d u a lo i la sf e e dw a sd i v i d e di n t ot w of r a c t i o n sb yu s i n g s u p e r c r i t i c a lc 0 2c h r o m a t o g r a p h y t h eo b t a i n e df r a c t i o n sw e r e i d e n t i f i e da n d q u a n t i f i e db yg c m s t h ei n f l u e n c e so ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo nt h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c yw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ta tt h er a n g eo fe x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n st h el i m o n e n ec o n t e n to ft h ea f t e r - c u tf r a c t i o nd e c r e a s e dw i t ht e m p e r a t u r e i n c r e a s i n ga tac o n s t a n tp r e s s u r e ，a n dd e c r e a s e dw i t hp r e s s u r ei n c r e a s i n ga ta c o n s t a n t a b s t r a c t t e m p e r a t u r e t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o r t h ep u r i f i c a t i o no fo x y g e n a t e dc o m p o u n d s w e r ea tt e m p e r a t u r eo f5 5 ，p r e s s u r eo f2 5m p a t h el i m o n e n ec o n t e n to ft h e a f t e r - c u tf r a c t i o nw a s8 19 a n do x y g e n a t e dc o m p o u n d si n c r e a s e dt o91 2 5 t h e r e f o r e ，t h eo x y g e n a t e dc o m p o u n d sw e r ee f f i c i e n t l yc o n c e n t r a t e df r o mt h er e s i d u a l o i lb ys f c s u p e r c r i t i c a lc 0 2c h r o m a t o g r a p h yt e c h n o l o g yw a sa l s oe m p l o y e dt os e p a r a t et h e m a i nc o m p o n e n t so fo x y g e n a t e dc o m p o u n d s l i n a l o o la n da u r a p t e n e t h ee t h a n o l m o d e l i n gs o l u t i o no fl i n a l o o la n da u r a p t e n ew a ss e l e c t e da st h er a wm a t e r i a li nt h e e x p e r i m e n t t h ei n f l u e n c e so ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo nt h ed i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n t ， s e l e c t i v i t ya n ds e p a r a t i o no fl i n a l o o la n da u r a p t e n ew e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a ta tt h er a n g eo fe x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r e ，t h ed i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n t ， s e l e c t i v i t ya n ds e p a r a t i o no fl i n a l o o la n da u r a p t e n ed e c r e a s e d 、析mp r e s s u r ei n c r e a s i n g a n da tt h er a n g eo fe x p e r i m e n t a lp r e s s u r et h er e s u l t sa l s oi n c r e a s e dg e n e r a l l y t h e d i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n t sf o rl i n a l o o la n da u r a p t e n ew e r ec o r r e l a t e dl i n e a r l yi na l o g - l o gp l o ta saf u n c t i o no ft h ed e n s i t yo fs c c o z ，a n ds h o w st h a ta u r a p t e n ew a s s e l e c t i v e l ya d s o r b e do nt h ea d s o r b e n to d s o v e rl i n a l 0 0 1 a ni n c r e a s ei nt h ed e n s i t yo f c 0 2d e c r e a s e dt h ea d s o r b e da m o u n t so fb o t ha u r a p t e n ea n dl i n a l 0 0 1 o nt h eb a s i so f t h i sc o n d i t i o n ，t h eo p t i m u ms e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw a sa tl o w e rp r e s s u r eo f10m p a a n dh i g h e rt e m p e r a t u r eo f6 0 i n s u m m a r y ，s u p e r c r i t i c a lc 0 2e x t r a c t i o na n ds u p e r c r i t i c a lc h r o m a t o g r a p h y t e c h n o l o g yc a ns e p a r a t ea n dc o n c e n t r a t et e r p e n e sa n do x y g e n a t e dc o m p o u n d sf r o m c i t r u so i ls i g n i f i c a n t l y f u r t h e r m o r e ，t h es e p a r a t i o no fl i n a l o o la n da u r a p t e n ef r o m c i t r u so i lb ys f ci sf e a s i b l e k e y w o r d s ：s u p e r c r i t i c a l c a r b o nd i o x i d ee x t r a c t i o n ，s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e c h r o m a t o g r a p h y ，c i t r u so i l ，t e r p e n e s ，o x y g e n a t e dc o m p o u n d s ，a u r a p t e n e 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 少荔辫 j ) 课题( 组) 的研究成果，获得( 少芳海) 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在( 步移街) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： 年月日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年 月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人： 年月 日 第一章文献综述 1 1 柑橘精油 第一章文献综述弟一早义陬琢尬 植物精油是一类植物源次生代谢物质，分子量较小，可随水蒸气蒸出，具有 一定挥发性的油状液体物质，存在于植物的全株或存在于植物的根、茎、叶、花 和果实等器官中【。 植物精油依照植物的分类分成几个家族：柑橘类，花香类，草本类，樟脑类， 辛香类，树脂类，木质类，土质类等。柑橘精油存在于外果皮的油胞中( 即油包 层) ，还存在于花和叶之中，但以外果皮含量最丰富( 1 3 湿重) 。柑橘精油 是天然香料精油中的一大类，无色透明，具有诱人的橘香味，主要用于调制食品、 烟草、牙膏、日化产品的香料，也是合成某些香料的主要原料【甜。另外，柑橘精 油具有祛痰、止咳、平喘、促进胃肠蠕动、促进消化液分泌、镇痛、溶解胆结石 等作用，柑橘精油中还含有许多药用价值极高的抗氧化活性成分，能抗菌消炎和 去除自由基等。 1 1 1 柑橘精油主要成分 柑橘精油的主要成分为萜烯类化合物和含氧化合物。大规模工业生产的冷榨 柑橘精油中，萜烯类含量约为6 0 9 5 ，其主要成分为柠檬烯。它们对精油香气 贡献很小，且这些萜烯类化合物主要以不饱和烃类为主，受热、光照容易氧化分 解。因此生产上需要迸一步脱除萜烯类化合物，这样不仅可提高产品的稳定性和 溶解性，而且可提高柑橘油的风味强度，同时也由于体积的减小可以降低贮存和 运输费用。含氧化合物的含量约为5 - 4 0 ，主要为高级醇类、醛类、酮类、酯类 等组成的化合物，含量虽少但却是柑橘精油香味的主要来源【3 l 。 1 1 2 柠檬烯 柠檬烯学名为l 一甲基4 ( 1 甲基乙烯基) 环己烯，分子式c l o h l 6 ，是一种具有 橙皮愉快香气的无色液体，不溶于水，溶乙醇、丙酮等有机溶剂( 图1 1 ) 。柠檬 第一章文献综述 烯有三种同分异构体，即右旋柠檬( d - l i m o n e n e ) 、左旋柠檬烯( 1 - l i m o n e n e ) 和消 旋柠檬烯( d l 。l i m o n e n e ) 。柠檬烯广泛存在于天然植物中，其中普遍存在的异构体 是d 柠檬烯4 1 。 图1 1 柠檬烯的化学结构式 f i g1 1t h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo fl i m o n e n e 柠檬烯的应用主要有： ( 1 ) 抗肿瘤功效 大量文献报告，d 柠檬烯具有预防白发性和化学诱导性啮齿类动物肿瘤的作 用，在肿瘤的始发阶段和促癌阶段均有效。它对由化学致癌物诱发的啮齿动物乳 腺癌、肺癌、胃癌、肝癌、皮肤癌等有明显的化学预防与治疗作用。其作用机制 可能是由于抑制了与细胞生长有关的小分子g 蛋白的异戊二烯化，增加了潜在 生长抑制剂t g fb 的生成量和活性【5 1 。 ( 2 ) 抑菌活性 很多研究者发现d 柠檬烯对很多细菌和真菌都具有较强的抗菌活性，也证实 了d 柠檬烯能有效抑制黑曲霉、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌等食品腐败菌的 生长【6 】o ( 3 ) 食品工业中的应用 柠檬烯在食品添加剂中有着广阔的用途。可作为修饰剂用于柠檬、橙香、果 香等香型的配方；可在软饮料、冰淇淋、烘烤食品、糖果、果冻、口香糖等食品 中直接使用；可添加到巧克力中，使巧克力变得更柔软，入口易化，并且具有愉 快、清爽的果香。 ( 4 ) 香料工业中的应用 由柠檬烯出发，可以合成香芹酮、高熏衣草醇、薄荷醇等几十种香料。d 柠檬烯本身可用作配制人造橙花、甜花、柠檬的原料；亦可用于化妆品、皂用及 日用化学品香精，如在古龙、茉莉、熏衣草、果香及清香型香精中均适宜1 7 1 。 因此，柠檬烯是柑橘精油中一种具有广阔应用前景的萜烯类化合物。 从柑橘皮中提取柠檬烯的传统方法有压榨法、溶剂浸提法、蒸馏法等，但普 2 第一章文献综述 遍存在着溶剂残留、高温下产物变质、出油率低和环境污染等问题。 1 1 3 芳樟醇 芳樟醇( l i n a l 0 0 1 ) 又名沉香醇、沉香油醇、胡荽醇、芫荽醇、伽罗木醇、 里那醇等。学名是3 , 7 - - 甲基一1 6 辛二烯一3 一醇或3 ，7 二甲基辛二烯一【l ，6 】一醇一 3 】。 分子式c l o h l 8 0 ，见图1 2 。 图1 2 芳樟醇的化学结构式 f i g1 2t h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo fl i n a l 0 0 1 分子量1 5 4 2 4 。属于链状萜烯醇类，有0 【和p 两种异构体，还有左旋、右 旋两种光异构体。在不同来源的精油中，多为异构体的混合物。消旋体存在于香 紫苏油、茉莉油和合成的芳樟醇中。右旋体相对密度0 8 7 3 3 ( 2 0 ) ，沸点1 9 8 2 0 ，比旋光度+ 1 9 3 0 ( 2 0 ) ，存在于胡荽子油( 芫荽油) 、某些品种的香紫苏 油等中；左旋体存在于芳樟叶油、芳樟木油、黄樟油、香柠檬油、薰衣草油、玫 瑰木油等精油中，相对密度0 8 6 2 2 ( 2 0 ) ，沸点1 9 8 ，比旋度2 0 1 0 ( 2 0 ) 。 左旋体和右旋体的闪点都是7 6 c t 8 1 。 芳樟醇是无色液体，几乎不溶于水和甘油，溶于丙二醇、非挥发性油和矿物 油，混溶于乙醇和乙醚。芳樟醇容易发生异构化，但在碱中比较稳定。既有紫丁 香、铃兰与玫瑰的花香，又有木香、果香气息。香气柔和，轻扬透发，不甚持久。 左旋偏甜，右旋偏清，主要用其清香，因此右旋香气较好。不同来源的芳樟醇香 气有较大差异，天然芳樟醇清香透发，但往往不是单一香气；合成芳樟醇香气一 般较为纯和。芳樟醇是香水香精、家化产品香精及皂用香精配方中使用频率最高 的香料品种，也用于配制食用香精。芳樟醇也是重要的化工原料，用于合成各种 芳樟酯类香料。 早期的芳樟醇主要从许多天然精油中获得，随着芳樟醇及其衍生物的用途与 用量日益扩大，精油的生产跟不上发展的需要，因此用合成方法制造引起了人们 的重视【l o l 。1 9 1 9 年，r u z i k a 与f o m a s i r 【9 j 成功地使用乙炔和丙酮，通过缩合、乙炔 3 第一章文献综述 化、氢化合成了芳樟醇。其后出现了各种各样的合成方法，其中最值得注意的是 用来源较丰富的一葆烯合成芳樟醇的方法。合成芳樟醇的路线有：乙炔一丙酮路 线；异戊二烯路线；1 3 一蒎烯路线；q 一蒎烯路线【l o 】。 虽然天然芳樟醇目前的价格高于合成芳樟醇，但配制成香精对成本影响不 大，而香气却好得多，而且人们越来越追求自然的产品，故天然芳樟醇在应用上 比合成芳醇有较大的优势。 1 1 4 橙油素 许多研究表明蔬菜和水果能降低癌症发生的危险性。这是由于蔬果里含有一 类氧化水平不同的甲羟戊酸化香豆素衍生物，它们能够抑制或防止癌症的发生和 发展”12 1 ，如柑橘皮中的橙油素( a u r a p t e n e ) ，是一种简单的7 牛儿醇基香豆 素衍生物( 图1 3 ) 。 丫r 。w 。 图1 3 橙油素的化学结构式 f i g1 3t h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo f a u r a p t e n e 橙油素在柑橘果皮中的含量多于它在果汁中的含量，果皮( 干重) ： 0 0 0 4 , - - 2 0 9 6 m g g ，果汁( 干重) ：0 0 0 2 0 5 2 1 m g g t l 3 1 ，其固体纯品为白色晶体， 熔点6 8 。c ，分子量：2 9 8 ，最大吸收波长在2 2 0 - 3 2 5 n m 范围内。橙油素能抑制啮 齿动物皮肤、口腔、食道、肠、肺、肝脏等多部位肿瘤形成【1 4 之0 1 。它作为一种抗 氧化剂，主要抑制t p a 引起的癌细胞增生效果【1 4 】，抑制细胞过氧化物的形成、 阻止脂过氧化反应的发生以及增强i i 相酶的活性【15 1 ，抑制l p s 诱导的n o 合酶 和环氧合酶表达2 1 1 。因此，橙油素( a u r a p t e n e ) 是柑桔中的一种具有广阔药用 前景的抗癌活性物质。 传统上橙油素主要通过溶剂提取结晶法和柱层析吸附与溶剂提取相结合的 方法进行分离提纯。溶剂提取结晶法【2 2 1 制备时间较长，程序较为繁杂，且溶剂 用量大，不易回收；柱层析法【1 7 ，2 3 1 提取工艺较为简单，用时较短，但同样存在 着溶剂耗费量大，回收不易等缺陷。 4 第一章文献综述 1 2 超临界流体技术 1 2 1 超临界流体简介 超临界流体一般是指用于溶解物质的超临界状态溶剂。该溶剂处于气态和液 态平衡时，流体密度和饱和蒸汽密度相同，界面消失，该消失点称为临界点 ( c r i t i c a lp o i n t ，c p ) ，在临界点以上的区域称为超临界状态区域1 2 4 1 。溶剂在这 个区域内的超临界状态只能在临界温度t c 和临界压力p 。下得以实现。临界温度 ( c r i t i c a lt e m p e r a t u r e ) 就是在增加压力至临界点以上时，使溶剂由气态变为液 态时所需要的最高温度；临界压力( c r i t i c a lp r e s s u r e ) 就是在临界温度时，使溶 剂由气态变为液态时所需要的最小压力。如二氧化碳( c 0 2 ) 的i 临界温度为 3 0 4 3 9 k ，临界压力为7 3 8 m p a ，在超过3 0 4 3 9 k 时，增加再大的压力也不会使c 0 2 成为液态。由此可见，在临界温度和临界压力交叉点以上的超临界状态溶剂统称 为超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，简称s c f ) 。 a ；i ? 蠢麓 ? f ? 蘸 明 ；鬃黧慧 j 一 瑚枷- 2 00 册舯鼢l 舯 图1 4 纯流体的典型压力温度图 f i g1 4p r e s s u r e t e m p e r a t u r ep h a s ed i a g r a mo f ap u r es u b s t a n c e 纯二氧化碳压力与温度和密度关系如图1 4 所示。图中b o 线表示c 0 2 气 固平衡的升华曲线，a o 线表示c 0 2 的液一固平衡熔融曲线，o c 线表示c 0 2 的气 液平衡蒸汽压曲线。o 为气液固三相共存的三相点，纯物质都有确定的三相点。 第一章文献综述 沿气液饱和曲线增加压力和温度则达到临界点c d 。物质在临界点状态下，气液 界面消失，体系性质均一，不再分为气体和液体，相对应的温度和压力称为临界 温度和临界压力。物质有固定的临界点( c 0 2 临界点t 。= 3 1 0 6 ，p 。= 7 3 9 m p a ) 。 当体系处在高于临界压力和临界温度时，称为超临界状态( 图中阴影线区域) 。 如前所述，超临界状态既不是气体也不同于液体，所以人们普遍称其为流体状态 ( f l u i d ) ，相应的分离过程称超临界流体萃取过程【2 引。 表1 1 列出超临界流体的密度、扩散系数和粘度与一般气体、液体的对比1 2 6 1 。 表1 1 气体、液体和超临界流体的性质 t a b1 1p r o p e r t i e so fg a s ，l i q u i da n ds u p e r c r i t i e a lf l u i d 从数据可知，超临界流体的密度比气体大数百倍，具体数值与液体相当。其 粘度仍接近气体，但比液体要小2 个数量级。扩散系数介于气体和液体之间( 大 约是气体的l 1 0 0 ，比液体要大数百倍。) ，因而超临界流体即具有液体对溶质有 比较大溶解度的特点，又具有气体易于扩散和运动的特性，传质速率大大高于液 相过程。也就是说超临界流体兼具气体和液体的性质。更重要的是在临界点附近， 压力和温度微小的变化都可以引起流体密度很大的变化，并相应地表现为溶解度 的变化。因此，人们可以利用压力、温度的变化来实现萃取和分离的过程。 由于超临界流体的这些性质，使它相对于液态溶剂有以下优点f 2 7 弓3 】： ( 1 ) 它具有与一般液体近似的溶解及携带能力，其传质阻力小，从而能增 加溶质溶解的速度。 ( 2 ) 超临界流体的溶解能力可通过调整压力和温度进行控制，从而提高了 溶解的选择性，而通常液体的溶解能力只受温度控制，受压力影响较 小。 6 第一章文献综述 ( 3 ) 可通过在超临界流体中加入极少量有机改性剂的方法，增加流体的溶 解能力，同时也提高溶解的选择性，这在通常液体溶剂中是不可能实 现的。 ( 4 ) 一般情况下，超临界流体作为溶剂时操作温度不高，这对热不稳定化 合物及活性物质的提取非常有利，使其不易发生降解或热分解。 ( 5 ) 分离容易，且无溶剂残留，这也是通常液体溶剂做不到的。 随着对超i 临界流体技术研究的不断深入，它已广泛地应用到许多领域。在食 品工业中，超临界流体技术的应用发展迅速，已取得了稳固地位。目前在啤酒花 有效成分萃取，天然香精、色素和动植物油脂的萃取，脱除咖啡因、尼古丁、胆 固醇及食品脱臭等方面的研究和应用都取得了很大的进展，其中一些技术己经在 国内外实现工业化应用【3 4 出】。超临界流体技术在许多科学技术领域的进步中发挥 出巨大的作用，带动了食品、医药、化工、环保、电力、制造、仪器分析等领域 的进步。 1 2 2 超临界流体萃取技术 c 0 2 超临界流体萃取( s u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o n ，s f e ) 是2 0 世纪7 0 年 代末发展起来的一种新型物质分离技术。它是利用处于临界压力和临界温度以上 的流体，具有特异增加的溶解能力而发展起来的一项化工分离新技术。在发达国 家，超临界流体技术发展迅速，已广泛应用于食品、香料、生物、医药、化工、 轻工、冶金、环保、煤炭和石油等深加工领域中。国内对萃取技术也进行了大量 的应用与工程研究，并逐步走向工业化【4 5 1 。其中以超临界c 0 2 为溶剂的萃取技 术应用最为广泛。 1 2 2 1 超临界流体萃取中各操作参数的影响 超临界流体萃取过程受到很多因素的影响，包括萃取物质的性质和超临界 c 0 2 所处的状态等。其中最主要的因素有萃取温度、萃取压力、c 0 2 流量、夹带 剂、原料颗粒粒度等。 ( 1 ) 萃取压力的影响 压力是影响s c c 0 2 萃取过程最重要的因素之一。在临界压力附近，萃取压 7 第一章文献综述 力很小的变化都有会引起s c c 0 2 密度的增加，而密度的增加会提高s c c 0 2 的溶 解能力，图1 5 为s c c 0 2 的溶解度与压力的关系。不同物质在s c c 0 2 中的溶解度 存在着差异，但往往都随着压力的增加而急剧上升，特别是在临界压力附近各化 合物的溶解度参数增加值可达2 个数量级以上【矧。 毫 要 瑙 整 终 压力m p a 图1 5s c c 0 2 的溶解度与压力的关系 f i g1 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o l u b i l i t ya n dp r e s s u r ei ns c - c 0 2 ( 2 ) 萃取温度的影响 温度也是影响超临界c 0 2 萃取过程的重要因素之一。温度的提高或降低都会 影响到超临界c 0 2 流体的溶解度。一般在温度增加时，超临界c 0 2 的密度会降低， 其溶解度下降，但温度的升高会使溶质的挥发性增加，加快了溶质的溶出速度和 溶出量。在实验中发现，当压力较低时，温度的升高会使c 0 2 的密度变小，而导 致了c 0 2 溶解度下降，此时温度升高对溶解度的不利影响是主要的；而在压力较 高的情况下温度升高不会使c 0 2 密度下降较大，却能使溶质挥发性较大增加，从 而加大了溶质的溶出量，这时升高温度对提高c 0 2 溶解度的有利影响占主要地 位。 ( 3 ) 萃取流体流量的影响 萃取流体流量是指在萃取l k g 原料时，每秒钟所流动的c 0 2 质量。这也是 影响超临界c 0 2 萃取过程的重要因素。c 0 2 流量较小时，溶解能力较大，停留时 问较长；c 0 2 流量较大时，溶解能力逐渐降低，在达到一定数值量时，会急剧下 降。一般在实际生产中可根据成本和效率的原则来设计出最合适的流量，既保证 8 第一章文献综述 了溶质充分溶解和萃取彻底，又要尽量缩短萃取时间，减少不必要的浪费，提高 生产效率降低生产成本。 ( 4 ) 夹带剂的影响 在s c c 0 2 萃取过程中，对于极性高、分子量大的物质，一般需针对性地加 入有关溶剂作为夹带剂，可较好地萃取目标物质。夹带剂又称提携剂( e n t r a i n e r ) ， 共溶剂或修饰剂( c o s o l v e n t ，m o d i f i e r ) 。加入夹带剂可加大对极性物质的溶解 度，使难溶的萃取物变为易溶萃取物。关于夹带剂的作用，d o b b s 4 6 从极性基础 上论证，认为夹带剂的主要作用是化学缔合。gb r u n n e r 4 7 1 认为夹带剂与溶质之 间存在氢键，使用夹带剂可增加低挥发度液体的溶解度达数倍以上，溶质的分离 程度也被加大。实验表明，极性夹带剂可明显增加极性溶质的溶解度，但对非极 性物质的作用不大。反之，如果非极性夹带剂分子量接近，对极性溶质和非极性 溶质都有增大溶解度的效果。 ( 5 ) 粒度的影响 粒度指被萃取原料的破碎细度。它对于s c c 0 2 渗入包裹物中溶解提取溶质 有很大影响。实验证明，原料的粒度越小，溶质从原料向s c c 0 2 中传递的路径 越短，阻力越小，与流体的表面积接触越大，萃取率就越高。但原料粒度过小， 会造成传输系统的堵塞，造成生产运转不良。 ( 6 ) 原料密度与层厚的影响 原料密度与层厚对s c c 0 2 流体的传质性有较大影响。在实验中发现，原料 密度较大时或厚度较大时，c 0 2 都不易穿透，而造成萃取不完全。因此，应改进 萃取器的结构，减小原料的密度和厚度，从而加大超i 临界流体的传质能力。在生 产实际中还可采用搅拌、喷射、超声换能等措施来强化c 0 2 对原料的渗透力。 1 2 2 2 超临界萃取技术在柑橘精油提取中的应用 近年来，柑橘精油的提取已从传统的水蒸气蒸馏和有机溶剂萃取逐渐转向 “绿色”分离技术的研究。国外一些研究者开始采用超临界c 0 2 萃取技术萃取分离 柑橘精油，以及进一步采用超临界c 0 2 萃取耦合其他分离技术分离柑橘精油中萜 烯类化合物和含氧化合物。m i r a 等人研究了利用超临界c 0 2 萃取技术提取干燥 脐橙皮中的香精油，萃取压力8 n 2 8 m p a ，温度2 0 5 0 。c ，c 0 2 流量0 5 3 5 k g h ，脐 9 第一章文献综述 橙皮粉碎粒度0 1 1 0 m m ，得出提取萜烯类化合物一柠檬精油的最佳条件为 1 2 5 m p a 和3 5 ，提取含氧化合物一芳樟醇的最佳条件为8 m p a 和3 5 * ( 2 ；s a t o 和 k o n d o 等 4 9 - 5 2 】采用有侧线采出的超临界c 0 2 连续萃取精馏实验装置对柑橘精油的 脱除萜烯类化合物进行了研究，操作温度梯度在5 9 8 5 - 3 9 8 5 。c ，压力8 8 m p a ， 萜烯类化合物在塔顶馏出，蜡质在萃余物中富集，侧线采出不含萜烯和蜡质的主 要成分为含氧化合物的柑橘精油，取得了较好的分离效果；g o t o 等1 5 3 j 以硅胶作 吸附剂，采用超临界c 0 2 萃取耦合变压吸附的分离过程分馏香柠檬精油，实验通 过减压和解吸附操作浓缩含氧化合物，并建立数学模型模拟超临界变压吸附过 程，其模拟计算值与实验结果基本一致。g i r o n i 等 5 4 币1 j 用超临界萃取耦合间歇精 馏过程研究外回流对柠檬精油中氧化萜类化合物回收率的影响，精馏温度6 0 c ， 压力1 0 0 m p a ，回流比1 4 9 ，研究结果得到氧化萜类化合物的回收率达n o 8 2 1 。 而目前国内虽已有超临界c 0 2 萃取柑橘精油的相关报道1 5 5 - 5 8 。但是，其研究 大都局限在从柑橘皮中萃取出柑橘精油，而没有对所得柑橘精油中的萜烯类化合 物和含氧化合物的分离进行深入研究。 1 2 3 超临界流体色谱 超临界流体色谱( s u p e r c r i t i c a lf l u i dc h r o m a t o g r a p h y ，简称s f c ) 是指以超临 界流体为流动相，以固体吸附剂( 如硅胶) 或键合到载体( 或毛细管壁) 上的高 聚物为固定相的色谱。混合物在s f c 上的分离机理与气相色谱( g c ) 及液相色谱 ( l c ) 一样，即基于各化合物在两相间的分配系数不同而得到分离f 5 9 】。它具有分 离效率高、分离时间短、产品质量好、流动相回收容易及易于检测器匹配等优点。 1 2 3 1 超临界流体色谱技术的主要特点 ( 1 ) s f c 可用于分离和分析一些g c 和l c 难以分离分析的物质，尤其在 分析分离一些热敏性、低挥发性等化合物方面表现出优越性。 ( 2 ) 可知用细长的色谱法以增加柱效。因为超临界流体的黏度低，柱压力 降可极大被降低。 ( 3 ) 分析速度比液相色谱快( 比气相色谱慢) 。因为溶质在超临界流体中 的扩散系数比在液体中大，故可选用比液相色谱更快的流动相线速，