（环境工程专业论文）超临界co2萃取板栗壳棕色素的研究.pdfVIP

摘要 摘要 超临界c 0 2 流体萃取技术作为当今分离领域的一种高新技术，具有保持分离产品 生物活性、提高分离效率和萃取纯度，安全无毒，操作简单、省时高效等众多优点。 本文采用超临界c 0 2 流体萃取技术和传统溶剂法实现了对板栗壳棕色素的提取，通过 单因素试验和正交试验的筛选，确定了较佳的操作条件，又研究了表面活性剂协同 超临界c 0 2 流体萃取板栗壳棕色素的工艺，设计出收率高、时间短、成本低、能耗小、 无污染的工艺路线。采用化学分析法对板栗壳棕色素的结构和性能进行鉴定，对产 物纯化、制备及性能进行了系统研究，实现了板栗壳残渣的有效利用。 论文介绍了板栗壳棕色素的提取方法、超临界c 0 2 流体萃取技术的原理和应用。 通过单因素实验和正交试验确定超临界c 0 2 流体萃取板栗壳棕色素的最佳操作 条件为萃取压力3 5m p a ，萃取温度5 0 ，萃取时间2h ，物料粒度4 0 目，夹带剂为9 5 乙醇溶液，c 0 2 流量为4 0k g h 。试验进一步研究了表面活性剂协同超临界c 0 2 流体萃 取板栗壳棕色素的工艺，最终确定表面活性剂a e 0 3 n a 量为0 0 3 ( 叭) 。对板栗壳 棕色素的性能研究表明：板栗壳棕色素在弱酸，中性，碱性条件下均具有良好的稳 定性；板栗壳棕色素的光、热稳定性良好；板栗壳棕色素的耐氧化和耐还原性良好， 应用范围广泛。部分食品添加剂对棕色素影响很小，可广泛用于食品加工中。 采用传统方法以乙醇作为提取剂，实现了溶剂法对板栗壳棕色素的提取。通过 正交试验和单因素试验对提取条件的筛选，确定溶剂法提取板栗壳棕色素的较佳试 验条件为：乙醇浓度7 5 ，提取温度7 0 ，提取时间4h ，液料比2 0 ，板栗壳棕色 素提取率为4 6 ，其结构与文献报道一致。板栗壳棕色素在部分溶液中的溶解性大 小依次为：l o 氢氧化钠甲醇 蒸馏水 乙醇 1 0 盐酸 四氯化碳。通过对不同提 取方法的比较，采用表面活性剂协同超临界c 0 2 流体萃取法萃取，板栗壳棕色素的 纯度和得率分别达到9 5 3 和2 1 3 。 关键词超临界c 0 2 流体萃取；板栗壳棕色素；表面活性剂协同超临界c 0 2 流体萃取； 提取；溶剂法 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u p e r c r i t i c a lc 0 2f l u i de x t r a c t i o na n ds e p a r a t i o no ft h ef i e l da sah i g h - t e c ht o d a y ， r e m a i ns e p a r a t ep r o d u c t s 丽t 1 1b i o l o g i c a la c t i v i t y ，i m p r o v et h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n d p u r i t yo fe x t r a c t i o n , a n dh a v es a f en o n - t o x i c ，s i m p l e ，t i m ee f f i c i e n t ，a n ds oo nm a n yo t h e r a d v a n t a g e s i nt h i sp a p e r ，s u p e r c r i t i c a lc 0 2f l u i de x t r a c t i o na n dt r a d i t i o n a ls o l v e n tr e a l i z e t h eb r o w np i g m e n tf r o mc h e s t n u ts h e l lb ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sa n do r t h o g o n a lt e s t s c r e e n i n gt od e t e r m i n et h eb e t t e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，b u ta l s os u r f a c ea c t i v ea g e n t c o o r d i n a t i o n s u p e r c r i t i c a lc 0 2f l u i de x t r a c t i o no fc h e s t n u ts h e l lb r o w np i g m e n t t e c h n o l o g y ，d e s i g nh i 曲y i e l d ，s h o r tt i m e ，l o wc o s t ，e n e r g yc o n s u m p t i o n a n d p o l l u t i o n f r e e sp r o c e s sr o u t e s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fc h e s t n u ts h e l lb r o w np i g m e n t w 弱i d e n t i f i e db yc h e m i c a la n a l y s i s ，t h ep u r i t yo f p r o d u c t ，p r e p a r a t i o na n dp e r f o r m a n c ei s s y s t e m a t i cs t u d i e dt oa c h i e v ee f f i c i e n tu s eo fc h e s t n u ts h e l lr e s i d u e s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec h e s t n u ts h e l lb r o w np i g m e n t e x t r a c t i o n ，s u p e r c r i t i c a lc 0 2 f l u i de x t r a c t i o np r i n c i p l e sa n d a p p l i c a t i o n s s u p e r c r i t i c a l + c 0 2f l u i de x t r a c t i o nc h e s t n u ts h e l lb r o w np i g m e n to p t i m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n sf o rt h ee x t r a c t i o np r e s s u r e35m p a ，e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e5 0 ，e x t r a c t i o n t i m e2h ，p a r t i c l es i z e4 0m e s h ，9 5 e t h a n o le n t r a i n e rs o l u t i o n ，c 0 2f l o wr a t eo f4 0k g h i sd e s i g n e db ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sa n do r t h o g o n a l e x p e r i m e n t i o n ss t u d yp r o c e s s f u r t h e ro fs u r f a c t a n tc o l l a b o r a t i o n - s u p e r e f i t i c a lc 0 2f l u i de x t r a c t i o n e dc h e s t n u ts h e l l b r o w np i g m e n t , a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n et h ed o s a g eo fs u r f a c t a n ta e ow a s0 0 3 r e s e a r c ho f c h e s t n u ts h e l lb r o w np i g m e n to nt h ep e r f o r m a n c es h o w st h a t ：c h e s t n u t s h e l lb r o w np i g m e n th a v eg o o ds t a b i l i t yi nw e a ka c i d , n e u t r a la n da l k a l i n ec o n d i t i o n s ； c h e s t n u ts h e l lb r o w np i g m e n th a v eg o o dl i g h ta n dt h e r m a ls t a b i l i t y ；c h e s t n u ts h e l lb r o w n p i g m e n t sr e s i s to x i d a t i o na n dr e d u c t i o ni sw e l l ，谢d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s s o m ef o o d a d d i t i v e sh a v el i t t l ee f f e c to nt h eb r o w np i g m e n t ，w h i c hc a nb ew i d e l yu s e di nf o o d p r o c e s s i n g a d o p t i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d so fe t h a n o la se x t r a c t a n tt oa c h i e v es o l v e n te x t r a c t i o no f c h e s t n u ts h e l lb r o w np i g m e n t b yo r t h o g o n a la n ds i n g l ef a c t o rt e s te x t r a c t i o nc o n d k i o n s o nt h es c r e e n i n gt od e t e r m i n et h eb e t t e rt e s tc o n d i t i o n so fs o l v e n te x t r a c t e ds h e l lc h e s t n u t b r o w np i g m e n te x t r a c t e d ：7 5 e t h a n o l ，e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e7 0 ，e x t r a c t i o nt i m e4 h ， l i q u i dr a t i oo f2 0 ，c h e s t n u ts h e l lb r o w np i g m e n te x t r a c t i o nw a s4 6 w h i c h ss t r u c t u r ei s i i a b s t r a c t 2 2 2 2 2 。2 。2 2 。4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 号2 争2 2 = 2 2 自自目自自= ；= = = ；= 目自_ j = = ；= 目目j 目l = _ _ = 目= = = ；= = = = 目： = = = j a c c o r dw i t hl i t e r a t u r er e p o r t e d c h e s t n u ts h e l lb r o w np i g m e n td i s s o l v e di ns o m es o l u t i o n i nt h eo r d e r ：m e t h a n o l ，10 n a o h d i s t i l l e dw a t e r e t h a n o l 1 0 h y d r o c h l o r i ca c i d c a r b o nt e t r a c h l o r i d e t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n te x t r a c t i o nm e t h o d s ，c h e s t n u t s h e l lb r o w np i g m e n tp u r i t ya n dy i e l dr e a c h e d9 5 3 a n d2 1 3 b ys u r f a c ea c t i v ea g e n t c o o r d i n a t i o n s u p e r e r i t i c a lc 0 2 f l u i de x t r a c t i o ne x t r a c t i o n k e y w o r d s ：s u p e r e r i t i c a lc 0 2s u p e r c r i t i c a lf h d de x t r a c t i o n ；c h e s t n u ts h e l lb r o w np i g m e n t ； s u r f a c t a n tc o l l a b o r a t i v e c o i s u p e r c r i t i c a l f l u i d e x t r a c t i o n ；e x t r a c t i o n ； s o l v e n t i i i 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1引言 板栗( c a s t a n e am o l l i s s i m a ) ，原产于我国，为落叶乔木，属毛榉科植物，享有“干 果之王 的美称。板栗在我国种植广泛，其栽培地主要集中在河北、陕西、湖北、 山东等地，其营养丰富，在我国的种植产量达到全世界板栗产量的6 0 以上，居世界 第一。作为板栗的生产大国，我国也是板栗的加工大国，在我国，每年将有大量板 栗加工成多种制品，致使板栗加工产生的下脚料板栗壳急剧增加。随着近年来 板栗研究的迅速发展和板栗加工技术的不断深入，板栗加工中的废弃物板栗壳数量 迅速增加，然而，在生产中日益增加的板栗壳只是简单用做燃料，其宝贵的色素资 源却未得到有效利用【l 川。 食用色素是食品添加剂的重要组成部分，按其来源可分为天然色素和合成色素 两大类。对比对人体有着不同程度副作用的合成色素来说，来自可食性植物的天然 色素，不仅安全可靠，而且还具有一定的营养价值和药理作用【5 7 1 。基于天然色素的 众多可利用和可观价值，世界各国正加速研发和利用食用天然色素，实现天然色素 取代合成色素将是食用色素未来发展的必然趋势【8 ，9 】。 板栗壳棕色素是一种从板栗壳中抽提出来的水溶性好、着色力强且理化性质稳 定的天然棕色素。板栗壳棕色素作为目前并不多见的性质稳定的天然食用色素之一， 具有一定的抗氧化性质和良好的抑菌作用，在当今世界具有很高的开发和实用价值。 联合国f a o w h o 联合食品添加剂专家委员会1 9 7 7 年第2 1 次报告中曾规定“凡从已知 食物中分离出来，化学结构无变化的色素，使用浓度符合原食物中天然浓度时，可 看作食品不需要毒理学资料。 【l m 2 】因此，作为从板栗壳中提取分离出来、化学性 质稳定的板栗壳棕色素在食品中的应用可以不需要做毒理学试验【1 3 1 。此外，由于板 栗壳棕色素添加到产品中后所带入的铅和铜的含量远远低于国家限量标准【1 4 】，因此 板栗壳棕色素在食品的食用领域中是安全的，亦可广泛的用作药品、食品以及日用 化学品等众多产品的着色剂，具有很好的着色功能；此外，作为一种黄酮类色素的 板栗壳棕色素有着较好的抗氧化性和抗衰老性，加之其广泛的药用价值，使得板栗 壳棕色素有着广阔的应用前景和实用价值【1 5 , 1 6 】。作为产栗大国的我国，有着得天独 厚的板栗资源，使得每年会有数万吨板栗壳、栗苞等下脚料产出，然而，如何实现 板栗加工废弃物的综合利用，又如何实现板栗壳棕色素这类天然食用色素的有效利 用，成为我国迫切需要解决的技术难题 1 7 , 1 8 】。 超临界流体是物质介于其临界点( t c ，p c ) 以上状态时所呈现出的一种高压、 河北科技大学硕士学位论文 高密度，且具有气液两重性的一种液体。超临界c 0 2 萃取技术作为当今分离领域的一 种高新技术，具有保持分离产品生物活性、提高分离效率和萃取纯度，安全无毒， 操作简单、省时高效等众多优点。在萃取过程中，通过改变操作条件的影响，可有 针对性的实现天然产物的高效分离，进而大幅度提高萃取物质的纯度和萃取效率， 该方法尤其适用利用常规手段无法分离提纯的复杂天然产品的分离和提纯【1 9 2 0 1 。 1 2 板栗壳棕色素的研究概况 1 2 1 板栗壳棕色素的提取 板栗壳中天然棕色素的提取方法很多，主要有浸提法、超声波提取法、微波辐 照提取法和超临界c 0 2 提取法等。 1 2 1 1 浸提法 目前，国内外对板栗壳棕色素提取的报道较多，以传统的浸提法最为常见。浸 提法根据提取液的性质和提取条件，一般可分为热水提取法、溶剂提取法、碱性溶 液提取法等。浸提法的一般提取过程如下：板栗壳清洗一干燥一粉碎一溶液浸提一 过滤一真空蒸馏一产品一提纯【2 1 吨4 1 。 热水提取法操作简单且成本较低，但在对板栗壳棕色素提取过程中杂质含量较 高，容易造成黄酮类物质和其他抗氧化成分的破坏，不利于黄酮类物质的提取和分 离。溶剂提取法是利用黄酮类物质溶于甲醇、乙醇等极性较大的有机溶剂，进而实 现对板栗壳棕色素的提取。较传统的热水提取法，溶剂提取法提取效率高，提取液 中杂质含量较低，便于提纯和精制。以乙醇为溶剂提取板栗壳棕色素是一种行之有 效的提取方法，该方法所得产品安全、无毒、无污染，现实生产中应用普遍【2 5 之7 】。 李红【2 8 】等人采用蒸馏水作提取溶剂，通过正交试验，确定板栗壳与蒸馏水比例 为1 ：1 0 、浸提温度8 0 、浸提时间3h 、p h 为6 、检测波长4 5 5n n 为板栗壳棕色素的 最佳提取条件。 张亚平【2 9 】以板栗壳为原料，在加热条件下，以碱溶液为提取液，确定较佳的提 取条件为：质量浓度为2 o 的n a o h 溶液为提取液、提取温度8 0 、提取时间3h ， 为板栗加工副产物的综合利用提供了一条新途径。 浙江理工大学的余志成【3 0 】教授在2 0 0 6 年申请了提取板栗壳色素的专利，该专利 中板栗壳色素的提取方法如下：板栗壳经过洗净、晾干、粉碎步骤后，加入5 至1 0 倍 水溶液浸泡，3 i i k n a c 0 3 调节p h 为8 1 0 ，温度调至9 5 - 1 0 0 ，保温6 0m i n - 9 0m i n ， 过滤；将滤渣继续采用p h 为8 1 0 的n a c 0 3 水溶液浸泡提取，过滤后合并两次滤液， 最终得天然染料原液。将天然染料原液浓缩、固化、粉碎后得到粉末状天然染料。 吴雪辉【3 l l 等人通过对影响板栗壳色素提取因素的探讨，确定了从板栗壳中提取 2 第1 章绪论 天然食用色素的较佳工艺条件为：3 0 的乙醇水溶液( v v ) 为提取液、料液l l l ：3 0 、 提取温度9 0 、提取时间3h 、提取3 次，实现了对板栗壳棕色素的高提取率和高纯 度提取。 李颖【3 2 】以乙醇作为提取溶剂，采用浸提法从板栗壳中提取天然棕色素。通过正 交试验的比较，确定4 0 的乙醇水溶液( v v ) 为提取液、料液比1 ：2 0 、提取时间为 2 5h 、浸提温度为7 5 时棕色素的提取率较高，为5 5 2 。该试验进一步证明y p h 对棕色素提取的影响不明显；金属离子f e 2 + 、p b 2 + 、c u 2 + 会与色素反应生成沉淀并褪 色。 陈忻【3 3 】等以乙醇为提取溶剂对板栗壳棕色素进行了提取，该提取过程如下：在 1 0g 已粉碎后的板栗壳中力n x l 0 0m l 6 5 的乙醇溶液，将该溶液在6 5 恒温水浴箱 中浸泡6h ，过滤。过滤后，将滤液置于棕色瓶中在阴暗和干燥处保存；将所得滤渣 用7 0m l 6 5 乙醇溶液重新浸泡3h ，过滤。合并两次滤液，蒸馏回收6 5 乙醇后在3 0 下进行干燥，最终得到棕色粉状板栗壳棕色素，该方法的提取率高达1 8 7 。 1 2 1 2 超声波提取法 超声波提取技术的基本原理是利用超声波辐射压强产生的空化效应、骚动效应 和热效应来加速物质的扩散溶解，进而可以有效的实现提取物质的高提取率和高产 量【3 4 】。超声波提取法在提取过程中由于细胞壁在强大的空化作用和渗透作用下，可 以使其通透性快速增加，进而加速了细胞内色素的溶出【3 5 1 。超声波提取法是一种快 速、节约、高效的理想提取色素新方法? 在板栗壳棕色素的提取过程中也适用广泛。 刘平【3 6 】等人采用超声波提取法对板栗壳色素进行了提取研究。试验研究了提取 工艺中的提取剂、提取温度、提取时间、超声波功率、提取次数和固液比等因素对 色素提取率的影响。试验的提取工艺流程如下： 超声波处理滤渣 上t 板栗壳听：”粉”浸分离滤液斗减压浓轴减压干胁产品 通过正交试验，确定最佳提取工艺条件为：以1 5 倍量4 0 乙醇为提取剂，提取温 度7 0 ，提取时间9 0m i n ，超声波功率5 0 0w ，固液比( g m 1 ) 1 ：1 5 ，提取次数为2 次，色素提取率达到1 1 6 4 。其中，试验研究表明，影响超声波法提取板栗壳色素 的主次因素为：提取温度 提取时间 固液比 超声波功率。该方法与传统浸提法相比 较，色素提取率明显提高，且具有提取快速、节约能源等优点。 李云雁【3 7 】等人采用超声波提取技术从板栗壳中提取棕色素，最终确定当料液比 为1 ：1 0 ( 质量比) 、3 0 的乙醇水溶液为溶剂时，超声波协助提取法的较优工艺参数 为：提取温度7 0 ，提取2 次，每次1h 。 3 河北科技大学硕士学位论文 1 2 1 3 微波辐照提取法 微波辐照提取法具有选择性强，加热快、体系均匀受热且控温方便、节约能源 等众多优点，被认为是近年来发展快速的- l - j 新兴技术【3 8 1 。采用微波提取法，能强 化提取过程，缩短提取时间，减少能源和溶剂的消耗，同时也可以提高提取产率产 率和纯度【3 9 】。该方法操作简单且合乎环保，是- 种具有良好发展前景的新工艺。 吴春华 4 0 l 等以板栗壳为原料，在微波条件下，以乙醇溶液作为溶剂直接从板栗 壳中提取天然棕色素。试验探讨了各因素对提取效果的影响，最终确定采用微波辐 照法提取板栗壳棕色素的最佳工艺条件为：5g 板栗壳粉在微波辐照时间1 3m i n ，浸 提温度7 5 ，乙醇溶液的体积分数为4 0 ，料液比为1 ：2 0 ( g ：m l ) 的条件下，提取率 达到7 0 2 。试验进一步研究了板栗壳棕色素对光照、温度、氧化剂、还原剂和p h 的良好稳定性。 1 2 1 4 超临界萃取法 超临界萃取技术作为当今分离领域的一种高新技术，具有保持分离产品生物活 性、提高分离效率和萃取纯度，安全无毒，操作简单、省时高效等众多优点。在萃 取过程中，通过改变操作条件的影响，可有针对性的实现天然产物的高效分离，进 而大幅度提高萃取物质的纯度和萃取效率，该方法尤其适用利用常规手段无法分离 提纯的复杂天然产品的分离和提纯。超临界萃取法与常规萃取方法相比，具有提取 时间短、色素提取率高、色素天然活性损失小等优点，是一种生产效率较高的提取 方法【4 1 4 3 1 。 郑剑m 】采用超临界流体技术提取板栗壳色素，提取过程为：取一定量干燥、粉 碎后板栗壳和加压的超临界流体一同进入萃取器混合，萃取过程中，流体选择性地 萃取板栗壳色素，然后将含有板栗壳色素的流体从萃取器进入分离器，通过调节温 度和压力，降低其密度，在分离器中使色素和流体分离，最终得到板栗壳色素。通 过单因素实验和正交试验最终确定采用超临界流体技术萃取板栗壳色素的最佳工艺 参数为压力为2 0m p a ，温度为2 5 ，时间为3h 。 1 2 2 板栗壳棕色素白啦用 从板栗壳中提取出来的板栗壳棕色素是一种稳定性好，无毒副作用，具有较好 的生物可降解性，甚至对人体具有一定保健作用的天然色素，亦可作为食品添加剂 使用。板栗壳棕色素属于黄酮类，色调上属于一般植物原料中难于得到的棕色素系 列，不仅可以广泛的用作食品、日用化学品和药品等产品的着色剂，还具有一定的 抗氧化性和药用价值。板栗壳棕色素具有众多的实用价值，对其的发开和利用已经 成为当今天然色素研究的发展趋势【4 5 4 7 1 。 李云雁【4 8 1 等人研究了板栗壳色素在猪油中的抗氧化性能，并分析了抗氧化机理。 4 第1 章绪论 通过试验，证明板栗壳色素属于具有较好抗氧化性能的黄酮类色素，且其抗氧化性 优于b h t 和v e ，同时具有较好的光稳定性能。试验迸一步研究了板栗壳色素的抑菌 作用，证实了板栗壳色素对几种常见细菌、酵母茵和霉菌等具有较好的抑制作用， 并对其有效成分进行了初步鉴定。 陈连文【4 9 】等人以n a h c 0 3 溶液为提取剂，在室温下实现对板栗壳色素的提取，探 讨了板栗壳色素在拟巧克力奶和拟巧克力蛋糕中的应用。通过试验证明，板栗壳色 素提取工艺简单，色素含量高，无毒害；着色稳定，与淀粉和蛋白质的染着性好， 与食品原料和添加剂有较好的混用性且对产品质量无不良影响；通过对拟巧克力奶 和拟巧克力蛋糕在保质期内的稳定性实验，进一步证实板栗壳棕色素是一种实用性 较强的天然色素。 余志成【5 0 墩授发明专利：从废弃的板栗壳中提取天然染料板栗壳色素，并实现 了对蛋白质、纤维素、纱线或织物进行染色且染色效果较好。该专利方法制备过程 简单、安全无污染、无致癌作用或过敏反应、可生物降解、生态相容性好、质量稳 定，市场应用前景非常可观。 为了研究板栗壳棕色素的抗活性氧自由基性能，刘平【5 i 】等人从清除羟基自由基 和超氧阴离子自由基、抗脂质过氧化以及还原能力等众多方面进行了试验和评价。 试验结果表明：板栗壳棕色素对羟基自由基和超氧阴离子自由基均有较强的清除作 用；板栗壳棕色素对脂质过氧化过程中产生的脂自由基和脂过氧化自由基均有较强 的抑制作用，通过实验数据证明了板栗壳棕色素是一种优良的天然抗氧化剂和自由 基清除剂。 随着科学技术的不断发展及科研水平的不断提升，提取无毒害的天然板栗壳中 的板栗壳棕色素作为食品添加剂、日用化学品和药品的着色剂，并进一步实现纺织 品的染色是当前的研究热点及发展趋势。因此，开发对天然色素安全可靠的提取工 艺，对人类健康、工业发展、医药进步和食品加工等领域具有十分重要的意义【5 2 , 5 3 j 。 1 3 超临界c 0 2 流体萃取技术 随着社会科技水平的进步和人类生活水平的提升，人们对健康和环境有了更新 的认识和更大的关注，对医药、食品、化工、化妆品等与人类身心健康密切相关的 方方面面有了更高的标准和要求。超临界萃取技术( 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 即 s f e ) 是一种高效、快速、清洁、简单的新型独特的提取技术。该技术作为一种新型 的分离手段以其显著的优势，在食品加工、医药卫生、精细化工、环境保护等各个 领域均展现出了良好的发展前景。目前，超临界萃取技术已受到世界各国科研人士 的广泛关注，其研究程度也在不断的加深和完善，该方法成为取代传统化学分离方 法的首选。随着科技的进步，人们对超临界萃取技术的理论研究、萃取设备和工业 5 河北科技大学硕士学位论文 应用等众多方面取得了长足进展【5 6 】。 1 3 1 超临界c 0 2 萃取的基本原理 超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，s f ) 是指物体处于其临界温度( t c ) 和临界压力 口c ) 以上的状态，介于气体和液体之间的流体，且具有类似液体的性质，同时还保留 气体的性能。超临界流体具有气体和液体的双重特性，一方面具有液体对溶质较大 溶解度的特点，另一方面具有气体易于扩散和运动的特点。超临界流体的密度和液 体相近，粘度和气体相近，许多性质如扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力 变化很大。由于物质的溶解过程包含分子间相互作用和扩散作用，因此超临界流体 具有很强的溶解能力，对选择性的分离非常敏感 5 7 , 5 8 】。 可作为s f 的物质很多，主要有二氧化碳、水、甲苯、一氧化亚氮、甲醇、乙醇、 六氟化硫、丙烷、丙酮和氨等。目前，用超临界流体萃取方法提取天然产物时，一 般用二氧化碳作为萃取剂居多。这主要是因为：c 0 2 的临界温度( t o = 31 0 6 ) 是 超临界溶剂中临界点最接近室温的，因此可以在室温下实现萃取过程；c 0 2 的临界 压力( p c = 7 3 9m p a ) 适中，萃取过程操作简便；c 0 2 的临界密度( p = o 4 4 8g c m 3 ) 在超临界溶剂中最高，具有较强的溶解能力和扩散性能。此外，c 0 2 廉价易得、无 毒、稳定、易于分离，且不会在萃取过程中产生三废物质，保护环境 5 9 , 6 0 】。 超临界c 0 2 流体萃取过程的基本原理是：控制超临界c 0 2 流体在高于临界温度 和临界压力的条件下，从被萃取物中萃取得到有效成分，之后恢复到常温、常压状 态，使得溶解在c 0 2 流体中的萃取成分以液态形式与气态c 0 2 分开，从而实现萃取 目的。 1 3 2 超临界c 0 2 萃取的应用 超临界c 0 2 萃取技术与传统分离技术相比，具有众多优点：萃取过程会降低化 学成分的损失，保存被分离物质的纯度和完整性；具有较高的提取率，充足的临界 状态c 0 2 可实现物质的完全提取；产品没有有机溶剂残留，实现环保：提高生产率， 缩短周期，萃取和蒸馏过程合二为一，溶剂不需回收【6 1 1 。 超临界c 0 2 萃取技术以其独特的分离优势决定了其广泛的应用范围。如在医药 化工方面中，可用于烃类物质和共沸化合物的分离，中草药有效成分的提取；在食 品工业方面，可用于食品风味与油类物质的提取和食品的脱色除臭等；在生物工程 方面，可用于多种酶的酶催化反应；在中药研究方面，避免了传统提药过程中的缺 陷，保持了物质的生物活性；在天然产物提取方面，实现了天然产物中多种复杂成 分的提取和分离，减少杂质含量【6 硎】。 6 第1 章绪论 1 3 2 1 在医药化工方面的应用 超临界c 0 2 萃取技术以其高渗透性和高溶解能力实现了化工医药产品的提取分 离过程，该萃取工艺可以在低温下操纵，因此特比适合热稳定性较差且难分离物质， 提取过程无其他物质残留。采用超临界c 0 2 萃取技术可以用于烃类物质和共沸化合 物的分离等。1 9 9 2 年d e s i m o n e 6 5 1 首次报道了以超临界c 0 2 为溶剂，偶氮二异丁腈为 引发剂进行的自由基均聚反应，得到分子量为2 7 万的聚合物。之后，将表面活性剂 溶于超临界c 0 2 流体中，大大拓宽了超临界c 0 2 在分散聚合、沉淀聚合和乳液聚合 等高分子聚合反应中的应用领域。李欢欣惭】等人将超临界c 0 2 萃取技术应用在有机 农药残留方面，实现了熟地中有机氯农药的去除，其除毒效果良好，除毒率为8 4 6 。 p r o k o p c a z y k 等人【d 7 】采用超临界c 0 2 萃取技术，以甲醇为夹带剂，通过与气相色谱连 用，实现了烟草中t s n a 类化合物的测定，该方法的重复性高达8 3 - - 9 8 ，检测限 低于2 p p m 。l u i z 等人以超临界c 0 2 为溶剂，对柠檬香草精油的超临界萃取进行了研 究，实验通过对萃取率和产品质量等影响因素的考察，最终确定p = 1 2m p a ，t - = 4 0 为较佳的萃取条件。 将超临界c 0 2 萃取技术应用到中革药中复杂成分的提取分离是目前医药领域的 热点问题之一。采用该方法分离得到的有效成分纯度高、无有机残留，对稀少资源 天然中草药的提取和环境保护尤为重要。钱国平【6 8 】等人采用超临界c 0 2 萃取和硅胶 柱层析的提取工艺实现了对黄花蒿中抗疟成分青蒿素的提取，该方法产品质量好、 纯度高、收率可观。武荣【6 9 】等人采用超临界c 0 2 萃取技术提取猪肺表面的活性物质， 其化学成分和理化性质以及体外活性等方面均已达到p s 制剂的要求，进一步证明了 该方法具有广泛的实用价值和应用前景。陈连剑【_ 7 0 j 等人采用超临界c 0 2 萃取技术和 气质联用技术分别对从正毛化橘红、副毛化橘红和无毛化橘红中分离的1 8 、1 7 和1 2 个化学组分分别进行了提取和分析。 1 3 2 2 在食品工业方面的应用 近年来，超临界c 0 2 萃取技术在食品工业中的发展十分迅速，在日本，采用超 临界c 0 2 萃取加工特种油脂已经实现了工业化生产。我国采用超临界c 0 2 萃取技术 主要用在食品风味与油类物质的提取和食品的脱色除臭等许多方面，该技术也逐步 从研究阶段走向工业化。在食品工业方面运用超临界c 0 2 萃取技术可以对咖啡豆脱 咖啡因、奶制品脱胆固醇、茶叶中提取茶多酚、啤酒花中提取有效成分等等。还可 用于检测食品中有机磷、有机氯等农药残留量并回收。 韩佳宾【7 l 】、江和源【7 2 】等人采用超临界c 0 2 萃取技术实现了从茶叶中萃取咖啡因， 通过正交试验确定了最佳工艺参数，确定6 0 目磨碎茶样的咖啡因脱除率可达到较大 值8 5 6 3 ，咖啡因的含水量0 5 。岳鹏翔【| 7 3 】等通过试验研究了萃取时间、操作压 力和操作温度及浓缩浓度对绿茶浓缩液中咖啡碱的脱除率的影响，确定超临界c 0 2 7 河北科技大学硕士学位论文 = ；o 弓r 。2 2 2 2 4 0 2 2 0 。；o o 2 2 5 2 2 。4 2 ；= ；4 e 2 宁2 ；- _ 目自= 目目a 自_ t # _ 目_ _ _ i 自= 目_ l _ 目i = 目_ _ = 目= _ ， 萃取的较佳工艺条件为：压力3 0 m p a ，温度5 6 ，时间为4 h ，浓缩浓度2 0 。啤 酒花中对酿酒发挥重要作用的物质是挥发油和软树脂中的俨酸。用超临界c 0 2 萃 取啤酒花，a _ 一酸的萃取率可达9 5 以上。张侃【7 4 1 、黄亚东7 5 1 等采用临界c 0 2 萃取 技术，对啤酒花中的萃取物进行了气相色谱分析，结果表明，超临界c 0 2 和液态c 0 2 的萃取物质不同，采用超临界c 0 2 萃取物质进行酿酒后，增加了啤酒香味、口感香 纯。 潘太安【7 6 j 等人采用超临界c 0 2 萃取技术实现了葡萄籽种葡萄籽油的萃取，生产 中采用较佳的工艺条件为：压力2 0m p a 一3 0m p a ，温度3 5 5 0 ，流量4 0k g h ， 时间3 1 5h ，提取率 9 3 。汤凤霞等t 7 7 1 证实了超临界c 0 2 萃取大蒜油工艺的可行性， 该方法的最佳工艺条件为：压力1 4m p a - t 6m p a ，温度3 4 3 6 ，流量2l m i n ， 时间5h 以内，萃取率 8 0 。此方法萃取率高、产品质量好、是研究大蒜加工的重 要课题。葛保胜【7 8 j 等利用超临界c 0 2 萃取核桃油，试验讨论了不同原料处理方法对 萃取效果的影响，并利用正交实验确定了超临界c 0 2 萃取核桃油的较佳萃取工艺条 件为：压力3 0m p a ，温度4 0 ，流量2 0l l l ，时间为2h 。 食用色素包括天然色素和合成色素，是主要的食品的添加剂之一，我国在对人 体有益的天然色素提取工艺上，有着很大的发展。郑剑附】采用超临界流体技术提取 板栗壳色素，通过单因素实验和正交试验最终确定采用超临界流体技术萃取板栗壳 色素的最佳工艺参数为压力为2 0m p a ，温度为2 5 ，时间为3h 。于志云【7 9 】等采用 超临界c 0 2 萃取辣椒红色素，确定工艺条件为萃取压力为2 2m p a ，萃取温度为4 0 ； 分离i 压力为8m p a ，分离i 温度为4 0 ；分离i i 压力为5 5m p a ，分离i i 温度为4 0 。 大豆磷脂是精炼大豆油时的一种含油量很高的毛磷脂，营养价值很高，其提取 工艺越来越引起人们的重视。汪勇蹬o j 等采用超临界c 0 2 萃取大豆磷脂的最佳工艺条件 为：压力2 5m p a ，温度5 0 ，流量3 0k g h ，时间为1 5 0r a i n 。胡小泓【8 1 】采用超临界 c 0 2 萃取技术从整粒花生仁中萃取部分油脂，证实了该工艺的可行性，研究了萃取压 力、温度、时间等因素对出油率的影响，确定工艺条件为：压力3 0m p a ，温度5 0 ， 时间为1 5h 。银建中【8 2 】等通过对比大豆和花生两种植物油超临界c 0 2 萃取的研究，探 讨了压力、温度、时间、空隙率和颗粒度等许多因素对萃取率的影响，为实际生产 工艺指导提供了有效地参数条件。 1 3 2 3 在生物工程中的应用 生物工程作为一门新兴的发展学科，己涉及到医药化工、食品工业和能源环保 等众多行业中。将超临界流体技术应用在生化领域的报道始见于1 9 8 5 年，h a m m o n d t 8 3 】 等和黜m d o l p h 畔】等相继考察了多酚氧化酶和碱性磷酸酶等在超临界流体中的活性， 8 第1 章绪论 一 ：-j1i i i t 目目 该实验首次证实了在超临界流体中实现酶催化反应具有一定的可行性。随后，用a 淀粉酶在超临界c 0 2 中水解淀粉、将脂肪酶在超临界c 0 2 中催化醇解鱼油等试验的 成功，进一步实现了超临界流体中可以进行多种酶的酶催化反应。 1 9 8 8 年，b i o e n g i n e 开发了超临界流体细胞破碎技术。由于高压c 0 2 易于渗透 到细胞内，细胞壁因为突然降压导致细胞内外压差急剧增大而迅速膨胀破裂。对于 细胞壁较厚的微生物来说，因c 0 2 能破坏细胞壁上的脂溶性成分，因压差导致破碎 后的细胞碎片较大，有利于下游分离，同时降压过程中温度降低且流体体积存在膨 胀现象，进而防止了因升温引起的生物活性物质失活现象的发生。 1 9 9 4 年，f a g e s i s 5 】等首次报道了超临界c 0 2 萃取技术在生物材料方面的一个新应 用。该试验实现了将超临界c 0 2 萃取技术用于异体骨、异种骨的制备中，证实了该 技术可以彻底清理骨表面及内部的脂质结构，在减少其抗原性的同时实现了安全、 无毒的移植骨，提高了骨的传导性。卢绮雯【8 6 】等采用超临界c o z 萃取技术对异种骨 进行脱脂，并进行超声波处理脱蛋白，通过分析证实超临界c 0 2 萃取技术能够有效 去除骨组织中的主要抗原，同时该方法可以有效保持异种骨天然的多孔结构和羟基 磷灰石的晶体结构，具有理想的生物相容性。 1 3 2 4 在中药研究与开发中的应用 长期以来，我国的中药出口主要以药材和饮片为主，在中药的研发中，一直遵 循“三效 ( 速效、高效、长效) 和“三小( 剂量小、副作用小、毒性小) 原则。 我国的中药走向现代化并进入国际市场，必须解决产品质量好、有效成分合格、药 理明确和疗效稳定等关键问题。 超临界流体萃取技术作为一种新型的分离技术，很大程度上避免了传统提药过 程中的缺陷，采用该方法提取时，操作条件简单温和、提取物中不存在有害残留溶 剂，同时不会丧失生物活性物质的活性，而且十分环保。因此，超临界流体萃取技 术为我国中药研发的现代化和国际化发展提供了一条全新而有效的途径。 杨林彻等采用超临界c 0 2 流体技术研究了萃取丹参素的最佳工艺条件，通过正 交试验，优化出合理工艺条件，得出丹参素的提取率较传统提取工艺的提取率高1 1 倍。文震【8 8 】等采用超临界c 0 2 萃取广东药材巴戟天中c u ，p b ，a s 等有害元素，以 n a d d c 为配合剂、乙醇为夹带剂，通过正交试验，确定了较佳的萃取工艺：m ( 药 材) ：m ( n a d d c ) = 5 ：i ，m ( 药材) ：m ( 乙醇) ：1 ：1 ，萃取压力2 8m p a ，萃取温度6 0 ，静 态萃取1h ，动态萃取2h ，三种有害元素的脱出率均达6 0 以上，生理活性成分巴 戟天多糖的质量比保持不变i 邓永智【8 9 1 等采用自制的c o z 超临界流体萃取技术提取 了银杏叶中聚戊烯醇酯，通过对萃取因素的考察，最终确定最佳的提取条件为：萃 取压力2 5i v l p a ，萃取温度6 5 ，流量8m l m i n ，时间6h 。 9 河北科技大学硕士学位论文 1 3 2 5 在天然产物提取中的应用 超临界流体萃取技术以其较好的渗透性、较强的溶解能力、简单的操作和理想 的收率等许多优势，在天然产物的分离提取中，有了更多的应用领域和发展趋势。 超临界c 0 2 萃取的临界温度和操作温度均较低，因此能更好的保证天然产物中有效 成分不被破坏，此外，通过控制温度和压力可以选择性的对天然产物中多种成分进 行提取和分离，减少了杂质含量，增加了提取率，更优于传统的提取方法。 黄欣【9 0 】等采用超临界c 0 2 流体萃取法和醇回流法进行对比，实现了元胡中有效 成分的提取。确定工艺条件为萃取压力为4 5m p a ，萃取温度为6 0 ，分离i 温度 为5 0 ，分离i i 温度为4 0 ，c 0 2 流量为2 0l h 。通过实验比较，采用超临界c 0 2 流体萃取法不会改变元胡中的生物碱类成分，而且该方法具纯度高、能耗低、无有 机溶剂残留，较醇回流法提取元胡中有效成分具有显著优势。 李秋红【9 l 】等采用超临界