超临界二氧化碳流体萃取的原理及其在食品加工中的应用.doc

超临界二氧化碳流体萃取的原理及其在食品加工中的应用（湘潭大学化工学院，湖南 湘潭 411105）摘要：超临界流体萃取（SFE）技术是一种新型的分离技术。由于超临界二氧化碳超临界密度大，溶解能力强，传质速率高，临界温度低等特点，使其在超临界萃取中异军突起，本文对超临界萃取的基本原理进行了阐述，介绍了超临界CO2萃取的特点及其在食品加工方面的应用，并对今后的发展作了展望。关键词：超临界流体萃取；临界温度;CO2；应用；展望中图分类号：TQ028.8 文献标识码：APrinciple and Application of Supercritical CO2 Extraction Methods in Food FiledsMenghao Zhu(Chemical Engineering Institute of Xiangtan Univeicity, Xiangtan Shandong 411105,China)Abstract:Supercritical fluid extraction is a new kind of separation technology, Because of supercritical carbon dioxide have a big supercritical density,strong dissolving ability, a high rate of mass transfer,low critical temperature, make its sudden rise in supercritical fluid extraction, this paper reviewed about its characteritic and the development of application in food fields.Key words:supercritical fluid extraction; critical temperature;carbon dioxide;application;advance.1、 超临界流体萃取的原理1.1、 超临界流体萃取原理 超临界流体是指物质的一种特殊流体状态。当物质的温度和压力超过超临界温度和超临界压力时物质就会处于超临界状态，此时的流体即为超临界流体。超临界流体虽然看起来像液体, 却像气体一样松散而易于扩散，但是其密度又接近于液体，这使其具有高的传质速率和迅速达到萃取平衡的能力1。处于超临界状态的流体对溶质不仅有极高的溶解力，而且通过改变温度和压力就可调节对溶质的溶解度，从而达到选择性的萃取和分离化合物。超临界流体萃取技术就是利用上述超临界流体的特殊性质， 将其在萃取塔的高压下与待分离的固体或液体混合物接触, 调节系统的操作温度和压力, 萃取出所需组分; 进入分离塔后, 通过等压升温、等温降压或吸附等方法, 降低超临界流体的密度, 使该组分在超临界流体中的溶解度减小而从中分离出来。1.2、 超临界CO2特点因为超临界CO2的一些特点使它在超临界萃取中独占鳌头，以CO2作溶剂的超临界萃取具有如下特点：（1）超临界CO2的临界压力为7.39Mpa，临界温度为31.062。 超临界萃取可以在接近室温(3540)及CO2气体笼罩下进行提取，有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散。因此，在萃取物中保持着药用植物的有效成分，而且能把高沸点、低挥发性、易热解的物质在远低于其沸点温度下萃取出来；（2）使用SFE是最干净的提取方法，由于全过程不用有机溶剂，因此萃取物绝无残留的溶剂物质，从而防止了提取过程中对人体有害物的存在和对环境的污染， 保证了100%的纯天然性；（3）萃取和分离合二为一，当饱和的溶解物的CO2 流体进入分离器时，由于压力的下降或温度的变化，使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开，不仅萃取的效率高而且能耗较少，提高了生产效率也降低了费用成本；（4）CO2是一种不活泼的气体，萃取过程中不发生化学反应，且属于不燃性气体，无味、无臭、无毒、安全性非常好；（5）CO2 气体价格便宜，纯度高，容易制取，且在生产中可以重复循环使用，从而有效地降低了成本；2.1、超临界CO2在食品工业中的应用2.1.1、植物油脂的萃取提取油脂的传统方法有压榨法或溶剂萃取法。压榨法油脂得率低, 有机溶剂萃法的提取率高, 但存在溶剂回收困难和产品中溶剂残留等问题。而且两种方法都不能有效进行对物质成分的选择性萃取。用超临界CO2 萃取油脂, 提取率高, 得到的油无溶剂残留, 而且操作条件温和, 可以对不饱和脂肪酸等成分实现选择性分离。另外, 超临界CO2 萃取油脂后的残粕仍保留了原样, 可以很方便地用于提取蛋白质、掺入食品或用作饲料, 利于实现对原料的综合利用。目前, 超临界CO2 萃取技术广泛用于开发具有高附加值的保健品用油上, 如米糠油、小麦胚芽油、沙棘油、葡萄籽油、杏仁油、紫苏籽油、月苋草油、芹菜油等, 并取得了工业应用成果。例如, 刘松义等3研究了小麦胚芽油的超临界CO2 提取, 得到的最佳工艺条件为: 压力20MPa, 温度35, 流量4L/min。张素华4用超临界CO2 萃取法萃取沙棘油, 与溶剂法相比, 所得沙棘油酸价低。尹卓容5采用超临界CO2 萃取法从月苋草种籽和丝状真菌提取了亚麻酸。方涛等6对油脂脱臭馏出物的甲酯化产物进超临界萃取, 用来浓缩天然生育酚。胡淼等7采用超临界CO2 萃取法从植物黄花蒿中萃取青蒿素, 得到青蒿含量大于20%。张忠义等8采用超临界CO2 流体萃取技术和分子蒸馏对大蒜化学成分进行萃取与分离, 从萃取物中鉴定出16 种有效成分, 解决了传统萃取方法加热对大蒜有效成分的破坏。2.1.2、咖啡因、烟碱等物质的脱除咖啡因是从茶叶、咖啡果中提炼出来的一种生物碱, 大剂量或长期使用会对人体造成损害, 特别是它也有成瘾性,一旦停用会出现精神萎顿、浑身困乏疲软等各种戒断症状。大剂量的咖啡因还能直接兴奋延髓, 引起阵发性惊厥和骨骼震颤, 损害肝、胃、肾等重要内脏器官, 诱发呼吸道炎症、妇女乳腺瘤等疾病, 甚至导致吸食者下一代智能低下, 肢体畸形。因此, 降低或脱除茶叶和咖啡中的咖啡因显得很必要。20 世纪60 年代Zosel 博士提出超临界萃取( SFE) 工艺并应用于咖啡豆脱咖啡因的工业化生产, 取得了很大的成功。超临界萃取技术也因此实现了初次成功的工业化应用。江和源等9利用超临界CO2 萃取技术脱除茶叶中的咖啡因和儿茶素, 咖啡因脱除率达85.63%, 儿茶素脱除率达88.77 %。烟碱又名尼古丁，是烟草中的一种主要生物碱。它能迅速溶于水及酒精中，通过口鼻支气管粘膜很容易被机体吸收。粘在皮肤表面的尼古丁亦可被吸收渗入体内。当尼古丁进入人体后，会产生许多作用如四肢末梢尼古丁血管收缩、心跳加快、血压上升、呼吸变快、精神状况改变（如变得情绪稳定或精神兴奋），并促进血小板凝集，为造成心脏血管阻塞、高血压、中风等心脏血管性疾病的主要帮凶。因此减少烟草中的烟碱含量刻不容缓，用有机溶剂萃取不仅会对烟碱的进一步处理不利，且烟草中残留的有机溶剂对人体亦有害，超临界流体萃取技术就显示出明显的优势，在烟草样品中加入4. 0% 4. 5% 的水, 超临界CO2中添加5% 10% 甲醇作为夹带剂, 提取的烟碱量是普通溶剂提取的2 7 倍,并且分离简单、省时、省溶剂10。2.1.3啤酒花的萃取啤酒花是啤酒生产中主要的辅料, 它能赋予啤酒特有的苦味和香味, 是啤酒酿造中的防腐剂和芳香剂。对啤酒花进行深加工, 萃取其有效成分, 或对其萃取物进一步分离、异构11, 再应用到啤酒酿制中, 以便提高啤酒苦味值和酒花成分的利用率, 减少运输和储存的费用。从20 世纪80 年代开始,一些发达国家如美国、德国、澳大利亚等国家都在大量使用啤酒花萃取物。目前, 国内一些啤酒生产厂家也在积极试用啤酒花萃取物, 使啤酒花萃取物的应用得到进一步的推广。由于啤酒花是季节性生产以及产地一般比较偏远, 使啤酒生产厂每年都要花费大量的运输和冷储费用。而且, 普通的压缩啤酒花的质量, 特别是啤酒花的- 酸和啤酒花精油, 随着储存时间的延长而降低和被氧化, 啤酒花中的有效成分的利用率明显降低。因此, 提取啤酒花中有效成分以便于保存及降低运输费用、提高有效成分利用率是十分必要的。传统方法是用己烷、二氯甲烷等有机溶剂进行萃取, 产品质量差, 而且存在化学溶剂残留。采用超临界流体萃取，过程简单、操作方便、萃取率高、品种可调、产品质量好等优点，其中萃取率很高达98.9%。产物为黄绿色的带芳香味的膏状物。12,13,143、超临界超临界流体萃取技术的前景与展望我国从20 世纪70 年代末80 年代初即开展了对超临界流体技术的研究。国家对此项技术的研究也给予了较大的支持。但与世界先进水平相比, 我国在这一方面尚存一定差距。虽然超临界CO2 萃取技术在我国食品工业的研究开发起步较晚, 但随着高新技术的发展和人们研究的不断深入, 超临界CO2 萃取技术必将推动功能食品的研究开发向更高层次发展。超临界流体特别是超临界CO2 萃取技术以其提取率高、产品纯度好、过程能耗低、后处理简单, 以及无毒、无三废、无易燃易爆危险等诸多传统分离技术不可比拟的优势, 近年来得到了广泛的应用, 在食品工业中应用正在不断扩展, 它既有从原料中提取和纯化少量有效成分的功能, 还可以去除一些影响食品风味和有碍人体健康的物质。超临界流体, 尤其是超临界CO2, 具有高溶解性和高选择性, 临界温度在室温附近, 安全无毒、价廉、产品纯度高, 能保持产品原有的品质等优点, 在食品工业, 特别是对高附加值天然产物和生理活性物质的提取和分离等, 有着广阔应用前景,当然超临界萃取也有其缺点，例如：在萃取核桃油中，用超临界流体萃取的比用普通压榨法得到的在黑暗条件储存下抗氧化性更弱15。此外夹带剂的应用也会深入到食品加工中，能否寻求良好的夹带剂，提高被提取物溶解度，针对性提取有效成分，改善选择性和增加收率，将是我们研究超临界萃取的另一发展方。参考文献1宋启煌，宋照斌，白妍.超临界流体萃取原理及发展动向.广东化工，1999（1）：50-522苏德民，徐波，姚发业.超临界流体萃取在中草药分析中的应用.食品与药品，2005，7(12):70-723 张素华.CO2 超临界萃取沙棘油酸价测定J.山西林业科技, 2001( 2) :15- 17.4 尹卓容.超临界CO2 萃取法从月苋草种子和丝状真菌中提取含亚麻酸油脂J.食品与发酵工业, 1996( 4) : 21- 26.5 方涛, 刘青松, 丁雪霖.超临界CO2 萃取浓缩生育酚的初步研究J.中国油脂, 2001, 26( 5) : 57- 62.6 胡淼.临界CO2 萃取青篙素及其纯化工艺研究M.浙江: 浙江大学出版社, 2005.7 张忠义, 雷正杰, 王鹏, 等.超临界CO2 萃取- 分子蒸馏对大蒜化学成分的提取与分离J.分析测试学报, 2002( 1) : 65- 67.8 吕维忠.天然高纯度卵磷脂的超临界CO2 萃取J.日用化学工业,9 江和源, 蒋迎, 刘栩.超临界流体技术脱除绿茶中咖啡因和儿茶素的研究J.食品工业科技, 2004, 25( 2) : 95- 97.10 王宏发, 曾晓鹰, 王超. 超临界流体萃取在烟草中的应用及前景展望 J . 烟草科技, 1998, ( 5) : 20-22.11GB2023- 80, 食品添加剂乳酸S.12张镜澄. 超临界流体萃取M . 化学工业出版社20