食品超临界流体萃取技术.doc

食品超临界流体萃取技术摘要：超临界流体萃取(SFE)技术开辟了分离工业的新领域，是一种新型的分离技术。文章对超临界流体萃取的基本原理进行了阐述，介绍了超临界萃取的技术要求，重点介绍了超临界流体萃取技术在食品方面的应用，包括天然活性成分的分离提取、在油脂工业方面的应用以及农药残留分析等。最后文章综述了超临界流体技术与其他技术联用情况，并对该技术未来的发展做出一定的展望。关键词：超临界流体萃取技术； 分离； 食品； 应用； 技术联用超临界流体萃取 (supercritical fluid extraction，SFE)技术是以超临界流体为溶剂，利用溶剂在临界点附近某一区域内，对溶质溶解能力随压力和温度改变可以在相当宽的范围内变动的特性而达到使溶质分离的一项技术1。早在1879 年，Hannay 和Hogarth2通过试验发现了超临界流体(SCF)与液体一样，可用来溶解高沸点的固体物质，人们初步意识到SCF 具有分离能力。20 世纪50年代， 美国的Todd 和Elgin 等人从理论上提出了超临界流体用于萃取分离的可能性，直到1978 年联邦德国将此技术运用在工业化生产中，并取得成功3。1992年，Desimone4 首先报道了SC-CO2为溶剂，超临界聚合反应得到分子量达27万的聚合物，开创了超临界CO2高分子合成的先河。近20年来，SFE技术迅速发展，并被用于化工、石油、食品、医药等工业的热敏性、高沸点物质的分离。1超临界流体萃取的基本原理和特点众所周知任何物质都具有气、液、固三态， 随着压力、温度的变化物质的存在状态也会相应发生改变。下图是纯物质的物相图，在相图中当气液两相共存线自三相点延伸到气液临界点后气相与液相混为一体，相间的界线消失，物质成为既非液体也非气体的单一相态。临界点处的温度称为临界温度Tc，是物质处于无论多高压力下均不能被液化的最低温度；与临界温度对应的压力称为临界压力Pc。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。物质处于超临界状态时，称之为超临界流体。超临界流体兼有液体和气体的双重特性，扩散系数大，粘度小，渗透性好，与液体溶剂相比，可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。在适当条件下,难溶物质在超临界相中的溶解度比在非临界状态相下要大104倍5。Stahl认为6这是由于超临界相的密度增大了, 导致溶剂的介电常数和极化度增加，从而增加了溶剂分子与被溶解分子的作用力。在进行超临界萃取操作时，超临界流体的密度近于液体密度，并且随流体压力和温度的改变发生十分明显的变化，而溶质在超临界流体中的溶解度随超临界流体密度的增大而增大。超临界流体萃取正是利用这种性质，在较高压力下，将溶质溶解于流体中，然后降低流体溶液的压力或升高流体溶液的温度，使溶解于超临界流体中的溶质因其密度下降溶解度降低而析出，从而实现特定溶质的萃取7。超临界溶剂包括CO2、NO2 、SO2 、N2 ，低链烃等，而CO2 是最常用的超临界萃取介质，这是因为它的临界温度(31.1) 接近室温，临界压力(7.38mPa) 较低，萃取可以在接近室温下进行,对热敏性食品原料、生理活性物质、酶及蛋白质等无破坏作用，同时又安全、无毒、无臭，因而广泛应用于食品、医药、化妆品等领域中8，具有广泛的适应性。由于超临界状态流体溶解度特异增高的现象是普遍在，因而理论上超临界流体萃取技术可作为一种通用高效的分离技术而应用，萃取效率高，过程易于调节9。图一：纯物质的相图超临界流体技术作为重要的众多分离提取技术的替代新技术，有其自身的优点也有一定的局限性。超临界流体具有较高的扩散性，从而减小了传质阻力，这对多孔疏松的固态物质和细胞材料中的化合物的萃取特别有利。其次，超临界流体对改变操作条件(如压力、温度)特别敏感，这就提供了操作上的灵活性和可调性。超临界流体可在低温下进行，对分离热敏性物料尤为有利，而且具有低的化学活泼性和毒性。超临界流体萃取技术在食品工业中存在的主要问题主要有以下几个方面。第一，在食品行业，采用高压加工技术较难为人们所接受。首先，包括高压设备在内的投资费用比较昂贵。其次，超临界流体萃取过程虽是一个节能过程，但过程的经济性极大地取决于回收能量的能力或减少气体压缩所需的能量。第二，由于缺少生物化合物在高压下的溶解度和相平衡数据，在大多数情况下需要通过实验来测定以获得必要的参数，所以给设计工作带来一定的困难。2超临界流体萃取的技术要求SFE 技术基本工艺流程为：原料经除杂、粉碎或轧片等一系列预处理后装入萃取器中，系统冲入超临界流体并加压。物料在SCF 作用下，可溶成分进入SCF 相。流出萃取器的SCF 相经减压、调温或吸附作用，可选择性地从SCF 相分离出萃取物的各组分，SCF 再经调温和压缩回到萃取器循环使用10。总体上讲，SFE 过程的主要设备是由高压萃取器、分离器、换热器、高压泵( 压缩机) 、储罐以及连接这些设备的管道、阀门和接头等构成。另外, 因控制和测量的需要, 还有数据采集、处理系统和控制系统11。用二氧化碳超临界流体萃取技术提取分离某物质的技术要求包括物料的预处理方式、萃取压力、温度及二者所决定的CO2 密度、CO2 流量、萃取时间及夹带剂、分离压力及分离温度等。2. 1 物料的预处理方式萃取物料的不同，所需要的预处理方式也有所区别。预处理过程中影响萃取效果的主要因素是物料含水量及粒度。尽管超临界二氧化碳流体(SCF)具有较好的传质性能和较快的扩散速度,但由于将固体中的溶质最终传递给SCF 相的控制步骤是溶质在固体中的扩散速率，它取决于溶质在固体中的扩散系数的大小和固体的尺寸。因而，原料粒度对萃取过程及效率都有显著影响。2. 2 萃取压力、温度及二者所决定的CO2 密度超临界流体的密度和介电常数随着温度和压力的变化急骤变化，不同压力下，萃取物的范围不同。低压下萃取低分子精油成分(芳香成分) 时，随压力升高可萃取物质的范围随之扩大，但二者并不成线性关系。当压力增大至一定程度时，溶解能力增加缓慢。同时，压力要受设备投资、安全及生产成本的限制。因而，实际生产中也不能仅为提高产率而无限制地升高压力，应考虑产品资源和操作整体参数等综合指标。2. 3 CO2 流量、萃取时间及夹带剂CO2 流量可以明显的影响超临界萃取动力学过程。在较低的CO2 流速下就可以达到平衡溶解度，但由于粘度一定时传质系数的限制会导致低萃取率。而当CO2 流量增加时，SC-CO2通过料层速度加快，与料液的接触搅拌作用增强，传质系数和接触面积都相应增加，促进了SC-CO2 的溶解能力，同时可以相对缩短萃取时间。但流量过大时，SC-CO2 在釜内的停留时间相对减少，使溶质与溶剂CO2 来不及充分作用，产品提取率的提高受到制约，导致CO2 耗量增加，提高生产成本。所以在实际处理过程中，必须综合考虑,通过一系列实验选择合适的流量。夹带剂，又称提携剂、共溶剂，它的少量加入能明显改变SCF 体系的相行为，特别是可以增大某些在SCF 中溶解度很小的物质的溶解度，同时也可降低SCF 的操作压力或减少SCF 的用量。但夹带剂的使用会因萃取物中夹带剂的分离及残渣中夹带剂的回收而增加设备及能耗。因而，是否选用夹带剂及添加种类、数量等问题都应慎重决定。2. 4 分离压力及分离温度萃取过程之后,就必须使SCF的密度降低12，以选择性地使萃取物在分离器中分离出来。实施此分离,一般有三种调节手段：恒压升温或恒温降压,或者降压升温13，具体的优化操作条件必须通过具体实验求得。在分离压力不变时，随着分离过程温度的升高，CO2 携带物质的能力降低，很容易地将萃取物质分离出来。但选择性分离较差，不易得到纯度较高的单一物质，最后产品纯化过程复杂、损失大，导致最终产品收率并不高，而且温度愈高、挥发性强的物质随CO2 散失的可能性越大，亦对热敏性成分不利。为了得到较纯净的萃取物，或含挥发性成分较多的产物，及保护热敏性物质，都需控制比较合适的分离温度。随着分离工作压力的降低，SC-CO2 的密度发生变化，从而使已溶解在其中的萃取物在进入分离釜后因压力的降低而实现分离，但随着工作压力的降低，分离率有趋向平衡之势。分离压力不同,萃取物的化学组分也会有一定的差异。对于用单级分离效果不佳的萃取物，应考虑进行两级甚至多级分离。3超临界流体萃取在食品工业中的应用目前，超临界二氧化碳在食品工业中的应用虽然仅有2030年的历史，但其发展速度却十分迅速。迄今为止，超临界二氧化碳在食品工业中的应用及研究主要集中在油脂工业、天然产物活性成分提取、农药分析残留等三大大方面。3. 1 超临界流体萃取在油脂工业中的应用超临界萃取技术在油脂工业中的应用情况，包括在油脂提取、磷脂的分离、不饱和脂肪酸分离、油脂精炼、天然色素提取、天然抗氧化剂提取、甾醇提取等中的应用14。超临界萃取由于在低温和无氧情况下操作，可以分离、精制各种热敏和易氧化的组分，特别适应于一些功能性油脂的提取，保护生理活性物质的活性。许多学者对超临界流体萃取动植物油脂进行了研究，例如超临界CO2 萃取方法提取鱼油、蛋黄油、小麦胚芽油、肉桂挥发油、桂花油等。实践证明通过超临界萃取的植物油在外观性状、产率、理化指标及氧化稳定性上都优于传统提取方法。张素华用超临界CO2 萃取法萃取、分离等工艺得到的沙棘油，与溶剂法相比，所得沙棘油酸价低。Hardardottiretal 用SC-CO2 从鱼肉中萃取鱼油，得到78 %的油脂,而用添加了10 %乙醇的SC - CO2 萃取得到97 %的油脂15。Mchihat 等16用SC-CO2 从经冷冻的鱿鱼调味品废料中萃取油脂，得率为22 % ，所得的油脂含多种不饱和脂肪酸,主要为DHA(22. 7 %) 和EPA(8. 94 %) ,脂肪酸的萃取总量高于用三氯甲烷甲醇抽提所得的油脂。3.2超临界二氧化碳萃取技术在天然产物活性成分提取上的应用目前， 临界萃取技术用于提取生物活性成分的报道不断出现，已涉及到几大类天然化合物包括挥发油、苷类、多糖、萜类、生物碱、黄酮、单宁、甾体及有机酸等，引起了人们的极大兴趣。郭红祥、张慧珍17等从萃取率、萃取时间、萃取油成分及外观颜色等方面比较了超临界CO2萃取方法和水蒸汽蒸馏萃取法，结果表明，超临界CO2萃取方法操作自动化程度高，不仅萃取能力强，而且能方便有选择性地萃取所需成分，更适合于热敏性、易氧化物质成分的提取。黄欣、苏乐群等18比较超临界流体萃取法和醇回流法提取元胡有效成分的优劣，结果表明SFE(CO2)法较回流法提取不会改变元胡中的生物碱类成分，且得到的产物纯度高、杂质少，适合下一步的制剂开发研究。王丽杰、张东杰19研究了超临界CO2流体萃取平贝母中总生物碱的工艺， 正交试验得到萃取平贝母中总生物碱的最佳萃取条件为萃取压力20MPa、乙醇用量300mL、萃取时间2h、萃取温度45在此条件下总生物碱萃取率为0.217%。王晓丹、史桂云20分别采用水提取法、传统乙醇提取法、微波提取法、超临界CO2萃取法提取柿叶总黄酮， 结果表明超临界CO2萃取法提取总黄酮含量最高，且得到的萃取物纯净，色泽金黄，纯度高，无异味。韩志慧、张景伟21分别采用无水乙醇回流提取、无水乙醇回流-正丁醇萃取、体积分数为70乙醇回流提取、体积分数为70乙醇回流提取-正丁醇萃取、水提取、超声波提取和超临界CO2提取方法，结果表明，不同提取方法对皂苷含量有较大的影响， 超临界CO2提取技术无溶剂残留， 操作温度低， 对环境友好， 提取效率高， 皂苷含量是传统溶剂提取的1.5-2.0 倍，有较好的应用前景。3.3 超临界流体萃取技术在农药残留分析上的应用22农药残留分析包括对样品的提取、净化、浓缩、检测等步骤，其中提取和分离净化是分析的关键环节。传统的农药残留分析中，样品的前处理大多采用有机溶剂提取处理时间长，提取效率低。1986年Capriel 等开始将SFE 技术应用于农药残留分析23, 20 世纪90 年代, 众多研究者分别就植物样品、动物组织、果实、土壤、水等样品中多种杀虫剂、杀菌剂和除草剂进行萃取, 得到了较为理想的结果 24-29 。Seidel 等研究认为可以将SFE 和Soxhlet 萃取法并列为分析的首要方法 30 。我国在这方面的研究远远落后于西方发达国家, 目前仅见温可可等 31 和邱月明等 32 对食品中有机磷、有机氯和氨基甲酸酯类等16 种农药萃取的报道。4超临界流体萃取技术与其他技术的联用4.1超临界流体色谱(SFC)超临界流体色谱将SCF 用于色谱技术便发展形成了超临界流体色谱，它揉合了GC的高速高效和HPLC 的高选择性，成为分析难挥发、易热解高分子物质的有效快速方法。SFC 广泛用于食品、天然产物等的分析，除可配备GC、HPLC 的各种检测器外，还可与质谱、傅立叶变换红外光谱等联用，大大提高了检测的灵敏度和分辨率,拓宽了应用范围，为分析热不稳定和高相对分子质量的化合物提供了重要手段33-34 。SFC 还被用于手性对映体的分离, 如Williams35等研究了各种色谱参数对分离的影响和在不同手性固定相上的分离情况。任其龙36等用超临界流体色谱分离了二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸。SFC 的发展趋势是将HPLC 中研究成熟的各种填充柱用于SFC 来分离一些中等极性的样品。4.2 超临界流体萃取与气相色谱的联用SFE 和GC 的联用是通过一根毛细管限流器对SFE进行降压，然后低温捕集萃取物，再快速升温切换进样而实现的。接口方法有柱头进样式，即将SFE 流出物减压后通过将萃取池限流器插入常规柱头进样口直接进入GC 柱Hansen37利用这种模式分析了大气溶胶中的有机物。成规分流/ 无分流进样器。它克服了柱头进样式的缺点,可用于大样品量( 15 g) 、含水分和脂肪的样品。使用外接GC 的积蓄器。所有气态流出物均引入毛细管中，增加了萃取时间和共萃取效应。但是有局限性，如非惰性的不锈钢限流器不利于痕量分析，需要经常更换弹性毛细管限流器，所有气态流出物均引入毛细管中，增加了萃取时间和共萃取效应。4.3 超临界流体萃取与超临界流体色谱的联用SFE-SFC 直接联用在大分子分析中较具优势，在环境有机污染物和其它方面也很有发展前途。Zegers 等38用N2 干燥的C18前置柱从水中萃取有机磷杀虫剂，样品用CO2 在15000kPa 时萃取并运送到填充柱。Daimon39等设计了一种SFE与毛细管SFC的联用体系，对含有长链烃类、脂肪类和醇类的样品有较好的分离检测结果。4.4 超临界萃取色谱与毛细管电泳的联用该联用技术能避免了CE分离过程产生的蒸气。通过与毛细管管壁附近的剪切层的径向质量传质增大，能使体系总的谱带变宽减小。电泳淌度随分子扩散线性增大提供了快速分离的基础。缺点是在传质不限定的情况下，可能导致区带展宽，需要比较复杂的高压设备。4.5 超临界流体色谱与高效液相毛细管色谱的联用SFE-HPLC 具有高选择性、高灵敏度、自动程度高等特点。Ischi 等40采用4个六通阀设计联用体系，用于萃取模拟芳香族化合物；Stahl41用SFE -TLC 联用，超临界CO2 和N2O 作流相分析了大量天然产物，如咖啡、辣椒、维生素和生物碱等。操作简单、快速，完成动态分析过程。4.6 SFC 与FTIR 技术的联用SFC 和FTIR 的联用技术尚处于发展阶段，但是已经显示出优越性,使分离和鉴定难挥发、易热分解复杂有机物的有效手段,特点是灵敏度高，可以根据色谱要求选用各种流动相，所得谱图为凝聚相光谱图，有利于进行谱图解析和检索。现在HPLC/ FTIR操作已经开始被SFC/ FTIR 所取代。Raynor42等选用多种超临界流体萃取焦煤油、沥青等样品,用SFC/FTIR 分析了其中的稠环芳烃,显示了对异构体强大的分离鉴定能力。 经过近几十年的不懈努力，人们对于超临界流体技术已有了深刻的认识，出现了许多新兴的而且是十分诱人的应用领域。可以相信，超临界流体技术作为一种新兴技术必然会对人类的生产和生活方式产生更为深刻的影响，但同时也应看到超临界流体技术特别是在化学反应的应用方面还有许多我们没有了解的地方,尚需进一步研究。对超临界流体中化学反应应有更多的原位检测手段，如红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射等。对超临界流体本身性质的研究也要从宏观性质如相平衡、溶剂化作用等深入到微观领域，同时也要用量子化学来计算、神经网络等手段模拟超临界流体的分子结构和应用43-44 开发新的体系以拓展SFE 的应用范围，反应与SFE 结合、SFE 与精馏结合、膜分离与SFE 结合及吸附45与SFE 结合等集成技术是值得注意的研究方向。参考文献：1 刘志伟. 超临界流体萃取技术及其在食品工业中的研究进展J.食品研究与开发,2004，4 （25）:3-6.2 Hannay J. 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