超临界二氧化碳在萃取植物油脂中的应用.docx

超临界CO2在萃取植物油脂中的应用摘要：对超临界CO2萃取技术的原理、应用范围、特点、分类和国内外研究现状进行了介绍,综述了超临界CO2萃取在植物油脂提取中的应用情况,讨论了萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流量、原料物性(粒度、含水量)、夹带剂等因素对植物油脂萃取率的影响,可为确定植物油脂超临界萃取的最佳考察因素及其水平提供参考;同时也分析了超临界CO2萃取技术的局限性及存在的问题,并对其在植物油脂萃取方面的应用前景进行了展望。关键词：超临界CO2萃取技术；植物油脂；应用进展Abstract：The principle, application, characteristics, classification and research status of supercritical CO2 extraction are introduced,The application of supercritical CO2 extraction in vegetable oil extraction was reviewed,The effects of extraction pressure, extraction temperature, extraction time, CO2 flow, material properties (particle size, water content), entrainer and other factors on the extraction rate of vegetable oil were discussed,It can be used as a reference to determine the optimum factor and level of supercritical extraction of vegetable oil,The limitations and problems of supercritical CO2 extraction were also analyzed, and the prospect of its application in vegetable oil extraction was prospected.Key words：supercritical CO2 extraction technology;vegetable oils and fats;application progress植物油脂是人体必需脂肪酸的主要来源，同时也是食品、香料、化工等的重要原料。随着新的植物油脂资源的不断开发及其生理功能和作用逐渐被揭示，人们越来越重视油脂的萃取工艺方法的选择1。目前植物油脂制取方法主要有机械压榨法、溶剂浸出法、超临界流体萃取法及水代法等。超临界CO2(SC-CO2)萃取技术是目前国内外竞相研究开发的新一代高效分离及分析技术,因其具有良好的溶剂性质,被广泛地应用于植物油脂的提取2。1 SC-CO2萃取技术在超临界流体中, CO2因其临界压力(7.38MPa)和临界温度(31. 3)都较低，较容易达到超临界态而成为一种最常用的有机物萃取剂。利用SC-CO2作为溶剂萃取植物油脂，与传统的油脂萃取技术相比，具有以下优势和特点3-6：CO2是一种不燃烧、无毒、资源丰富、易得、价格低廉、环境友好的溶剂，具有生产安全性，而且SC-CO2具较高的扩散性、溶解能力强。选择性好。CO2的溶解能力可以通过调节温度和压力控制，从而有选择性地萃取目的产品，减小杂质并使目的产品的有效成分高度富集，改善产品质量和外观，且工艺简单，省时省力，三废污染少。CO2在常温常压下为气体，所得产品无有机溶剂残留。低温操作，保护活性物质的生理活性，能取得有效成分稳定、质量较高的产品。在植物油脂的提取过程中能较好地保护蛋白质成分，有利于蛋白质的利用。通过SC-CO2得到的油脂含磷少，色泽浅，后处理中可省去脱胶脱色；通过工艺调整，除去大部分游离脂肪酸，从而省去脱酸步骤，不仅简化了工艺，还避免了营养成分在精炼过程中的损失。2 SC-CO2萃取技术在植物油脂提取中的应用自第1台商业化SC-CO2萃取仪器进入市场起，SC-CO2便被不断地应用于植物油脂的提取。最初的提取多为植物原料的简单萃取，几乎得不到高纯度的产品。后来为了得到纯度较高的高附加值产品，对超临界流体萃取技术的研究越来越多。发达国家如德国、法国等在这方面做了很多研究工作，目前研究的体系有甾醇、维生素E、柑橘油和各种不饱和脂肪酸，研究内容有相平衡、理论级计算、理论塔板高度和传质单元高度的确定，工艺操作条件的优选，萃取柱内的浓度分布、能耗估算、萃取柱设计、过程工艺与设备的数学模拟等。国内这方面的研究起步于20世纪80年代初，在几十年的研究中也取得了极大地进步。但由于超临界流体萃取技术在工艺、设备和工程上尚存在许多难点及受国内行业综合技术水平的限制，与世界先进水平相比，我国的超临界流体萃取技术、设备质量还不够高，测量手段也较为落后，在研究的深度和广度上都与国外有相当大的差距，开发利用和研究的空间很大。近年来，各国对超临界流体萃取具有高附加值植物油脂的理论研究和应用方面进行了有益的探索并取得较大进展，其中研究的重点是影响萃取的因素、模型的建立、成分的分析及工艺条件的优化等，并开始由实验室、小批量向工业化阶段转变7-10，萃取对象包括了多种植物油料以及许多含有挥发油等成分的药用植物原料。多年来各国在应用SC-CO2技术提取植物油脂及其他高附加值脂类过程中，取得了较为成熟的技术认知：含有大量多不饱和脂肪酸的植物油脂其SC-CO2萃取条件一般较为温和，压力2030MPa，温度3545;因脂类在SC-CO2中溶解度较低，故必须采用较高的CO2流量和较长的萃取时间，选取合适的夹带剂以提高溶解度；原料粉碎粒度一般为4060目，水分含量小于5%；富含生物碱的物质提取时常使用夹带剂(如76%乙醇或95%乙醇)以提高萃取率，缩短萃取时间。3 影响超临界萃取效果的因素3.1 原料的粉碎粒度和水分含量物料的含水量较高时，容易在物料的表面形成一层水膜，既不利于溶质的溶出，也不利于CO2等溶剂的进入，使超临界流体萃取变得困难,同时高水分含量易使物料结块,增加了传质阻力，而使萃取时间延长，萃取率下降。然而，水分含量也不是越低越好。有研究表明，适当的水分含量有利于SC- CO2等溶剂的扩散及传质，有利于油脂在SC- CO2等溶剂中的溶解，这可能是一定量的水分溶解在高压的CO2等溶剂中起到了携带剂的作用，促进了油脂的溶解，当水含量低时，这种促进作用较小，油脂的萃取速率降低。物料的粒度也是影响萃取率的重要因素。在萃取压力、温度、超临界流体溶剂流量等不变的条件下，物料粒度越小，流体与原料的接触表面积越大，萃取率也越高。但当粒度达到一定值后，在高压力下，很细的物料会堆积在一起形成很硬的结块,阻止了流体与物料的接触，使得萃取率下降。在超临界流体萃取技术中，萃取前要对原料进行预处理，使原料达到合适的粉碎粒度和水分含量。3.2 压力、温度对萃取效果的影响萃取压力是超临界萃取过程中最重要的操作参数。增加压力不但会增加溶剂的密度，还会减少分子间传质的距离，增加溶质与溶剂之间的传质效率，利于萃取。但不能为了提高萃取率而无限制地增大压力，因为到达一定程度以后，随着压力增大而萃取率变化不大，而且增大压力也会增加成本。萃取温度是影响超临界流体密度的另一个重要参数，升温一方面增加了物质的扩散系数而有利于萃取，另一方面却因降低了超临界流体的密度，使物质的溶解度降低而不利于萃取。因此，升温有可能造成萃取率增加、不变或降低，它决定于升温所降低的超临界流体密度与增加的扩散系数2种竞争效应相持的结果。3.3 超临界流体流量和萃取时间对萃取效果的影响超临界流体如CO2等的流量对萃取率的影响也很大。一方面，增大CO2等的流量可以加快溶剂与溶质而利于萃取；另一方面却减少了溶剂与溶质的接触面积而对萃取不利。时间对萃取率的影响也较大。随着萃取时间的延长，萃取率提高；但达到一定时间以后，萃取率的变化不大。而且,萃取时间的延长是以电力、压力、设备损耗等为代价的。因此，在实际的应用中，要选择合适的流量和萃取时间，既保证高的萃取率，又要尽量降低成本。3.4 夹带剂对萃取效果的影响夹带剂是指超临界流体气体中加入的一种少量的可与之混溶的、挥发性介于被分离物质与超临界组分之间的物质，通常能使SCF( 超临界流体)的萃取能力增强，操作压力也将得以降低，这不仅对降低能耗有很大意义，而且可以使设备的设计压力降低，大大节省设备投资。然而某些夹带剂在提高SFE的萃取力时也降低了SFE的选择性。4 SC-CO2萃取技术的局限性及存在的问题目前，SC-CO2萃取技术在各方面的应用正日益受到前所未有的重视，它在理论上和应用上都已经被证明了具有广阔的前景。但是作为一种新技术，SC-CO2萃取也有其局限性。首先，SC-CO2萃取技术较适合于亲脂性的和相对分子质量较小的物质的萃取，但是它对极性偏大或相对分子质量偏大的有效成分的提取效率却较差，还需要加入合适的夹带剂。而夹带剂在产品中有可能残留，这就会影响产品的质量，也有违使用SC-CO2萃取技术的本意。另外，SC-CO2提取的油其氧化稳定性要明显低于传统方法生产的油，这是由于SC-CO2提取的油磷脂含量太低的缘故，磷脂本身并无抗氧化能力，但它是抗氧化剂生育酚的显著增效剂。不过此缺点可以通过向油中添加一定的磷脂来克服。其次，夹带剂的正确选择和使用对萃取效果影响甚大，能大大拓宽SC-CO2在生理活性物质萃取上的应用范围，但目前在使用上还缺乏足够的理论方面的研究，可测性差，主要靠实验摸索。另外，SC-CO2萃取技术在应用过程中面临设备须耐高压、密封性好等一次性投资较大的问题，其产品成本较高，普及率较低，难以规模化、企业化，在应用方面也因此受到限制，只能选择附加值高的产品作为萃取对象。并且在油脂提取分离中，由于各种脂肪酸的化学结构非常相近，极性也相当，夹带剂的作用只能使CO2的萃取能力增强，体系操作压力降低而不能改变溶剂极性，提高选择性。此外，超临界技术研究在我国仅仅经历了20多年的发展，很多研究仅限于萃取工艺的改进，对超临界萃取的基础研究不够深入，基础数据不够完善，很多时候以萃取物的得率为指标，未能明确目的产物，导致萃取物的有效物质成分含量低，产品等级就相应降低；对产物的产品质量指标、产品的溶解度等的研究都还很缺乏。5 SC-CO2萃取技术在植物油脂提取中的应用展望超临界技术的发展很快，目前已经突破了单一的对植物中初级油脂的提取。对于超临界流体萃取的研究，也从单一的试验研究发展到对萃取机理、传质动力学的研究及过程的设计与开发、建模与模拟等。与其他高新技术结合使用也是超临界萃取技术发展的一大趋势，如计算机技术、人工智能技术在超临界流体萃取领域的应用，不断地改进超临界萃取系统，使其能够实现自动化在线快速分离分析。同时，随着对SCF性质认识的深入，超临界微粒化、超临界条件下的化学反应、超临界色谱等超临界流体新技术也得到了迅速发展，所涉及的应用范围也在迅速扩大，遍及化工、能源、燃料、医药、食品、香料、环保、海洋化工、生物化工、分析化学等众多领域。随着超临界流体技术问题的不断解决和新技术、新工艺的开发，这一绿色技术必将产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益。参考文献：1徐响, 刘光敏, 高彦祥. 超临界CO2萃取植物籽油的研究进展J. 粮油食品科技, 2008, 16(1): 31-35.2廖传华, 黄镇仁. 超临界CO2流体萃取技术-工艺开发及其应用M. 北京:化学工业出版社,2004: 14- 15.3倪培德. 油脂加工技术M. 北京:化学工业出版社, 2007.4 XIAO J P, FAN C Z. Progress in research of supercritical fluid technology J. Prog Chem, 2001, 13(2): 94-1015PANFILIG, CINQUANTA L, FRATIANNIA, et a.l Extraction ofwheatgerm oilby supercriticalCO2: oil and defatted cake characterization J. J Am Oil Chem Soc,2003, 80(2): 157-161.6REVERCHON E, MARCO ID. Supercritical fluid extraction and fractionation ofnaturalmatterJ. J Supe