大学超临界流体萃取技术在食品工业中的应用.docx

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大学超临界流体萃取技术在食品工业中的应用

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超临界流体萃取技术（SupercriticalFluidExtraction）是近30年发展起来的一种新型分离技术，由于其具有操作方便、能耗低、无污染、分散能力高、制品纯度高、无溶剂残留等优点，被称为“绿色分离技术”。

超临界CO2萃取技术主要应用于香料、食品和医药工业，对于一些用常规方法难以提取及纯化的物质，该方法更能显示其独特的优势。

本论文介绍了超临界CO2萃取技术分离原理、主要优点及发展现状，分析该技术在应用中常遇到的问题，对其发展前景进行了展望。

关键词：

超临界流体萃取技术；超临界CO2流体萃取；食品工业；应用；

超临界流体萃取技术（SupercriticalFluidExtraction）是近30年发展起来的一种新型分离技术，由于其具有操作方便、能耗低、无污染、分散能力高、制品纯度高、无溶剂残留等优点,被称为“绿色分离技术”。

可以作为超临界萃取的介质很多，如二氧化碳、一氧化氮、六氟化硫、已烷、庚烷、氨、二氯二氟甲烷等，其中二氧化碳的超临界温度（Tc=31.3℃）接近室温，且无色无毒、不燃烧爆炸、对大多数的物质不反应、不昂贵、易制成高纯度的气体，故而常做首选的超临界介质。

近年来超临界二氧化碳萃取技术、在食品、医药、化工等领域发展很快,已经初步形成了一个新兴的产业。

最早将超临界CO2萃取技术应用于大规模生产的是美国通用食品公司，之后法、英、德等国也很快将该技术应用于大规模生产中。

90年代初，中国开始了超临界萃取技术的产业化工作，发展速度很快。

实现了超临界流体萃取技术从理论研究、中小水平向大规模产业化的转变，使中国在该领域的研究、应用已同国际接轨，在某些方面达到了国际领先水平。

目前，超临界流体萃取已被广泛应用于从石油渣油中回收油品、从咖啡中提取咖啡因、从啤酒花中提取有效成分等工业中。

1超临界流体萃取技术概述

1.1超临界流体萃取技术的概念

超临界流体萃取技术，是指用超临界流体为溶剂，从固体或液体中萃取可溶组分的传质分离操作。

1.2超临界流体萃取技术的原理

图　加有等密度线的CO2相平衡图

在一定的温度（Tc＝31.3℃）和压强（Pc＝7.158MPa）以上时，CO2将处于超临界状态，这时CO2的物理性质既不完全与液态相似也不完全与气态相似，表现为：

①具有与气态时相当渗透力和低的粘度；②具有与液态相近的密度和优良的溶解能力；

③对溶质的溶解能力取决于密度的大小，压强或温度的微小改变会引起密度发生明显变化，从而导致溶解度发生变化。

超临界CO2萃取技术的分离原理就是控制操作压力和温度，使CO2在超临界状态下从食品原料中萃取并携带出目标组分，然后解除超临界条件，CO2对目标组分的溶解能力立即消失，将目标组分释放出来，从而达到分离的目的。

超临界CO2流体萃取（SFE）分离过程的原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。

在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。

当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以超临界CO2流体萃取过程是由萃取和分离过程组合而成的。

1.3超临界流体萃取技术的优点

（1）可以在接近室温（35-40℃）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。

（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溶媒，同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，是100%的纯天然；

（3）萃取和分离合二为一，当饱含溶解物的CO2-SCF流经分离器时，由于压力下降使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开，不仅萃取效率高而且能耗较少，节约成本；

（4）CO2是一种不活泼的气体，萃取过程不发生化学反应，且属于不燃性气体，无味、无臭、无毒，故安全性好；

（5）CO2价格便宜，纯度高，容易取得，且在生产过程中循环使用，从而降低成本；

（6）压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数。

通过改变温度或压力达到萃取目的。

压力固定，改变温度可将物质分离；反之温度固定，降低压力使萃取物分离，因此工艺简单易掌握，而且萃取速度快。

1.4超临界流体萃取技术的使用范围

（1）萃取速度高与液体萃取，特别适合于固态物质的分离提取；

（2）在接近常温的条件下操作，能耗低于一般精馏发，适合于热敏性物质和易氧化物质的分离；

（3）传热速率快，温度易于控制；

（4）适合于挥发性物质的分离。

2.超临界流体萃取技术在食品工业中的应用

2.1超临界CO2萃取技术在不同食品原料有效成份的分离方面的应用研究

超临界CO2流体萃取技术虽然在食品工业中仅有20-30年的应用历史，但其发展十分迅速。

在日本，通过超临界CO2流体萃取技术加工特种油脂已实现工业化生产。

在欧美国家，该项技术在食品工业中也得到了广泛的应用。

目前，我国超临界CO2流体萃取技术已逐步从研究阶段走向工业化。

而且，该技术主要应用在食品风味与油类物质的提取、食品脱色除臭及灭菌防腐等，如啤酒花、沙棘籽油、小麦胚芽油、卵磷脂、辣椒红色素的提取以及大蒜酶失活、大蒜SOD保留、咖啡碱的脱除及羊肉去膻昧等。

下面列举一些近期该技术在食品工业中的应用实例。

2.1.1植物营养素的萃取

2.1.1.1茶叶咖啡碱的脱除

茶叶中富含的咖啡碱，约占茶叶干物质重的2%～5%，茶浓缩液和速溶茶中的咖啡碱含量则更高。

咖啡碱对人体的新陈代谢有着广泛的影响，有些是有利的，有些是不利的，过量摄入咖啡碱对人体的健康不利。

近年来，低咖啡碱或脱咖啡碱茶及其制品已在欧美国家行销，使得从茶叶中脱除咖啡碱的技术越来越受到重视。

超临界CO2流体萃取技术因其高选择性、无有效成分损失与劣变、无有机溶剂残留，体现出明显的优势。

随着萃取时间的延长、操作压强的增大、操作温度的提高和浓缩液浓度的降低，会导致绿茶浓缩液中咖啡碱的脱除率增大，应确定的较佳工艺参数：

操作压强为30MPa、操作温度为56℃、萃取时间为4h和浓缩液浓度为20%。

2.1.1.2大豆磷脂

大豆磷脂是精炼食用大豆油时得到的一种粘稠的含油很高的毛磷脂，油脂占30%～40%，磷脂占60%～70%。

虽然其营养价值高，但直接用于医药却较困难，而不含油的纯磷脂在食品、医药及化妆品等行业已得到广泛的应用，所以提取高质量的磷脂越来越引起人们的重视。

提取大豆磷脂的方法虽很多，但用超临界CO2提取尚属首次。

2.1.1.3大蒜油

大蒜是人们生活中的重要调味品，其主要风味物质与生理活性物质是大蒜油。

大蒜油在国内外广泛应用于软饮料、冰淇淋、糖果、调味料、焙烤食品、肉类和保健食品及保健药品，因此高质量、高产率大蒜油的提取是大蒜深加工的重要课题。

临界CO2萃取大蒜油工艺与普通萃取法相比萃取率高，产品品质好，具有很好的应用前景。

超临界CO2萃取大蒜油的最佳工艺条件：

萃取压力为14～16Mpa，萃取温度为34～36℃，CO2流量为2L/min，萃取时间为5h以内。

在此条件下，萃取率为80%以上，得率为0.35%～0.40%。

2.1.1.4蛋黄卵磷脂

卵磷脂是一种生命基础物质，对人体而言，蛋黄卵磷脂比大豆卵磷脂更易被人体所接受，并具有更高的生物效价。

卵磷脂也是人体所有细胞膜、核膜、线粒体和肉质网膜等生物膜的基础构成物质，也是人体神经传输纤维的构成物质。

在医学上它可用于治疗动脉粥状硬化、脂肪肝、神经衰弱、营养不良、胆固醇结石和脑血栓老年性痴呆症等。

它在食品工业中也得到了广泛的应用，可作为乳化剂、抗氧化剂、润饰剂、软化剂、分散剂和脱模剂等。

除此之外，它还应用在石油、化工和纺织等行业中。

因此开发高质量、高纯度的卵磷脂具有重要意义。

2.1.1.5胡萝卜素

α－胡萝卜素和β－胡萝卜素除富含作为食品防腐剂的前维生素Ａ活性物质外，在抗癌和降低心脏病危险性方面也有非常显著的效果。

此外，胡萝卜素还是商业食品着色剂。

目前，从藻类物质中提取胡萝卜素多采用有机溶剂（乙烷）提取，这不仅增加了溶剂的费用，而且除去了潜在的有毒残留溶剂。

另外，CO2浓度和物料粒也对β－胡萝卜素的提取有一定影响。

2.1.1.6核桃油

核桃油取自核桃的果仁，因品种不同，核桃的果实含壳、含仁率也有较大的差别。

一般核桃的果仁含油在45～65%之间。

核桃油呈黄绿色，味美，其中不饱和脂肪酸含量在90%以上，且大部分是亚油酸，并含有少量的亚麻酸及油酸等。

亚油酸和亚麻酸都是人体必需的脂肪酸，具有降血脂、助消化和补气血等功效，营养价值较高。

2.1.1.7玉M胚芽油提取

玉M胚芽油的提取是玉M酒精生产过程的重要生产单元。

玉M胚芽油中含有大量人体需要的不饱和脂肪酸、维生素E及β-胡萝卜素等营养成分，对生长发育，滋润皮肤，降低血清胆固醇，预防高血压均有一定功效。

另外还含有人体自身不能合成的“必需”脂肪酸——亚油酸，亚油酸对预防和辅疗心脏病、动脉硬化、糖尿病有一定功效。

传统的玉M胚芽油的生产主要有机榨法和工业己烷浸出法。

机榨法出油率较低，且对油成分影响较大；工业己烷浸出法工艺复杂，且残存的工业己烷对人体有一定的毒副作用。

因此，寻找一种对人体无毒无害的安全溶剂与工艺，以获取高收率和高质量的玉M胚芽油产品，满足人们对食品绿色环保的要求具有一定的现实意义。

与传统的机榨法和溶剂浸出法相比，超临界CO2萃取法具有很多的优势，提取的玉M油的质量不经过深加工就已经达到了精炼油的标准。

适宜的萃取工艺条件为：

压力25～30MPa，萃取温度为45℃，萃取时间3h。

2.1.2食用色素

食用色素包括合成色素和天然色素，是主要的食品添加剂之一，得到越来越广泛的应用。

但是，随着科学技术的发展，人类对于自身健康的重视和检测能力有了进一步提高，已经发现合成色素有很多不安全的因素，长期使用会严重危害人类的健康，所以食用天然色素越来越受到人们的青睐。

近年来，我国食用天然色素有了很大发展，全国生产天然色素的企业已达数十家，年产量和使用量也有了大幅提高。

2.1.3天然抗氧化剂的提取

许多研究表明超临界萃取技术可以较好的提取植物原料中的类胡萝卜素、维生素E、多酚等天然抗氧化剂，避免了传统方法的溶剂量大、作用时间长、氧化损失等缺点。

例如利用超临界萃取技术可以提取从玉M蛋白粉中提取类胡萝卜素、从油脚或油脂脱臭馏出物中提取天然维生素E技术现在都比较成熟。

2.2超临界CO2技术与其他分离技术的联用

尿素包接可除去脱臭馏出物中的大部分饱和游离脂肪酸，为超临界CO2萃取提供良好原料。

3超临界流体萃取技术存在的问题

超临界CO2萃取技术并非是完美的，也存在着自身不可克服的问题，具体表现为：

①对极性大、分子量超过500种物质，需要夹带剂或在很高的压力下进行，这就需要选择合适的夹带剂或增加高压设备；②对于成分复杂的原料，单独采用SPE—CO2技术往往满足不了纯度的要求，需要与其他分离手段联用；③CO2的临界压力偏高，这就增加了设备的固定投资；④超临界分离设备在萃取釜的密封、快开结构、疲劳设计和装卸料的自动化等方面还不够完善。

4超临界流体萃取技术的发展方向

长期以来，对超临界流体萃取技术的产业化，主要是单纯超临界CO2的间隙式萃取，处理的物料也多以固体植物为主，得到的几乎都是粗提混合物。

为了得到高纯度的产品，德国、日本、澳大利亚、意大利等国用于精制天然维生素E、精油脱萜、提取高纯度的不饱和脂肪酸等；法国用于从啤酒及葡萄酒中分离乙醇制备无醇啤酒及无醇葡萄酒。

超临界多元流体和在超临界流体中添加夹带剂，具有从量变到质变的区别，具体体现在超临界多元流体的分步选择性萃取、重组萃取及精馏萃取新工艺，可用于复方中成药、民族药新制剂的加工，保健食品的加工，烟草深加工，茶叶深加工，海洋生物资源深加工。

由于超临界CO2萃取分离技术是一项获得健康、安全高品质产品和对环境友好的高新技术。

随着人们对自身健康的重视和环境意识的日益加强，以及世界各地对食品管理卫生越来越严格的趋势，预计超临界CO2萃取分离技术在今后将得到广泛的应用，超临界CO2萃取产品也将成为人们首选的健康食品。

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