超臨界CO2萃取技術在食品工業(yè)的應用研究

◎ 郭曉雙，姚 冬，王江潔，王營娟，張艷霞

（蘭考三農職業(yè)學院，河南 開封 475300）

1 超臨界CO2萃取技術簡介

1.1 技術原理

該技術是在一定壓強、溫度條件下，將處于超臨界狀態(tài)的CO2與待純化分離的成分接觸，通過控制壓力和溫度對超臨界CO2流體的溶解度進行影響，使其按照待分離物質的極性、沸點以及分子量的不同，有選擇性地依次進行萃取從而分離[1]。

1.2 技術優(yōu)勢及主要特點

（1）超臨界CO2的沸點為327 ℃，對大多數有機物質都有較好的溶解能力。

（2）CO2作為一種介質能與許多化合物（如：脂肪酸、醇、有機酸等）在溫度（200～ 1 000 ℃）、壓力及時間的影響下發(fā)生化學反應，從而使物料中某些成分得以分離出來。

（3）萃取溫度為30～50 ℃，壓力為25～200 MPa，萃取時間可以從數小時到數分鐘。

（4）萃取物中大部分成分是溶解在有機溶劑里的，通過超臨界CO2來分離某些特定的植物原料，不僅可以獲得所需的產品，而且可以得到高純度、高質量的天然產物。

（5）利用超臨界CO2溶解和擴散系數大，在溫度較高、壓力較大下可作為溶劑等特點，在萃取過程中可以對各種植物原料進行預處理[2]。例如，熱、酸及酶等引起的化學變化而影響有效成分的提取效果等。

（6）CO2是一種氣體溶劑，既無水及有機溶劑帶來的副作用，又能把多種有機物同時萃取出來。

（7）對食品原料而言，既不破壞食品中營養(yǎng)物質，又可去除食品中殘留在原料中的各種化學物質，以避免對人體健康產生危害。

（8）操作安全可靠，萃取過程在兩相體系下進行不會發(fā)生化學反應或非催化反應。

（9）分離成本低，CO2作為超臨界流體沒有任何壓力損失（因而設備溫度不需要很高，只需2～30 ℃之間）。

1.3 工藝流程

（1）超臨界CO2流體萃取技術的工藝流程與傳統(tǒng)提取方法基本一致，包括萃取單元和分離單元。

（2）萃取單元由3部分組成。首先，將待萃取物與適當壓力下的CO2混合后，使其在設備中處于超臨界狀態(tài)；其次，將所得混合物在壓力下加入適當溶劑；最后，將混合物從設備中抽出并分離出萃取物。

（3）分離單元由2部分組成。①超臨界CO2流體的分離，該過程是在超臨界狀態(tài)下使萃取物與溶劑一起進入分離器，分離出所需萃取物的一種過程。其主要包含氣體和液體的夾帶和分離、萃取單元中的再夾帶、動態(tài)萃取系統(tǒng)以及傳質單元等。②分離器部分主要由萃取塔、過濾器、閥組和控制閥等3部分構成；分離器操作單元，主要包括冷凝器和貯藏器2個部分。冷凝器內能夠使所選溶劑在塔內冷凝升華；貯藏器內將萃取物轉移至貯藏容器中[3]。

（4）超臨界CO2流體對原料有選擇性萃取作用，而溶劑不能從萃取物中分離出來。其主要表現為：①溶劑對不同原料的選擇性萃取作用。如對熱穩(wěn)定性差的植物原料如薄荷提取有效成分時，由于溫度高、壓力大會影響產物的提取率。②溶劑與原料不同成分間的相互作用。當采用異丙醇為溶劑進行超臨界CO2流體萃取時，由于其易揮發(fā)性會將某些成分溶解掉，從而使其不能被有效提取。③溶質在分離器內與溶劑混合后再從分離器中排出。在超臨界CO2流體分離技術中通常采用蒸汽噴霧法進行夾帶。

2 在食品中的應用

2.1 油脂與脂類的萃取

超臨界CO2流體萃取技術是近20年發(fā)展起來的一種新型加工技術，它與傳統(tǒng)的熱反應法相比，具有操作安全、條件溫和、無污染及不破壞油脂色澤和化學性質等優(yōu)點，因而受到人們的廣泛關注。

利用超臨界CO2流體萃取技術對油脂進行提取時，當溫度達到31.5 ℃時，就會發(fā)生皂化現象；當溫度超過50 ℃時則會發(fā)生氧化反應[4]。由于超臨界CO2流體具有高壓力、高溫度的特點（常壓下為其臨界點），因此，其能實現更低壓力、更低溫度（常壓下為其臨界點）條件下對油脂進行萃取。這一優(yōu)點是一般溶劑所不具有的。同時，超臨界CO2流體密度?。?.45 kg/m3）、比空氣輕，這樣就可以使油脂中的脂肪分散開來，有效地提取油脂中的某些成分。傳統(tǒng)的熱反應法大多需要加熱到400～600 ℃才能實現皂化反應，采用超臨界CO2流體萃取技術后其溫度則不受限制。另外，超臨界CO2流體在萃取過程中不會發(fā)生化學變化或化學反應，因此它不會對油脂成分和理化性質造成影響。

研究表明，超臨界CO2流體能快速而完全地從油脂中萃取出飽和脂肪、游離脂肪酸脂等多種油脂組分，以及其中所含的微量成分（如磷脂、維生素E）和多種不飽和脂肪酸等營養(yǎng)成分[5]。此外，還能有效地從天然植物油、植物膠、乳化劑以及許多其他化合物中萃取這些化合物。

2.2 天然色素萃取

天然色素是指從植物中提取的天然物質，具有色、香、味和營養(yǎng)價值等特點，常見的天然色素有花青素、類胡蘿卜素等。

天然色素提取工藝主要包括溶劑萃取法和超臨界流體萃取法等。超臨界流體萃取法是將化合物置于超臨界流體（約5～10 MPa）中，在壓力和溫度下，通過分段分離，使其在固態(tài)和液態(tài)之間轉換，然后將天然色素萃取物除去溶劑，再采用適當的方法進行分離。該方法具有提取率高、產品純度好、操作簡便等優(yōu)點。

超臨界CO2萃取技術是將含有揮發(fā)性成分的化合物和天然色素作為超臨界流體在溫度、壓力和時間一定時的混合物，通過預實驗得到合理的提取條件；在此條件下可將揮發(fā)性化合物提取出來；經過分離處理后，得到純物質（即目標產品）。超臨界CO2萃取技術具有分離速度快、提取率高、回收率高等特點，成為提取這類色素的理想方法之一。

2.3 芳香物質的提取與分離

超臨界CO2萃取技術被廣泛應用于食品工業(yè)中芳香物質的提取與分離，如香精、香料等。Langmuir吸附模型是超臨界萃取技術用于香精和香料分析的主要模型，該模型假設隨著待分離物質和目標化合物濃度的變化而改變，也隨著時間而變化。研究表明[6]，以超臨界CO2萃取方法從天然香料中分離出2種揮發(fā)性成分，一種是薄荷油（3-辛烯醛），另一種是香葉醇。

2.4 植物活性成分的萃取和分離

超臨界萃取技術應用于植物活性成分的提取，是將超臨界流體技術與傳統(tǒng)的溶劑萃取相結合的一種新型提取分離方法，應用超臨界CO2流體作為萃取劑，可提高提取物中活性物質的含量及純度，且不影響目標物質的理化性質。由于超臨界流體具有較大的密度和黏度，故易于從溶液中分離出溶劑而不會發(fā)生沉淀或結塊。

Technology等研究了山奈酚在不同條件下的萃取行為，結果表明，在較低壓力和溫度下使用CO2作為萃取介質，可提高山奈酚的萃取率，同時發(fā)現在溫度為60 ℃、CO2壓力為4 MPa時，山奈酚萃取率最高。此外，還研究了超臨界CO2萃取山奈酚提取物中其他活性成分（黃酮、皂苷、氨基酸、多糖和蛋白質）的影響，結果表明，超臨界CO2流體萃取技術能有效提取植物中黃酮類活性成分[7]。

3 未來研究方向及展望

3.1 未來研究方向

超臨界CO2萃取技術在食品領域應用較廣，已逐漸成為食品行業(yè)中的一種新型加工技術，但仍有許多方面需要加強。從超臨界CO2萃取過程出發(fā)，未來研究可從以下方面進行。

（1）根據實際需求選擇合適的超臨界CO2萃取設備。隨著食品工業(yè)的發(fā)展，對超臨界CO2萃取技術提出了更高的要求。為使其更好地應用于食品工業(yè)，必須滿足實際生產和操作需求。選擇合適設備對提高工藝效率和產品質量具有重要作用，因而在設備選擇方面應該考慮實際需要。

（2）加強超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化研究。隨著科學技術的發(fā)展，超臨界CO2萃取技術在食品領域的應用也越來越廣泛。現有工藝雖然得到了充分驗證和應用，但仍存在如下不足。①超臨界CO2萃取過程中提取效率較低。②現有工藝的過程參數難以滿足食品加工實際生產需求。

（3）提高產品質量是超臨界CO2萃取技術在食品工業(yè)中應用的關鍵因素之一。為提高萃取物在產品中的有效成分含量及產品品質，可通過對提取分離步驟進行優(yōu)化，從而實現多目標提取物（如色素、皂苷等）的同步分離提取。

（4）如何利用現有技術或設備研發(fā)新型設備以適應實際生產需要，是未來需要解決的問題之一。在提取效率、提高產品質量、降低生產成本等方面的研究尚不成熟，現有設備也有待進一步完善優(yōu)化。

（5）利用現有技術研發(fā)新型設備是重要研究方向之一。目前已有多項新型設備問世，但仍存在很多不足之處，還需要進一步完善優(yōu)化。

3.2 展望

超臨界流體萃取技術作為一種綠色、環(huán)保的萃取技術，是一種新型分離技術，它可以快速地從天然產物中提取有效成分，同時，可以在一定程度上避免溶劑對環(huán)境的污染。超臨界CO2萃取技術與其他分離方法相比，具有工藝流程短、效率高、設備投資少、操作條件溫和、無二次污染等優(yōu)點。

（1）超臨界CO2流體萃取技術應用于食品工業(yè)的優(yōu)勢主要在于其良好的物理特性和化學特性。此外，該技術還具有其獨特的優(yōu)點，即利用超臨界CO2流體作為萃取劑時無溶劑殘留、萃取效率高（特別是熱敏性成分）、能耗低等。隨著其在食品工業(yè)中的不斷應用，為提高生產效率和降低能耗提供了一種新方法。

（2）在超臨界CO2流體萃取過程中存在兩個主要問題：①原料在生產過程中不可避免地會出現一些不完善之處。②由于壓力或溫度的波動而引起體系組分變化所造成的壓力和溫度分布不均勻。因此，有必要進一步研究超臨界流體萃取過程中不均勻體系組分分布變化規(guī)律。

4 結語

綜上所述，盡管超臨界CO2流體萃取技術在食品工業(yè)方面具有許多優(yōu)點，但仍然存在一些問題需要進一步改進：①對于某些成分的超臨界CO2流體提取效率低。②某些成分在超臨界CO2流體中無法達到分離的目的。③目前所用的超臨界CO2萃取裝置為一次性裝置，其價格昂貴。④對生產設備要求嚴格，需要專業(yè)技術人員進行維護和保養(yǎng)。⑤對于一些難以提取的成分，如天然色素、多酚類物質等提取率較低。