多種因素影響下的超高壓提取工藝改良及應(yīng)用研究

邵怡嘉，張志祥，尚海濤，王匯川，凌建剛

超高壓提取 （High pressure extraction，HPE），是指將100 MPa以上的流體靜壓力作用于待提取的物質(zhì)，在保壓幾分鐘直至細(xì)胞內(nèi)外壓力平衡后迅速卸壓[1]，致使細(xì)胞內(nèi)的有效成分滲透出細(xì)胞膜，轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外的提取液中，從而有效提取目標(biāo)成分的方法[2]。傳統(tǒng)的提取方法主要包括溶劑提取法、升華法和水蒸氣蒸餾法[3]，但這些傳統(tǒng)方法普遍存在著工藝復(fù)雜、產(chǎn)品純度低[4]和提取效率低[5]等諸多問題。針對(duì)傳統(tǒng)提取方法的工藝弊端，有學(xué)者開展了優(yōu)化提取技術(shù)的研究，其中包括提取工藝及其提取技術(shù)的改進(jìn)[6]。目前，新型的提取技術(shù)包括酶提取法[7]、微波提取法[8]、超聲波提取法[9]、酸堿萃取法[10-11]、溶劑浸提法[12]和超高壓提取法等。

超高壓提取技術(shù)作為一種新型的提取技術(shù)，具有提取效率高、雜質(zhì)含量少、提取工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已在食品和藥品加工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。林執(zhí)絢[13]在黃酮的超高壓提取的研究中得出總黃酮的提取得率達(dá)到了50.2%，比傳統(tǒng)方法中的回流方法提高了1.9%，在時(shí)間上也縮短了357 min。馬佩佩等人[14]在研究超高壓提取庫(kù)爾勒香梨多糖的最佳工藝研究中也得出超高壓提取方法與微波法相比較，時(shí)間更短、得率也相對(duì)更高。而且，超高壓提取技術(shù)不會(huì)造成食品溫度上升，可以有效避免高溫引起的有效成分的改變、降解及其生理活性的降低等問題[15]。超高壓技術(shù)對(duì)共價(jià)鍵幾乎無影響，因而對(duì)食品中的許多有效成分，如氨基酸、單糖、小分子色素、維生素及香氣物質(zhì)幾乎沒有破壞作用[16-17]。超高壓可適用的提取范圍廣，利用該項(xiàng)技術(shù)可提取極性、醇溶性、弱極性或非極性等有效成分。同時(shí)，由于整個(gè)超高壓提取環(huán)節(jié)在密閉的環(huán)境中進(jìn)行，因此也可避免提取劑揮發(fā)而造成的環(huán)境污染[18]。

對(duì)超高壓提取技術(shù)的影響因素，提取工藝與改良及其在果蔬、茶葉、中藥領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以期為超高壓提取技術(shù)在食品、藥物等加工領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 超高壓提取的影響因素分析

1.1 溫度對(duì)超高壓提取的影響

超高壓提取與其他提取方法相比，雖然對(duì)溫度的要求相對(duì)較低，但溫度的改變也會(huì)造成提取效果的改變。這是由于較高的溫度能提高分子運(yùn)動(dòng)的速率而有利于溶劑分子滲透入細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)溫度的提高有利于細(xì)胞壁的軟化，減小了被提取物由組織細(xì)胞向外擴(kuò)散的阻力[19]。奚灝鏘等人[20]在研究超高壓提取香菇多糖的研究中發(fā)現(xiàn)，在不同的溫度下設(shè)置料液比1∶30，保壓時(shí)間6 min，壓力300 MPa，多糖得率隨溫度升高呈上升趨勢(shì)，但在溫度到達(dá)50℃后，提取率基本不變。由此可見在一定范圍內(nèi)，溫度的升高會(huì)提高提取物的提取率。杜冰等人[21]在提取靈芝孢子粉多糖的研究也得出了相似的結(jié)論。李宏偉等人[22]在超高壓提取山楂葉中黃酮類化合物時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于40℃時(shí)提取率偏低，而高于40℃后提取率會(huì)有明顯的提高，超過60℃后變化不顯著。雖然在一定范圍內(nèi)溫度的升高可以提高超高壓提取率，但是當(dāng)溫度超過一定范圍后，升高溫度對(duì)物質(zhì)的提取率已影響不大，這是由于溫度升高到一定程度對(duì)分子運(yùn)動(dòng)速率的影響已經(jīng)達(dá)到一定限度，繼續(xù)升高溫度甚至?xí)斐赡承┪镔|(zhì)的降解。因此，在超高壓提取時(shí)應(yīng)尋找到最適宜的提取溫度進(jìn)行提取。

1.2 壓力對(duì)超高壓提取的影響

在一定范圍內(nèi)，增加壓力可以提高提取物的得率。主要原因如下：①增大壓力可以使溶劑向固體組織的滲透速率大大提高[23]；②壓力的提高能促進(jìn)提取物內(nèi)部維持結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵發(fā)生改變，增加化學(xué)平衡的移動(dòng)速率，使有效成分快速溶解，從而縮短提取時(shí)間[24]；③高壓能充分破壞物質(zhì)的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，促使有效成分溶出[25]?？v偉等人[26]在提取金銀花中總黃酮的研究中分別采用不同壓力處理金銀花4 min，料液比1∶12，得出了當(dāng)壓力為0.1～350.0 MPa時(shí)，提取率隨壓力增加而升高的結(jié)論；但當(dāng)壓力高于350 MPa時(shí)，得率反而開始有所下降。這是由于當(dāng)壓力大于一定程度時(shí)，高壓已充分破壞了細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，再提高壓力反而會(huì)使雜質(zhì)釋放而降低提取率。而靳學(xué)遠(yuǎn)等人[27]在超高壓提取桔梗皂苷的研究中也發(fā)現(xiàn)在固定料液比1∶15，粉碎度50目，保壓時(shí)間4 min的條件下桔梗皂苷提取率隨超高壓壓力的增加而明顯增加，且當(dāng)壓力達(dá)到400 MPa時(shí)提取率最高，繼續(xù)增加壓力桔梗皂苷提取率也會(huì)有所下降。一定范圍內(nèi)壓力的提高能夠使提取率有顯著的提高，但是不同提取物最適宜的提取壓力也有著很大的差異，比如在其他條件最適宜的情況下，黃芪甲苷的提取最適壓力為300 MPa[28]，啤酒酵母油脂的最適壓力為400 MPa[29]，桑葉蘆丁的最適壓力為500 MPa[30]。所以，提取率最高時(shí)的壓力也不是一概而論的，應(yīng)針對(duì)不同提取物質(zhì)設(shè)置不同的壓力范圍。

1.3 時(shí)間對(duì)超高壓提取的影響

足夠的保壓時(shí)間能夠保證溶劑溶質(zhì)充分的平衡，且保壓時(shí)間的延長(zhǎng)還會(huì)增加壓力對(duì)物質(zhì)的作用，從而提高提取率[31]。枇杷葉總黃酮超高壓提取研究中將50%的乙醇溶液加入枇杷葉中，并固定料液比1∶20，壓力400 MPa進(jìn)行提取。當(dāng)時(shí)間在4 min以內(nèi)時(shí)總黃酮的提取率隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)提取時(shí)間超過4 min以后，總黃酮的提取率隨時(shí)間的增加基本保持不變。原因可能是4 min以后枇杷葉細(xì)胞已基本破裂，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間對(duì)總黃酮提取率已影響不大[32]。將香梨原漿采用壓力300 MPa，溫度35℃，料液比1∶3的固定條件分別處理1～5 min。發(fā)現(xiàn)在3 min以前，香梨的多糖得率隨時(shí)間的延長(zhǎng)有明顯升高，但當(dāng)時(shí)間超過3 min以后，多糖提取率幾乎不再改變[14]。這是由于當(dāng)時(shí)間較短時(shí)，細(xì)胞剛剛破裂，細(xì)胞內(nèi)外存在的濃度差較大，隨時(shí)間的延長(zhǎng)多糖得率能夠不斷提高，但3 min以后細(xì)胞內(nèi)外濃度基本接近平衡。

由此可知，當(dāng)超高壓提取超過一定時(shí)間后提取率也不再升高。這是由于時(shí)間過長(zhǎng)使保壓時(shí)間已超出溶劑溶質(zhì)的平衡時(shí)間，這之后溶劑中提取物的含量也就不再上升[31]。而且，過長(zhǎng)的處理時(shí)間會(huì)浪費(fèi)更多的能源，使提取的經(jīng)濟(jì)性下降。因此，尋找一個(gè)合適的保壓時(shí)間對(duì)提高提取物提取率具有明顯的作用。

1.4 料液比對(duì)超高壓提取的影響

料液比也是超高壓提取過程中的一個(gè)重要因素。從傳質(zhì)方面來看，溶液的濃度差是傳質(zhì)的一個(gè)重要?jiǎng)恿Γ黾恿弦罕瓤梢允固崛∥镉晒滔啾砻嫦蛞合嘀黧w擴(kuò)散的兩相傳質(zhì)改善，從而提高提取率[33]。劉志臣等人[34]的研究表明，在一定范圍內(nèi)，料液比的增加可以提高物質(zhì)的提取率。提取過程中控制其他條件不變，隨著溶劑用量的增加，洋蔥皮中阿魏酸的提取率會(huì)隨之顯著增加，可見料液比的提高能極大地提高物質(zhì)提取率。但當(dāng)料液比大于1∶20后繼續(xù)增加料液比，得率增加速度相對(duì)緩慢，且過多的溶劑還會(huì)使后續(xù)的濃縮耗能大大增加。岳亞楠等人[35]的研究也得出了相似結(jié)論，超高壓提取蘋果渣中多酚的研究中保持超高壓壓力200 MPa，保壓時(shí)間9 min，當(dāng)料液比1∶5～1∶25時(shí)，蘋果中多酚的提取率隨料液比的增加而增加，但當(dāng)料液比超過1∶25后，多酚提取率反而因料液比的增加而有所下降。從經(jīng)濟(jì)效益與后期濃縮純化等各綜合因素考慮，料液比為1∶25時(shí)蘋果渣中多酚的提取效果最佳。由此可見，增加料液比是工業(yè)超高壓提取中提高提取率的一個(gè)重要手段，但當(dāng)料液比超過一定程度也會(huì)使生產(chǎn)成本過高，后續(xù)處理的工作量加大而造成經(jīng)濟(jì)效益的降低[33]。因此，研究不同提取物超高壓提取時(shí)最適宜的料液比也是亟待解決的問題。

2 超高壓提取工藝及工藝改良

2.1 超高壓提取的工藝流程

超高壓提取過程主要分為以下幾個(gè)步驟：預(yù)處理、升壓、保壓、卸壓、分離純化等[36]。

工藝流程為處理原料→加入溶劑→升壓、保壓、泄壓→殘?jiān)^濾→分離純化→目標(biāo)成分。

在原料的預(yù)處理部分，需要進(jìn)行挑選、清洗、干燥和破碎原料，做好原料的初步準(zhǔn)備，之后與配置好的溶劑混合后等待超高壓提取。超高壓提取分為升壓、保壓和泄壓3個(gè)部分。升壓時(shí)，超高壓儀器施加的巨大壓力使溶劑通過滲透作用在短時(shí)間內(nèi)迅速進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，使細(xì)胞內(nèi)外側(cè)壓力達(dá)到平衡；保壓時(shí)，持續(xù)的高壓使細(xì)胞內(nèi)容物與細(xì)胞內(nèi)部的溶劑充分接觸，而使目標(biāo)成分溶于溶劑；卸壓時(shí)，細(xì)胞外部壓力迅速減小，而細(xì)胞內(nèi)部此時(shí)仍為未卸壓時(shí)壓力，內(nèi)外壓力差瞬時(shí)增大，細(xì)胞膜因壓力差變形至超過極限，細(xì)胞膜破裂，這時(shí)，溶解了目標(biāo)成分的溶劑迅速泄出，完成提取。樣品的后續(xù)處理是將其濾除殘?jiān)筮M(jìn)行分離純化而得到有效成分。分離純化技術(shù)包括高速逆流色譜技術(shù)、醇沉和大孔樹脂吸附分離技術(shù)等[37]。

2.2 超高壓提取的工藝改良

超高壓提取技術(shù)在食品加工提取方面已有了初步的應(yīng)用，但該技術(shù)仍處于起步階段。提取不同物質(zhì)時(shí)，各提取參數(shù)之間的最佳協(xié)同范圍仍需進(jìn)一步確定，且在提取工藝優(yōu)化方面也有著很大的提升空間。李新原等人[38]研究超高壓與超聲波對(duì)藍(lán)靛果多酚提取試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，超高壓提取藍(lán)靛果多酚所用時(shí)間雖短，但受各種條件的影響超高壓提取的效率與提取量仍稍劣于超聲波提取，導(dǎo)致其大規(guī)模應(yīng)用于工廠化生產(chǎn)的可能性較低。在如何有效提高超高壓提取的提取率這一問題上，學(xué)者們也開展了多項(xiàng)研究。謝銀軍等人[39]在提取魚腥草中的多糖時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用100 MPa壓力時(shí)，多糖得率不足4%；而不斷升高壓力至300 MPa時(shí)，多糖得率升高至5.5%左右。宋麗軍等人[40]在研究核桃青皮中多酚的超高壓提取工藝優(yōu)化時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度的升高也能提高多酚的提取率，當(dāng)溫度設(shè)置為40℃時(shí)多酚得率達(dá)到了5.875 mg/g，相比20℃時(shí)，提取得率增加了0.420 mg/g。但是只改變溫度對(duì)提取率的提升效果不明顯，且當(dāng)溫度高于40℃后多酚得率也不再增加。劉志臣等人[34]的研究發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加也可以提高提取率。在乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)洋蔥阿魏酸的提取率僅不到24%，而將乙醇體積分?jǐn)?shù)提高到70%時(shí)阿魏酸的提取率高于了30%。pH值的改變也可以使超高壓提取的得率有所提升，陳瑞戰(zhàn)等人[41]在研究超高壓提取丹參素的研究時(shí)將pH值由7調(diào)至13，丹參素的提取率由不足10%提高到35%。

此外，保壓時(shí)間、料液比等因素的調(diào)整都能提高提取率。若將以上幾個(gè)條件調(diào)至最佳，必定能使提取率有極大的提升。超高壓提取技術(shù)雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但并非單憑此就可完成所有的食品加工，因此也要將其與其他加工工藝相互配合完成。譬如，超高壓提取雖對(duì)生物小分子的結(jié)構(gòu)無影響，但卻會(huì)影響淀粉、蛋白質(zhì)等大分子的立體結(jié)構(gòu)[42]，所以在使用超高壓提取各類物質(zhì)時(shí)，倘若遇到易受高壓影響的大分子物質(zhì)，也要與其他提取方法取長(zhǎng)補(bǔ)短、共同使用。

3 超高壓提取技術(shù)的應(yīng)用

3.1 超高壓提取技術(shù)在果蔬中的應(yīng)用

超高壓提取技術(shù)在果蔬活性成分的提取方面得到了很好的應(yīng)用，主要包括果膠、黃酮、番茄紅素、多酚等成分的提取，并在如何提高提取率、增強(qiáng)提取物抗氧化活性和減少提取時(shí)間等方面進(jìn)行了較多研究。Guo X F等人[43]研究表明，在保壓時(shí)間10 min，壓力500 MPa，溫度55℃的條件下，臍橙皮果膠達(dá)到最高的提取率（20.44%），大大高于微波提取（18.13%）和傳統(tǒng)加熱提?。?5.47%）；提取蘋果多酚的工藝研究表明，在提取溶劑為乙醇體積分?jǐn)?shù)80%，料液比1∶6，壓力200 MPa，保壓時(shí)間2 min的條件下，蘋果多酚提取率和含量是常壓回流提取的1.2倍和1.3倍[44]。靳學(xué)遠(yuǎn)等人[45]在研究超高壓提取番茄紅素的研究中也得到類似的結(jié)論。相比傳統(tǒng)提取方法，超高壓提取荔枝黃酮時(shí)，提取率和提取物的抗氧化活性也有較大提升[46]。在提取柿葉中熊果酸的試驗(yàn)中，董海麗等人[47]采用乙醇體積分?jǐn)?shù)95%，料液比1∶11，提取壓力300 MPa，提取時(shí)間 4.0 min的條件，提取得到的熊果酸得率分別高于超聲波輔助提取法（10.3%）和微波輔助提取法（16.2%），可見超高壓提取十分適用于提取柿葉中熊果酸。在研究超高壓對(duì)提取物質(zhì)抗氧化活性的影響中，于亞莉等人[48]測(cè)定花生抗氧化能力的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在花生殼多酚的質(zhì)量濃度為1 mg/mL時(shí)，其對(duì)羥基自由基的還原力為0.364，抗脂質(zhì)體活性為82%；而采用相同濃度的VC進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其還原率為0.959，抗脂質(zhì)體活性僅為19.4%。綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，將超高壓技術(shù)應(yīng)用于果蔬的提取效果相對(duì)于傳統(tǒng)提取方法有著極大改善，具體表現(xiàn)在提取率的提高，抗氧化活性的增強(qiáng)與時(shí)間的減少等。

3.2 超高壓提取技術(shù)在茶葉中的應(yīng)用

據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，茶葉中有許多有益于健康的成分，如氨基酸、咖啡堿、茶多酚、氨基酸、礦物質(zhì)、多糖等[49-53]，但這些物質(zhì)在提取時(shí)卻存在著提取時(shí)間長(zhǎng)、能耗高、雜質(zhì)成分多等問題[54]。超高壓提取技術(shù)在解決此類問題上有著重大的突破。采用超高壓技術(shù)從茶葉中提取茶多酚的研究中，張格等人[55]發(fā)現(xiàn)超高壓提取在常溫下進(jìn)行，由于不需高溫加熱，大大減少了茶多酚變性的可能性；能源消耗低，僅為回流提取的1/10；提取時(shí)間短，效率高。不僅如此，在相同條件下制得的茶多酚還能運(yùn)用于魚肉的保鮮，使魚肉具有抗氧化作用，以此延長(zhǎng)魚肉的保鮮時(shí)間[56]。陳小強(qiáng)等人[57]在超高壓提取綠茶汁的研究中發(fā)現(xiàn)，采用300 MPa的提取條件時(shí)，超高壓提取的綠茶汁相對(duì)于冷提和熱提的游離氨基酸含量均較高，且其水溶糖含量較低。由色差分析得出超高壓提取的綠茶汁黃綠度深，有更好的視覺效果。且超高壓能夠使過氧化物酶活性和殘留的多酚氧化酶鈍化，提高綠茶汁的品質(zhì)。

對(duì)現(xiàn)代化的生產(chǎn)來說，超高壓提取機(jī)械化程度高、操作簡(jiǎn)單，這為茶多酚工業(yè)化的提取提供了一項(xiàng)新技術(shù)。

3.3 超高壓提取技術(shù)在中藥中的應(yīng)用

中藥中含有的許多化學(xué)物質(zhì)都有治療疾病的功能，如黃酮類[58-59]、皂苷類[60-61]、生物堿類[62]等，如何經(jīng)濟(jì)有效地提取此類化學(xué)物質(zhì)也是中藥現(xiàn)代化過程中研究問題之一。堿提酸沉法、水煎煮法和浸漬法本是傳統(tǒng)提取中藥中黃酮類成分的主要方法，但費(fèi)工費(fèi)時(shí)且效率低下。而超高壓技術(shù)為中藥提取技術(shù)提供了新的方法[63]。Zhang S Q等人[58]將乙醇作為溶劑，通過超高壓從蜂膠中提取1 min，黃酮得率明顯高于浸提7 d與熱回流提取4 h。在超高壓提取老鷹茶總黃酮的工藝優(yōu)化的研究中，乙醇體積分?jǐn)?shù)70%，保壓時(shí)間9 min，壓力427 MPa的條件下，總黃酮得率達(dá)到了6.263%±0.014%，這比傳統(tǒng)水浴加熱提取時(shí)間更短、耗能也更低[59]。超高壓提取不僅能節(jié)省中藥提取的時(shí)間，還能在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)細(xì)胞有更大的破壞程度，這在超高壓提取皂苷中具有廣泛的應(yīng)用。采用溶劑為體積分?jǐn)?shù)50%的乙醇，壓力200 MPa的最佳工藝條件時(shí)，超高壓提取2 min與傳統(tǒng)熱提取6 h相比，對(duì)人參細(xì)胞的破壞程度更大，皂苷提取效率更高[60]。王居偉等人[61]在超高壓提取大豆皂苷的研究中也得到了相似結(jié)論。當(dāng)超高壓的中藥提取應(yīng)用于生物堿類的生產(chǎn)時(shí)，提取率也有了較大的提升。采用乙醇浸泡2 h，保壓時(shí)間5 min，壓力為600 MPa的工藝條件提取的烏頭原堿提取率分別是熱回流的72倍，煎煮法的14倍[62]。然而，對(duì)于中藥中需要大規(guī)模提取的化學(xué)物質(zhì)，超高壓有效提取溶劑相對(duì)較少，這也是日后值得研究解決的一個(gè)重要問題[60]。

4 結(jié)語

溫度、壓力、時(shí)間、料液比均對(duì)超高壓提取的效果具有重要的影響。在一定程度內(nèi)，溫度的升高、壓力的增大、時(shí)間的延長(zhǎng)、料液比的增大均有利于提高提取的效果，但到達(dá)一定范圍后提升效果不再明顯，甚至出現(xiàn)提取效果變差的情況。改變溫度、壓力、時(shí)間、料液比等條件，并對(duì)提取工藝進(jìn)行適度改良，使超高壓提取技術(shù)不斷得到完善，成為了一種較為理想的提取方法，目前已廣泛應(yīng)用于果蔬、中藥、茶葉等食品的提取中。

超高壓提取雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，仍存在著亟待解決的問題。超高壓易影響蛋白質(zhì)、淀粉等大分子物質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)，因此無法適用于提取含此類大分子的產(chǎn)品。且超高壓的設(shè)備一次性投資較大，設(shè)備的密封條件、強(qiáng)度、壽命無法得到保障，要實(shí)現(xiàn)超高壓提取技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣還需完成大量的工作[64]。但隨著專家學(xué)者對(duì)此項(xiàng)研究技術(shù)的不斷深入，相信此項(xiàng)技術(shù)定能得到完善，并應(yīng)用于廣闊的市場(chǎng)中。

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