超臨界流體萃取技術(shù)及其在食品中的應(yīng)用

張愷容 解鐵民

摘要：綜述超臨界流體萃取技術(shù)的基本原理、萃取流程、溶劑、裝置和技術(shù)特點(diǎn)，介紹其在啤酒、煙草、色素、植物籽油，咖啡等食品生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和相關(guān)試驗(yàn)研究成果，為超臨界流體萃取技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供理論參考。

關(guān)鍵詞：超臨界流體;萃取;食品;應(yīng)用;原理

中圖分類號(hào)：TS205 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1674-1161（2020）06-0048-03

近年來(lái)，隨著人們食品安全意識(shí)的不斷提高，用于食品加工的綠色分離萃取技術(shù)備受青睞，這使得一種新型綠色的食品分離技術(shù)——超臨界流體萃取成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。超臨界流體在超臨界狀態(tài)下具有雙重特性（高密度和低黏度），可以有目的地從一些天然物質(zhì)中提取所需組分，多用于篩選或去除食品中的某些成分。與傳統(tǒng)的提取工藝相比，它具有高效、環(huán)保、節(jié)能、易控等特點(diǎn)。為此，介紹超臨界流體萃取技術(shù)的基本原理、萃取流程和技術(shù)特點(diǎn)，以及在食品工業(yè)中的應(yīng)用，為其進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展提供理論參考。

1 超臨界流體萃取技術(shù)

超臨界流體在超臨界溫度和臨界壓力下，與待萃取溶質(zhì)有異常相平衡行為及傳遞性能，隨著壓力和溫度的變化，它對(duì)溶質(zhì)的溶解能力也會(huì)發(fā)生很大改變。超臨界流體萃取技術(shù)利用這一特點(diǎn)達(dá)到萃取目的。用超臨界流體作溶劑，能夠使需要提取的組分從多種液態(tài)混合物或固態(tài)混合物中萃取出來(lái)。

1.1 基本原理

超臨界流體是指當(dāng)某種物質(zhì)超出其本身的臨界溫度和臨界壓力時(shí)，氣液兩相混合成均一的流體狀態(tài)，且同時(shí)具有氣體的高滲透性和液體的高溶解性。

在較高壓力下，溶質(zhì)被溶解在流體中;當(dāng)壓力漸漸減少或溫度增高時(shí)，流體的溶解能力變?nèi)?、密度減小，溶質(zhì)析出后被萃取分離。根據(jù)流體密度根據(jù)溫度和壓力值變化的特性，使超臨界流體與要分離的物質(zhì)接觸后建立流動(dòng)相后，通過(guò)改變壓力和溫度溶解其中的某些成分，再按溶解能力、沸點(diǎn)、分子量的大小依次將萃取物提取出來(lái)，從而達(dá)到萃取有效成分或清除有害成分的目的。超臨界CO2流體萃取工藝如圖1所示。

1.2 萃取溶劑

與一些傳統(tǒng)的提取方法相比，超臨界流體萃取技術(shù)具有更高效、更環(huán)保、更節(jié)能、易控制等優(yōu)點(diǎn)。超臨界流體萃取技術(shù)應(yīng)用的溶劑類型較多，主要有CO2、乙烯、乙烷、丙烯、氨、水等，不同溶劑的臨界性質(zhì)不同。乙烯、乙烷等溶劑對(duì)人體有害，多用于食品以外的其他工業(yè)。CO2無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)腐蝕性，且易與化合物分離，是食品領(lǐng)域最常用的超臨界萃取劑。

CO2容易獲取、價(jià)格低廉，且臨界壓力和臨界溫度較低，能在低溫下進(jìn)行分離萃取。同時(shí)，CO2的臨界密度大，溶解能力較強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)熱敏性物質(zhì)和活性成分造成破壞。另外，CO2有抗氧化滅菌的作用，沒(méi)有溶劑殘留的問(wèn)題，安全無(wú)毒。

1.3 萃取裝置

超臨界流體萃取技術(shù)的工藝過(guò)程可以分為連續(xù)式、半連續(xù)式和間歇式三種。目前，大多數(shù)的萃取裝置是間歇式的，裝料和卸料較麻煩，需打開(kāi)萃取器的端蓋，以及重復(fù)升壓和降壓過(guò)程，不僅工作效率低，而且易發(fā)生意外。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于研究連續(xù)式的萃取裝置。連續(xù)萃取裝置可連續(xù)送入萃取物和排出萃取物，具有提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、增加萃取安全性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 溶質(zhì)與溶劑的分離

分離超臨界流體中的溶質(zhì)和溶劑的方法較多。常用的方法是通過(guò)改變溫度或壓力來(lái)改變超臨界流體的溶解能力，還可使用溶劑將溶質(zhì)從超臨界流體中“洗滌”出來(lái)。Lancas等通過(guò)改變超臨界流體的溫度來(lái)去除溶質(zhì)，直到溶質(zhì)不再可溶且沉淀下來(lái)，這種方法也被稱為“低溫陷阱”。

2 超臨界流體萃取技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 提取啤酒花

采用超臨界流體萃取技術(shù)萃取啤酒花時(shí)，使超臨界CO2依次穿過(guò)萃取罐中的啤酒花碎片，然后含萃取物的CO2進(jìn)入預(yù)熱器中預(yù)熱，接著進(jìn)入下一個(gè)熱交換器，此時(shí)混合物中的CO2受熱蒸發(fā)，而啤酒浸膏脫溶后自動(dòng)排出;熱交換器與上述混合物進(jìn)行熱交換后，管內(nèi)為再壓縮的CO2，管外為含萃取物的CO2混合物;冷凝后的CO2流入CO2貯罐，冷卻后返回到萃取罐。

與常規(guī)溶劑法相比，超臨界法萃取啤酒花的成本較高，但可避免使用化學(xué)物質(zhì)，且萃取過(guò)程簡(jiǎn)單，得到的浸膏富含風(fēng)味物質(zhì)，質(zhì)量也較高。

2.2 提取色素

在常見(jiàn)的食品添加劑中，天然色素占據(jù)十分重要的位置，在糖果、飲料、糕點(diǎn)等食品生產(chǎn)中均有應(yīng)用。因此，諸多科研人員致力于采用更先進(jìn)的分離手段提高天然色素的品質(zhì)，這使得在萃取方面有突出優(yōu)勢(shì)的超臨界CO2萃取技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。

超臨界CO2萃取技術(shù)不僅在提取蔬菜和水果香氣方面有突出優(yōu)勢(shì)，在天然色素生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來(lái)越多。同時(shí)，超臨界CO2萃取技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)辣椒脫辣，生產(chǎn)受人們歡迎的天然食品。

2.3 提取煙草中的成分

煙草中的煙堿是一種生物堿，會(huì)對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，可作為蔬菜水果等食品的殺蟲(chóng)劑。用傳統(tǒng)方法提取煙堿能耗大、提取率低，而超臨界流體萃取技術(shù)可提高其純度。除此之外，超臨界流體萃取技術(shù)還被用于提取茄尼醇和煙草精油。

使用超臨界CO2萃取法可以將丁香、桂皮、肉豆蔻、黃蒿、芝麻、香草、玫瑰、春黃菊花、薄荷等氣味精油提取出來(lái)。另外，一些用于煙草的香精香料如桂醛、萜二烯、香芹酮、薄荷醇、芝麻素、母菊素等也可被提取出來(lái)。田景洲等的試驗(yàn)表明，用超臨界CO2萃取技術(shù)可以較好地把精油從煙草中提取出來(lái)，提取率在80%以上，甚至可達(dá)100%，比傳統(tǒng)方法高得多。

2.4 提取植物籽油

植物籽油中含有大量的不飽和脂肪酸和生物活性成分，是一些功能性食品的重要原料。在高效獲取植物籽油領(lǐng)域，超臨界流體萃取技術(shù)展現(xiàn)了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。