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亚临界流体萃取技术

花匠小妙招
2024-11-23 14:14

杨鸿基

（甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州，730070）

前言：亚临界流体萃取技术（SFE，Sub-critical fluid extraction technology），是以亚临界状态的复合溶剂流体及其混合溶液为溶媒，与溶质在系统内相继经过压缩、浸泡提取、蒸发分离、冷凝回收等过程，从而达到提取、分离动植物有效成分的过程。亚临界流体具有优良的扩散性能，对许多物质有较好的渗透性和较强的溶解能力，特别适宜用于弱极性以及非极性物质的萃取生产过程。提取产物是挥发油、油脂或脂溶性成分，或者是三者的混合物，尤其是油脂或脂溶性成分。

关键词：亚临界流体萃取；应用

1 亚临界流体萃取技术

亚临界萃取(Sub-critical fluid extraction technology) 是利用亚临界流体作为萃取剂，在密闭、无氧。低压的压力容器内，依据有机物相似相溶的原理，通过萃取物料与萃取剂在浸泡过程中的分子扩散过程，达到固体物料中的脂溶性成分转移到液态的萃取剂中，再通过减压蒸发的过程将萃取剂与目的产物分离，最终得到目的产物的一种新型萃取与分离技术。亚临界流体萃取相比其它分离方法有许多优点：无毒、无害，环保、无污染、非热加工、保留提取物的活性产品不破坏、不氧化，产能大、可工业化大规模生产，节能、运行成本低，易于和产物分离[1]。

1.1 亚临界流体萃取技术理论知识的发展

临界流体萃取是以亚临界状态的流体或亚临界流体的混合溶液为溶媒，与溶质在系统内相继经过浸提、蒸发脱溶、压缩、冷凝回收等过程，从天然产物中提取目标组分的一种新技术[2]。当LPG、丙烷、丁烷、 R600a、DME、R134a和六氟化硫等以亚临界流体状态存在时，分子的扩散性能增强，传质速度加快，对天然产物中弱极性以及非极性物质的渗透性和溶解能力显著提高。亚临界环境下萃取，不破坏热敏性成分、目的物完全，被视为绿色环保、前景广阔的一项变革性技术。　　

1939年，美国的Henry Rosenthal首创将压缩后液化的低级气态烷烃用于油料浸出（专利号：US2152664），加压状态下，溶剂以液态形式浸出油脂，混合油和湿粕中含的溶剂在减压的状态下自然挥发。整个加工过程在低温状态下进行，油料中组分不氧化，粕中蛋白不变性，且生产成本低。国内也有亚临界流体萃取方法的相关报道，2001.8.2公开的发明专利（ZL 01108701.3）提供了一种亚临界液化石油气萃取除虫菊酯的方法；2007.11.28公开的发明专利（200610081101.1）提供了一种亚临界二甲醚流体提取天然除虫菊素的方法；2008.4.16公开的发明专利（200610104744.3）提供了一种亚临界流体萃取溶剂及萃取方法，其主要特点是以液态六氟化硫为萃取溶剂[3]。

2亚临界流体萃取的应用

2.1 在食用油萃取生产中的应用

目前以大豆为代表的食用油生产主要采用己烷溶剂进行浸出(萃取)生产，有许多植物油料的有用成分由于这种浸出工艺过程中的加热而被破坏，应用丙烷和丁烷亚临界萃取工艺，不但确保了萃取出油中的热敏成分不损坏，也保证了粕中植物蛋白等成分不变性，使产品的价值充分利用。在这方而已工业化生产的物料有:大豆、花生、核桃、小麦胚芽、葡萄籽、杏仁等。

2.2 在植物色素萃取生产中的应用

传统的植物脂溶性色素用己烷溶剂提取，水溶性色素用水或乙醇提取，都有加热脱溶的工艺过程，影响产品质景。用丙烷、丁烷、二甲醚以及它们的混合溶剂进行亚临界萃取.有很大的技术优势[4]。例如，在万寿菊叶黄素的生产方而，已有十几套丁烷、丙烷混合溶剂萃取生产线投产，无废水排放，节约能源。在色素方而已工业化生产的物料有：万寿菊叶黄素、辣椒红色素等[5]。

2.3在功能性和药用植物提取生产中的应用

这方而的原料品种极其繁多，但总体上分为脂溶性和水溶性两大类，脂溶性如月见草、沙棘、林蚌、灵芝抱子等以丁烷溶剂萃取已工业化生产。水溶性如植物多酚类、植物多糖类、生物碱类、植物黄酮类、植物试类也在工业化生产的试验中[6]。以二甲醚和丁烷混合溶剂，在不破坏烟叶形状的前提下，部分提取烟叶中的生物碱和焦油基料实现烟草业的减害降焦要求，此项目的大规模工业生产装备已在设计中[7]。

2.4在植物精油提取生产中的应用

植物精油的成分多为脂溶性化合物，以丁烷、丙烷对鲜湿的花朵、茎叶进行亚临界萃取，可得到浸膏产品，国外很早就有这方而的报道，目前已进行工业化批量生产的有玫瑰、十香菜等，姜、茵香、大蒜等的精油提取都已进行了很多研究试验，具备了工业化生产的条件。例如，大蒜精油目前主要用水蒸汽蒸馏法，煮过的大蒜排渣污染严重，仅提出少量的精油就损失了大蒜的全部。采用亚临界萃取工艺后，提过精油的蒜片形状不变，仍有很多利用价值[8]。

2.5 在食品工业中的应用

近年来，亚临界流体萃取技术在食品工业的应用，主要集中在食用植物粉的脱脂环节及副产物油脂方面的应用，由于某些植物果实本身富含油脂，而高含油食品极易酸败，保质期很短，因此，植物粉的脱脂成为制约植物粉生产的关键环节。用亚临界流体萃取技术脱除大豆、花生、核桃、杏仁、小麦胚芽、咖啡豆、南瓜籽等几十种物料的脱脂生产，同时萃取得到相应的植物油[9]。从萃取效果看，在低温状态下所得的植物粉活性成分得到了最大限度的保护，以植物蛋白为例，水溶性蛋白指标NSI在86%以上，小麦胚芽油的VE成分95%以上得以保持。与其他方法相比具有明显优势: 处理物料量一般在30-100吨/日，萃取时间短、成本低。随着天然产物的开发范围越来越广，亚临界流体萃取技术在食品工业具有更加广阔的应用前景[10]。另外，亚临界流体对全脂奶粉中奶油的提取呈现出很好的效果，提取率在20%以上，所提取奶油味道纯正，是奶粉（含过期奶粉）中提取奶油的最佳生产工艺。

2.6 与其他技术的联用

目前，亚临界水萃取技术与其他方法的联用主要体现在亚临界水萃取技术与色谱分析技术以及与固相微萃取技术和液相微萃取技术的联用。徐志宏等进行了黄答中黄答普及丹参中脂溶性成分的亚临界水提取及高效液相色谱研究，建立了相应的亚临界水提取及高效液相色谱测定方法，通过提耳吞高效液相色谱联机分析实现了对提取物的实时监测[11]。Ozel等利用亚临界水萃取-C18固相萃职气质联用(SWE- C18SPE- GC- TOF/MS)技术对山香绿薄荷中的挥发油进行了提取和分析。邓春辉等利用高压热水，固相微萃取技术-气质联用( PHWE- SPME- GC- MS)对砂仁中的挥发油进行了提取和分析：提取时间仅需20 min ( PHWE 5 min,SPME 15 min)，大大低于蒸汽蒸馏时间(6 h)，样品需求量也少，并目_没有有机溶剂的残留；此外，Deng还用高压热水-液相微萃取-气质联用(PHWE-LPME- GC- MS)技术提取和分析了防风中的人参醇，结果表明，PHWE- LPME- GC- MS是一种简单、决速、有效和价廉的测定人参醇的方法及我国传统中药质量评价的潜在工具[12]。

3亚临界萃取技术优势

亚临界流体萃取相比其它分离方法具有许多优点: 无毒、无害，环保、无污染、非热加工、保留提取物的活性成分不破坏、不氧化，产能大、可进行工业化大规模生产，节能、运行成本低，易于和产物分离。因此, 亚临界流体萃取与分离技术在天然动植物有效成分的提取、中药（含复方）活性成分的提取与有害脂溶性成分的分离、昆虫提取物、动物提取物、天然色素、特种油脂的提取、各种植物粉的脱脂等领域，具有广阔的应用实践。

亚临界萃取在提取天然热敏性成分中的作用尤为突出，天然产物中高附加值的生理活性物质因其热敏性，用常规热回流提取法和有机溶剂萃取法不仅提取率低，而且功能成分受到破坏。超临界CO2萃取虽是较为理想的方法，具有萃取能力强、提取率高、产品品质好等优势，但必须在25MPa 以上的超高压状态下才能进行[13]。极高的压力限制了设备有效容积的放大，同时，较高的设备制造和运行成本制约了该技术在天然产物有效成分生产领域的应用。项目利用亚临界流体沸点较低的特性，常温提取、低温脱溶，通过提高工艺过程的真空度，使萃取溶剂在10～50℃的温度下快速蒸发，且萃取是在密闭条件下进行，因而“热敏性”成份不变性、不氧化，是天然产物活性成分“高效、保质”萃取的理想技术[14]。

3.1具体优点:

（1)萃取设备装置属于中、低压压力容器范围，大幅度降低了装置制造过程的工艺难度和工程造价；2)利用亚临界流体沸点较低的特性，通过提高工艺过程的真空度，提高了萃取溶剂回收率，降低了能源消耗，生产无“三废污染”，属于环保工程；3)可根据萃取对象不同，灵活选择不同的亚临界萃取介质，同时也可根据原料目标物质的含量大小，灵活选择多种萃取方式；4)通过调节压力可提取纯度较高的有效成分；5)选择适宜的溶剂可在较低温度，分离、精制热敏性物质和易氧化物质；6)具有良好的渗透性和溶解性，能从固体或钻稠的原料中快速提取出有效成分；7)容易使溶剂从产品中分离，无溶剂污染，且回收溶剂过程能耗低[15]。

3.2提高萃取效率的方法

提高萃取效率的方法以溶料比、搅拌、萃取温度、萃取时间、萃取压力、萃取次数、萃取剂及夹带剂的选型、超声波的辅助萃取等因素有关。

(1)溶料比

从理论上说，溶料比越大，萃取效率越高，在工业化的生产过程由于成本的优化，一般控制在 1:1~1.5:1之间。

(2)搅拌

萃取的过程是分子相对扩散的过程，适度的搅拌可以增加溶剂和物料之间的充分混合，减少萃取中外扩散阻力，使萃取体系的浓度朝有利于固体物料中的脂溶性成分向液体的溶剂中扩散[16]。

(3)萃取温度与压力

提高萃取温度能增加分子的运动速度，从而提高扩散的速度，但是，过高的温度又会造成活性成分的灭活。因此，将温度控制在一定温度以内，并在生产过程中任意控制。压力与温度呈正相关关系，萃取温度的上升，萃取压力相应提高。压力升高，有助于提高萃取速度。

(4)萃取时间与次数

针对不同的物料，先通过正交试验得出合理的萃取时间和次数，在实际生产过程中通过罐组间的逆流萃取工艺得以提高萃取效率。

(5)萃取剂及夹带剂的选型

加入适量合适的夹带剂可明显提高亚临界流体对某些被萃取组分的选择性和溶解度[17]。比如，在辣椒红色素的萃取中，经过对特定夹带剂的加入对亚临界流体的溶解能力和萃取选择性研究，结果表明这一特定夹带剂的加入可以显著增加流体的溶解能力,受此鼓舞，我们试验配置了多种溶剂混合的复合溶剂，针对性的提取不同的动植物原料中脂溶性成分。表面活性剂也可以作为夹带剂提高亚临界流体萃取效率，提高的程度与其分子结构有关, 分子的脂溶性部分越大, 其对亚临界流体的萃取效率提高越多[18]。关于夹带剂的作用原理,有研究认为是夹带剂的加入改变了溶剂密度或内部分子间的相互作用所致[19]。

4亚临界萃取技术存在的问题

目前，亚临界水萃取技术的相关研究基本上都是实验室规模的应用研究，萃取罐的容积一般都在10 mL左右，每次可处理的物料仅有儿克，没有上升到工业化应用的水平，因此很有必要加强工业化应用的相关研究[20]。很多课题组已经开始从工业化应用的角度出发，正在进行亚临界水萃取技术的工程应用研究，希望在不久的将来能得到一些具有参考价值的研究成果。经亚临界水萃取所得的萃取液为两相混合的乳状液，为了得到目标物，目前常用的方法是向萃取液中添加一定量的食盐去打破平衡体系，再用己烷等有机溶剂将其中的有效成分如挥发油等萃取出来，最后再用氮气等去除己烷得到较纯的目标物。整个操作步骤繁琐，虽然己烷等有机溶剂用量不大，但有机溶剂的引入势必存在残留及去除的问题，虽然有与固相微萃取和液相微萃取技术联用的报道，但这2种技术主要用于样品分析的前处理，目前每次处理的量极少，因此还需要对这方而进行深入研究，寻找一种更好的分离方法[21]。另外，由于亚临界水萃取是在温度较高的情况下进行的，所以要对被提取物进行耐热性预实验。

5亚临界萃取技术的发展前景

虽然亚临界水萃取技术像其他提取技术一样存在一些缺陷，但相比之下它的技术优势更为明显，是一种前景更为广阔的分离提取技术。但国内对该技术的研究才刚刚起步，相应的研究极为有限。近年来，随着“营养、健康、回归大自然”消费观念的深入人心，天然香精香料需求量的迅猛增长，以及欧共体、加拿大、澳大利亚、美国等国对中草药药效及地位合法化的认可，都为我国天然资源的充分利用提供了前所未有的机遇，因此，充分利用先进的亚临界水萃取技术进行资源深加工，对加快我国优势资源的开发利用、增加产品的附加值及提高产品的国际竞争力具有重要和深远的意义。

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