摘要:超临界CO2萃取技术作为一种新型的加工分离技术,在食品加工领域具有广阔的应用前景。许多研究表明:超临界CO2具有价高的扩散性,传质阻力小,因此对多孔疏松的固态物质和油脂材料中的化合物萃取特别有利;超临界CO2对操作条件(如压力、温度等)的改变特别敏感,这就提供了操作上的灵活性和可调性;超临界CO2具有溶剂的溶解性能,并能实现低温、无毒、无溶剂残留等苛刻要求,特别适合于食品工业中。
关键词:超临界;萃取
1 超临界CO2的概述
1.1 超临界流体定义
任何一种物质都存在三种相态-气相、液相、固相。三相成平衡态共存的点叫三相点。液、气两相成平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界压力。不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。
目前研究较多的超临界流体是二氧化碳,因其具有无毒、不燃烧、对大部分物质不反应、价廉等优点,最为常用。在超临界状态下,CO2流体兼有气液两相的双重特点,既具有与气体相当的高扩散系数和低粘度,又具有与液体相近的密度和物质良好的溶解能力。其密度对温度和压力变化十分敏感,且与溶解能力在一定压力范围内成比例,所以可通过控制温度和压力改变物质的溶解度。
1.2 超临界流体萃取的基本原理
超临界流体萃取分离过程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。当气体处于超临界状态时, 成为性质介于液体和气体之间的单一相态, 具有和液体相近的密度, 粘度虽高于气体但明显低于液体, 扩散系数为液体的10～100倍; 因此对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力, 能够将物料中某些成分提取出来。
超临界CO2的溶解能力
超临界状态下,CO2对不同溶质的溶解能力差别很大,这与溶质的极性、沸点和分子量密切相关,一般来说由以下规律:亲脂性、低沸点成分可在低压萃取(104Pa), 如挥发油、烃、酯等;化合物的极性基团越多,就越难萃取;化合物的分子量越高,越难萃取。
因此,CO2特别适合天然产物有效成分的提取。
2 超臨界CO2在食品工业中的应用
2.1 大豆粉末磷脂的萃取
大豆磷脂以其便宜的价格和多种生理功能而广泛应用于食品添加剂、保健品、化妆品及医药等行业。目前,大豆磷脂的生产主要采用有机溶剂法,其中以丙酮溶剂为主。丙酮属于微毒性,其毒性主要对中枢神经起麻醉作用。国家标准规定食用植物油中有机溶剂残留不得高于50mg/kg,因此,降低食用大豆磷脂中丙酮残留量对维护人体的健康具有重要意义。
采用超临界CO2萃取粉末磷脂,以大豆浓缩磷脂为加工原料,采用超临界二氧化碳流体作为溶剂,在不添加任何化学试剂的情况下,来实现高纯度大豆粉末磷脂生产加工过程,工艺流程图1。
大豆浓缩磷脂通过磷脂泵进入萃取釜中,采用超临界二氧化碳液体作为溶剂。用加压泵把压力提升到工艺过程所需压力,同时调节温度到合适温度,使其成为超临界二氧化碳流体。二氧化碳流体作为溶剂从萃取釜底部进入,与浓缩磷脂充分接触,选择性溶解出所需的化学成分。含溶解萃取物(即浓缩磷脂中的中性油)的高压二氧化碳流体经节流减压阀降压,进入分离釜(解析釜)。在萃取器内,二氧化碳与原料颗粒相接触,将颗粒中所含的油类物质带走,脱油后的脱胶混合物将形成粉末状物质,即大豆粉末磷脂。
在分离釜(解析釜)中,由于二氧化碳溶解度急剧下降而析出溶质,自动分离成溶质(油)和二氧化碳气体二部分。前者为过程产品,定期从分离釜底部放出,后者为循环二氧化碳气体,经热交换器冷凝成二氧化碳液体再循环使用。整个分离过程是利用二氧化碳流体在超临界状态下对有机物有特殊增加的溶解度,而低于临界状态下对有机物基本不溶解的特性,将二氧化碳流体不断在萃取釜间循环,从而有效地将需要分离出的组分从原料中分离出来。
产品主要质量指标
项目技术要求
颜色及状态淡黄色粉末,无异味
水分及挥发物≤1.5%
乙醚不溶物 ≤0.5%
丙酮不溶物≥96%
酸价 ≤30.0mgKOH/g
乳化稳定性不分层
由于采用CO2超临界萃取提取技术,克服了传统粉末磷脂用丙酮、乙醇等溶剂法生产过程中的溶剂残留问题,产品中没有任何有机溶剂残留,确保产品符合有机食品、绿色食品的标准;低温萃取技术的应用,保证生产的磷脂不变性、色泽浅,产品品质大大高于传统工艺生产的粉末磷脂,所有这些都为产品打入国际市场提供了有力的保证。
2.2沙棘籽油的萃取
沙棘又名醋柳、酸刺,是一种集经济效益、生态效益和医药保健功能于一体的植物资源。种子主要含脂肪油,其中主要成分为亚油酸、油酸、亚麻酸、棕桐酸、硬脂酸、磷脂、还有维生素F、E,类胡萝卜素等。现代药理研究认为沙棘籽油的主要药理作用除对心脏、肝脏有较好的生物活性作用外,还有抗溃疡、降血脂和抗肿瘤等作用,具有广泛的药用前景,传统的沙棘油提取工艺多使用溶剂提取法,存在溶剂残留,而且溶剂属于极易爆炸物品,生产控制要求高,在人口密集或工厂稠密区无法投入使用。
利用CO2常温下为气体,压缩成液体后具有非极性有机溶剂的溶解特性,从而对粉碎后的沙棘原料在高温下进行萃取,然后借助减压进行分离。工艺设备主要有种籽粉碎机、贮料罐、萃取罐、真空泵、冷凝器、压缩机、溶剂贮存罐、蒸发罐、油罐,工艺流程图2。
超临界气体萃取在油脂制备中加以利用,具有所获甘油三脂纯净,磷脂、色素含量低,分离容易,粕蛋白无变性等特点。国际市场前景看好,国内市场因生产成本高而销量较少。
2.3 月见草籽油的萃取
月见草主要分布于美洲,我国主产于东北三省,月见草籽俗名山芝麻,月见草籽油成为月见草油,富含γ-亚麻酸(9%-12%),也称维生素F,具有多种生理活性。γ-亚麻酸具有独特的保健及生化医疗作用,人体不能合成γ-亚麻酸,只能通过饮食来摄取,而天然的含γ-亚麻酸的最好资源,就是月见草油。
月见草油的提取在国内外多采用冷榨法,然而冷榨法得油率低,一般得油率为12%-15%,油脂浑浊,γ-亚麻酸含量不理想。也有采用溶剂法提取月见草油,溶剂法在分离产品和溶剂的过程中,需要蒸馏加热,使部分γ-亚麻酸遭到破换,同时存在溶剂残留问题。使用超临界CO2萃取可以从液体和固体物料中萃取、分离和纯化有效成分,具有无化学溶剂残留,避免萃取物在高温下的热破坏,保护生理活性物质。
月见草籽经筛选去杂后粉碎,过40-60目筛装料。CO2从钢瓶出来,经气体净化器进入制冷槽液化,然后由高压泵混合经混合器,净化器打入萃取罐,升压到预定的值,使之成为超临界流体。这时物料便在萃取罐中提取。当溶有萃取物的液体从萃取罐中进入分离系统减压后,因CO2溶解能力下降,萃取油与CO2分离。萃取油从分离器底部放出,CO2从分离器上经净化器后进入制冷槽液化,循环使用。通过实验可得出流量与温度对出油率的影响,见图3。
采用超临界CO2萃取技术,可以有效地将月见草籽中的油萃取出来,提取达到95%以上的油。用超临界CO2萃取月见草油,工艺简单,操作方便,出油率高;油无异味,无溶剂残留,无环境污染,产品质量可靠。
3 结束语
欲将超临界CO2萃取技术广泛应用于食品工业,必须加强有关基础研究和应用研究,把超临界CO2萃取技术的应用范围扩展到水溶液体系,为超临界CO2萃取食品中的具有特殊活性水溶性成分提供新方法。虽然超临界CO2萃取技术在我国食品工业的研究开发起步较晚,但随着高新技术的发展和人们研究的不断深入,超临界CO2萃取技术必将推动功能食品的研究开发向更高层次发展。
参考文献
[1]李少霞,彭志英,赵谋明.超临界流体萃取在食品工业中的应用[J].食品工业.