旋转锥体柱技术及其在食品和香精香料行业中的应用进展

余汉谋，姜兴涛，肖海鸿

（深圳波顿香料有限公司，深圳市天然香料工程技术研究开发中心，广东深圳518051）

天然香料是由自然界动植物资源中得到的芳香物质，分布于植物体或动物的腺囊中。因其绿色、安全、环保及合成香料难以替代的嗅感和感官特性等特点，日益受到人们的钟爱，同时给天然香料香精的发展带来了一个难得的机遇。我国有着丰富的香料植物资源，是世界上最大的天然香料生产国。但相对于丰富的资源，我国的天然香料提取分离技术还处于相对落后的状态。目前，传统的天然植物香料提取方法主要有蒸馏法、浸提法、压榨法、吸附法、结晶法等。近年来，出现了一些新的天然香料加工方法，如超临界CO2萃取、微波萃取、超声波萃取、膜分离、柱分离、分子蒸馏等技术，这些新技术在一定程度上弥补了传统方法中的效率低、能耗高、加热带来的香气损失等缺点，但仍无法满足所有不同类型的天然香料加工需要，特别是在保持新鲜天然香料植物原始风味及香气倍数提高而不损耗等问题上。因此，探索一种能够广泛应用于不同类型天然香料加工并最大限度保持天然香精香料成分的技术，成为了目前国内外天然香料领域的研究热点。

旋转锥体柱技术（Spinning Cone Column，简称SCC），又称旋转锥体柱蒸馏法（Spinning Cone Column Distillation），是一种高效独特的液-气接触蒸馏技术[1-2]，恰好能够满足现代天然香料加工发展要求，目前已经广泛应用于食品及天然香精香料工业[3]。

1 SCC研究进展

1936年，Pegram，Urey及Huffman化学科学家在分离氧同位素时，根据H2O16比H2O18更易挥发（0.3%）的特点，设计了一种同位素分离装置，这是有关SCC的最早报道[4-5]。次年，Huffman[6]详细报道了有关SCC装置结构。

SCC技术的另一个重大改进，是在1939年Mair及W illingham研究高效实验室蒸馏柱时，通过在蒸馏柱内设计2种锥形体并在锥形体上打孔处理，蒸馏效率能够得到大幅度提升（50%～80%）[7]。1960年，Casim ir在研究西番莲果汁加工过程发现传统蒸馏方法无法避免在分离过程中对挥发性香气的热损问题，而SCC技术却能通过去除果汁中85%以上的水后，得到一个香气成分无损的浓缩西番莲果汁。该系列研究令Casim ir总结出SCC系统能够最大限度分离挥发性成分而不受热破坏必须具备的6个条件[8]，包括，a.气-液逆流；b.尽可能大的气-液接触界面；c.气-液的快速交换；d.少量或没有泡沫出现；e.低液体窜流现象；f.低压降。1963年，Ziolkowski利用SCC成功分离了苯和四氯甲烷的混合物，并首次研究了锥形体旋转速度与气体压降、分离效率的关系，发现锥形体旋转速度与分离效率存在一定的正相关关系。随后，Casim ir在与Pegram、Mair及Ziolkowski设计雷同的旋转锥体柱底部加装了径向鳍片，使得蒸馏装置组成了一个多级的离心机，该改进大大降低了SCC运行过程中出现的压降及物料在锥体柱上的停留时间，提高了SCC的分离效率，使得SCC在食品工业大规模应用上成为可能。Menzi[9-10]则通过SCC与泡罩式蒸馏柱的比较研究，发现SCC中液体的停留时间明显优于泡罩式蒸馏柱，再一次证明了Casim ir研究推论的正确性，即SCC在处理热敏性物料时有着传统蒸馏柱无可比拟的优势。1990年，CSIRO的Casimir、Sykes及悉尼大学化学工程学院的Prince教授通过项目合作形式，在SCC系统中的区域质量传递、压降及液体停留时间等领域进行了研究，并在研究过程中发现了SCC的溢流现象。1992年开始，悉尼大学的Prince、Langrish教授及Makarytchev博士将SCC的研究重点转移到了SCC的流体模型研究[11-15]。包括通过利用流体动力学模型（CFD）、荧光发射光谱法、多维分析等技术来模拟在SCC系统中的流体变化，由此通过预测SCC柱体设计与挥发性成分的溶出率及分离效率关系，进而改进SCC技术，扩大SCC的应用范围。2001年，Zivdar[16]通过利用SCC与传统填充式柱进行乙醇、杂醇油和甜橙油的蒸馏比较实验，发现在同等分离效果上，SCC的理论塔板数要比传统填料塔的低约30%，证明了SCC技术相对传统蒸馏柱技术更有效率，而这很可能跟SCC系统的压力降及液体截流量在2种柱结构的停留时间长短有关。目前，Prince团队的研究已经使得SCC的传质效率提高到85%成为可能。

2 SCC的工作原理及优势

旋转锥体柱是一种独特有效的液-气接触装置[17]，也被称为蒸馏或反萃取柱，属于填充柱、板式柱和泡罩柱等传质装置的一种，其主体部分是1个中心带转轴的直立不锈钢柱体，内部由交替的旋转锥和固定锥堆叠而成，旋转锥与轴相联，固定锥安装在圆柱的内壁上（图1）。

图1 SCC结构示意图[2]Fig.1 The structure schematic of SCC

工作时，液态或浆态物料通过增压泵从锥体柱顶端加入，由于重力作用物料将会落入第一个固定锥的上表面，并以薄膜形式向下流动，然后从固定锥的出口立即排到下面旋转锥的基部。旋转锥高速旋转所产生的离心力将会导致物料以其平方角速度向上及向外移动，并在旋转锥表面形成一层薄膜。当薄膜通过旋转锥的上边缘时薄膜破碎，然后向下偏离到下一个固定锥上，如此重复循环，物料一直从柱体的顶端流入底部（图2）。在物料向锥体柱下方流动时，从底部引入蒸气或惰性气体，通过锥体底部的增压泵将其以一定速度逆向流动，同时旋转锥内侧所安装的旋翼将会加强了蒸气或惰性气体在锥体柱内部的扰动，并与富含挥发性物质的液体薄膜接触，进行充分的相互传热和传质，最后通过锥体柱顶部的冷凝系统实现挥发性成分或可溶性成分的分离或收集浓缩，而剩余的物料则通过增压泵从锥体柱底部排空。SCC的技术关键是通过真空度降低物料沸点，从而以比较低的温度分离不同沸点的物质。而双锥体结构则是收集物料挥发性成分最有效的一种方式。

图2 SCC气-液流动示意图[18]Fig.2 The structure schematic of gas-liquid flow of SCC[18]

SCC技术是目前挥发性香味成分分离中使用较为前沿的技术，已经证明特别适用于汽提和保存果味香味物质，以及萃取可溶性物质。据报道[11]，SCC具有如下优点：提取出的挥发性物质最完全，萃取出的可溶性物质最多；传质效率高（为填充柱高4～5倍），适用于黏度（20000cps）大的物料；蒸馏时间短（原料停留时间低于20s），温度可控范围广（30～120℃），可连续工作；操作成本低，压降小，适应性强（进料速度可调范围广）及具备CIP在位清洗能力。这些优点使它在处理热敏性的致香成分时，能保持其天然风味，这正是SCC受到广泛关注的主要原因之一。目前市场上已经商业化的最大SCC装置为Flavourtech公司生产的SCC10000型号（处理能力为10000L/h），最小的是SCC1000型号（处理能力为1000L/h）。

3 SCC在食品工业中的应用

SCC最早在食品中的商业应用始于1984年澳大利亚Flavourtech公司利用SCC进行的葡萄汁脱硫实验，并证明了SCC分离效果优于在1970年广泛使用的泡罩式蒸馏柱。1992年，位于美国加利福尼亚州的Conetech公司引入SCC技术，并成功应用在欧洲的酿酒工业，利用它从发酵酒中分离出大量的酒精，同时也可以从葡萄酒中提取香气成分。1996年，W right[19]利用SCC从一种产果胶酶酵母的培养基中除去乙醇，发现间歇性比连续性脱除乙醇更利于培养基长久保持一种低醇状态，从而使得酵母能够保留持久的活力，生产出更多的果胶酶。2009年，Yulissa Y等[20]通过比较分析SCC对葡萄酒脱醇前后的化学成分，证明了SCC在葡萄酒脱醇过程中能够最低限度的破坏葡萄酒酚类物质，而后又利用固相微萃取及气相色谱法对SCC脱醇前后的葡萄酒香气成分含量进行了比较，优化出SCC分离葡萄酒香气成分及脱醇的最佳参数[21]。2004年受到国际葡萄与葡萄酒组织的推荐，美国、智利和澳大利亚已经允许SCC使用这种技术处理葡萄酒。现在每年美国利用SCC技术生产低醇葡萄酒量可达30t以上。2009年，随着SCC在葡萄酒业的广泛应用，A lfalaval公司通过引进SCC技术，并向德国啤酒厂推广，用于制备低醇啤酒饮料[22-23]。

除了葡萄酒业，咖啡和茶叶天然萃取物的提取更是SCC的用武之地。现在不少国家已经使用SCC来生产高质量的速溶咖啡和茶饮料。Flavourtech称利用SCC提取的红茶萃取物中，2-戊烯醛、芳樟醇含量比传统提取方法提升了4倍，而另一些具有茶风味的醛类、cis-Hept-2，4-dienal等其他关键香气成分则在11倍以上。2004年开始，日本市场开始推出使用SCC制备的天然茶香精。Artiste公司声称推出的一系列天然咖啡提取物和精油均通过SCC技术进行加工。

另外，SCC也被用于奶油除臭及制备特殊风味的奶制品[24]。例如世界著名乳品公司fonterra利用SCC能够对乳制品同时进行巴氏消毒及脱臭处理。同样，SCC可以被应用于柑橘工业中。例如柑橘类果汁含油量一般很高，利用SCC可以将柑橘类果汁中的油分大大减低，从而提高果汁的稳定性及口感。

4 SCC在香精香料行业中的应用

SCC在香精香料行业的应用主要集中在水果、蔬菜香气分离及植物香精油的萃取[2]。对香气物质而言，通过精确控制脱除率、不同的SCC系统温度以及其他参数等可以获得同一原料中不同香型特征的香气。例如番石榴，香蕉，芒果和百香果等热带水果中含有的香气成分较为脆弱，传统的加工如提取、酶处理、热处理、浓缩等过程均会破坏水果原有的香气风味。据Flavourtech研究表明，SCC是最理想提取热敏性极差的水果香气成分的一种技术，除了不破坏香气成分外，还能够提取出微量的香气成分。目前市场上的天然西红柿萃取物缺乏西红柿特有的天然风味，主要原因是传统的萃取方法难以提取一些微量的香气成分，如在西红柿中只含有4ppb的β-紫罗兰酮，而用SCC分离出的天然萃取物含有这些微量香气成分，因此得到的西红柿萃取物更具天然感。

传统的精油提取方法，如间歇式蒸馏，由于原料长时间暴露在高温条件下，极容易造成挥发油成分的热降解，提取出来的精油香气损失严重。而利用SCC技术生产的精油却不会出现这样的情况。薄荷呋喃是一种极易在提取过程中通过热降解产生的化合物，而Flavourtech公司利用SCC生产得到的薄荷油完全检测不到薄荷呋喃存在。M.F.Graber等[25]将迷迭香制备成40倍的悬浮液，在570r/m in条件下进行SCC萃取时，所得到的萜烯含氧化合物比传统水蒸气蒸馏法高，同时SCC萃取的精油中检出了传统蒸馏法中没有的成分：香茅醇、菊油环酮、胡椒酮和麝香草酚。

5 展望

目前，SCC技术由于具有香气成分提取完全、传质效率高及停留时间短等优点，已经被20多个国家使用，应用领域广泛。世界著名的香精香料公司如长谷川、高砂、IFF等均采用此技术生产果味及咖啡天然香精香料。但由于技术保密等原因，国内对该技术的引进应用至今几乎是空白，仅有一些大型的生产茶粉公司引入了SCC提取设备。本文希望通过对SCC的介绍，能够引起国内香精香料同行的重视，通过引进并开展对SCC法生产天然香料香精的研制和广泛应用，利用我国丰富的天然香料植物资源，生产出具有国际竞争力的天然香料产品，为提高我国天然香料加工水平及经济价值做出贡献。

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