超临界CO2萃取技术在食品工业的应用研究

◎ 郭晓双，姚 冬，王江洁，王营娟，张艳霞

（兰考三农职业学院，河南 开封 475300）

1 超临界CO2萃取技术简介

1.1 技术原理

该技术是在一定压强、温度条件下，将处于超临界状态的CO2与待纯化分离的成分接触，通过控制压力和温度对超临界CO2流体的溶解度进行影响，使其按照待分离物质的极性、沸点以及分子量的不同，有选择性地依次进行萃取从而分离[1]。

1.2 技术优势及主要特点

（1）超临界CO2的沸点为327 ℃，对大多数有机物质都有较好的溶解能力。

（2）CO2作为一种介质能与许多化合物（如：脂肪酸、醇、有机酸等）在温度（200～ 1 000 ℃）、压力及时间的影响下发生化学反应，从而使物料中某些成分得以分离出来。

（3）萃取温度为30～50 ℃，压力为25～200 MPa，萃取时间可以从数小时到数分钟。

（4）萃取物中大部分成分是溶解在有机溶剂里的，通过超临界CO2来分离某些特定的植物原料，不仅可以获得所需的产品，而且可以得到高纯度、高质量的天然产物。

（5）利用超临界CO2溶解和扩散系数大，在温度较高、压力较大下可作为溶剂等特点，在萃取过程中可以对各种植物原料进行预处理[2]。例如，热、酸及酶等引起的化学变化而影响有效成分的提取效果等。

（6）CO2是一种气体溶剂，既无水及有机溶剂带来的副作用，又能把多种有机物同时萃取出来。

（7）对食品原料而言，既不破坏食品中营养物质，又可去除食品中残留在原料中的各种化学物质，以避免对人体健康产生危害。

（8）操作安全可靠，萃取过程在两相体系下进行不会发生化学反应或非催化反应。

（9）分离成本低，CO2作为超临界流体没有任何压力损失（因而设备温度不需要很高，只需2～30 ℃之间）。

1.3 工艺流程

（1）超临界CO2流体萃取技术的工艺流程与传统提取方法基本一致，包括萃取单元和分离单元。

（2）萃取单元由3部分组成。首先，将待萃取物与适当压力下的CO2混合后，使其在设备中处于超临界状态；其次，将所得混合物在压力下加入适当溶剂；最后，将混合物从设备中抽出并分离出萃取物。

（3）分离单元由2部分组成。①超临界CO2流体的分离，该过程是在超临界状态下使萃取物与溶剂一起进入分离器，分离出所需萃取物的一种过程。其主要包含气体和液体的夹带和分离、萃取单元中的再夹带、动态萃取系统以及传质单元等。②分离器部分主要由萃取塔、过滤器、阀组和控制阀等3部分构成；分离器操作单元，主要包括冷凝器和贮藏器2个部分。冷凝器内能够使所选溶剂在塔内冷凝升华；贮藏器内将萃取物转移至贮藏容器中[3]。

（4）超临界CO2流体对原料有选择性萃取作用，而溶剂不能从萃取物中分离出来。其主要表现为：①溶剂对不同原料的选择性萃取作用。如对热稳定性差的植物原料如薄荷提取有效成分时，由于温度高、压力大会影响产物的提取率。②溶剂与原料不同成分间的相互作用。当采用异丙醇为溶剂进行超临界CO2流体萃取时，由于其易挥发性会将某些成分溶解掉，从而使其不能被有效提取。③溶质在分离器内与溶剂混合后再从分离器中排出。在超临界CO2流体分离技术中通常采用蒸汽喷雾法进行夹带。

2 在食品中的应用

2.1 油脂与脂类的萃取

超临界CO2流体萃取技术是近20年发展起来的一种新型加工技术，它与传统的热反应法相比，具有操作安全、条件温和、无污染及不破坏油脂色泽和化学性质等优点，因而受到人们的广泛关注。

利用超临界CO2流体萃取技术对油脂进行提取时，当温度达到31.5 ℃时，就会发生皂化现象；当温度超过50 ℃时则会发生氧化反应[4]。由于超临界CO2流体具有高压力、高温度的特点（常压下为其临界点），因此，其能实现更低压力、更低温度（常压下为其临界点）条件下对油脂进行萃取。这一优点是一般溶剂所不具有的。同时，超临界CO2流体密度小（0.45 kg/m3）、比空气轻，这样就可以使油脂中的脂肪分散开来，有效地提取油脂中的某些成分。传统的热反应法大多需要加热到400～600 ℃才能实现皂化反应，采用超临界CO2流体萃取技术后其温度则不受限制。另外，超临界CO2流体在萃取过程中不会发生化学变化或化学反应，因此它不会对油脂成分和理化性质造成影响。

研究表明，超临界CO2流体能快速而完全地从油脂中萃取出饱和脂肪、游离脂肪酸脂等多种油脂组分，以及其中所含的微量成分（如磷脂、维生素E）和多种不饱和脂肪酸等营养成分[5]。此外，还能有效地从天然植物油、植物胶、乳化剂以及许多其他化合物中萃取这些化合物。

2.2 天然色素萃取

天然色素是指从植物中提取的天然物质，具有色、香、味和营养价值等特点，常见的天然色素有花青素、类胡萝卜素等。

天然色素提取工艺主要包括溶剂萃取法和超临界流体萃取法等。超临界流体萃取法是将化合物置于超临界流体（约5～10 MPa）中，在压力和温度下，通过分段分离，使其在固态和液态之间转换，然后将天然色素萃取物除去溶剂，再采用适当的方法进行分离。该方法具有提取率高、产品纯度好、操作简便等优点。

超临界CO2萃取技术是将含有挥发性成分的化合物和天然色素作为超临界流体在温度、压力和时间一定时的混合物，通过预实验得到合理的提取条件；在此条件下可将挥发性化合物提取出来；经过分离处理后，得到纯物质（即目标产品）。超临界CO2萃取技术具有分离速度快、提取率高、回收率高等特点，成为提取这类色素的理想方法之一。

2.3 芳香物质的提取与分离

超临界CO2萃取技术被广泛应用于食品工业中芳香物质的提取与分离，如香精、香料等。Langmuir吸附模型是超临界萃取技术用于香精和香料分析的主要模型，该模型假设随着待分离物质和目标化合物浓度的变化而改变，也随着时间而变化。研究表明[6]，以超临界CO2萃取方法从天然香料中分离出2种挥发性成分，一种是薄荷油（3-辛烯醛），另一种是香叶醇。

2.4 植物活性成分的萃取和分离

超临界萃取技术应用于植物活性成分的提取，是将超临界流体技术与传统的溶剂萃取相结合的一种新型提取分离方法，应用超临界CO2流体作为萃取剂，可提高提取物中活性物质的含量及纯度，且不影响目标物质的理化性质。由于超临界流体具有较大的密度和黏度，故易于从溶液中分离出溶剂而不会发生沉淀或结块。

Technology等研究了山奈酚在不同条件下的萃取行为，结果表明，在较低压力和温度下使用CO2作为萃取介质，可提高山奈酚的萃取率，同时发现在温度为60 ℃、CO2压力为4 MPa时，山奈酚萃取率最高。此外，还研究了超临界CO2萃取山奈酚提取物中其他活性成分（黄酮、皂苷、氨基酸、多糖和蛋白质）的影响，结果表明，超临界CO2流体萃取技术能有效提取植物中黄酮类活性成分[7]。

3 未来研究方向及展望

3.1 未来研究方向

超临界CO2萃取技术在食品领域应用较广，已逐渐成为食品行业中的一种新型加工技术，但仍有许多方面需要加强。从超临界CO2萃取过程出发，未来研究可从以下方面进行。

（1）根据实际需求选择合适的超临界CO2萃取设备。随着食品工业的发展，对超临界CO2萃取技术提出了更高的要求。为使其更好地应用于食品工业，必须满足实际生产和操作需求。选择合适设备对提高工艺效率和产品质量具有重要作用，因而在设备选择方面应该考虑实际需要。

（2）加强超临界CO2萃取工艺优化研究。随着科学技术的发展，超临界CO2萃取技术在食品领域的应用也越来越广泛。现有工艺虽然得到了充分验证和应用，但仍存在如下不足。①超临界CO2萃取过程中提取效率较低。②现有工艺的过程参数难以满足食品加工实际生产需求。

（3）提高产品质量是超临界CO2萃取技术在食品工业中应用的关键因素之一。为提高萃取物在产品中的有效成分含量及产品品质，可通过对提取分离步骤进行优化，从而实现多目标提取物（如色素、皂苷等）的同步分离提取。

（4）如何利用现有技术或设备研发新型设备以适应实际生产需要，是未来需要解决的问题之一。在提取效率、提高产品质量、降低生产成本等方面的研究尚不成熟，现有设备也有待进一步完善优化。

（5）利用现有技术研发新型设备是重要研究方向之一。目前已有多项新型设备问世，但仍存在很多不足之处，还需要进一步完善优化。

3.2 展望

超临界流体萃取技术作为一种绿色、环保的萃取技术，是一种新型分离技术，它可以快速地从天然产物中提取有效成分，同时，可以在一定程度上避免溶剂对环境的污染。超临界CO2萃取技术与其他分离方法相比，具有工艺流程短、效率高、设备投资少、操作条件温和、无二次污染等优点。

（1）超临界CO2流体萃取技术应用于食品工业的优势主要在于其良好的物理特性和化学特性。此外，该技术还具有其独特的优点，即利用超临界CO2流体作为萃取剂时无溶剂残留、萃取效率高（特别是热敏性成分）、能耗低等。随着其在食品工业中的不断应用，为提高生产效率和降低能耗提供了一种新方法。

（2）在超临界CO2流体萃取过程中存在两个主要问题：①原料在生产过程中不可避免地会出现一些不完善之处。②由于压力或温度的波动而引起体系组分变化所造成的压力和温度分布不均匀。因此，有必要进一步研究超临界流体萃取过程中不均匀体系组分分布变化规律。

4 结语

综上所述，尽管超临界CO2流体萃取技术在食品工业方面具有许多优点，但仍然存在一些问题需要进一步改进：①对于某些成分的超临界CO2流体提取效率低。②某些成分在超临界CO2流体中无法达到分离的目的。③目前所用的超临界CO2萃取装置为一次性装置，其价格昂贵。④对生产设备要求严格，需要专业技术人员进行维护和保养。⑤对于一些难以提取的成分，如天然色素、多酚类物质等提取率较低。