超临界流体萃取技术及其在食品中的应用

超临界流体萃取技术及其在食品中的应用

作者：张恺容解铁民

来源：《农业科技与装备》2020年第06期

摘要：综述超临界流体萃取技术的基本原理、萃取流程、溶剂、装置和技术特点，介绍其在啤酒、烟草、色素、植物籽油，咖啡等食品生产中的应用现状和相关试验研究成果，为超临界流体萃取技术的进一步发展提供理论参考。

关键词：超临界流体;萃取;食品;应用;原理

中图分类号：TS205 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2020）06-0048-03

近年来，随着人们食品安全意识的不断提高，用于食品加工的绿色分离萃取技术备受青睐，这使得一种新型绿色的食品分离技术——超临界流体萃取成为国内外的研究热点。超临界流体在超临界状态下具有双重特性（高密度和低黏度），可以有目的地从一些天然物质中提取所需组分，多用于筛选或去除食品中的某些成分。与传统的提取工艺相比，它具有高效、环

保、节能、易控等特点。为此，介绍超临界流体萃取技术的基本原理、萃取流程和技术特点，以及在食品工业中的应用，为其进一步应用和发展提供理论参考。

1 超临界流体萃取技术

超临界流体在超临界温度和临界压力下，与待萃取溶质有异常相平衡行为及传递性能，随着压力和温度的变化，它对溶质的溶解能力也会发生很大改变。超临界流体萃取技术利用这一特点达到萃取目的。用超临界流体作溶剂，能够使需要提取的组分从多种液态混合物或固态混合物中萃取出来。

1.1 基本原理

超临界流体是指当某种物质超出其本身的临界温度和临界压力时，气液两相混合成均一的流体状态，且同时具有气体的高渗透性和液体的高溶解性。

在较高压力下，溶质被溶解在流体中;当压力渐渐减少或温度增高时，流体的溶解能力变弱、密度减小，溶质析出后被萃取分离。根据流体密度根据温度和压力值变化的特性，使超临界流体与要分离的物质接触后建立流动相后，通过改变压力和温度溶解其中的某些成分，再按溶解能力、沸点、分子量的大小依次将萃取物提取出来，从而达到萃取有效成分或清除有害成分的目的。超临界CO2流体萃取工艺如图1所示。

1.2 萃取溶剂

与一些传统的提取方法相比，超临界流体萃取技术具有更高效、更环保、更节能、易控制等优点。超临界流体萃取技术应用的溶剂类型较多，主要有CO2、乙烯、乙烷、丙烯、氨、水等，不同溶剂的临界性质不同。乙烯、乙烷等溶剂对人体有害，多用于食品以外的其他工业。CO2无毒、无害、无腐蚀性，且易与化合物分离，是食品领域最常用的超临界萃取剂。

CO2容易获取、价格低廉，且临界压力和临界温度较低，能在低温下进行分离萃取。同时，CO2的临界密度大，溶解能力较强，化学性质稳定，不会对热敏性物质和活性成分造成破坏。另外，CO2有抗氧化灭菌的作用，没有溶剂残留的问题，安全无毒。

1.3 萃取装置

超临界流体萃取技术的工艺过程可以分为连续式、半连续式和间歇式三种。目前，大多数的萃取装置是间歇式的，装料和卸料较麻烦，需打开萃取器的端盖，以及重复升压和降压过程，不仅工作效率低，而且易发生意外。近年来，国内外学者致力于研究连续式的萃取装置。连续萃取装置可连续送入萃取物和排出萃取物，具有提高生产率、降低生产成本、增加萃取安全性和可靠性等优点。

1.4 溶质与溶剂的分离

分离超临界流体中的溶质和溶剂的方法较多。常用的方法是通过改变温度或压力来改变超临界流体的溶解能力，还可使用溶剂将溶质从超临界流体中“洗涤”出来。Lancas等通过改变超临界流体的温度来去除溶质，直到溶质不再可溶且沉淀下来，这种方法也被称为“低温陷阱”。

2 超临界流体萃取技术在食品领域的应用

2.1 提取啤酒花

采用超临界流体萃取技术萃取啤酒花时，使超临界CO2依次穿过萃取罐中的啤酒花碎片，然后含萃取物的CO2进入预热器中预热，接着进入下一个热交换器，此时混合物中的CO2受热蒸发，而啤酒浸膏脱溶后自动排出;热交换器与上述混合物进行热交换后，管内为再压缩的CO2，管外为含萃取物的CO2混合物;冷凝后的CO2流入CO2贮罐，冷却后返回到萃取罐。

与常规溶剂法相比，超临界法萃取啤酒花的成本较高，但可避免使用化学物质，且萃取过程简单，得到的浸膏富含风味物质，质量也较高。

2.2 提取色素

在常见的食品添加剂中，天然色素占据十分重要的位置，在糖果、饮料、糕点等食品生产中均有应用。因此，诸多科研人员致力于采用更先进的分离手段提高天然色素的品质，这使得在萃取方面有突出优势的超临界CO2萃取技术成为研究热点。

超临界CO2萃取技术不仅在提取蔬菜和水果香气方面有突出优势，在天然色素生产中的应用也越来越多。同时，超临界CO2萃取技术还可实现辣椒脱辣，生产受人们欢迎的天然食品。

2.3 提取烟草中的成分

烟草中的烟碱是一种生物碱，会对中枢神经系统产生影响，可作为蔬菜水果等食品的杀虫剂。用传统方法提取烟碱能耗大、提取率低，而超临界流体萃取技术可提高其纯度。除此之外，超临界流体萃取技术还被用于提取茄尼醇和烟草精油。

使用超临界CO2萃取法可以将丁香、桂皮、肉豆蔻、黄蒿、芝麻、香草、玫瑰、春黄菊花、薄荷等气味精油提取出来。另外，一些用于烟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。田景洲等的试验表明，用超临界CO2萃取技术可

以较好地把精油从烟草中提取出来，提取率在80%以上，甚至可达100%，比传统方法高得多。

2.4 提取植物籽油

植物籽油中含有大量的不饱和脂肪酸和生物活性成分，是一些功能性食品的重要原料。在高效获取植物籽油领域，超临界流体萃取技术展现了得天独厚的优势。

利用超临界CO2萃取技术不仅能有效防止溶剂残留，还能去除原料中的农残。为此，许多科研人员利用超临界流体技术萃取植物籽油，例如，Gianpaolo Andrich等萃取葵花籽油、唐韶坤等萃取葡萄籽里的葡萄籽油、Dong M等萃取大蒜油、孙庆杰等提取番茄籽油。另外，钟海燕等研究用超临界CO2流体萃取茶油的工艺，发现提取的茶油纯度较高，可以省略油脂精炼过程。Manan基于超临界流体萃取技术开发新型强化棕榈油精炼工艺，可以在很大程度上简化精炼工艺。

2.5 去除咖啡因

超临界流体萃取能够有选择的去除食品里的某些特定物质，这为生产无咖啡因的咖啡提供了技术条件。西德HAG公司早在1978年就开始使用超临界流体萃取技术除去咖啡中的咖啡因。1995年，刘锦耀等利用超临界流体萃取手段去除云南小粒咖啡豆中的咖啡因，确定在适宜的压力和温度下，能够去除小粒咖啡中的大部分咖啡因，除去率可达75%以上，且基本不影响風味和口感。

2.6 食品检测

超临界流体萃取技术有提取速度快、高效、无污染、热敏性好等优点，常被用于提取和分离食品检测中的样品。超临界CO2流体萃取法提取温度低，可避免一些化学物质受到破坏。同时，其提取物的极性较宽，包括大量具有挥发性和低极性难挥发的成分。

传统的滁菊精油提取法是蒸馏，方法简单但提取效率较低，且会对一些重要成分造成严重破坏。黄贵凤等将超临界CO2流体萃取技术与全二维气相色谱法相结合，提取并鉴定滁菊精油中的组分。结果表明，超临界流体萃取提取效率高，萃取条件适中。

3 超临界流体萃取技术研发前景

超临界流体萃取技术作为一种新型绿色的萃取方法，广泛应用于食品、药品、生物等领域。在食品工业方面，国内外已经有数百项关于超临界流体萃取技术的研究，其中部分研究成果已投入工业化生产中。