超临界流体萃取技术简介及在食品领域中的应用

物理化学

课程论文

题目：超临界流体萃取技术简介及在食品领域中的应用专业：

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前言:超临界流体萃取技术(Supercritical Fluid Extraction)是近30年发展起来的一种新型分离技术，由于其具有操作方便、能耗低、无污染、分散能力高、制品纯度高、无溶剂残留等优点,被称为“绿色分离技术”。可以作为超临界萃取的介质很多，如二氧化碳、一氧化氮、六氟化硫、已烷、庚烷、氨、二氯二氟甲烷等，其中二氧化碳的超临界温度(Tc = 31.3℃)接近室温，且无色无毒、不燃烧爆炸、对大多数的物质不反应、不昂贵、易制成高纯度的气体，故而常做首选的超临界介质。近年来超临界二氧化碳萃取技术、在食品、医药、化工等领域发展很快,已经初步形成了一个新兴的产业。

最早将超临界CO2萃取技术应用于大规模生产的是美国通用食品公司，之后法、英、德等国也很快将该技术应用于大规模生产中。90年代初，中国开始了超临界萃取技术的产业化工作，发展速度很快。实现了超临界流体萃取技术从理论研究、中小水平向大规模产业化的转变，使中国在该领域的研究、应用已同国际接轨，在某些方面达到了国际领先水平。目前，超临界流体萃取已被广泛应用于从石油渣油中回收油品、从咖啡中提取咖啡因、从啤酒花中提取有效成分等工业中。

超临界流体萃取技术概述

1 、超临界流体（SCF）的定义和性质

超临界流体萃取技术，是指用超临界流体为溶剂，从固体或液体中萃取可溶组分的传质分离操作。

任何一种物质都存在气相、液相、固相三种相态，三相成平衡状态共存的点叫三相点。液、气两相成平衡状态的点叫临界点。不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。SCF 是指热力学状态处于临界点(Pc 临界压力，Tc 临界温度)之上的流体。此时流体处于气态与液态之间的一种特殊状态，气液两相性质非常相近，以至无法分别，具有十分独特的物理化学性质。SCF 的粘度虽高于气体但明显低于液体,密度接近于液体，扩散系数介于气体和液体之间，是液体的10～100 倍，兼有气体和液体的优点，既像气体一样容易扩散，又像液体一样有很强的溶解能力。因而SCF 具有高扩散性和高溶解性。在其它条件完全相同的情况下，液体的密度在相当程度上反应了它的溶解能力，而超临界流体的密度与压力和温度有关，随着压力的增大，介电常数和密度增大，超临界流体对物质的溶解能力增大。超临界萃取就是利用SCF 在临界点附近体系温度和压力的微小变化，使物质溶解度发生几个数量级的突变的性质来实现其对某些组分的提取和分离的目的。

常用作SCF 的溶剂有二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水、甲苯等。目前研究较多和工业上最常用萃取剂是二氧化碳，CO2 临界温度31.04℃，临界压力7.38MPa，临界条件易达到，并且具有化学性质不活泼、对大部分物质不反应、无色无毒无味、不燃烧、安全性好、价格便宜、纯度高、容易获得等优点。超临界CO2 是一种非极性的溶剂，对非极性的化合物有较高的亲和力，当化合物中极性官能团出现时，则会降低该化合物被萃取的可能性，甚至使之完全不能被萃取，此时就需要在超临界CO2 中加入少量夹带剂，以增强其溶解力和选择性。常与超临界CO2 一起使用的夹带剂有甲醇、乙烷、乙醇、乙酸酯、丙酮、二氯甲烷、己烷、水、乙酸甲酯等。

2 、超临界流体萃取（SFE）的原理

超临界流体萃取分离的基本原理是利用SCF 对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力将SCF 与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来。并且SCF 的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加, 极性增大, 利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将

萃取分离两过程合为一体。

3、超临界流体萃取过程及特点

超临界流体萃取分离过程是以高压下的高密度超临界流体为溶剂,萃取所需成分,然后采用升温、降压或吸附等手段将溶剂与所萃取的组分分离。超临界流体萃取过程示意如图1所示。过程包括原利预处理、萃取和分离以及二氧化碳增压和循环。

超临界流体萃取工艺主要由超临界流体萃取溶质以及被萃取的溶质与超临界流体分离两部分组成。根据分离槽中萃取剂与溶质分离方式的不同,超临界流体萃取可分为 3 种加工方式：(1)等压升温法：从萃取槽出来的萃取相在等压条件下，加热升温，进入分离槽溶质分离，溶剂经调温装置冷却后回到萃取槽循环使用。(2)等温减压法：从萃取槽出来的萃取相在等温条件下减压、膨胀，进入分离槽溶质分离，溶剂经调压装置加压后再回到萃取槽中。

(3)恒温恒压法：从萃取槽出来的萃取相在等温等压条件下进入分离槽，萃取相中的溶质由分离槽中吸附剂吸附，溶剂再回到萃取槽中复循循环使用。此外，还有添加惰性气体方法，该方法的特点是在分离时加入惰性气体如N2，Ar 等，而使溶质在超临界流体中溶解度显著下降。整个过程是在等温等压下进行，因此非常节能。但吸附法和添加惰性气体方法存在如何使超临界流体和吸附剂及惰性气体分离的问题。

4、超临界流体萃取过程的主要影响因素

(1)萃取压力的影响

萃取压力是SFE最重要的参数之一，萃取温度一定时，压力增大，流体密度增大，溶剂强度增强，溶剂的溶解度就增大。对于不同的物质，其萃取压力有很大的不同。

(2)萃取温度的影响

温度对超临界流体溶解能力影响比较复杂，在一定压力下，升高温度被萃取物挥发性增加，这样就增加了被萃取物在超临界气相中的浓度，从而使萃取量增大；但另一方面，温度升高，超临界流体密度降低，从而使化学组分溶解度减小，导致萃取数减少。因此，在选择萃取温度时要综合这两个因素考虑。

(3)萃取粒度的影响

粒度大小可影响提取回收率，减小样品粒度，可增加固体与溶剂的接触面积，从而使萃取速度提高。不过，粒度如过小、过细，不仅会严重堵塞筛孔，造成萃取器出口过滤网的堵塞。

(4)CO2流量的影响

CO2的流量的变化对超临界萃取有两个方面的影响。CO2的流量太大，会造成萃取器内CO2流速增加，CO2停留时间缩短，与被萃取物接触时间减少，不利于萃取率的提高。但另一方面，CO2的流量增加，可增大萃取过程的传质推动力，相应地增大传质系数，使传质速率加快，从而提高SFE的萃取能力。因此，合理选择CO2的流量在SFE中也相当重要。

超临界流体萃取的优点

①超临界流体CO2萃取与化学法萃取相比有以下突出的优点：(1)可以在接近室温(35-40℃)及CO2气体笼罩下进行提取，有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散。因此，在萃取物中保持着药用植物的全部成分，而且能把高沸点，低挥发度、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来；(2)使用SFE是最干净的提取方法,由于全过程不用有机溶剂,因此萃取物绝无残留溶媒,同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染,是100%的纯天然；(3)萃取和分离合二为一，当饱含溶解物的CO2-SCF流经分离器时，由于压力下降使得CO2与萃取物迅速成为两相(气液分离)而立即分开，不仅萃取效率高而且能耗较少，节约成本；(4)CO2是一种不活泼的气体,萃取过程不发生化学反应,且属于不燃性气体,无味、无臭、无毒，故安全性好；(5)CO2价格便宜，纯度高，容易取得，且在生产过程中循环使用，从而降低成本；(6)压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数。通过改变温度或压力达到萃取目的。压力固定，