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文檔簡介
1、超臨界CO2流體萃取技術在植物油脂提取中的研究進展周海蓮 2010808093摘 要:簡單概述了超臨界流體萃取的概念,對超臨界CO2流體萃取技術的基本原理、技術特點進行了簡單闡述,重點綜述了國內外超臨界CO2流體萃取技術在植物油脂提取中的研究進展,針對幾種比較常見的植物油脂作了具體介紹。同時也分析了超臨界CO2萃取技術的局限性及存在的問題,并對其在植物油脂萃取方面的應用前景進行了展望。關鍵詞:超臨界CO2萃取技術;植物油脂;研究進展Research Advances on Supercritical CO2 Fluid Extraction Technology of Vegetable Oi
2、lsAbstract:This paper simply summarized the definition of supercritical fluid extraction,and The principles and characteristicsof supercritical CO2 fluid extraction were introduced .The focus of this paper was the research advances on supercritical CO2 fluid extraction of vegetable oils at home and
3、abroad.Inaddition, the limitations and problems of the supercritical CO2 fluid extraction technology were analyzed, and the application prospect of the technology was performed .Key words:supercritical CO2 fluid extraction; vegetable oils ; research advances引言植物油脂是是人類膳食中主要的食用油脂,同時也是食品、香料、化工等的重要原料1。隨
4、著人們不斷開發(fā)新的植物油脂資源以及其生理功能和作用逐漸被人們揭示了解,人們越來越重視植物油脂在萃取工藝方法的選擇。目前植物油脂制取方法主要有壓榨法、水酶法、浸出法以及超臨界流體萃取法等2。其中超臨界CO2萃取技術是目前國內外競相研究開發(fā)的新型高效萃取分離及分析技術3,因其具有操作條件溫和、工藝簡單、效率高、對有效成分破壞少、產物易于分離、無污染等優(yōu)點,特別適合于萃取、提取和純化生物、食品、化妝品和藥物等,因而被廣泛地應用于植物油脂的提取4-5。本文對超臨界CO2萃取技術的相關原理、特點、影響因素等進行簡單分析,綜述近年來其在植物油脂萃取方面的應用現(xiàn)狀,并簡述其不足之處,同時展望其作為目前研究的
5、熱點技術之一在植物油脂萃取領域發(fā)展前景。1 超臨界CO2流體萃取技術簡單介紹1.1 超臨界流體萃取定義以及其基本原理研究發(fā)現(xiàn),每一種液體都存在一個特殊的溫度,在該溫度以上,無論壓力有多大,都不可能使氣體液化,則把這個溫度稱為臨界溫度,對應的飽和蒸汽壓稱為臨界壓力6。早在1879年國外研究者在做超臨界乙醇溶解碘化鉀的試驗時發(fā)現(xiàn)超臨界流體的獨特溶解現(xiàn)7-8。而所謂超臨界流體,是指物質處于其臨界溫度和臨界壓力以上時的流體狀態(tài),這種流體兼有液體和氣體的優(yōu)點9,密度大,粘度低,表面張力小,有極高的溶解和擴散能力10-11。這些特性使得超臨界流體成為性質可調的溶劑,從而被廣泛應用于化學反應和有機物質的萃取
6、12。而超臨界流體萃取技術的基本原理是:利用超臨界流體的特殊性質,在較高壓力下,將被萃取物溶解于流體中, 然后降低流體溶液的壓力或升高流體溶液的溫度, 使溶解于超臨界流體中的溶質因其密度下降、溶解度降低而析出, 從而實現(xiàn)特定溶質的萃取13-14。常見的超臨界萃取溶劑有乙烷、丙烷、二氧化碳、一氧化碳、正戊烷、氟利昂等15。用超臨界萃取方法提取植物油脂時,一般首選用CO2作為萃取劑16,并稱之為超臨界CO2流體萃取技術。1.2 超臨界CO2流體萃取技術特點超臨界CO2流體萃取技術是一種新型的萃取分離技術,具有很多優(yōu)點,歸納起來主要有以下幾點14,17-18:第1、 與傳統(tǒng)的壓榨法、溶劑萃取法相比較
7、,具有提取率高,溶劑回收簡單等優(yōu)點,同時可以對物質成分進行選擇性萃取。第2、 CO2的臨界溫度和臨界壓力均比較低,不存在相變的過程。這樣可以在室溫或比室溫略高的條件下實現(xiàn)超臨界流體萃取的操作,很大程度上減少了對能量的消耗,另一方面也降低了對設備的要求,提高了生產操作的安全性。第3、 在CO2的臨界點附近,溫度和壓力微小的增加,都可以引起流體密度極大的提高,從而引起超臨界CO2流體溶解能力的顯著改變。因此通過改變超臨界CO2的溫度和壓力就可以有選擇性地進行物質的萃取。第4、 使用SFE是最干凈的提取方法,與一些傳統(tǒng)的有機溶劑相比,二氧化碳活潑性比較低,從而不易與待分離物質發(fā)生反應,全過程中也不用
8、有機溶劑,因此萃取絕無殘留物,同時也防止了萃取過程對人體的毒害和對環(huán)境的污染,是100%的純天然。第5、 超臨界CO2流體萃取植物油脂后的殘粕仍保留了原樣,可以很方便的用于提取蛋白質、摻入食品或者用作飼料,利于實現(xiàn)對原料的綜合利用。第6、 CO2與產物的分離可以很容易地通過等溫降壓或等壓升溫的方法實現(xiàn)。第7、 CO2更有價格低廉,易于生產等優(yōu)點,同時具有不易燃、無毒性、無溶劑殘留、不造成環(huán)境污染等特點,在植物油脂提取方面有非常廣闊的應用前景。2 超臨界CO2流體萃取技術在植物油脂萃取中的研究進展植物種子等原料富含油脂,而植物油脂中脂肪含量很高,含有豐富的維生素E,少量的鉀、鈉、鈣和微量元素18
9、,此外植物油脂含不飽和脂肪酸,溶點低,常溫下呈液態(tài),消化吸收率高。植物油脂是人體必需脂肪酸的重要來源,為了滿足人體的需要,在膳食中不應低于總脂肪來源的50%19。目前,利用超臨界CO2流體萃取技術對植物油脂的萃取應用比較廣泛、成熟。人們已經對大豆、沙棘、小麥、葡萄籽、玉米、米糠、芝麻等品種作了大量的研究,并取得了工業(yè)應用成果,本文選取幾種做簡單介紹,如下:2.1 大豆油 在油料作物中最重要的是大豆,而大豆油、大豆胚芽油是營養(yǎng)價值很高、很受人們喜愛的的優(yōu)良食用油以及保健食用油20。從營養(yǎng)價值以及保健價值角度看,大豆油中含棕櫚酸7-10%,硬脂酸2-5%,花生酸1-3%,油酸22-30%,亞油酸5
10、0-60%,亞麻油酸5-9%。大豆油的脂肪酸構成較好,它含有豐富的亞油酸,不含膽固醇。因此,長期食用大豆油有顯著的降低血清膽固醇含量,預防心血管疾病的功效。大豆中還含有多量的維生素E、維生素A、維生素D以及豐富的卵磷脂,對人體健康均非常有益。另外,大豆油的人體消化吸收率可以高達98%21。因此,超臨界CO2流體萃取大豆油、大豆胚芽油自然成為國內外研究者的研究熱點22-23。其中國內曾虹燕等24在研究超臨界CO2流體萃取大豆油和與大豆磷脂工藝條件研究是研究確定大豆油的最佳萃取條件為萃取壓力25MPa,溫度50,CO2流量30kg/h,萃取時間150min,萃取得率為15.72 %。宋玉卿等25通
11、過超臨界CO2流體萃取大豆胚芽油的實驗發(fā)現(xiàn):最適宜的萃取條件為萃取壓力30MPa、萃取溫度45、萃取時間120min、CO2流量25kg/h,在此條件下萃取率為91.38%;超臨界CO2法得到的大豆胚芽油不飽和脂肪酸含量為84.2%,其中亞麻酸和亞油酸占74%,碘值為152gI/100g。2.2 沙棘油沙棘,俗稱酸刺,酸柳,一種胡頹子科沙棘屬野生植物,渾身有刺,結橙黃色果實。沙棘的果實中含有多種對人體有益的物質:其中的氨基酸多達十八種,包括人體內必須但體內不能合成的8種26;還含豐富的天然維生素E、胡蘿卜素、黃酮、不飽和脂肪酸等。其中維生素C含量極高,每100克果汁中,維生素C含量可達到825
12、-1100毫克,是獼猴桃的2-3倍,素有維生素C之王的美稱27。沙棘油,從沙棘果、籽、皮中提取,濃縮了沙棘全身之精華28,對人體心血管疾病、消化道疾病、免疫系統(tǒng)疾病、皮膚病等有明顯的綜合治療和保健作用,被科學家稱之為“液體黃金”29-31。因此,超臨界CO2流體萃取沙棘油自然成為國內外研究者的研究熱點32-33。其中國內秦學磊等32在進行超臨界CO2流體萃取沙棘油最佳工藝條件研究是研究得出最后原料顆粒度為1.0 mm最佳萃取工藝為萃取壓力25 Mpa、萃取溫度50、萃取時間5 h、CO2流量10 kg/h,沙棘油得率可達8.12%。銀建中等33研究得出75 %80 %的裝填量,萃取壓力30MP
13、a,溫度313K,物料粒徑< 36目為最佳工藝條件。2.3 小麥胚芽油小麥胚芽油是以小麥芽為原料制取的一種谷物胚芽油,它集中了小麥的營養(yǎng)精華,富含維生素E、亞油酸、亞麻酸、甘八碳醇及多種生理活性組分,具有很高的營養(yǎng)價值。特別是維生素E含量為植物油之冠34。具有調節(jié)內分泌,減肥、防止色斑、黑斑及色素沉著;抗氧化作用,減少過氧化脂質生成,促進皮膚保濕功能,使皮膚潤澤,延緩衰老35;促進新陳代謝和皮膚更新,抗皺、防皺、防皮膚老化、消除疤痕;調解血脂,軟化血管,預防動脈硬化、高血壓、中風的作用36-37。因此,超臨界CO2流體萃取小麥胚芽油自然成為國內外研究者的研究熱點38。其中國內李書國等39
14、在研究分析影響超臨界CO2流體萃取小麥胚芽油的主要因素時確定了最佳的試驗條件即為:萃取壓力為3236MP,溫度為4550、時間為6h,CO2流量為1520kg/h,小麥胚芽水份含量為5.0%,粒度為1015目。納鵬軍40采用正交試驗研究了超臨界CO2萃取小麥胚芽油的工藝條件,確定確定最佳萃取壓力、溫度、時間分別是30 MPa、45 、2 h。2.4 葡萄籽油葡萄是世界上產量最大的水果之一,伴隨著葡萄酒工業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展,葡萄的綜合利用引起科研和生產者廣泛的關注。葡萄籽含油率在 14 %17 %之間,且營養(yǎng)成分很高41。葡萄籽油的工藝研究見表葡萄籽油的成分包括維生素B1、B3、B5,VF、VC、葉綠
15、素,微量礦物元素,必需脂肪酸,果糖,葡萄糖,礦物質,鉀,磷,鈣,鎂和葡萄多酚,其主要成份是亞油酸與原花青素,亞油酸含量達70%以上。亞油酸是人體必需而又為人體所不能合成的脂肪酸。同時,葡萄籽油還能防治心血管系統(tǒng)疾病,降低人體血清膽固醇和血壓,其營養(yǎng)價值和醫(yī)療作用均得到國內外醫(yī)學界及營養(yǎng)學家的充分肯定42。將超臨界流體技術用于萃取葡萄籽油克服了傳統(tǒng)壓榨法和溶劑萃取法的缺點,為綜合開發(fā)利用開辟了新途徑,并帶來巨大的經濟和社會效益。目前國內外學者對超臨界CO2萃取都做了很多的研究43-47。張連富等45對超臨界流體CO2萃取法提取葡萄籽油的工藝進行了研究,結果表明原料預處理方式 (原料水分含量、粉碎
16、細度)、萃取壓力、萃取溫度、CO2流量等因素對葡萄籽油提取率有顯著影響。超臨界CO2流體萃取葡萄籽油的最佳工藝是:葡萄籽粉碎度40目、水分含量4.5%、萃取壓力30MPa、溫度45、CO2流量10L /h,在此條件下,葡萄籽油的萃取率為98 .32%。董海洲等46研究得出在本實驗條件下最佳萃取工藝為葡萄籽粒度40目、水分含量5. 0 %,濕蒸時間30min、萃取壓力28Mpa、溫度33 、循環(huán)氣速3. 5kg/h,80min內萃取率為94. 6 %;葡萄籽油感官和理化指標優(yōu)于國際標準;不飽和脂肪含量高達90 %以上,其中亞油酸含量高達75. 8 %,U/ S比值12. 0。2.5 其他植物油脂
17、與傳統(tǒng)萃取方法想比,超臨界CO2流體萃取得到的油品,油收率高,雜質含量低,色澤淺等優(yōu)點,因此各國研究者將超臨界CO2流體萃取技術廣泛用于很多植物油脂的萃取。Bernardo 等48采用基于中心復合設計對超臨界CO2萃取南瓜籽油進行響應面優(yōu)化萃取工藝(包括壓力、溫度、流速),最佳工藝條件為壓力19MPa,溫度35和流速6. 0×10 - 4· ms。Gianpaolo等49對脫殼葵花籽進行了超臨界CO2萃取工藝研究,然后以乙醇為夾帶劑繼續(xù)對萃余物中多酚類物質進行萃取。張麗等50為了研究超臨界CO2萃取核桃油的工藝條件,利用Box-Benhnken中心組合實驗和響應面分析法,得
18、到超臨界CO2萃取核桃油的最優(yōu)條件為萃取壓力:32 MPa,萃取溫度 43,時間4.5 h,在此條件下萃取率為90.87%。除了上述的一些常見的植物油脂以外,超臨界CO2流體萃取技術還用于其他很多植物油脂的萃取,比如杏仁油51、米糠油52、榛子油53、椰子油54、石榴籽油55等等。3 超臨界CO2流體萃取技術的局限性 目前,超臨界CO2流體萃取技術在各方面的應用正日益受到前所未有的重視,它在理論上和應用上都已經被證明了具有廣闊的前景。但是作為一種新技術,超臨界CO2流體萃取也有其局限性10。首先,超臨界CO2流體萃取技術較適合于親脂性的和相對分子質量較小的物質的萃取,但是它對極性偏大或相對分子
19、質量偏大的有效成分的提取效率卻較差,還需要加入合適的夾帶劑。而夾帶劑在產品中有可能殘留,這就會影響產品的質量,也有違使用超臨界CO2流體萃取技術的本意。另外,超臨界CO2流體萃取技術提取的油其氧化穩(wěn)定性要明顯低于傳統(tǒng)方法生產的油,這是由于超臨界CO2流體萃取技術提取的油磷脂含量太低的緣故,磷脂本身并無抗氧化能力,但它是抗氧化劑生育酚的顯著增效劑。不過此缺點可以通過向油中添加一定的磷脂來克服。另外,超臨界CO2流體萃取技術在應用過程中面臨設備須耐高壓、 密封性好等一次性投資較大的問題,其產品成本較高,普及率較低 ,難以規(guī)?;?、 企業(yè)化,在應用方面也因此受到限制,只能選擇附加值高的產品作為萃取對象
20、。并且在油脂提取分離中,由于各種脂肪酸的化學結構非常相近,極性也相當,夾帶劑的作用只能使CO2的萃取能力增強,體系操作壓力降低而不能改變溶劑極性,提高選擇性。此外,超臨界技術研究在我國僅僅經歷了20多年的發(fā)展,很多研究僅限于萃取工藝的改進,對超臨界萃取的基礎研究不夠深入,基礎數(shù)據不夠完善,很多時候以萃取物的得率為指標,未能明確目的產物,導致萃取物的有效物質成分含量低,產品等級就相應降低;對產物的產品質量指標、產品的溶解度等的研究都還很缺乏18。4 展望 目前,超臨界CO2流體萃取技術作為一種新興技術,已初步顯示其優(yōu)勢,在植物油脂提取、中藥有效成分提取、天然產物研究、食品、化工、香料等多個方面都
21、得到了廣泛的應用,尤其在植物油脂的萃取方面具有較好的應用前景。超臨界萃取技術還可與現(xiàn)代分析技術相結合,如薄層色譜、氣相色譜、液相色譜、氣-質聯(lián)用儀、液-質聯(lián)用、精餾等,因而更能高效、 快速地對所提取的植物油脂進行成分分離和分析10。今后研究的一個重點方向,應在夾帶劑方面有新的突破,以擴大超臨界CO2流體萃取技術萃取的應用范圍,提高選擇性,簡化工藝,降低因不良夾帶劑帶來的成本增加,有殘留使其分離純化困難以及操作中的燃、 爆危險性。另外,開發(fā)一種低壓、低溫、不帶夾帶劑的超臨界裝置,其意義重大。有理由相信,超臨界CO2流體萃取技術必將有更加廣闊的未來。參考文獻:1 朱秀清, 王瑾, 于坤弘, 等.
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