超临界CO2流体萃取技术及其应用概述

湖南农业大学研究生课程论文学院：食品科技学院年级专业：07级营养与食品卫生学姓名：邓婷婷学号：s200700293 课程论文题目：超临界CO2流体萃取技术及其应用概述课程名称：现代食品分析技术评阅成绩：评阅意见：成绩评定教师签名：日期：年月日超临界CO2流体萃取技术及其应用概述学生：邓婷婷(07级食品科技学院营养与食品卫生专业，学号s200700293)摘要：本文介绍了超临界CO2流体萃取技术的萃取原理、特点、基本流程及其影响萃取的因素，对此技术在食品、医药、农药残留分析、化工等方面的应用进行了简要概述，并展望了今后的发展。

关键词：超临界CO2流体萃取技术原理特点流程影响因素应用超临界流体萃取（supercritical fluid extraction）简称SCFE，是利用超临界状态的流体具有强溶解能力而对物质进行提取分类的技术。

1897年,Hannay和Hogarth发现了超临界乙醇异乎寻常的溶解特性[1]。

近20年来,超临界流体萃取技术开始应用于工业实践并引起广泛关注，现已应用于食品、医药、化工、石油、和香料等领域。

1 超临界CO2流体萃取基本原理超临界流体是物质处于其临界点（Tc、Pc）以上状态时所呈现出的一种高压、高密度，具有气液两重性的液体。

超临界CO2萃取技术就是以超临界状态的CO2流体为溶剂，利用超临界CO2在临界点附近所具有的高渗透性、高扩散性和高溶解能力，对萃取物中的目标组分进行提取分离，从而达到分离精制的目的[2]。

超临界CO2流体对溶质的溶解度取决于其密度，当在临界点附近，压力和温度发生微小的变化时，密度即发生变化，从而会引起溶解度的变化。

因此，将温度或压力适当变化，可使溶解度在100-1000倍的范围内变化，因而具有较高的溶解性[2]。

一般情况下，超临界CO2流体的密度越大，其溶解能力就越大。

在恒温下随压力升高，溶质的溶解度增大；在恒压下随温度升高，溶质的溶解度减小。

利用这一特性可从物质中萃取某些易溶解的成分。

而超临界CO2流体的高扩散性和流动性则有助于所溶解的各成分彼此分离，达到萃取分离的目的，并能加速溶解平衡，提高萃取效率。

2 超临界CO2流体萃取技术特点2.1 超临界CO2流体萃取技术优点目前，超临界CO2流体萃取技术在研究和工业生产中得到广泛的应用，因为它具有一系列的优点[3]：（1）操作温度低。

CO2的超临界温度为31.1℃，可操作温度接近室温，能使热敏性物质免于破坏，有利于生物活性物质的提取。

因此，特别使用于分离、精制低挥发度和热敏性物质。

（2）有效结合蒸馏与萃取两个过程。

超临界CO2流体萃取技术将蒸馏与萃取两过程合二为一。

适用于分离难分离物质，如有机混合物、同系物的分离与精制等。

（3）有利于快速萃取和分离。

由于超临界CO2流体具有极高的扩散系数和较强的溶解能力，能快速进行萃取和分离。

（4）具有良好的选择性，产品纯度高。

在萃取过程中，选择适当的压力、温度、夹带剂，可有效提高产品纯度。

操作方便，过程调节灵活，适用于中草药和活性物质的提取浓缩。

（5）溶剂和溶质分离方便。

通过改变操作温度及压力便可达到溶质和溶剂的分离，操作简便。

（6）节约能源。

在超临界CO2流体萃取工艺中，一般只有相变，只涉及显热，且溶剂在循环过程中温差小，易于实现热量回收，从而节约能源。

（7）无毒安全。

CO2无臭无毒，不污染环境，且具有化学惰性，不易参与化学反应。

CO2不燃烧，在生产上使用安全。

2.2 超临界CO2流体萃取技术缺点超临界CO2流体萃取技术并非完美，也存在自身难以克服的缺点[4]：（1）萃取物分子量大于500，需要夹带剂或在很高的的压力下进行，这就要选择合适的夹带剂或增加高压设备。

（2）对于成分复杂的原料，单独采用超临界CO2流体萃取技术往往不能，满足对纯度的要求，需要与其他的分离手段联用。

（3）CO2的临界压力偏高，增大了设备的固定投资。

3 超临界CO2流体萃取技术基本流程超临界CO2流体萃取流程基本上由萃取阶段和分离阶段构成。

萃取系统中的主要设备为萃取器、分离器和压缩机。

其他设备包括贮罐、辅助泵、换热器、阀门、流量剂以及温度、压力调控系统等[1]。

物料装入萃取器中，与通入的超临界CO2流体密切接触，使被分离的物质溶解，溶有溶质的超临界CO2流体经节流阀改变压力，或经换热器改变温度，使萃取物在分离器中从溶剂中析出，得到萃取产品。

分离后的溶剂流体再经压缩机等处理，循环使用。

4 影响超临界CO2流体萃取的因素影响超临界CO2流体萃取的主要因素包括萃取压力、萃取温度、萃取时间、二氧化碳流量与物料性质等。

4.1 萃取压力的影响萃取过程中, 超临界CO2流体密度的变化直接影响萃取效果。

萃取压力则是影响超临界CO2流体密度的重要参数。

温度一定时,随着萃取压力增加, 超临界CO2流体的溶解能力也增加,但当压力增加到一定程度后,则溶解增加缓慢。

另外,压力对萃取效果的影响还与溶质的性质有关:对于烃类和极性低的脂溶性有机化合物,在较低压力时即可进行；对于极性较大的有机化合物,则需提高萃取压力[5]。

4.2 萃取温度的影响萃取温度对萃取效果的影响较为复杂。

在高压区,升高温度导致超临界CO2流体萃取能力提高,称为“温度正效应阶段”[6]。

对于CO2在临界点附近的低压区,升高温度导致超超临界CO2流体萃取能力下降,此阶段称为“温度的负效应阶段”[6]。

4.3 萃取时间的影响在超临界流体萃取过程中,CO2流量一定时,萃取时间越长,收率越高。

萃取刚开始时,由于溶剂与溶质未达到良好接触,收率较低。

随着萃取时间的加长,传质达到某种程度,则萃取速率增大,直到达到最大之后,由于待分离组分的减少,传质动力降低而使萃取速率降低。

4.4 二氧化碳流量的影响当吸收率一定时,流量越大,溶剂、溶质间的传热阻力越小,则萃取的速度越快,但萃取回收负荷大,从经济上考虑应选择适宜的萃取时间和流量。

4.5 物料性质的影响一般情况下,物料粒度越小,扩散时间越短,有利于CO2向物料内部迁移,增加了传质效果,但物料粉碎过细会增加表面流动阻力,反而不利于萃取。

4.6 夹带剂的使用夹带剂又称为提携剂，是加入超临界流体系统能明显改善系统相行为的少量溶剂。

夹带剂与被萃取的溶质亲和力强，具有良好的溶解性能，其挥发度介于超临界流体和待萃取溶质之间。

带夹剂的主要作用是能大幅度增加原本在超临界流体中较难溶的溶质溶解度，不但提高超临界CO2流体的效率，也扩大了超临界CO2流体技术的应用范畴。

加夹带剂的另一个作用是可以降低超临界流体的操作压力，减少在操作中超临界流体用量，降低投资费和操作费用。

在超临界CO2流体技术中常使用的夹带剂有甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、氯仿、己烷、三氯乙烷等[1]。

5 超临界CO2流体萃取技术的应用超临界流体萃取技术在食品、天然药物植物成分、农药残留分析、化工等领域都有应用。

本文主要介绍了超临界CO2流体在食品工业和天然药物植物成分提取中的应用。

5.1 超临界CO2流体萃取技术在食品工业中的应用超临界CO2流体萃取技术现在在食品加工中主要应用于：（1）油脂萃取、分馏与精练：包括大豆、花生、向日葵、鱼、米糠、谷胚、可可粉、棉籽等20种原料中油脂的萃取及其从这些油中进行分馏。

于冀勇[7]总结了超临界CO2流体萃取技术在部分植物油脂萃取过程中的操作参数。

刘崇义[8]等研究小麦胚芽油的超临界CO2流体萃取，探索了压力、温度、时间和流量对萃取率的形象，得到最佳萃取条件。

陈开勋等[9]研究了用超临界流体萃取茶油籽的最佳条件。

（2）胆固醇萃取：包括从牛肉、乳脂肪、蛋黄和鱼等原料中萃取胆固醇。

张佳成等[10]以喷雾干燥的蛋黄粉为原料，采用循环式超临界CO2萃取设备在最佳萃取压力30Mpa，萃取的选择性最好，胆固醇脱除率最高，且在产品中保留了较多的磷脂成分，蛋白质组分不减少，相对含量增加。

（3）风味物质的萃取：超临界CO2萃取技术应用于啤酒花、洋葱、苹果、柑橘、酒、干蘑菇、乳酪等中风味物质的萃取。

早在1978年，德国相继建立了超临界CO2萃取装置用于脱除咖啡豆中的咖啡因和处理啤酒花的工业化装置[11]。

1996年清华大学简称了啤酒花浸膏2×10L的超临界CO2萃取装置，这一成果将我国的酒花利用率从25%提高到90%左右，比溶剂萃取选择性好，芳香成分不氧化[12]。

（4）其他萃取：橘汁的脱苦，咖啡和茶中脱去咖啡因，从叶子提取物和白薯等中萃取β-胡萝卜素，从洋苏叶和唇形香草中提取天然抗氧化剂，葡萄糖和果糖混合物的分离，乙醇等发酵产物溶液的浓缩等[1]。

5.2天然药物植物成分的提取：（1）挥发油的提取：由于挥发油沸点较低、分子量不大、极性小，在超临界CO2流体中有良好的溶解性能,最适于用超临界CO2流体提取。

于恩平[13]等用超临界CO2流体从东北野生月见草种子中所提取的月见草精油中,有显著生理活性的γ- 亚麻酸的含量高于溶剂法,且色泽纯正,透明度高。

（2）萜类的提取：用超临界CO2萃取萜类化合物已取得了令人欣喜的成绩,其中尤以青蒿素的提取最引人注目。

青蒿素是一种倍半萜,易破坏分解，为抗疟新药。

葛发欢[14]等采用超临界CO2流体萃取,提取产率可达92 %。

（3）生物碱的提取：生物碱是生物体内一类含氮有机物的总称,有类似碱的性质,多有较复杂的含氮杂环结构和特殊而显著的生理作用。

水仙碱可抑制癌细胞的增生，姜继祖[15] 等对光菇子中的该成分进行超临界CO2萃取研究. 以76%乙醇为夹带剂的试验结果表明,其提取率平均提高为传统回流萃取法的1.25倍,而萃取时间减少为0.45倍,溶剂用量平均减少0.363倍,充分显示了超临界CO2的优越性。

此外，超临界CO2流体萃取还应用于丙素酚类、醌类及蒽衍生物、糖及苷类的提取等。

5.3 农药残留分析超临界CO2流体萃取可用于分析食品和环境中的农药残留成分。

有机氯类、有机磷类、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类、除草剂类存在于食品和环境中的残留都可通过超临界CO2流体去除[16]。

1986年，Capriael等首次将超临界流体萃取技术应用于农药残留，结果较为理想。

5.4 化工方面美国用超临界CO2流体萃取制备液体燃料，俄、德还把超临界CO2流体萃取用于油料脱沥青技术，还可从煤炭中可以萃取硫等产物等。

6 超临界CO2流体萃取技术展望超临界CO2流体萃取作为一种高效、快速的样品制备及前处理技术, 在食品、医药、化工等领域都发挥了巨大的作用,显示了美好的应用前景。

目前，对超临界CO2流体萃取技术的研究和应用正方兴未艾。

美国、德国、日本处于领先地位。

我国虽起步较晚，但以取得了较快进步。

超临界CO2流体萃取主要发展趋势[17]有:进一步完善超临界流体萃取理论, 建立理论模型；发展新的超临界流体和改性剂, 以适用于更广泛的样品(特别是极性物质和强极性物质) , 拓宽其应用范围；发展同其它分析仪器的在线联用, 进一步提高在线联用的分析灵敏度；继续完善超临界CO2流体萃取分析方法, 建立各种分析物的标准分析方法；发展微型化仪器, 适应环境分析领域的实地监测和痕量分析的需要。