亚临界水萃取技术在植物精油提取

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在工程上,了解传质传热过程对于产品品质的 把握起着至关重要的作用。Khajenoori 等[25]研究了 亚临界水萃取多花百日草精油的过程,并建立了热力 学模型、动力模型、外扩散阻力模型等传质模型。通 过对提取过程中各种动力学的研究,更能深入了解以 及掌握植物精油品质的变化。亚临界水萃取技术中 传质过程的研究以及数学模型的建立在反应传质规 律、优化萃取条件,指导实际工业生产工艺等方面有 着重要意义。
亚 临 界 水 萃 取 植 物 精 油 具 有 设 备 简 单、易 于 操 作、快速、环保、得率高、精油品质好,通过改变萃取温 度,就可以改变水的极性,因而可以选择性萃取样品 中不同极性的物质。在精油成分单体的分离纯化、精 油品质控制、精油成分分析等方面有着巨大的开发潜 力和应用前景。
参考文献
[1] Gamiz-Gracia L,de Castro M D L. Continuous subcritical water extraction of medicinal plant essential oil: comparison with conventional techniques[J]. Talanta,2000,51 ( 6 ) : 1 179 - 1 185.
极性溶剂。在亚临界状态下,维持适当的压力使水呈 液态,随着 温 度 的 上 升 减 弱 了 水 分 子 之 间 的 氢 键 作 用,使水的极性大大降低,由强极性逐渐变为非极性, 利用这一特性可以从原料中选择性地萃取出不同极 性的目标物质。此外,升温还可以降低固液相界面的 液膜强度,加快溶剂通过空隙向固体内部扩散,降低 表面张力 及 黏 度,增 加 有 机 活 性 物 质 在 水 中 的 溶 解 度,提高萃取率[4]。
4 应用趋势及展望
植物精油提取应用最广泛的技术是水蒸气蒸馏 法和有机溶剂萃取法,但存在萃取时间长、选择性差、 高能耗、有机溶剂残留等缺点大大限制了其在工业化 生产中应用。随着全球掀起的低碳减排热潮,亚临
界水萃取以其省时、省能、高效、高质的特点在植物精 油提取方面显示出了优势。与天然产物有效成分提 取新方法超声波、微波辅助提取法和超临界 CO2 萃 取法相比,亚临界水萃取同样表现出一定优势。超声 波提取法对传统工艺方法有较大改进,具有较好的经 济型和广泛的适应性,但只是一种辅助手段,需与其 他萃取技术结合才能发挥理想作用,微波辅助也是如
亚临界水的流速对萃取效果影响有限,一般认为 提高水的流速能使传质加速,但是较高的流速反而会 增加最终提取物的体积,使浓度过低[15]。
综合以上因素,亚临界水萃取过程中,应根据最 终的实验目的和要求选择适当的萃取参数来才能较 好地评定参数指标性能。
3 亚临界水萃取在植物精油提取中的应用
亚临界水萃取技术是近些年新发展起来的提取 技术,该技术最早也是应用最多的领域是环境样品检 测中有机污染物的萃取。Basile 等[16]第一次用超加 热水提取迷迭香叶子中的挥发油,此后该技术的应用 领域逐渐扩展到天然产物提取及食品领域中。表 1 列举了亚临界水萃取植物精油的相关研究。通过对 水蒸气蒸馏、亚临界水萃取和超声辅助提取洋葱精油 的比较,发现亚临界水萃取的精油含硫化合物含量较 高,且省时、高 效、节 能[9]。 亚 临 界 水 萃 取 得 到 的 干 花椒精油不仅得率高,且显示出较强的自由基清除能 力,当干花椒精油浓度为 2 ~ 12 mg / mL 时,对 DPPH 自由基的清除率为 59% ~ 79% 。 [13]
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综述与专题评论
馏 4h,且得率是水蒸气蒸馏的 4. 11 倍。在洋葱精油 的亚临界水提取与水蒸气蒸馏提取的比较试验中,水 蒸气法提取需要 6 h,而亚临界水提取仅需 30 min,而 提取率是水蒸气蒸馏法的 1. 5 倍[9]。但是,当目标物 质提取完全后继续延长萃取时间,部分萃取出来的物 质重新分配回样品或导致部分成分挥发或发生降解 等不良反 应,致 使 提 取 得 率 和 萃 取 物 质 含 量 降 低。 Lin 等[12]在亚临界水从刺五加中提取丁香苷的研究 中就出现了这种现象。郭娟等[13]利用亚临界水提取 干花椒中精油时也得出同样的结果。 2. 3 萃取溶剂改进
2 亚临界水萃取影响因素
2. 1 萃取温度和压力 亚临界水作为萃取剂,在一定压力下其极性随着
温度的升高而降低。因此调整亚临界水的温度,就可 以选择性地萃取不同极性的物质。相关研究也表明 温度是亚临界水萃取技术中影响最大的参数[5]。温 度的选择不仅影响到目标物质的萃取率,还影响到萃 取物质的品质,温度的选择也并不是越高越好,对于 每一种特定的物质都有其最佳萃取温度,超过了这个 温度萃取率和物质品质都会降低[6 - 8]。
1 亚临界水萃取原理
亚临界 水 是 指 在 一 定 的 压 力 下,将 水 加 热 到 100℃ 以上临界温度 374℃ 以下的高温,水仍然保持 液体状态。常温常压下水的介电常数是 78. 85,属于
第一作者: 硕 士 研 究 生 ( 苏 平 副 教 授 为 通 讯 作 者,E-mail: suping166@ 163. com) 。 收稿日期: 2010 - 12 - 06,改回日期: 2011 - 02 - 22
适宜的料液比有利于萃取过程的顺利进行,投料 量过大会增加原料的堆积密度,使溶液通透性变差, 致使亚临界水只能沿阻力较小的路线穿过料层,造成 提取的不均匀因而导致提取率下降。从理论上说,料
液比越小,萃取效率越高,而在工业的生产中由于成 本的优化,一般控制在 1∶ 1 ~ 1∶ 1. 5( g∶ mL) 。
近 几 年 来,亚 临 界 水 萃 取 技 术 得 到 了 迅 速 的 发 展,在国外该技术已经应用于样品前处理,如环境样 品土壤、水体沉积物、空气颗粒物等半挥发性和不挥 发性物质的提取分析,以及中药有效有效成分提取和 分析等[1 - 3]。亚临界水萃取技术是一种新型的不使 用或很少使用有机溶剂的绿色萃取技术,将其应用于 植物精油的提取,对精油品质的提升具有重要意义。 本文介绍了亚临界水萃取技术的原理、研究进展以及 在植物精油萃取中的应用,对亚临界水萃取技术在植 物精油提取方面的应用潜力进行分析。
原料
迷迭香[16] 丁香[18] 牛至叶[17] 茴香[1] 月桂[19] 薄荷[20] 石菖莆[21] 胡荽[22] 砂仁[23] 干花椒[13] 沙姜[11] 洋葱[9]
温度 /℃ 125 ~ 175
150 125 150 150 150 150 125 150 100 ~ 150 120 100 ~ 150
表 1 亚临界水萃取技术在植物精油提取中的应用
优化工艺条件
时间 / min
压力 / MPa
30
2
100
2
24
2
30
2
35
5
30
6
5
5
120
2
5
5
40530来自未提及305
流速 / ( mL·min - 1 ) 2 2 1 2 2 2 1 2 1
未提及 未提及
20
分析方法
GC-FID GC-FID GC-FID-MS GC-FID-MS GC-FID,GC-MS GC-TOF / MS GC-MS GC-FID,GC-MS GC-MS 未提及 GC-MS 未提及
食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES
亚临界水萃取技术在植物精油提取中的应用潜力
应丽亚,苏平
( 浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江 杭州,310058)
摘 要 植物天然精油含有多种活性成分,在医药、食品、烟用、化妆品等行业有着广泛的应用。亚临界水萃取 技术作为一种新型的绿色萃取技术,越来越受到国内外研究者的关注,将其应用于植物精油的提取,对精油品质 的提升具有重要意义。文中介绍了亚临界水萃取技术的原理、影响萃取效果的因素以及在植物精油萃取中的应 用,对亚临界水在植物精油提取方面的应用进行了潜力分析和应用展望。 关键词 亚临界水,萃取,植物精油,应用潜力
亚临界水萃取的压力远远低于超临界萃取所需 的高压要求,只需要维持在使水保持液体状态即可。 对于精油成分的提取,相关文献报道一般为 5 MPa 左 右即可满足要求,虽然压力升高可以提高萃取速度, 但是压力的变化对提取效果的影响不大[9 - 10]。 2. 2 萃取时间
亚临界水提取固体物料中有效成分的传质过程 是活性物质在溶剂作用下,通过分子扩散达到固-液 平衡的过程。在平衡前给予充分的时间使活性物质 溶出可以提高提取得率。亚临界萃取时间较短,一般 在 1 h 左 右。刘 小 草 等[11] 优 化 沙 姜 精 油 提 取 工 艺 时,在 120℃ 下,萃取 30 min 的效果相当于水蒸气蒸
技术联用是分析发展的一大趋势,在精油成分提 取和分析以及产品品质监测方面起到了很大作用。 目前亚临界水萃取技术与其他技术联用主要是在于 色谱分析技术以及固相微萃取技术和液相微萃取技 术联用上。 邓 春 辉 等[23] 利 用 高 压 热 水-固 相 微 萃 取 技术-气质联用对砂仁的挥发油进行提取和分析。与 辅助技术 的 联 用 也 显 示 出 一 定 优 势,李 超 等[6] 用 超 声强化亚 临 界 水 提 取 脱 脂 葡 萄 籽 中 原 花 青 素,时 间 短,得率高。戈延茹[24]等联用微波-亚临界水提取红 景天多糖,结果表明得率比煎煮法、超声法以及单纯 微波法高出很多,且提取时间短,操作方便,避免溶剂 污染。
亚临界水萃取溶剂以纯水为主,而在水中加入适 量合适的夹带剂可明显提高亚临界水中某些被萃取 组分的选择性和溶解性。根据萃取对象的不同特性, 在纯水中加入一些改良试剂,如乙醇、氯化钾等,也可 以改变提取性能。王耀等[15]在研究肉制品中亚硝酸 盐的亚临界水提取时发现,在萃取溶液中加入硼砂可 使萃取效率显著提高。 2. 4 萃取料液比和水流速
植物精油是从植物的花朵、叶、枝、根、皮、茎、果 实等部位或全株萃取得到的一类具有挥发性的特有 芳香物质。在自然界中,松柏科、木兰科、樟科、芸香 科、伞形科、唇形科龙樟香科以及蔷薇科、胡椒科、瑞 香科等植物中含有较为丰富的精油和精油成分。精 油含有多种活性成分,在医药、食品、烟草、化妆品等 行业有着广泛的应用。目前植物精油的提取方法主 要有水蒸气蒸馏法、有机溶剂萃取法以及超临界 CO2 萃取技术、微波辅助萃取技术等。传统精油萃取方法 存在着许多较难克服的问题,如萃取溶剂残留、萃取 时间过长造成的成分破坏、回收率低等,严重地影响 了精油品质。
2011 年第 37 卷第 5 期( 总第 281 期) 143
食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES
此。超临界 CO2 萃 取 法 在 萃 取 能 力,提 取 率,选 择 性,产品品 质 方 面 与 亚 临 界 水 萃 取 技 术 相 当,但 是 CO2 必须在 25 MPa 以上的超高压状态下才能够进行 萃取,而亚临界水的压力大大低于超高压状态,使得 亚临界水萃取技术在设备上更容易实现,也更适应于 植物精油生产的工业化应用。
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