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SFE 超临界萃取仪
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可用于中草药有效成份的提取,热敏性生物制品药物的精制,及脂质类混合物的分离;在食 品工业中,啤酒花的提取,色素的提取等;在香料工业中,天然及合成香料的精制;化学工业中混合物的分离等
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一、超临界萃取的技术原理
     超临界CO2流体萃取(SFE)分离过程的原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系,即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临 界状态下,将超临界流体与待分离的物质接触,使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。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,被萃取物质则完全或基本析出,从而达到分离提 纯的目的,所以超临界CO2流体萃取过程是由萃取和分离过程组合而成的。
 
二、超临界萃取的特点
     1、超临界萃取可以在接近室温(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有效成分,而且能把高沸点、低挥发性、易热解的物质在远低于其沸点温度下萃取出来;
     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的溶剂物质,从而防止了提取过程中对人体有害物的存在和对环境的污染,保证了100%的纯天然性;
     3、萃取和分离合二为一,当饱和的溶解物的CO2流体进入分离器时,由于压力的下降或温度的变化,使得CO2与萃取物迅速成为两相(气液分离)而立即分开,不仅萃取的效率高而且能耗较少,提高了生产效率也降低了费用成本;
     4、CO2是一种不活泼的气体,萃取过程中不发生化学反应,且属于不燃性气体,无味、无臭、无毒、安全性非常好;
     5、CO2气体价格便宜,纯度高,容易制取,且在生产中可以重复循环使用,从而有效地降低了成本;
     6、压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数,通过改变温度和压力达到萃取的目的,压力固定通过改变温度也同样可以将物质分离开来;反之,将温度固定,通过降低压力使萃取物分离,因此工艺简单容易掌握,而且萃取的速度快。
 
三、超临界CO2萃取技术的应用
     超临界CO2萃取的特点决定了其应用范围十分广阔。如在医药工业中,可用于中草药有效成份的提取,热敏性生物制品药物的精制,及脂质类混合物的分离;在食 品工业中,啤酒花的提取,色素的提取等;在香料工业中,天然及合成香料的精制;化学工业中混合物的分离等。具体应用可以分为以下几个方面:
     1、从药用植物中萃取生物活性分子,生物碱萃取和分离;
     2、来自不同微生物的类脂脂类,或用于类脂脂类回收,或从配糖和蛋白质中去除类脂脂类;
     3、从多种植物中萃取抗癌物质,特别是从红豆杉树皮和枝叶中获得紫杉醇防治癌症;
     4、维生素,主要是维生素E的萃取;
     5、对各种活性物质(天然的或合成的)进行提纯,除去不需要分子(比如从蔬菜提取物中除掉杀虫剂)或“渣物”以获得提纯产品;
     6、对各种天然抗菌或抗氧化萃取物的加工,如罗勒、串红、百里香、蒜、洋葱、春黄菊、辣椒粉、甘草和茴香子等。
 
在食品方面的应用
传统的食用油提取方法是乙烷萃取法,但此法生产的食用油所含溶剂的量难以满足食品管理法的规定,美国采用超临界二氧化碳萃取法(SCFE)提取豆油获得成 功,产品质量大幅度提高,且无污染问题。目前,已经可以用超临界二氧化碳从葵花籽、红花籽、花生、小麦胚芽、棕榈、可可豆中提取油脂,且提出的油脂中含中 性脂质,磷含量低,着色度低,无臭味。这种方法比传统的压榨法的回收率高,而且不存在溶剂法的溶剂分离问题。专家们认为这种方法可以使油脂提取工艺发生革 命性的改进。
     咖啡中含有的咖啡因,多饮对人体有害,因此必须从咖啡中除去。工业上传统的方法是用二氯乙烷来提取,但二氯乙烷不仅提取咖啡因,也提取掉咖啡中的芳香物 质,而且残存的二氯乙烷不易除净,影响咖啡质量。西德Max-plank煤炭研究所的Zesst博士开发的从咖啡豆中用超临界二氧化碳萃取咖啡因的专题技 术,现已由西德的Hag公司实现了工业化生产,并被世界各国普遍采用。这一技术的最大优点是取代了原来在产品中仍残留对人体有害的微量卤代烃溶剂,咖啡因 的含量可从原来的1%左右降低至0.02%,而且CO2的良好的选择性可以保留咖啡中的芳香物质。
     美国ADL公司最近开发了一个用SCFE技术提取酒精的方法,还开发了从油腻的快餐食品中除去过多的油脂,而不失其原有色香味及保有其外观和内部组织结构的技术,且已申请专利。
 
在医药保健品方面的应用
     西德Saarland大学的Stahl教授对许多药用植物采用SCFE法对其有效成分(如各种生物碱,芳香性及油性组分)实现了满意的分离。
     在抗生素药品生产中,传统方法常使用丙酮、甲醇等有机溶剂,但要将溶剂完全除去,又不使药物变质非常困难,若采用SCFE法则完全可以符合要求。美国ADL公司从7种植物中萃取出了治疗癌症的有效成分,使其真正应用于临床。
     许多学者认为摄取鱼油和ω-3脂肪酸有益于健康。这些脂类物质也可以从浮游植物中获得。这种途径获得的脂类物质不含胆固醇,J.K.Polak等人从藻类中萃取脂类物质获得成功,而且叶绿素不会被超临界CO2萃出,因而省去了传统溶剂萃取的漂白过程。
     另外,用SCFE法从银杏叶中提取的银杏黄酮,从鱼的内脏,骨头等提取的多烯不饱和脂肪酸(DHA,EPA),从沙棘籽提取的沙棘油,从蛋黄中提取的卵磷 脂等对心脑血管疾病具有独特的疗效。日本学者宫地洋等从药用植物蛇床子、桑白皮、甘草根、紫草、红花、月见草中提取了有效成分。
 
天然香精香料的提取
     用SCFE法萃取香料不仅可以有效地提取芳香组分,而且还可以提高产品纯度,能保持其天然香味,如从桂花、茉莉花、菊花、梅花、米兰花、玫瑰花中提取花香 精,从胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料,从芹菜籽、生姜,莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油,不仅可以用作调味香料,而且一些精油还具有较高的 药用价值。
     啤酒花是啤酒酿造中不可缺少的添加物,具有独特的香气、清爽度和苦味。传统方法生产的啤酒花浸膏不含或仅含少量的香精油,破坏了啤酒的风味,而且残存的有 机溶剂对人体有害。超临界萃取技术为酒花浸膏的生产开辟了广阔的前景。美国SKW公司从啤酒花中萃取啤酒花油,已形成生产规模。
 
天然色素的提取
     目前国际上对天然色素的需求量逐年增加,主要用于食品加工、医药和化妆品,不少发达国家已经规定了不许使用合成色素的最后期限,在我国合成色素的禁用也势 在必行。溶剂法生产的色素纯度差、有异味和溶剂残留,无法满足国际市场对高品质色素的需求。超临界萃取技术克服了以上这些缺点,目前用SCFE法提取天然 色素(辣椒红色素)的技术已经成熟并达到国际先进水平。
 
农药残留分析中的应用
    农药残留分析包括对样品的提取、净化、浓缩、检测等步骤,其中提取和分离净化是分析的关键环节。传统的农药残留分析中,样品的前处理大多采用有机溶剂提 取。溶剂提取存在许多缺点:一是溶剂浪费严重,对环境污染较大;二是费时,提取、净化过程繁琐;三是提取率低。目前国际上将超声波提取和索氏萃取两种方法 列为首要的农药残留提取方法。但是这两种提取方法最大的缺点就是处理时间较长,因而影响了其推广应用。
    超临界流体萃取技术在农药残留的提取中具有得天独厚的优势。根据众多学者的研究发现,样品前处理简单、萃取时间短、提取效率高、提取结果准确度高、重现性 好等优点将会极大程度地推动其在农药残留分析中的应用。对于水分含量大的样品,只需在样品前处理过程中加入适量的干燥剂混匀即可;对于极性较大的物质,在 萃取过程中加入一定量的改性剂或将流体的配比加以改变就可以实现有效萃取。每个样品一般从制样到完成约需要40 rain左右,大大地缩短了提取时间,是常规溶剂提取、索氏提取和超声波提取等方法所不能比拟的。前人研究还发现,超临界流体萃取的结果重现性和提取准确 度远远好于其它方法。有关学者运用SFE技术来实现对杀虫剂结合残留的萃取。亦得到了比较满意的结果。尽管目前超临界流体萃取技术已经成为农药残留研究中 的热点。但是还存在一些缺点。首先器价格昂贵是制约该技术推广应用的主要因子;其次就是常用仪器的限流管比较容易堵塞,当实验品的水分过大或提取物中有 些成分粘度过高或聚合能力较强时,往往会将毛细管堵塞,严重时甚至使限流管报废,限制了对部分样品的提取;第三就是由于通常所使用的超临界流体是极性较弱 的二氧化碳,对于极性较强物质的萃取不很理想,因此需要大量的实验来确定流体的种类及两种或三种以上流体的配比,同时还需要夹带剂的配合使用来成功实现对 靶标物质的萃取。这些缺点基本上是技术上的弱点。比较容易改进。中国现在已经有很多厂家可以完成超临界萃取仪器的制造。
    SFE 技术越来越多地和多种方法联用,在农药残留的应用研究中很有潜力,尤其在农药多残留分析中,能够显著地提高分析效率。有人将SFE和分析仪器GC、MS联 用,对动物组织中的有机磷农药、氨基甲酸酯类农药进行分析,得到了很好的结果。Iancas等研究后认为,将SFE 与胶束毛细管电泳色谱(Micellar Electrokinetic Capillary Chromatography)技术结合可以迅速有效地实现萃取,该分析方法将成为农药残留分析中的新型方法。
 
在化工方面的应用
     在美国超临界技术还用来制备液体燃料。以甲苯为萃取剂,在Pc=100atm, Tc=400-440℃条件下进行萃取,在SCF溶剂分子的扩散作用下,促进煤有机质发生深度的热分解,能使三分之一的有机质转化为液体产物。此外,从煤 炭中还可以萃取硫等化工产品。
     美国最近研制成功用超临界二氧化碳既作反应剂又作萃取剂的新型乙酸制造工艺。俄罗斯、德国还把SCFE法用于油料脱沥青技术。
 
生物工程方面的应用
     近年来的研究发现超临界条件下的酶催化反应可用于某些化合物的合成和拆分。另外在超临界或亚临界条件下的水可作为一种酸催化剂,对纤维素的转化起催化作用,使其迅速转化为葡萄糖。
     1988年Bio-Eng.Inc.开发了超临界流体细胞破碎技术(CFD)。用超临界CO2作介质,高压CO2易于渗透到细胞内,突然降压,细胞内因胞内外较大的压差而急剧膨胀发生破裂。超临界流体还被用于物质结晶和超细颗粒的制备当中。

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