多種因素影響下的超高壓提取工藝改良及應用研究

邵怡嘉 張志祥 尚海濤 王匯川 凌建剛

摘要：超高壓提取技術作為一種新型的提取技術，具有提取效率高、雜質含量少、提取工藝簡單等優點。溫度、壓力、保壓時間等都會對超高壓提取產生重要影響。通過改變溫度、壓力、時間、料液比等條件，并對提取工藝進行適度改良，使超高壓提取技術不斷得到完善，成為了一種較為理想的提取方法，目前已廣泛應用于果蔬、中藥、茶葉等食品的提取中。

關鍵詞：超高壓；提??；工藝改良；影響因素

中圖分類號：TS201 文獻標志碼：A doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2018.03.043

Abstract：As a new extraction technology，ultrahigh pressure extraction technology has the advantages of high extraction efficiency，low impurity content and simple extraction process. Temperature，pressure，pressure time and so on have an important influence on ultrahigh pressure extraction. By changing the temperature，pressure，time，ratio of liquid to conditions，and to moderate improvement of extraction process，made the ultrahigh pressure extraction technology constantly improving，has become a kind of ideal extraction method，has been widely used in the extraction of fruit and vegetable，water food，medicine，tea.

Key words：ultra-high pressure；extraction；process improvement；influencing factor

超高壓提?。℉igh pressure extraction，HPE），是指將100 MPa以上的流體靜壓力作用于待提取的物質，在保壓幾分鐘直至細胞內外壓力平衡后迅速卸壓[1]，致使細胞內的有效成分滲透出細胞膜，轉移到細胞外的提取液中，從而有效提取目標成分的方法[2]。傳統的提取方法主要包括溶劑提取法、升華法和水蒸氣蒸餾法[3]，但這些傳統方法普遍存在著工藝復雜、產品純度低[4]和提取效率低[5]等諸多問題。針對傳統提取方法的工藝弊端，有學者開展了優化提取技術的研究，其中包括提取工藝及其提取技術的改進[6]。目前，新型的提取技術包括酶提取法[7]、微波提取法[8]、超聲波提取法[9]、酸堿萃取法[10-11]、溶劑浸提法[12]和超高壓提取法等。

超高壓提取技術作為一種新型的提取技術，具有提取效率高、雜質含量少、提取工藝簡單等優點，已在食品和藥品加工領域廣泛應用。林執絢[13]在黃酮的超高壓提取的研究中得出總黃酮的提取得率達到了50.2%，比傳統方法中的回流方法提高了1.9%，在時間上也縮短了357 min。馬佩佩等人[14]在研究超高壓提取庫爾勒香梨多糖的最佳工藝研究中也得出超高壓提取方法與微波法相比較，時間更短、得率也相對更高。而且，超高壓提取技術不會造成食品溫度上升，可以有效避免高溫引起的有效成分的改變、降解及其生理活性的降低等問題[15]。超高壓技術對共價鍵幾乎無影響，因而對食品中的許多有效成分，如氨基酸、單糖、小分子色素、維生素及香氣物質幾乎沒有破壞作用[16-17]。超高壓可適用的提取范圍廣，利用該項技術可提取極性、醇溶性、弱極性或非極性等有效成分。同時，由于整個超高壓提取環節在密閉的環境中進行，因此也可避免提取劑揮發而造成的環境污染[18]。

對超高壓提取技術的影響因素，提取工藝與改良及其在果蔬、茶葉、中藥領域中的應用進行綜述，以期為超高壓提取技術在食品、藥物等加工領域中的應用提供理論基礎。

1 超高壓提取的影響因素分析

1.1 溫度對超高壓提取的影響

超高壓提取與其他提取方法相比，雖然對溫度的要求相對較低，但溫度的改變也會造成提取效果的改變。這是由于較高的溫度能提高分子運動的速率而有利于溶劑分子滲透入細胞內，同時溫度的提高有利于細胞壁的軟化，減小了被提取物由組織細胞向外擴散的阻力[19]。奚灝鏘等人[20]在研究超高壓提取香菇多糖的研究中發現，在不同的溫度下設置料液比1∶30，保壓時間6 min，壓力300 MPa，多糖得率隨溫度升高呈上升趨勢，但在溫度到達50 ℃后，提取率基本不變。由此可見在一定范圍內，溫度的升高會提高提取物的提取率。杜冰等人[21]在提取靈芝孢子粉多糖的研究也得出了相似的結論。李宏偉等人[22]在超高壓提取山楂葉中黃酮類化合物時發現當溫度低于40 ℃時提取率偏低，而高于40 ℃后提取率會有明顯的提高，超過60 ℃后變化不顯著。雖然在一定范圍內溫度的升高可以提高超高壓提取率，但是當溫度超過一定范圍后，升高溫度對物質的提取率已影響不大，這是由于溫度升高到一定程度對分子運動速率的影響已經達到一定限度，繼續升高溫度甚至會造成某些物質的降解。因此，在超高壓提取時應尋找到最適宜的提取溫度進行提取。

1.2 壓力對超高壓提取的影響

在一定范圍內，增加壓力可以提高提取物的得率。主要原因如下：①增大壓力可以使溶劑向固體組織的滲透速率大大提高[23]；②壓力的提高能促進提取物內部維持結構的化學鍵發生改變，增加化學平衡的移動速率，使有效成分快速溶解，從而縮短提取時間[24]；③高壓能充分破壞物質的細胞膜和細胞壁，促使有效成分溶出[25]?？v偉等人[26]在提取金銀花中總黃酮的研究中分別采用不同壓力處理金銀花4 min，料液比1∶12，得出了當壓力為0.1～350.0 MPa時，提取率隨壓力增加而升高的結論；但當壓力高于 350 MPa時，得率反而開始有所下降。這是由于當壓力大于一定程度時，高壓已充分破壞了細胞的細胞壁和細胞膜，再提高壓力反而會使雜質釋放而降低提取率。而靳學遠等人[27]在超高壓提取桔梗皂苷的研究中也發現在固定料液比1∶15，粉碎度50目，保壓時間4 min的條件下桔梗皂苷提取率隨超高壓壓力的增加而明顯增加，且當壓力達到400 MPa時提取率最高，繼續增加壓力桔梗皂苷提取率也會有所下降。一定范圍內壓力的提高能夠使提取率有顯著的提高，但是不同提取物最適宜的提取壓力也有著很大的差異，比如在其他條件最適宜的情況下，黃芪甲苷的提取最適壓力為300 MPa[28]，啤酒酵母油脂的最適壓力為400 MPa[29]，桑葉蘆丁的最適壓力為500 MPa[30]。所以，提取率最高時的壓力也不是一概而論的，應針對不同提取物質設置不同的壓力范圍。

1.3 時間對超高壓提取的影響

足夠的保壓時間能夠保證溶劑溶質充分的平衡，且保壓時間的延長還會增加壓力對物質的作用，從而提高提取率[31]。枇杷葉總黃酮超高壓提取研究中將50%的乙醇溶液加入枇杷葉中，并固定料液比1∶20，壓力400 MPa進行提取。當時間在4 min以內時總黃酮的提取率隨提取時間的延長呈上升趨勢，但當提取時間超過4 min以后，總黃酮的提取率隨時間的增加基本保持不變。原因可能是4 min以后枇杷葉細胞已基本破裂，繼續延長時間對總黃酮提取率已影響不大[32]。將香梨原漿采用壓力300 MPa，溫度35 ℃，料液比1∶3的固定條件分別處理1～5 min。發現在3 min以前，香梨的多糖得率隨時間的延長有明顯升高，但當時間超過3 min以后，多糖提取率幾乎不再改變[14]。這是由于當時間較短時，細胞剛剛破裂，細胞內外存在的濃度差較大，隨時間的延長多糖得率能夠不斷提高，但3 min以后細胞內外濃度基本接近平衡。

由此可知，當超高壓提取超過一定時間后提取率也不再升高。這是由于時間過長使保壓時間已超出溶劑溶質的平衡時間，這之后溶劑中提取物的含量也就不再上升[31]。而且，過長的處理時間會浪費更多的能源，使提取的經濟性下降。因此，尋找一個合適的保壓時間對提高提取物提取率具有明顯的作用。

1.4 料液比對超高壓提取的影響

料液比也是超高壓提取過程中的一個重要因素。從傳質方面來看，溶液的濃度差是傳質的一個重要動力，增加料液比可以使提取物由固相表面向液相主體擴散的兩相傳質改善，從而提高提取率[33]。劉志臣等人[34]的研究表明，在一定范圍內，料液比的增加可以提高物質的提取率。提取過程中控制其他條件不變，隨著溶劑用量的增加，洋蔥皮中阿魏酸的提取率會隨之顯著增加，可見料液比的提高能極大地提高物質提取率。但當料液比大于1∶20后繼續增加料液比，得率增加速度相對緩慢，且過多的溶劑還會使后續的濃縮耗能大大增加。岳亞楠等人[35]的研究也得出了相似結論，超高壓提取蘋果渣中多酚的研究中保持超高壓壓力200 MPa，保壓時間9 min，當料液比1∶5 ～ 1∶25時，蘋果中多酚的提取率隨料液比的增加而增加，但當料液比超過1∶25后，多酚提取率反而因料液比的增加而有所下降。從經濟效益與后期濃縮純化等各綜合因素考慮，料液比為1∶25時蘋果渣中多酚的提取效果最佳。由此可見，增加料液比是工業超高壓提取中提高提取率的一個重要手段，但當料液比超過一定程度也會使生產成本過高，后續處理的工作量加大而造成經濟效益的降低[33]。因此，研究不同提取物超高壓提取時最適宜的料液比也是亟待解決的問題。

2 超高壓提取工藝及工藝改良

2.1 超高壓提取的工藝流程

超高壓提取過程主要分為以下幾個步驟：預處理、升壓、保壓、卸壓、分離純化等[36]。

工藝流程為處理原料→加入溶劑→升壓、保壓、泄壓→殘渣過濾→分離純化→目標成分。

在原料的預處理部分，需要進行挑選、清洗、干燥和破碎原料，做好原料的初步準備，之后與配置好的溶劑混合后等待超高壓提取。超高壓提取分為升壓、保壓和泄壓3個部分。升壓時，超高壓儀器施加的巨大壓力使溶劑通過滲透作用在短時間內迅速進入細胞內部，使細胞內外側壓力達到平衡；保壓時，持續的高壓使細胞內容物與細胞內部的溶劑充分接觸，而使目標成分溶于溶劑；卸壓時，細胞外部壓力迅速減小，而細胞內部此時仍為未卸壓時壓力，內外壓力差瞬時增大，細胞膜因壓力差變形至超過極限，細胞膜破裂，這時，溶解了目標成分的溶劑迅速泄出，完成提取。樣品的后續處理是將其濾除殘渣后進行分離純化而得到有效成分。分離純化技術包括高速逆流色譜技術、醇沉和大孔樹脂吸附分離技術等[37]。

2.2 超高壓提取的工藝改良

超高壓提取技術在食品加工提取方面已有了初步的應用，但該技術仍處于起步階段。提取不同物質時，各提取參數之間的最佳協同范圍仍需進一步確定，且在提取工藝優化方面也有著很大的提升空間。李新原等人[38]研究超高壓與超聲波對藍靛果多酚提取試驗時發現，超高壓提取藍靛果多酚所用時間雖短，但受各種條件的影響超高壓提取的效率與提取量仍稍劣于超聲波提取，導致其大規模應用于工廠化生產的可能性較低。在如何有效提高超高壓提取的提取率這一問題上，學者們也開展了多項研究。謝銀軍等人[39]在提取魚腥草中的多糖時發現當采用100 MPa壓力時，多糖得率不足4%；而不斷升高壓力至300 MPa時，多糖得率升高至5.5%左右。宋麗軍等人[40]在研究核桃青皮中多酚的超高壓提取工藝優化時發現，溫度的升高也能提高多酚的提取率，當溫度設置為40 ℃時多酚得率達到了5.875 mg/g，相比20 ℃時，提取得率增加了0.420 mg/g。但是只改變溫度對提取率的提升效果不明顯，且當溫度高于40 ℃后多酚得率也不再增加。劉志臣等人[34]的研究發現，一定范圍內乙醇體積分數的增加也可以提高提取率。在乙醇體積分數為50 %時洋蔥阿魏酸的提取率僅不到24%，而將乙醇體積分數提高到70%時阿魏酸的提取率高于了30%。pH值的改變也可以使超高壓提取的得率有所提升，陳瑞戰等人[41]在研究超高壓提取丹參素的研究時將pH值由7調至13，丹參素的提取率由不足10%提高到35%。

此外，保壓時間、料液比等因素的調整都能提高提取率。若將以上幾個條件調至最佳，必定能使提取率有極大的提升。超高壓提取技術雖然有許多優點，但并非單憑此就可完成所有的食品加工，因此也要將其與其他加工工藝相互配合完成。譬如，超高壓提取雖對生物小分子的結構無影響，但卻會影響淀粉、蛋白質等大分子的立體結構[42]，所以在使用超高壓提取各類物質時，倘若遇到易受高壓影響的大分子物質，也要與其他提取方法取長補短、共同使用。

3 超高壓提取技術的應用

3.1 超高壓提取技術在果蔬中的應用

超高壓提取技術在果蔬活性成分的提取方面得到了很好的應用，主要包括果膠、黃酮、番茄紅素、多酚等成分的提取，并在如何提高提取率、增強提取物抗氧化活性和減少提取時間等方面進行了較多研究。Guo X F等人[43]研究表明，在保壓時間10 min，壓力500 MPa，溫度55 ℃的條件下，臍橙皮果膠達到最高的提取率（20.44%），大大高于微波提?。?8.13%）和傳統加熱提?。?5.47%）；提取蘋果多酚的工藝研究表明，在提取溶劑為乙醇體積分數80%，料液比1∶6，壓力200 MPa，保壓時間2 min的條件下，蘋果多酚提取率和含量是常壓回流提取的1.2倍和 1.3倍[44]。靳學遠等人[45]在研究超高壓提取番茄紅素的研究中也得到類似的結論。相比傳統提取方法，超高壓提取荔枝黃酮時，提取率和提取物的抗氧化活性也有較大提升[46]。在提取柿葉中熊果酸的試驗中，董海麗等人[47]采用乙醇體積分數95%，料液比1∶11，提取壓力300 MPa，提取時間 4.0 min的條件，提取得到的熊果酸得率分別高于超聲波輔助提取法（10.3%）和微波輔助提取法（16.2%），可見超高壓提取十分適用于提取柿葉中熊果酸。在研究超高壓對提取物質抗氧化活性的影響中，于亞莉等人[48]測定花生抗氧化能力的試驗結果顯示，在花生殼多酚的質量濃度為1 mg/mL時，其對羥基自由基的還原力為0.364，抗脂質體活性為82%；而采用相同濃度的VC進行試驗時，其還原率為0.959，抗脂質體活性僅為19.4%。綜合上述研究發現，將超高壓技術應用于果蔬的提取效果相對于傳統提取方法有著極大改善，具體表現在提取率的提高，抗氧化活性的增強與時間的減少等。

3.2 超高壓提取技術在茶葉中的應用

據現代醫學研究表明，茶葉中有許多有益于健康的成分，如氨基酸、咖啡堿、茶多酚、氨基酸、礦物質、多糖等[49-53]，但這些物質在提取時卻存在著提取時間長、能耗高、雜質成分多等問題[54]。超高壓提取技術在解決此類問題上有著重大的突破。采用超高壓技術從茶葉中提取茶多酚的研究中，張格等人[55]發現超高壓提取在常溫下進行，由于不需高溫加熱，大大減少了茶多酚變性的可能性；能源消耗低，僅為回流提取的1/10；提取時間短，效率高。不僅如此，在相同條件下制得的茶多酚還能運用于魚肉的保鮮，使魚肉具有抗氧化作用，以此延長魚肉的保鮮時間[56]。陳小強等人[57]在超高壓提取綠茶汁的研究中發現，采用300 MPa的提取條件時，超高壓提取的綠茶汁相對于冷提和熱提的游離氨基酸含量均較高，且其水溶糖含量較低。由色差分析得出超高壓提取的綠茶汁黃綠度深，有更好的視覺效果。且超高壓能夠使過氧化物酶活性和殘留的多酚氧化酶鈍化，提高綠茶汁的品質。

對現代化的生產來說，超高壓提取機械化程度高、操作簡單，這為茶多酚工業化的提取提供了一項新技術。

3.3 超高壓提取技術在中藥中的應用

中藥中含有的許多化學物質都有治療疾病的功能，如黃酮類[58-59]、皂苷類[60-61]、生物堿類[62]等，如何經濟有效地提取此類化學物質也是中藥現代化過程中研究問題之一。堿提酸沉法、水煎煮法和浸漬法本是傳統提取中藥中黃酮類成分的主要方法，但費工費時且效率低下。而超高壓技術為中藥提取技術提供了新的方法[63]。Zhang S Q等人[58]將乙醇作為溶劑，通過超高壓從蜂膠中提取1 min，黃酮得率明顯高于浸提7 d與熱回流提取4 h。在超高壓提取老鷹茶總黃酮的工藝優化的研究中，乙醇體積分數70%，保壓時間9 min，壓力427 MPa的條件下，總黃酮得率達到了6.263%±0.014%，這比傳統水浴加熱提取時間更短、耗能也更低[59]。超高壓提取不僅能節省中藥提取的時間，還能在較短的時間內對細胞有更大的破壞程度，這在超高壓提取皂苷中具有廣泛的應用。采用溶劑為體積分數50%的乙醇，壓力200 MPa的最佳工藝條件時，超高壓提取2 min與傳統熱提取6 h相比，對人參細胞的破壞程度更大，皂苷提取效率更高[60]。王居偉等人[61]在超高壓提取大豆皂苷的研究中也得到了相似結論。當超高壓的中藥提取應用于生物堿類的生產時，提取率也有了較大的提升。采用乙醇浸泡2 h，保壓時間5 min，壓力為600 MPa的工藝條件提取的烏頭原堿提取率分別是熱回流的 72倍，煎煮法的14倍[62]。然而，對于中藥中需要大規模提取的化學物質，超高壓有效提取溶劑相對較少，這也是日后值得研究解決的一個重要問題[60]。

4 結語

溫度、壓力、時間、料液比均對超高壓提取的效果具有重要的影響。在一定程度內，溫度的升高、壓力的增大、時間的延長、料液比的增大均有利于提高提取的效果，但到達一定范圍后提升效果不再明顯，甚至出現提取效果變差的情況。改變溫度、壓力、時間、料液比等條件，并對提取工藝進行適度改良，使超高壓提取技術不斷得到完善，成為了一種較為理想的提取方法，目前已廣泛應用于果蔬、中藥、茶葉等食品的提取中。

超高壓提取雖然有許多優點，仍存在著亟待解決的問題。超高壓易影響蛋白質、淀粉等大分子物質的立體結構，因此無法適用于提取含此類大分子的產品。且超高壓的設備一次性投資較大，設備的密封條件、強度、壽命無法得到保障，要實現超高壓提取技術在工業生產中的推廣還需完成大量的工作[64]。但隨著專家學者對此項研究技術的不斷深入，相信此項技術定能得到完善，并應用于廣闊的市場中。

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