SC-CO2在葡萄酒渣功能性成分提取中的应用

宋金慧，李双石，马越，曹奇光，谢国莉

（北京电子科技职业学院，北京100029）

SC-CO2在葡萄酒渣功能性成分提取中的应用

宋金慧，李双石*，马越，曹奇光，谢国莉

（北京电子科技职业学院，北京100029）

葡萄酒工业产生大量的废弃物即葡萄酒渣，葡萄酒渣富含具有抗氧化活性和医疗保健功能的组分。超临界二氧化碳萃取技术是近年来兴起的一项具有精馏和萃取两过程的高新物质分离精制技术。介绍了超临界二氧化碳萃取的原理、特点及其在葡萄酒渣功能性成分提取中应用的研究进展，旨在为葡萄酒渣的综合利用提供一定的参考和借鉴。

葡萄酒渣；超临界二氧化碳；功能性成分

超临界萃取技术（supercritical fluid extraction，SFE）产生于20世纪50年代，是一项集提取、分离、浓缩为一体的新技术，目前已经广泛应用于食品、香料、医药、化妆品及化工等领域。迄今为止，约90%以上的超临界流体萃取应用研究均使用二氧化碳为萃取剂。与传统的分离技术相比较，超临界CO2萃取技术（supercriticalCO2extraction，SC-CO2）具有较明显的优势，其中的CO2不仅可以循环利用，而且提取出的终产物杂质少、纯度高，完全符合环境保护和循环经济发展的需要[1]。

我国是葡萄生产大国，葡萄产量增长迅速。随着人们生活水平的提高、保健意识的增强，对葡萄酒的需求也在不断增加。我国每年葡萄产量140多万吨，其中80%用于酿酒，2012年，全国葡萄酒的产量高达138.2万kL。葡萄酒渣是指葡萄酿酒后产生的残渣，主要由葡萄皮、葡萄籽和葡萄梗组成，约占酿酒葡萄总加工质量的20%左右，因此由酿造葡萄酒而产生的葡萄酒渣资源极其丰富[2]。国内外不断深入研究发现，酿酒后的葡萄酒渣中含有大量的功能性成分，包括原花青素、白黎芦醇、黄酮类化合物等，这些功能性成分具有多种药理活性和医疗保健功能，在消炎、抗突变、抗肿瘤和抗心脑血管疾病等方面均具有显著功效。葡萄酒渣中功能性成分的提取是葡萄酒渣综合利用的重点，葡萄酒渣的综合利用，可变废为宝，既保护环境又可节约资源，创造了很好的经济效益和社会效益[3-4]。

鉴于超临界萃取技术的显著优势和葡萄酒渣的利用价值，本文综述了近年来国内外学者应用超临界二氧化碳萃取技术提取葡萄酒渣中功能性成分的研究进展，旨在为今后葡萄酒渣的回收利用提供有价值的参考。

1超临界二氧化碳萃取技术的原理和特点

1.1 超临界二氧化碳萃取的原理

超临界流体萃取是利用超临界流体作为溶剂进行物料萃取的技术，即利用处于临界温度和临界压力以上、介于气体和液体之间的流体具有很强的溶解能力和良好的流动及传递性能的特点，通过控制温度和压力进行选择性萃取和分离的新技术。目前最常用的萃取剂是二氧化碳。超临界CO2萃取技术是基于高压或高密度状态下的CO2对有机物有很强的溶解能力，而低压或低密度下的CO2对有机物的溶解能力很弱这种物理性质的差别来实现萃取和分离，根据超临界CO2的这种特点，可以很方便地通过改变二氧化碳的温度和压力来调节萃取产物的组成[5-6]。

1.2 超临界二氧化碳萃取的特点

超临界CO2萃取技术比传统萃取法相比，具有如下优点[5-6]。

1.2.1 萃取温度低

CO2的临界温度为31.27℃，接近于室温，适合于分离热敏性物质，可以有效地防止热敏性成分的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸点，低挥发性、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来。临界压力为7.18MPa，处于中等压力，易于达到其超临界状态。由于SC-CO2具有较温和的萃取条件，因此被广泛应用于植物天然活性成分的提取领域中。

1.2.2 压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数

临界点附近，温度压力的微小变化，都会引起CO2密度显著变化，从而引起待萃物的溶解度发生变化，可通过控制温度或压力的方法达到萃取目的。压力固定，改变温度可将物质分离；反之温度固定，降低压力使萃取物分离；因此工艺流程短、耗时少。对环境无污染，萃取流体可循环使用，真正实现生产过程绿色化。

1.2.3 萃取和分离合二为一

当饱含溶解物的二氧化碳超临界流体流经分离器时，由于压力下降使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开，不存在物料的相变过程，不需回收溶剂，操作方便；不仅萃取效率高，而且能耗较少，节约成本。

1.2.4 无溶剂残留

超临界CO2流体常态下是气体，无毒、无味、不燃、不腐蚀，与萃取成分分离后，完全没有溶剂的残留，有效地避免了传统提取条件下溶剂毒性的残留。同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，百分之百的纯天然。

1.2.5 超临界流体的极性可以改变

一定温度条件下，只要改变压力或加入适宜的夹带剂即可提取不同极性的物质，可选择范围广。、

1.2.6具有抗氧化灭菌作用

有利于保证和提高天然产物产品的质量

2超临界二氧化碳技术在葡萄酒渣功能性成分提取中的应用

2.1 葡萄籽油

葡萄酒渣中葡萄种籽占有很大的比重，约占干葡萄皮渣的65%，葡萄籽油是葡萄酒渣综合利用的主要途径，也是综合利用产量最大的产品。葡萄籽中的油脂含量约为10%～15%，且含有丰富的不饱和脂肪酸，其中亚油酸的含量更是达到70%以上。葡萄籽油中还含有多种矿物元素和VA、VD、VE、VP、VK等多种维生素，特别是VE含量最高。葡萄籽油具有调节血脂、清除沉积的血清胆固醇、防止血栓形成、扩张血管、促进人体前列腺素的合成，还有营养脑细胞、调节植物神经等作用[7]。葡萄籽油除了作食用外，还可作化妆品的原料以及机械工业的润滑油。

目前，葡萄籽油的提取方法主要有机械压榨法、溶剂浸出法和超临界萃取法。机械压榨法存在出油率低、杂质含量高，且能耗大的缺点，溶剂提取法的出油率较高，提取较彻底，但溶剂极易燃，对操作安全要求较高，产品中易存在溶剂残留，且在有机溶剂回收过程中易引起不饱和脂肪酸分解等缺陷。超临界CO2萃取技术最大的优点是可以低温操作，避免了葡萄籽油中不饱和脂肪酸的氧化分解，而且溶剂无残留，能耗低，且产品质量稳定，是保健植物籽油提取的有效手段[8]。

黄雪等采用超临界CO2萃取技术对葡萄籽中的葡萄籽油进行提取，选用无水乙醇为夹带剂，在夹带剂料液比为1:2，萃取压力30MPa，CO2流量27 kg/h，萃取温度为50°C，萃取时间3 h条件下，平均提取率可以达到15.12%[9]。李延辉等采用超临界CO2萃取技术直接对压榨法制取的葡萄籽毛油进行精制，该法将脱酸、脱色、脱臭等步骤一次完成，速度快、效率高，操作温度低，对油脂的有效成分不产生破坏，精制后的葡萄籽油无溶剂残留，色泽亮黄纯正，气味清香[10]。王忠华对超临界CO2技术萃取葡萄籽油的工艺条件进行了探讨，考察了物料粒度、萃取压力、萃取温度和萃取时间对葡萄籽油萃取率的影响，结果表明超临界CO2技术萃取葡萄籽油的工艺切实可行，在葡萄籽粒度40目、萃取压力50MPa、温度32℃、萃取时间60min的条件下，葡萄籽油的平均萃取率可达14.91%[11]。唐春江等以刺葡萄种籽为原料，采用普通超临界和超声波强化超临界萃取技术，对发酵、未发酵不同处理的刺葡萄种籽进行脂肪酸萃取，结果表明，普通超临界装置萃取的刺葡萄籽油萃取率高、油脂清亮且透明度好，优于超声波强化超临界装置[12]。

将生物酶法与超临界CO2萃取结合使用成为近几年葡萄籽油提取的新趋势，即在萃取前先用细胞壁降解酶处理，进而可提高葡萄籽的出油率。Passos等研究了葡萄籽中籽油的超临界萃取前，进行加酶的前处理，最大得率可由原来的11.5%提高到16.5%，所加酶包括纤维素酶、蛋白酶、木聚糖酶和果胶酶等[13]。

2.2 葡萄皮精油

葡萄芳香物质是葡萄中一类令人产生愉悦感觉的挥发性物质的总称，葡萄的典型芳香物质有大部分是里那醇、橙花醇、香叶醇、香茅醇等萜烯类化合物，它们均为结构简单的小分子有机物。葡萄芳香物质分布于葡萄的果肉、果皮、叶片、茎等不同部分，其中葡萄果皮中芳香物质多于果肉中芳香物质，因此葡萄皮精油的高效提取和二次开发成为葡萄酒渣高效转化增值新的发展方向。由于超临界流体萃取技术具有较温和的提取条件本身的独特优势，可有效保护精油中热敏性或化学不稳定性成分不被破坏，因此该技术在萃取植物芳香成分的研究领域非常活跃[6]。

张振华等采用超临界CO2技术提取玫瑰香葡萄皮精油，考察CO2流量、温度、压力、时间等关键因素对葡萄皮精油得率的影响，结果表明影响因素的主次作用为萃取时间＞萃取温度＞萃取压力，最佳工艺条件为萃取时间35min、萃取温度35℃、萃取压力30MPa，随着CO2流量增加、萃取时间延长，萃取效率成线形增加，但当达到2mL/min的CO2流量、萃取50min的临界点后，萃取效率将逐渐降低[14-15]。

2.3 单宁和原花青素

单宁是不同聚合度的黄烷-3-醇聚合物的混合物，又叫单宁酸、鞣酸，主要是一些引起涩味的多酚类物质。单宁具有止血、抑菌、抗过敏、抗突变、抗癌、抗肿瘤、抗衰老等生理活性。葡萄梗和葡萄籽中均含有含量较高的单宁物质[2]。

张建研究了从葡萄梗中超临界CO2萃取单宁的方法，并对影响萃取的各种因素进行了分析，得出了优选的超临界CO2萃取条件为萃取压力25MPa、萃取时间90min、萃取温度37°C、CO2流速12.5mL/min，此条件下单宁得率高达88.4%[16]。

原花青素（Proanthocyanidins），也称缩合单宁，是由不同数量的儿茶素或表儿茶素缩合而成，形成二聚体直至十聚体化合物，原花青素广泛存在于各种植物的核、皮或种子等部位。原花青素是一种高效的抗氧化剂，是目前为止发现的最有效的自由基清除剂，在体内的抗氧化活性为VC的20倍、VE的50倍。原花青素同时还具有保护血管内皮，抑制低密度脂蛋白氧化，抗肿瘤，抗糖尿病以及抗诱变的能力，在食品、药品、保健品和化妆品等领域应用广泛[2]。

原花青素在葡萄中主要以二聚体形式存在。虽然许多植物的果实都含有原花青素，但葡萄籽原花青素在质量和含量上均比较突出。近年来，许多国家开始采用超临界CO2萃取技术从葡萄籽中提取高纯度的原花青素，它是根据原花青素的分子结构，加入合适的夹带剂，以此来影响原花青素在超临界流体中的溶解度与选择性，然后用超临界CO2萃取法从葡萄籽油的残渣中制取原花青素，以获得无毒、无残留、无环境污染、高纯度的原花青素物质[17]。

孙传经利用超临界二氧化碳萃取技术提取了葡萄渣中的葡萄籽油和原花青素低聚物，研究表明葡萄渣在萃取釜压25MPa～29MPa，温度为60℃条件下经超临界二氧化碳萃取出葡萄籽油后，向超临界二氧化碳中加入夹带剂70%丙酮，CO2与夹带剂质量比为4:1，最终得到的原花青素产品纯度可以达到95%以上[18]。唐韶坤以提取刺葡萄籽油后的萃余物为原料，采用超临界CO2提取法对原花青素的工艺进行优化，得出最佳提取条件为萃取温度55°C、萃取压力40MPa、原料与夹带剂质量比为1:1.2、静态浸泡时间为90min，此条件下得到了纯度为96.54%的优质原花青素产品，且产率达到3.81%[19]。姚方耀等人利用超临界CO2萃取法从葡萄籽中提取原花青素，采用了动态夹带剂超临界CO2、静态夹带剂超临界CO2、动静结合夹带剂超临界CO23种方法，并对静态夹带剂超临界CO2萃取原花青素的工艺进行了正交实验研究，结果表明在萃取温度65°C、压力35MPa时产品纯度达到95%以上，收率达到8.38%，达到了出口产品的品质要求[20]。

2.4 白藜芦醇

白藜芦醇（Resveratrol，Res）又称芪三酚，化学名称为3，4，5-三羟基二苯乙烯（3，4，5-trihydrolystilbence），是植物体中产生的天然二苯乙烯类多酚物质，是一种次生代谢产物。大量动物实验研究表明，白藜芦醇具有抗肿瘤、消炎、抗菌、抗氧化、抗自由基、保护肝脏、保护心血管和抗心肌缺血等功能。白藜芦醇普遍存在于葡萄皮和葡萄籽中，在葡萄皮中含量最高，其次是葡萄籽，而在葡萄果汁中几乎没有，此物质可通过浸渍与发酵进入葡萄酒中。葡萄酒中白藜芦醇含量的多少取决于葡萄的种类、前处理（破碎和压榨）以及酿造方法的不同[2]。

白藜芦醇的提取方法主要有溶剂提取法、碱性水或碱性稀醇提取法以及超声波提取法、酶解法等，其中溶剂法是国内外最广泛应用的提取方法。常用溶剂主要有水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、乙醚等。溶剂法对设备要求简单，产品得率较高，但缺点是成本高，杂质含量也高[21]。

张青松利用超临界CO2萃取技术对酿酒后的葡萄皮渣进行白藜芦醇的提取，研究结果得出最佳的提取工艺条件是采用7.5%的乙醇作为夹带剂，萃取温度38℃、萃取压力13MPa、萃取时间17min，在此条件下白藜芦醇的收率可以达到0.087%。此研究同时对超临界CO2萃取与有机溶剂提取法、酶法、超声波法进行了比较分析，结果表明超临界CO2萃取法提取的白藜芦醇产物杂质最少，纯度最高，但与酶法提取、超声波提取法和有机溶剂提取法相比，超临界CO2萃取法收率最低，因此建议利用超临界CO2萃取法对粗提产物进行精制[22]。Casas等采用超临界CO2萃取技术提取葡萄皮、葡萄梗、葡萄籽和葡萄皮渣中的白藜芦醇，考察不同萃取压力（100 bar～400 bar）和不同萃取温度条件（35℃～55℃）对于白藜芦醇提取率的影响，研究结果表明，最佳萃取条件为选用葡萄皮为提取原料，配合5%乙醇作为夹带剂，压力400 bar，温度35℃，此条件下白藜芦醇的提取率最高，可以达到原料干重的49.1mg/100 g[23]。

2.5 花色苷

花色苷类物质是植物花、果实的主要成色物质，葡萄花色苷作为一种天然食用色素，安全、无毒、资源丰富，且具有多种生理活性作用，如清除体内自由基和抗氧化作用，抑制低密度脂蛋白氧化和血小板聚集，预防冠心病、高血脂、动脉粥样硬化及白内障等疾病，因此，花色苷在食品、化妆品、医药保健等领域均有着巨大的应用潜力[24]。葡萄花色苷主要存在于果皮中，葡萄酒酿造后产生的副产物葡萄皮渣仍含有大约60%的花色苷类物质[2]。

目前超临界流体技术在萃取天然色素中的应用较多[24]，但在葡萄花色苷提取中的应用在国内还未见报道。国内葡萄花色苷提取的方法多采用溶剂提取法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法和酶法[25]。Vatai等人采用超临界CO2从葡萄渣提取花色苷，研究表明，利用超临界CO2提取法可以有效替代传统的有机酸溶剂提取花色苷的方法[26]。

2.6 总酚

Pinelo等分别采用溶剂提取法和超临界CO2萃取法提取葡萄酒渣中多酚物质，结果表明优化工艺条件下超临界CO2萃取法提取的多酚量是溶剂提取法的2倍，同时建议超临界CO2萃取时，需添加8%的乙醇夹带剂，以有利于多酚物质的释放[27]。Ghafoor等人采用响应面曲面法优化葡萄皮中多酚类物质的提取工艺，结果表明采用45℃～46℃，1.56 MPa～1.6MPa和6%～7%的乙醇作夹带剂的提取条件，总酚提取率可达2.156mg/100mL，抗氧化物提取率可达1.628mg/mL，总花色苷提取量可达1.176mg/mL[28]。

2.7 齐墩果酸

齐墩果酸（oleanolic acid，OA）是五环三萜类化合物，广泛分布于植物界，OA通常以游离或结合成苷的形式存在。齐墩果酸具有消炎、增强免疫、抑制血小板聚集、降血脂等作用，目前临床上主要用来治疗急性黄疸型肝炎和慢性肝炎，具有毒副作用低等优点[29，30]。来海中等人用正交设计的方法优化葡萄皮渣中齐墩果酸CO2超临界萃取的工艺条件，以齐墩果酸得率评价，确定最佳萃取条件为萃取压力21MPa、萃取温度37°C、CO2流量5 L/min[31]。

3葡萄酒渣超临界二氧化碳萃取物的成分分析

超临界CO2萃取技术作为一项新技术，也存在一定的局限性，其常用流体CO2由于非极性和相对分子质量低的特点，故主要用于低极性的小分子化合物的萃取，而对极性较大或分子量较大的有效成分（如某些内酯、生物碱、黄酮及酚类等）缺乏足够的溶解性而提取效率较差。因此，该技术通常较适用于亲脂性、小分子物质的提取，对于植物中的某些极性较强的功能性成分，仅靠改变提取的压力和温度常难以达到理想的提取效果，必须在其提取体系中加入夹带剂来提高其溶解强度，因而必须在合适的夹带剂的选用方面下功夫[32]。

唐春江等对超临界CO2萃取技术提取的发酵与不发酵刺葡萄籽油进行气相色谱-质谱联用分析（GCMS），结果显示两种刺葡萄籽油的成分都以不饱和脂肪酸为主（83%～87%），且不饱和脂肪酸主要是亚油酸（82%～86%）[12]。杨碧霞等采用超临界CO2萃取法提取巨峰葡萄籽油，用气相色谱法对其成分进行分析，结果表明，葡萄籽油中不饱和脂肪酸含量较高，占88.3%，含亚油酸69.9%和油酸18.4%，饱和脂肪酸主要为硬脂酸和棕榈酸，相对含量分别为3.6%、8.1%[33]。王仁才对超临界CO2萃取的未经甲酯化刺葡萄籽油样品进行GC/MS分析，在葡萄籽油首次发现含量较高的角鳖烯功效成分，这不仅为刺葡萄籽油具有较强的增强机体生理功能、提高免疫力等保健作用提供了理论依据，也为葡萄籽功效成分的提取利用及其保健领域研究开拓了新途径[34]。

Daniela等对两种酿酒葡萄品种（美乐、西拉）的皮渣中多酚成分进行超临界CO2提取，并采用高效液相色谱技术（HPLC）对其萃取物进行成分分析，结果表明萃取物中的主成分有没食子酸（gallic acid）、安息香酸（p-OH-benzoic acid）、香草酸（vanillic acid）和表儿茶酸（epicatechin），此研究同时发现使用乙醇作夹带剂，可增加没食子酸和表儿茶酸的提取量[35]。

4展望

随着当今社会高度发展，维护和保持一个可持续发展的环境是人类共同的要求和期望，无论是环境保护，还是人们对天然产物和功能性食品的青睐，超临界技术将拥有更为广阔的发展空间。将该技术应用于葡萄酒渣中功能性成分的提取过程，实现了葡萄酒产业废物的资源化，这必将成为葡萄酒加工产业增值的新方向。

目前，我国的超临界CO2萃取技术发展较快，虽初步具备了工业化生产的条件，但是与世界先进水平相比，尚存一定差距。超临界萃取技术和设备由于投资和操作成本等问题，其工业化应用还受到一定的限制，随着超临界CO2萃取技术和装备的不断拓展与完善，超临界萃取技术在酿酒废弃物处理方面的应用将实现较大的突破。

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Application of Supercritical CO2on the Extraction of Functional Components from W inery Wastes

SONG Jin-hui，LIShuang-shi*，MAYue，CAOQi-guang，XIEGuo-li
(College of Bioengineering，Beijing Polytechnic，Beijing 100029，China)

There are large amounts of winery wastes generated in industrial wine production.Winery wastes contain high levels of functional components that can act as antioxidants and have health-promoting activities. Supercritical CO2extraction technique is a new technique that concludes rectification and extraction processes，by which high and good quality products can be separated.This paper summarizes the supercritical CO2 extraction technological principle，characteristics and its application on the extraction of functional components from winery wastes.It would provide scientific foundations for utilization of winery wastes.

winery wastes；supercritical CO2；functional components

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.012.030

2013-05-05

北京市教育委员会科技计划面上项目专项资助课题（SQKM201210858001）；北京市属高等学校人才强教计划资助项目（PXM2014-014306-000051）

宋金慧（1982—），女（汉），助教，硕士，研究方向：食品营养。

*通信作者：李双石（1980—），女，副教授，博士，研究方向：食品生物技术。