多种因素影响下的超高压提取工艺改良及应用研究

邵怡嘉，张志祥，尚海涛，王汇川，凌建刚

超高压提取 （High pressure extraction，HPE），是指将100 MPa以上的流体静压力作用于待提取的物质，在保压几分钟直至细胞内外压力平衡后迅速卸压[1]，致使细胞内的有效成分渗透出细胞膜，转移到细胞外的提取液中，从而有效提取目标成分的方法[2]。传统的提取方法主要包括溶剂提取法、升华法和水蒸气蒸馏法[3]，但这些传统方法普遍存在着工艺复杂、产品纯度低[4]和提取效率低[5]等诸多问题。针对传统提取方法的工艺弊端，有学者开展了优化提取技术的研究，其中包括提取工艺及其提取技术的改进[6]。目前，新型的提取技术包括酶提取法[7]、微波提取法[8]、超声波提取法[9]、酸碱萃取法[10-11]、溶剂浸提法[12]和超高压提取法等。

超高压提取技术作为一种新型的提取技术，具有提取效率高、杂质含量少、提取工艺简单等优点，已在食品和药品加工领域广泛应用。林执绚[13]在黄酮的超高压提取的研究中得出总黄酮的提取得率达到了50.2%，比传统方法中的回流方法提高了1.9%，在时间上也缩短了357 min。马佩佩等人[14]在研究超高压提取库尔勒香梨多糖的最佳工艺研究中也得出超高压提取方法与微波法相比较，时间更短、得率也相对更高。而且，超高压提取技术不会造成食品温度上升，可以有效避免高温引起的有效成分的改变、降解及其生理活性的降低等问题[15]。超高压技术对共价键几乎无影响，因而对食品中的许多有效成分，如氨基酸、单糖、小分子色素、维生素及香气物质几乎没有破坏作用[16-17]。超高压可适用的提取范围广，利用该项技术可提取极性、醇溶性、弱极性或非极性等有效成分。同时，由于整个超高压提取环节在密闭的环境中进行，因此也可避免提取剂挥发而造成的环境污染[18]。

对超高压提取技术的影响因素，提取工艺与改良及其在果蔬、茶叶、中药领域中的应用进行综述，以期为超高压提取技术在食品、药物等加工领域中的应用提供理论基础。

1 超高压提取的影响因素分析

1.1 温度对超高压提取的影响

超高压提取与其他提取方法相比，虽然对温度的要求相对较低，但温度的改变也会造成提取效果的改变。这是由于较高的温度能提高分子运动的速率而有利于溶剂分子渗透入细胞内，同时温度的提高有利于细胞壁的软化，减小了被提取物由组织细胞向外扩散的阻力[19]。奚灏锵等人[20]在研究超高压提取香菇多糖的研究中发现，在不同的温度下设置料液比1∶30，保压时间6 min，压力300 MPa，多糖得率随温度升高呈上升趋势，但在温度到达50℃后，提取率基本不变。由此可见在一定范围内，温度的升高会提高提取物的提取率。杜冰等人[21]在提取灵芝孢子粉多糖的研究也得出了相似的结论。李宏伟等人[22]在超高压提取山楂叶中黄酮类化合物时发现当温度低于40℃时提取率偏低，而高于40℃后提取率会有明显的提高，超过60℃后变化不显著。虽然在一定范围内温度的升高可以提高超高压提取率，但是当温度超过一定范围后，升高温度对物质的提取率已影响不大，这是由于温度升高到一定程度对分子运动速率的影响已经达到一定限度，继续升高温度甚至会造成某些物质的降解。因此，在超高压提取时应寻找到最适宜的提取温度进行提取。

1.2 压力对超高压提取的影响

在一定范围内，增加压力可以提高提取物的得率。主要原因如下：①增大压力可以使溶剂向固体组织的渗透速率大大提高[23]；②压力的提高能促进提取物内部维持结构的化学键发生改变，增加化学平衡的移动速率，使有效成分快速溶解，从而缩短提取时间[24]；③高压能充分破坏物质的细胞膜和细胞壁，促使有效成分溶出[25]。纵伟等人[26]在提取金银花中总黄酮的研究中分别采用不同压力处理金银花4 min，料液比1∶12，得出了当压力为0.1～350.0 MPa时，提取率随压力增加而升高的结论；但当压力高于350 MPa时，得率反而开始有所下降。这是由于当压力大于一定程度时，高压已充分破坏了细胞的细胞壁和细胞膜，再提高压力反而会使杂质释放而降低提取率。而靳学远等人[27]在超高压提取桔梗皂苷的研究中也发现在固定料液比1∶15，粉碎度50目，保压时间4 min的条件下桔梗皂苷提取率随超高压压力的增加而明显增加，且当压力达到400 MPa时提取率最高，继续增加压力桔梗皂苷提取率也会有所下降。一定范围内压力的提高能够使提取率有显著的提高，但是不同提取物最适宜的提取压力也有着很大的差异，比如在其他条件最适宜的情况下，黄芪甲苷的提取最适压力为300 MPa[28]，啤酒酵母油脂的最适压力为400 MPa[29]，桑叶芦丁的最适压力为500 MPa[30]。所以，提取率最高时的压力也不是一概而论的，应针对不同提取物质设置不同的压力范围。

1.3 时间对超高压提取的影响

足够的保压时间能够保证溶剂溶质充分的平衡，且保压时间的延长还会增加压力对物质的作用，从而提高提取率[31]。枇杷叶总黄酮超高压提取研究中将50%的乙醇溶液加入枇杷叶中，并固定料液比1∶20，压力400 MPa进行提取。当时间在4 min以内时总黄酮的提取率随提取时间的延长呈上升趋势，但当提取时间超过4 min以后，总黄酮的提取率随时间的增加基本保持不变。原因可能是4 min以后枇杷叶细胞已基本破裂，继续延长时间对总黄酮提取率已影响不大[32]。将香梨原浆采用压力300 MPa，温度35℃，料液比1∶3的固定条件分别处理1～5 min。发现在3 min以前，香梨的多糖得率随时间的延长有明显升高，但当时间超过3 min以后，多糖提取率几乎不再改变[14]。这是由于当时间较短时，细胞刚刚破裂，细胞内外存在的浓度差较大，随时间的延长多糖得率能够不断提高，但3 min以后细胞内外浓度基本接近平衡。

由此可知，当超高压提取超过一定时间后提取率也不再升高。这是由于时间过长使保压时间已超出溶剂溶质的平衡时间，这之后溶剂中提取物的含量也就不再上升[31]。而且，过长的处理时间会浪费更多的能源，使提取的经济性下降。因此，寻找一个合适的保压时间对提高提取物提取率具有明显的作用。

1.4 料液比对超高压提取的影响

料液比也是超高压提取过程中的一个重要因素。从传质方面来看，溶液的浓度差是传质的一个重要动力，增加料液比可以使提取物由固相表面向液相主体扩散的两相传质改善，从而提高提取率[33]。刘志臣等人[34]的研究表明，在一定范围内，料液比的增加可以提高物质的提取率。提取过程中控制其他条件不变，随着溶剂用量的增加，洋葱皮中阿魏酸的提取率会随之显著增加，可见料液比的提高能极大地提高物质提取率。但当料液比大于1∶20后继续增加料液比，得率增加速度相对缓慢，且过多的溶剂还会使后续的浓缩耗能大大增加。岳亚楠等人[35]的研究也得出了相似结论，超高压提取苹果渣中多酚的研究中保持超高压压力200 MPa，保压时间9 min，当料液比1∶5～1∶25时，苹果中多酚的提取率随料液比的增加而增加，但当料液比超过1∶25后，多酚提取率反而因料液比的增加而有所下降。从经济效益与后期浓缩纯化等各综合因素考虑，料液比为1∶25时苹果渣中多酚的提取效果最佳。由此可见，增加料液比是工业超高压提取中提高提取率的一个重要手段，但当料液比超过一定程度也会使生产成本过高，后续处理的工作量加大而造成经济效益的降低[33]。因此，研究不同提取物超高压提取时最适宜的料液比也是亟待解决的问题。

2 超高压提取工艺及工艺改良

2.1 超高压提取的工艺流程

超高压提取过程主要分为以下几个步骤：预处理、升压、保压、卸压、分离纯化等[36]。

工艺流程为处理原料→加入溶剂→升压、保压、泄压→残渣过滤→分离纯化→目标成分。

在原料的预处理部分，需要进行挑选、清洗、干燥和破碎原料，做好原料的初步准备，之后与配置好的溶剂混合后等待超高压提取。超高压提取分为升压、保压和泄压3个部分。升压时，超高压仪器施加的巨大压力使溶剂通过渗透作用在短时间内迅速进入细胞内部，使细胞内外侧压力达到平衡；保压时，持续的高压使细胞内容物与细胞内部的溶剂充分接触，而使目标成分溶于溶剂；卸压时，细胞外部压力迅速减小，而细胞内部此时仍为未卸压时压力，内外压力差瞬时增大，细胞膜因压力差变形至超过极限，细胞膜破裂，这时，溶解了目标成分的溶剂迅速泄出，完成提取。样品的后续处理是将其滤除残渣后进行分离纯化而得到有效成分。分离纯化技术包括高速逆流色谱技术、醇沉和大孔树脂吸附分离技术等[37]。

2.2 超高压提取的工艺改良

超高压提取技术在食品加工提取方面已有了初步的应用，但该技术仍处于起步阶段。提取不同物质时，各提取参数之间的最佳协同范围仍需进一步确定，且在提取工艺优化方面也有着很大的提升空间。李新原等人[38]研究超高压与超声波对蓝靛果多酚提取试验时发现，超高压提取蓝靛果多酚所用时间虽短，但受各种条件的影响超高压提取的效率与提取量仍稍劣于超声波提取，导致其大规模应用于工厂化生产的可能性较低。在如何有效提高超高压提取的提取率这一问题上，学者们也开展了多项研究。谢银军等人[39]在提取鱼腥草中的多糖时发现当采用100 MPa压力时，多糖得率不足4%；而不断升高压力至300 MPa时，多糖得率升高至5.5%左右。宋丽军等人[40]在研究核桃青皮中多酚的超高压提取工艺优化时发现，温度的升高也能提高多酚的提取率，当温度设置为40℃时多酚得率达到了5.875 mg/g，相比20℃时，提取得率增加了0.420 mg/g。但是只改变温度对提取率的提升效果不明显，且当温度高于40℃后多酚得率也不再增加。刘志臣等人[34]的研究发现，一定范围内乙醇体积分数的增加也可以提高提取率。在乙醇体积分数为50%时洋葱阿魏酸的提取率仅不到24%，而将乙醇体积分数提高到70%时阿魏酸的提取率高于了30%。pH值的改变也可以使超高压提取的得率有所提升，陈瑞战等人[41]在研究超高压提取丹参素的研究时将pH值由7调至13，丹参素的提取率由不足10%提高到35%。

此外，保压时间、料液比等因素的调整都能提高提取率。若将以上几个条件调至最佳，必定能使提取率有极大的提升。超高压提取技术虽然有许多优点，但并非单凭此就可完成所有的食品加工，因此也要将其与其他加工工艺相互配合完成。譬如，超高压提取虽对生物小分子的结构无影响，但却会影响淀粉、蛋白质等大分子的立体结构[42]，所以在使用超高压提取各类物质时，倘若遇到易受高压影响的大分子物质，也要与其他提取方法取长补短、共同使用。

3 超高压提取技术的应用

3.1 超高压提取技术在果蔬中的应用

超高压提取技术在果蔬活性成分的提取方面得到了很好的应用，主要包括果胶、黄酮、番茄红素、多酚等成分的提取，并在如何提高提取率、增强提取物抗氧化活性和减少提取时间等方面进行了较多研究。Guo X F等人[43]研究表明，在保压时间10 min，压力500 MPa，温度55℃的条件下，脐橙皮果胶达到最高的提取率（20.44%），大大高于微波提取（18.13%）和传统加热提取（15.47%）；提取苹果多酚的工艺研究表明，在提取溶剂为乙醇体积分数80%，料液比1∶6，压力200 MPa，保压时间2 min的条件下，苹果多酚提取率和含量是常压回流提取的1.2倍和1.3倍[44]。靳学远等人[45]在研究超高压提取番茄红素的研究中也得到类似的结论。相比传统提取方法，超高压提取荔枝黄酮时，提取率和提取物的抗氧化活性也有较大提升[46]。在提取柿叶中熊果酸的试验中，董海丽等人[47]采用乙醇体积分数95%，料液比1∶11，提取压力300 MPa，提取时间 4.0 min的条件，提取得到的熊果酸得率分别高于超声波辅助提取法（10.3%）和微波辅助提取法（16.2%），可见超高压提取十分适用于提取柿叶中熊果酸。在研究超高压对提取物质抗氧化活性的影响中，于亚莉等人[48]测定花生抗氧化能力的试验结果显示，在花生壳多酚的质量浓度为1 mg/mL时，其对羟基自由基的还原力为0.364，抗脂质体活性为82%；而采用相同浓度的VC进行试验时，其还原率为0.959，抗脂质体活性仅为19.4%。综合上述研究发现，将超高压技术应用于果蔬的提取效果相对于传统提取方法有着极大改善，具体表现在提取率的提高，抗氧化活性的增强与时间的减少等。

3.2 超高压提取技术在茶叶中的应用

据现代医学研究表明，茶叶中有许多有益于健康的成分，如氨基酸、咖啡碱、茶多酚、氨基酸、矿物质、多糖等[49-53]，但这些物质在提取时却存在着提取时间长、能耗高、杂质成分多等问题[54]。超高压提取技术在解决此类问题上有着重大的突破。采用超高压技术从茶叶中提取茶多酚的研究中，张格等人[55]发现超高压提取在常温下进行，由于不需高温加热，大大减少了茶多酚变性的可能性；能源消耗低，仅为回流提取的1/10；提取时间短，效率高。不仅如此，在相同条件下制得的茶多酚还能运用于鱼肉的保鲜，使鱼肉具有抗氧化作用，以此延长鱼肉的保鲜时间[56]。陈小强等人[57]在超高压提取绿茶汁的研究中发现，采用300 MPa的提取条件时，超高压提取的绿茶汁相对于冷提和热提的游离氨基酸含量均较高，且其水溶糖含量较低。由色差分析得出超高压提取的绿茶汁黄绿度深，有更好的视觉效果。且超高压能够使过氧化物酶活性和残留的多酚氧化酶钝化，提高绿茶汁的品质。

对现代化的生产来说，超高压提取机械化程度高、操作简单，这为茶多酚工业化的提取提供了一项新技术。

3.3 超高压提取技术在中药中的应用

中药中含有的许多化学物质都有治疗疾病的功能，如黄酮类[58-59]、皂苷类[60-61]、生物碱类[62]等，如何经济有效地提取此类化学物质也是中药现代化过程中研究问题之一。碱提酸沉法、水煎煮法和浸渍法本是传统提取中药中黄酮类成分的主要方法，但费工费时且效率低下。而超高压技术为中药提取技术提供了新的方法[63]。Zhang S Q等人[58]将乙醇作为溶剂，通过超高压从蜂胶中提取1 min，黄酮得率明显高于浸提7 d与热回流提取4 h。在超高压提取老鹰茶总黄酮的工艺优化的研究中，乙醇体积分数70%，保压时间9 min，压力427 MPa的条件下，总黄酮得率达到了6.263%±0.014%，这比传统水浴加热提取时间更短、耗能也更低[59]。超高压提取不仅能节省中药提取的时间，还能在较短的时间内对细胞有更大的破坏程度，这在超高压提取皂苷中具有广泛的应用。采用溶剂为体积分数50%的乙醇，压力200 MPa的最佳工艺条件时，超高压提取2 min与传统热提取6 h相比，对人参细胞的破坏程度更大，皂苷提取效率更高[60]。王居伟等人[61]在超高压提取大豆皂苷的研究中也得到了相似结论。当超高压的中药提取应用于生物碱类的生产时，提取率也有了较大的提升。采用乙醇浸泡2 h，保压时间5 min，压力为600 MPa的工艺条件提取的乌头原碱提取率分别是热回流的72倍，煎煮法的14倍[62]。然而，对于中药中需要大规模提取的化学物质，超高压有效提取溶剂相对较少，这也是日后值得研究解决的一个重要问题[60]。

4 结语

温度、压力、时间、料液比均对超高压提取的效果具有重要的影响。在一定程度内，温度的升高、压力的增大、时间的延长、料液比的增大均有利于提高提取的效果，但到达一定范围后提升效果不再明显，甚至出现提取效果变差的情况。改变温度、压力、时间、料液比等条件，并对提取工艺进行适度改良，使超高压提取技术不断得到完善，成为了一种较为理想的提取方法，目前已广泛应用于果蔬、中药、茶叶等食品的提取中。

超高压提取虽然有许多优点，仍存在着亟待解决的问题。超高压易影响蛋白质、淀粉等大分子物质的立体结构，因此无法适用于提取含此类大分子的产品。且超高压的设备一次性投资较大，设备的密封条件、强度、寿命无法得到保障，要实现超高压提取技术在工业生产中的推广还需完成大量的工作[64]。但随着专家学者对此项研究技术的不断深入，相信此项技术定能得到完善，并应用于广阔的市场中。

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