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食品科技與安全:超臨界萃取的應用

「民以食為天」是自古以來不變的原則,吃得安心、營養又盡興,是現代食品的要求與特色,綠色超臨界萃取技術能實現您的健康計畫。
 
 
 
「民以食為天」是自古以來不變的原則。生物體為了延續生命與活動,必須不斷地攝取養分來製造並儲存能量。食物的處理方式也由天然生食、熱火烹煮,發展至加工調味,近年來更以「健康取向」而再度回歸天然與營養的大前提。因此除供給衛生、安全與品質規格化的食品外,「健康」與「營養」的食品處理技術,更是食品工業必須追求與努力的方向。

綠色超臨界流體

超臨界流體(supercritical fluid, SCF)是指物質在習知的固相、液相與氣相三態外的第四相。固相有一定的形狀和體積;液相雖有一定的體積,卻無固定的形狀;氣相則無固定形狀,也無一定體積。以二氧化碳與水為例,在常壓(1 大氣壓)下,可以使二氧化碳凝結成固態形成乾冰;也可使水氣化形成水蒸氣。

理論上,任何一種物質在某壓力與溫度下都能有類似的相變化,變化前後是具有不同特性的相。每一物質也都有一個特徵壓力及溫度,稱為臨界壓力與臨界溫度。當其溫度與壓力超越臨界溫度與臨界壓力時,便不會有相變化,其性質既近似氣相但非氣相、近似液相但也非液相。因已超越了臨界點,所以稱這區域為超臨界區,任何流體位處這區域中的都稱為超臨界流體。

追溯超臨界流體的源起,遠在 1822 年就有科學家首次報導了物質的臨界現象。19 世紀的化學家 Mendeleevn 曾針對高壓氣體的行為,有過詳盡的討論與研究。Andrews 並於 1869 年提出超臨界現象與狀態。

1879 年 Hannay 與 Hogarth 發現超臨界流體的溶解能力極佳,預測會是一種可在工業上應用的極佳溶劑。諸如在食品、藥物、化工與石油工業的萃取、化學純化、色層分析、化妝品、生物技術等方面,超臨界流體的應用已行之有年。1962 年,Zosel 首次提出了超臨界萃取(supercritical fluid extraction, SFE)技術,用於脫除咖啡豆中咖啡因的工業化製程。從此,超臨界萃取技術就成為眾人矚目的新分離技術。

萃取特性

二氧化碳氣體經加壓、加溫至超臨界狀態,便具備低表面張力、低黏度、高擴散性與高質傳效率的特性,同時因無毒、無色、無臭、具不燃性、不產生光化學反應、對環境友善、易於回收再使用等優點,是目前超臨界萃取技術中極佳的溶劑。

傳統天然食品、中草藥中有效成分的提取,多半採用溶劑或水蒸氣萃取的方法。但由於溶劑殘留與高溫水蒸氣易破壞組成等缺點,往往使中草藥的功效與價值大打折扣。再者因採用水蒸氣萃取的方式,獲得的有效成分多是水溶性的,對於原料中富含的大量油溶物,卻未能有效率地獲得。

超臨界二氧化碳萃取技術不添加有機溶劑,且在低溫(高於二氧化碳臨界溫度攝氏 31.1 度以上)下操作,是屬於綠色環保製程。同時這種流體在超臨界狀態下對欲萃取的溶質具有良好的溶解能力,因此可以利用來提取目標物。

脂溶性成分的萃取

二氧化碳因為無極性的關係,在萃取標的物的選擇上特別適合脂溶性的萃取物,如天然色素的辣椒紅色素、葉黃素,螺旋藻中的 β-胡蘿蔔素、茄紅素等。萃取紅辣椒,除天然紅色素外,同時可獲得辣椒鹼,這是抗腫瘤與鎮痛的有效成分;菊花、金盞花中的類胡蘿蔔素可廣泛應用在食品、化妝品與飼料添加工業中;螺旋藻含有大量 β-胡蘿蔔素,是抗自由基的極佳原料;至於番茄中的茄紅素,則是極強的抗氧化物。

這些脂溶性營養素或藥物的萃取,傳統上多採用添加有機溶劑或高溫水萃的方式,其缺點除溶劑殘留與有效成分易遭破壞外,萃取率通常也不高。採用超臨界流體技術,可提升有效成分的產率達數倍至數十倍之多。

此外,天然香料因具有獨特、舒適與天然的香氣,人工不易合成。而高效率的超臨界流體萃取法,有別於傳統的壓榨法、水汽蒸餾法、揮發性溶劑氣提或吸附方式,可應用於芹菜籽、薑油、香茅油、茴香油、橘子花香、桂花、當歸精油、柑橘精油等的萃取或濃縮。

在保健食用油方面,因多數植物種子內含有大量油脂,傳統多以壓榨或溶劑萃取,但仍擺脫不了低得油率與有機溶劑殘留的重大缺失。若以超臨界流體萃取如大豆、花生、米糠、小麥胚芽、南瓜仔、葡萄仔、葵花仔或玉米胚芽,除可提高油脂的獲取率外,更因易於直接與二氧化碳分離,而省卻真空蒸餾提純分離的麻煩,又可節省能源。值得一提的是釀造啤酒所需啤酒花的萃取,因超臨界流體萃取法獲得的 α-酸產率,遠高於傳統有機溶劑萃取法,近年來在德國、美國、紐西蘭等國家已有商業化製程。

其他應用

超臨界流體在食品加工業上的應用,除了萃取技術外,還包括超臨界反應、超臨界色譜與超臨界微粉成形技術。超臨界狀態的流體性質特殊,具有在一般條件下化學反應所沒有的特點,例如降低活化能、增加反應速率、均相反應、降低催化劑活性、提高反應選擇性等,這些特性對於其在酶反應與食品工業中的應用有極大助益。

超臨界色譜層析也廣泛應用在食品業、環保業與醫藥界。它的原理是在超臨界狀態下利用溶解能力的不同使混合物分離,由於食品工業的萃取物中常是多成分組成,對於要求高濃度成分的萃取,更適合應用這項技術。因分離快、效率高、靈敏度高、選擇性強、檢測溫度低與範圍大,這項技術更是環保與經濟的方法。

此外,食品粉體的微細化多採用高溫噴霧乾燥或研磨粉碎方法,以降低顆粒粒徑與增大比表面積。惟高溫易破壞食品活性,研磨過程中除產生高溫外,粒徑分布也不佳。溶液超臨界快速膨脹法與超臨界抗溶劑法提供了另兩種在低溫、高壓下,可有效形成微奈米顆粒粉體的技術。

隨著人們對健康的重視與生活品質要求的提升,食品市場已由「量」的需求提升為「質」的精進。超臨界二氧化碳萃取工業製程將可滿足綠色、環保、營養、大量製造的需要,在健康的前提下,發揮超臨界二氧化碳萃取技術的優點,提供更佳、更多的食品選擇。
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