English version
На Главную Карта сайта Форма запроса
Искать
 
Сверхкритическая флюидная экстракция

Экстракция и фракционирование специй с использованием сверхкритического флюида диоксида углерода

The 5th International Symposium
on Supercritical Fluids,
1998, Nice, France

Extraction and Fractionation of Spices Using
Supercritical Fluid Carbon Dioxide

Abstract


Концепция "Фракционирующей экстракции" и "Фракционирующего разделения" специй с использованием СК-CO2 обсуждается с точки зрения эффективности процесса и полезности конечного продукта. Экстракты олеоресинов специй обычно содержат комплексную смесь основных эфирных масел, триглицеридов, стеролов, восков и резиноидов. Эти разнообразные компоненты обладают различной степени жгучестью, летучестью, ароматов и функциональной активности, что находит применение в пищевой промышленности.

Традиционный подход к СК-экстрактам из специй - это фракционная экстракция, при которой условия экстрагирования нацелены на выделение группы олеоресиновых компонентов. При использовании такой технологии одним из возможных экстрактов являются эфирные масла, получаемые при сравнительно мягких условиях, и жгучие резиноидные компоненты, получаемые при более жестких условиях (поскольку они хуже растворяются в суперкритическом флюиде) при дальнейшем проведении ре-экстракции сырья [1,2,3]. В результате получаются две эфирные фракции вкусовая и ароматическая; высоко-ароматическая и эфирная фракция масел, придающий запах (легкая фракция) и фракция высоко жгучих резиноидов (тяжелая фракция). Обе эти фракции важны для пищевой промышленности при создании вкусовых нюансов оригинальных специй и при создании характерного аромата специй и жгучих характеристик.

Совсем недавно Norac Technologies Inc. сфокусировал свою работу на альтернативном подходе - на сепарации при фракционировании. По этой технологии специи экстрагируются сверхкритикой при относительно более жестких условиях давления и температуры с целью выделения всех олеоресиновых компонентов бистро и эффективно. В процессе экстракции суперкритический флюид проходит через 2, 3 или 4 серии сепарирующих сосудов, в которых условия температуры/давления в каждом сосуде устанавливаются для селективного осаждения одного из интересующих олеоресиновых компонентов. Технология предполагает значительную выгоду по стоимости производства и по полезности при получении некоторых олеоресиновых фракций. Пример применения этой технологии будет обсужден.


Введение

Пример фракционирования при экстрагировании для успешного получения олеоресиновых компонентов из типичных специй показан на рис. 1. Этот же материал экстрагировался трижды при постепенном ужесточении условий.

Nguyen et.al. [4,5] описали процедуру разделительного фракционирования специи с использованием экстракционного давления в пределах 500 бар и при повышении температуры экстракции от 80-100 °C. Их данные показывают, что при таких условиях скорость экстрагирования олеоресинов увеличивается приблизительно в 2 раза по сравнению со скоростью при параметрах Р = 300 бар и t = 60 °C. Авторы показывают, что при таких же условиях экстракции в сочетании с расчетным каскадным потоком с использованием 4-х экстракционных сосудов, скорость олеоресиновой экстракции вновь удваивалась. Следовательно, скорость олеоресиновой экстракции при этих условиях выше в 4 раза, чем при разовой экстракции при Р = 300 бар и t = 60 °C. Стоимость экстракции при этом уменьшается в 4 раза по сравнению со стоимостью получения экстракта традиционным методом.

При прохождении потока экстракт/флюид через серию из 3-х и 4-х сепаративных сосудов происходит одновременное фракционирование весьма эффективно экстрагируемых из сырья олеоресинов. Условия давления и температуры для осаждения интересующих индивидуальных олеоресиновых компонентов в каждом сепаративном сосуде тщательно подбираются. Описанная сепарация перекрывается высоким качеством эфирных масел. Эта система продемонстрирована на рис. 2. Параметры отделения типичны для получения тех или иных компонентов и для оптимизации процесса варьируются в каждом отдельном случае в зависимости от получаемого компонента и специфики сырья.

Технология по сепаративному экстрагированию создает полностью новый уровень получения уникальной, натуральной пряной продукции для ароматических и пищевых добавок, и по ценам является конкурентоспособной по сравнению с традиционными технологиями получения экстрактов при помощи растворителей и пара. Более того, о преимуществе сверхкритической флюидной CO2 экстракции экстракты говорят сами за себя благодаря своему качеству.

Рисунок 1. Экстракция фракционированием

Операция Давление, бар Температура, °C Продукция
Шаг 1 120 40 Эфирные масла (легкая фракция)
Шаг 2 300 60 Резины и растительные масла (средняя фракция)
Шаг 3 >400 80 Тяжелые резины (тяжелая фракция)


Рисунок 2. Сепарация фракционированием

Операция Давление, бар Температура, °C Продукция
Экстракция 500 80 Тотальная экстракция
Сепаратор 1 250 65 Тяжелая фракция
Сепаратор 2 120 60 Средняя фракция
Сепаратор 3 30 18 Легкая фракция



Результаты и обсуждение

Параметры фракционирования, согласно Norac Technologies Inc., были оптимизированы для каждого из широко известного в мире пряного растения. Целью этой работы было достижение одновременного разделения по фракциям при экстрагироовании. Приведенные ниже примеры демонстрируют возможности фракционирования при этой технологии и оценка выхода новых пряных продуктов.

КАПСАИЦИН (ЧИЛИ, красный перец)

При экстрагировании капсаицина наибольшее его количество (составляющая, отвечающая за остроту вкуса) вытягивается с легкой фракцией, в то время как триглицериды и красящие пигменты получаются вместе с тяжелой фракцией [6]. В таблице 1 показано, что фракции с высокой и низкой концентрацией капсаицина могут быть получены из среднестатистического материала. По характеристике остроты вкуса можно получить олеоресины от 150.000 до 2.000.000 единиц остроты. Различное содержание капсаицина в тяжелой и легкой фракциях позволяет формировать по желанию остроту вкуса продукта. Эта технология особенно результативна для получения фракций с высокой концентрацией капсаицина из сырья с низким уровнем качества (с низким уровнем концентрации капсаицина).

Таблица 1. Сравнение тяжелой и легкой фракций из красного перца

Пример % Нордигидро-капсаицина % Капсаицина % Дигидрокап-саицина Общий% капсаицина
Исходный материал 0,04 0,21 0,14 0,39
Коммерческий продукт 0,58 1,83 1,52 3,93
Тяжелая фракция 0,07 0,57 0,31 0,95
Легкая фракция 1,35 8,10 4,05 13,50
Отношение легкой и тяжелой фракций (Л/Т) 19,3 14,2 13,1 14,2


СЕЛЬДЕРЕЙ

Фракционирование олеоресинов из сельдерея демонстрируется в таблице 2. Тяжелая фракция содержит преимущественно триглицериды, имеющие только 11,7 мл паров летучих масел (ПЛМ) на 100 г продукта, по сравнению с легкой фракцией, которая содержит чистые ПЛС. К тому же, фракционируются также компоненты эфирных масел, уровень которых изменяется в каждой суперкритической фракции. Лимонен и селинен хорошо растворимы в суперкритическом CO2 и они входят в состав легкой фракции, тогда как характерные для сельдерея соединения сосредотачиваются в тяжелой фракции. Соответствующей комбинацией двух фракций можно получить олеоресины сельдерея со свойственными ему свежим плодовым ароматом горьким характерным привкусом.

Таблица 2. Сравнение тяжелой и легкой фракций из экстракта сельдерея

Пример Эфирные
масла
(мл/ 100 г)
%
Растворен-
ного этанола
%
Лимонена
%
- селинена
%
-фталида
%
Седаненолида
-1
%
Седаненолида
-2
%
Седаненолида
-3
%
общих
фталидов
Коммерческий продукт 9,90 23,0 4,72 1,49 1,677 0,41 2,72 10,70 15,50
Тяжелая фракция 11,7 52,70 2,71 3,86 5,33 0,69 3,73 28,19 55,51
Легкая фракция 109,0 100,0 64,70 10,20 2,36 0,20 1,86 9,77 14,19
Отношение легкой и тяжелой фракций (Л/Т) 0,11 0,53 0,04 0,38 2,26 3,45 2,01 2,89 3,14


ИМБИРЬ

Имбирь является превосходным кандидатом для сепаративного фракционирования суперкритическим CO2, что и проиллюстрировано в таблице 3А. В качестве жгучих компонентов из имбиря извлекаются 6-, 8- и 10-джинджерол, который, в основном, удерживается в тяжелой фракции. Аромат обеспечивается эфирными маслами, которые удерживаются в легких фракциях. Органолептические соединения захватывают широкий диапазон летучих соединений, поэтому достижение желаемой жгучести может достигаться комбинированием тяжелой и легкой суперкритических фракций. Нужно отметить, что экстракция имбиря традиционными растворителями способствует окислению джинджирола до шагаола; суперкритическая экстракция минимизирует этот процесс окисления [7,8,9,10]. Шагаол содействует жгучести, то, в то же время, способствует снижению аромата, характерного для имбиря, что наносит ущерб натуральности запаха олеоресина.

Таблица 3А. Сравнение тяжелой и легкой фракций из экстракта имбиря

Пример % 6-ДЖ %
Растворен-
ного этанола
% 8-ДЖ + 6-Ш Отношение 8ДЖ +6-Ш/
общий%
Общий%
Сырье 0,87 0,14 0,27 0,11 1,28
Коммерческий продукт 2,81 5,83 1,19 (1,29) 0,52 11,12
Тяжелая фракция 13,95 2,58 4,37 0,12 20,90
Легкая фракция 1,43 0,61 0,36 0,25 2,40
Отношение легкой и тяжелой фракций (Л/Т) 9,80 4.20 12.10 0,50 8,70

** ДЖ - джинджерол; Ш - шагаол

Таблица 3Б. Сравнение тяжелой и легкой фракций из экстракта имбиря

Пример Эфирные
масла
(мл/ 100 г)
%
-пинена
%
камфена
%
1,8- цинеола
%
лимонена
%
зингиберена
%
-бисаболена
%
-сесквифел-
ландрена
Сырье 2,00 2,50 7,00 8,40 1,20 21,80 8,70 11,90
Коммерческий продукт 30,20 - - - - - - -
Тяжелая фракция 4,40 0,50 1,60 2,30 0,30 17,40 8,60 12,70
Легкая фракция 98,80 2,60 7,30 8,60 1,20 22,70 8,80 11,90
Отношение легкой и тяжелой фракций (Л/Т) 22,50 5,20 4,60 3,70 4,00 1,30 1,00 0,90


МУСКАТНЫЙ ОРЕХ

Олеоресин мускатного ореха содержит 75-80% триглицеридов с высокой точкой плавления, высоким содержанием миристиновой кислоты. Эфирные масла, полученные традиционным способом паровой дистилляции, могут содержать до 5-10% галлюциногена миристина. Миристин является более полярным, чем другие эфирные масла, и поэтому экстрагируется сверхкритическим диоксидом углерода тяжелее, поэтому в легкой фракции количество его менее значимо. В таблице 4 показан типичный коммерческий продукт с содержанием миристина 7,2% и суперкритическая легкая фракция с содержанием миристина менее 1%, уменьшение на 86%.

Таблица 4. Сравнение тяжелой и легкой фракций из экстракта мускатного ореха

Пример % миристина Эфирные масла (мл/ 100 г)
Сырье - 8,80
Коммерческий продукт 7,24 83,60
Тяжелая фракция 0,415 3.30
Легкая фракция 0,985 112,20
Отношение легкой и тяжелой фракций (Л/Т) 2,40 34,00


ПАПРИКА

Олеоресин из паприки используется в пищевой и косметической промышленности в качестве натурального красителя. С помощью разделительного фракционирования возможно сконцентрировать красный капсантиновый пигмент в тяжелой фракции [11]. Как можно видеть по таблице 5, олеоресин может быть получен с показателем цветности, равным 7200 ASTA. Более того, легкая фракция содержит имеет слабый, но характерный для паприки ароматически-вкусовой компонент, имеющий прямое практическое применение.

Таблица 5. Сравнение тяжелой и легкой фракций из экстракта паприки

Пример Оценка цветнности (ASTA) Hue Index
Сырье 110 0,987
Тяжелая фракция 7190 0,969
Легкая фракция 770 0,931
Отношение легкой и тяжелой фракций (Л/Т) 9,30 1,0


ПЕРЕЦ

Как черный, так и белый перец могут быть подвергнуты обычному фракционированию сверхкритическим диоксидом углерода для отделения жгучего вещества (пиперина) и ароматических компонентов (эфирные масла) [10]. В таблице 6 показано, что отделение вкусовых компонентов от ароматических эффективно, практически на 100 %. При этом тяжелая фракция может быть получена с содержанием пиперина 50-80 % и содержанием эфирных масел в ней не более 1,5 мл на 100г продукта. Для создания олеоресинов перца можно комбинировать две фракции путем регуляции жгучести и аромата в любых соотношениях. Например, продукты с высоким содержанием пиперина могут быть созданы на основе черного перца и придать им аромат белого перца, что значительно удешевляет продукцию путем замены более дорогого белого перца на более дешевый, черный перец.

Таблица 6. Сравнение тяжелой и легкой фракций из экстракта перца

Пример % пиперина Эфирные масла (мл/ 100 г)
Сырье белого перца 5,0 3,1
Сырье черного перца 5,60 3,4
Тяжелая фракция белого перца 56,0 1,5
Легкая фракция белого перца 0,8 109,4
Отношение легкой и тяжелой фракций (Л/Т) белого перца 0,01 72,9
Тяжелая фракция черного перца 63,8 1,1
Легкая фракция черного перца 0,6 103,4
Отношение легкой и тяжелой фракций (Л/Т) черного перца 0,01 94,0


Пример

Примером использования этих фракций в разработке натуральных ароматически-вксовых добавок показаны на рисунке 3. По представленным данным видно, что тяжелая фракция из экстракта нигерийского имбиря с высоким содержанием жгучих веществ успешно комбинируется с легкой фракцией китайского имбиря с ярко выраженным лимонным запахом. Результирующая смесь (75:25) приводит к созданию нового высоко ароматического жгучего олеоресина с содержанием эфирного масла 27 мл/100 г и со специфическим содержанием джинджирола, равным 20%.

Рисунок 3. Пример - приготовление композиции экстракта имбиря

Нигерийский имбирь:   

тяжелая фракция - 26 % общего джинджирола и 2 мл эфирных масел на 100 г;
Легкая фракция - 4 % общего джинджирола и 97 мл эфирных масел на 100 г.

  Китайский имбирь: тяжелая фракция - 19 % общего джинджирола и 21 мл эфирных масел на 100 г;
Легкая фракция -2% общего джинджирола и 103 мл эфирных масел на 100 г.
  Композиция имбиря: 75 % тяжелой фракции нигерийского имбиря + 25 % легкой фракции китайского имбиря;
20 % общего джинджирола и 27 мл эфирных масел на 100 г.


Заключение

Преимущества разделительного фракционирования по сравнению с экстракционным фракционированием трав и специй при использовании суперкритического диоксида углерода в качестве растворителя суммированы на рисунке 4. Разделительное фракционирование является более эффективным и экономичным процессом для производства фракционированных олеоресинов из специй. Возможность этой технологии концентрировать заданные компоненты в индивидуальные фракции позволяет формировать уникальные продукты со специфическими жгучими, ароматическими и вкусовыми характеристиками. Эти продукты выгодны для составления композиций вкусовых и ароматических добавок и напоминают о превосходстве суперкритической экстракции.

Рисунок 4. Преимущества разделительного фракционирования

  • Процесс является эффективным и экономичным
  • Олеоресины разделяются по фракциям одновременно с экстракцией
  • Получение уникальных фракций с потенциально новым применением
  • Подогнанный, ориентированный на употребление продукт
  • Повышение или понижение составляющих экстракта по желанию
  • Сохраняемое качество суперкритического экстракта


  Версия для печати
Copyright © 2001-2018 Группа компаний «ГОРО»
Сделано в студии «RU-WEB»