21st 第9章 食品系列数材 浸出和萃取 本章的学习目的与要求 了解浸出的基本概念、浸出过程与浸出理论；了解常用的 几种浸出装置及其工作原理；掌握浸出速率的计算方法；重点 掌握浸出级数的求取方法；了解萃取的基本概念、萃取体系相 平衡及操作原理，了解萃取剂的选择原则；掌握萃取过程的基 本计算；重点掌握完全不互溶体系的有关计算；了解超临界萃 取的基本原理、超临界流体的特点；了解超临界萃取的一般流 程与应用
第9章浸出和萃取615 浸出和萃取是指加溶剂于混合物，利用溶剂对不同物质具有不同溶解度，从 而使混合物得到完全或部分分离的过程。如果被处理的混合物为固体，则为固 液萃取，即浸出或浸取；如果被处理的混合物为液体，则称为液一液萃取或萃 取。 无论混合物为固体或液体，在经溶剂处理后，其易溶解部分必将溶出而成为 溶液，达到分离的目的。物质由一相转入另一相的过程实为传质过程，因此，萃 取操作为传质过程之一 固一液萃取和液一液萃取其操作过程有所不同。在固体萃取中，溶质首先溶 解于溶剂，然后由固液两相的介面扩散到溶剂的主体。如以热水作为溶剂从甜菜 中萃取蔗糖，以酒精或汽油为溶剂从大豆中分离出食油等均为固一液萃取的例 子。在液体萃取中，溶剂与被处理的溶液互不相混合，但所用溶剂对于被处理溶 液中的溶质却有选择性的溶解能力，因而溶质可经由两液相间的界面，由一相扩 散到另一相。如动物脂肪的精炼，脂肪是一种液相，以溶剂来移去不需要的组 分，即为液一液萃取的例子。 由萃取而获得的物质不是纯物质而是溶液。为了获得纯物质还须作进一步的 处理，通常可借蒸馏、蒸发、结晶或干燥等方法，以去除萃取时所用的溶剂。为 了经济的原因，一般溶剂须回收重用。显然，若用的溶剂为水，则可不予回收。 1浸出 浸出是粮、油食品工业上的一个常见而重要的单元操作。由于食品原料多为 农产品，其组织和成分也极为复杂。另外，食品原料的质量还受品种、成熟度、 气候、产地及储藏条件的影响，特别是生物体所具有的蛋白质、碳水化合物、脂 肪、有机酸、酶等所受到的上述因素的影响更大。因此，浸出操作有很大的不 同，浸出操作的理论也就不可能用单纯的基础理论来概括。许多问题的解决主要 还是采用半经验或经验的办法来解决。 浸出过程一般包括：原料预处理（破碎或切片）、混合浸出和分离等过程
616食品工程原理 1.1浸出理论 1.1.1浸出体系组成的表示方法 浸出体系通常可简化为一个由三种组分组成的三元物系，既溶质A、溶剂S 和惰性固体B。溶质分布在固、液两相中，在固相中的溶质浓度和在液相中的溶 质浓度间必然存在一定的平衡关系。为了表示这种系统的组成，一般用三角形相 图表示三组分混合物的组成。常用的是等边三角形或等腰直角三角形相图，其中 以直角三角形最为简便，如图91所示。一般用质量分数表示组成（也可用摩尔 分数)。在三角形相图中，三个顶点分别表示三种纯组分，如图中A点表示溶质 A的组成为100%，其他两组分的组成为零。同理，B点和S点分别表示纯的惰 性固体和溶剂。 三角形任一边上的任一点则表示一个二元混合物，如AB边上的E点表示 A、B二元混合物，其中含A40%,B60%。 三角形内的某一点则代表一个三元混合物。如图91所示在直角三角形相图 中的M点即代表A、B、S三个组分组成的三元混合物，过M点分别作三个边 的平行线FG、HⅡ与JK,其线段BF(或SC)代表A的组成，线段A五（或BI) 及AJ(或SK)则分别表示S及B的组成。由图读得，该三元混合物的组成 为： xA=BF=0.30;xB=J=0.40;xs=AH=0.30 3种组分的的质量分率之和等于1，即： xA+xB+xs=0.30+0.40+0.30=1.00 其中xA、xB、xs分别代表3种组分的质量分数。本章组分表示，除另有说明 外，均用质量分数。 1.1.2浸出系统的平衡关系 浸出系统的平衡关系甚为复杂，其机理尚未搞清，按溶质A和溶剂S之间 的溶解情况，可分成三类：①A原来呈固态，则A在S中必有一饱和溶解度。 设该饱和溶解度即图9-2中的G点所代表的组成，则BG线把相图分为两个区 域，其中位于BG线下方的区域为不饱和区，亦即A与S量之比小于饱和溶解
第9章浸出和车取617 度，而位于G上方的区域则为饱和区。很明显，只有在不饱和区才能进行浸 出。②A原来呈液态，且与S完全互溶，此时整个三角形均为不饱和区。③A原 来呈液态，且与S部分互溶。此时相图上将出现两个不饱和区和一个饱和区。这 是一种较复杂的情形，在实践中可选择另一种溶剂，以避免这种情形发生。 0.2 0. -0.4 G 0.4 0.6 0.2 0.8 、K 0.810.6 0.402 图91组成在三角形相图上的表示 图92固液系统的三角形相图表示 综上所述，在浸出操作中可以假定固体B与溶质A之间无物理和化学作用， 而且溶质A的量相对于溶剂S的量而言未达到饱和溶解度。这样，当固体与溶 剂经过充分长时间的接触后，溶质完全溶解，固体空隙中液体的浓度将等于固体 周围液体的浓度，液体的组成将不再随接触时间延长而改变，即达到了平衡。这 样的接触级称为理论级或理想级。在理论级中，液体并未达到饱和。 1.1.3溢流与底流平衡关系的表达 浸出过程是指将一定量的溶剂和固体物料加入浸出器（或称萃取器）中，使 之充分混合。经充分长时间的接触达到平衡后，分为上层澄清液和底部残渣，然 后将它们分离，上层澄清液称为溢流，底部残渣称为底流。 底流中除所含的惰性固体之外，尚有固体内部的液体和外部的液体。所有随 惰性固体一起排出的液体均被视为与固体依附在一起。如果此浸出器为一理论 级，则底流液体中的溶质浓度等于溢流中的溶质浓度
618食品工程原理 在三角形相图上，如果溢流中不含 惰性固体，则其组成点必位于AS边上， 如图9-3中E点。底流则可看做由一定 量的惰性固体和一部分夹带的其他组成 即与溢流相同的溶液混合而成，故其组 成必位于BE联线上，如图9-3，设其状 态点为R。 浸出操作可以连续进行，也可以间 歇进行，间歇操作时，各股物料的量以 kg表示；连续操作时，以质量流量kg/ s 表示。以yA表示溢流中溶质A的浓度， 以xA表示底流中溶质A的浓度。 图93浸出操作中溢流与底流的平衡 关系及单级浸出 1.1.4杠杆规则 在浸出操作计算中，平衡各相之间 的相对数量经常需要利用杠杆规则来确定，现将杠杆规则证明如下： 如图9-3，假设混合物量为M,其组成为zA、zB、zs;溢流E组成为yA、 B、ys;设底流的组成为BE联线上的R状态点，其组成为xA、xB、xs,则 总物料衡算 M=E+R (9-1) 对组分A的物料衡算MzA=EyA+RxA (9-2) 将式(9-1)代入式(9-2)并整理得 E(yA-A)=R (zA-A) 即 发-认卧 (9-3) 根据三角形相似定律，得 最玖款器即恶 式中：RM、ME分别为线段的长度；E、R分别为溢流和底流量，单位kg或kg/s (用状态点的符号同时表示该状态点的物料量，以下均用这种方法表示)。 同理，可得 后器&是 (9.4)
第9章浸出和本取619 5-器后-器导震 (95) 同样可由杠杆规则可知点R的位置必满足如下的关系： 装量 RE 1.1.5单级浸出过程的表示 如图9-3所示，被浸取的原料与溶剂混合，原料组成点F位于AB边上，加 入纯溶剂S后，混合物总组成M点必位于SF连线上；其位置由溶剂对原料量 之比决定，经充分长时间接触达到平衡后，分成溢流和底流，其组成点分别为 E和R点。 1.2浸出速率与溶剂的条件 浸出速率的大小，涉及生产效率及生产成本，溶剂的浸出特性及分离回收成 本，同样是必须考虑重要因素。决定浸出速率的主要因素有：接触表面积、溶质 的浓度差、温度及溶剂流速等。 浸出过程也就是溶质从固相向溶剂相的传递过程，其过程一般可被分解为以 下3个阶段：①溶剂浸润，进人固体内，同时溶质溶解于溶剂中。②溶解的溶质 从固体内部液体中扩散到固体表面。③溶质继续从固体表面通过液膜扩散，到达 外部溶剂主体。溶质与溶剂的比例，直接影响浸出速率和效率。溶剂含溶质趋于 饱和，浸出现象即受到限制，上述3个阶段均停止进行。故需要选用合适的溶 剂。此外，由于固体物料内部结构非常复杂，溶质在物料内的扩散速率也很难估 计，一般表述溶质由固体表面饱和溶液层向外部稀溶液的浸出速率时，常用下式 表示： =9(x,-x) (9-6) 式中：为溶质浸出速率；A为固液接触面积：x为溶剂内溶质的浓度：x, 为固体表层溶质的浓度；K为质量传送系数。 对简单浸出装置，浸出液的总体积V为定值，故有下列关系式：
620食品工程原理 dW=dx 因此可得 竖=9(-x) (9-7) 积分区间x:0→x x:x0→x 以-小r 则， 得：n二=份， (9-8) 如最初所使用溶剂为新溶剂，则x0=0 (9-9) 从式(99)得知，溶液以指数速率趋向于饱和状态，根据上式可说明影响 浸出速率的因素如下： (1)固液接触表面积固液接触表面(A)与浸出速度呈正比关系。物料经 过破碎或切片后表面积增加，伴随溶质溶出距离的减小，所以浸出速率大为增 加。图94大豆以己烷浸出时，其压片厚度与浸出速率的关系。压片越薄，浸出 速率越大。但应注意，物料如果过度破碎，往往会阻碍溶剂在罐内的流动，并导 致一些杂质成分流入溶液中，反而造成分离困难。 (2)溶质浓度差固体表层与外层溶液之间的溶质浓度差，也与浸出速度呈 正比。选择溶剂时，应注意粘度不宜太大，以避免因溶剂循环流动困难而不能确 保应有的浓度差。在浸取方式中，逆流法较能维持一定的浓度差距，故逆流浸出 效率比单级或多级并流式浸出效率高。图95列出了典型的并流和逆流浸出效率 的比较。 (3)温度在较高的温度下进行浸出操作，可提高溶质的扩散速度，同时降 低溶液的粘度，对提高浸出速率有利，但温度受物料特性的限制，特别是热敏性 物料，温度不能过高。 (4)溶剂流速溶剂流过物料表面时，流速大而且呈湍流流动状态时，其浸 出速率较大。在食品浸出过程中，溶剂常借以重力、泵或采用机械搅拌方式，促 进溶剂流动，加快浸出速率。 (5)溶剂的条件浸出的目的是通过溶剂的溶离，使溶质与物料分离并纯 化。因此溶剂的选择对浸出操作也有很大的关系，以下几点在选择溶剂时应予考 虑：
第9章浸出和萃取621 100 并流式(a) 10 溶液 、压片厚度-0.56mm 0.43mm 逆流式(b) 0.36mm 0.23mm 固体 0.1 溶液 40 60 2 3.n.级次.入 浸出时间/min 图9-4 大豆以己烷浸出时，其切片 图9-5 并流式与共流式漫出 厚度与浸出速度的关系 效率的比较 ①安全性及化学稳定性：溶剂本身应无毒，且不易分解变质，不与物料中的成 分发生化学反应，保证浸出成分的安全性，这一点对食品生产尤为重要。另外，溶 剂的挥发性不宜过高，否则溶剂极易挥发散失造成环境污染，甚至导致燃烧爆炸。 ②溶解选择性：所选的溶剂应对所需浸出的成分有较高的溶解度，而对其他 的不需要浸出的成分有较小的溶解度。若选用选择性好的溶剂，则溶剂用量可以 减少，而且所得产品质量也较高。 ③溶剂的物理性质： .密度：物料与溶剂之间的密度差将影响浸出操作。密度相近，易于混合 和分散，但分离较困难；反之亦然。混合和分离直接影响工作的效率。加强浸出 过程的混合和分散，宜采用密度相近的溶剂进行浸出操作，这样对提高整体的经 济性较为有利。 b.界面张力：物系的界面张力较大时，细小的液滴比较容易聚结，有利于 两相分层，但分散程度较差。界面张力过小，易产生乳化现象，使两相较难分 层。在实际操作中，液滴的聚结更为重要，故一般都选用界面张力较大的溶剂
622食品工程原理 ℃.其他：为了便于操作、输送和储存，溶剂粘度与凝固点应较低，并应具 有不易燃、毒性小的优点。 ④溶剂回收的难易：一般回收溶剂要用蒸馏方法，所以在浸出操作中溶剂回 收过程是消耗操作费用最多的部分。有时某种溶剂具有上述许多良好的性能，但 仅由于回收困难，也往往不能采用，所以溶剂回收的难易关系很大，在选择溶剂 时应充分考虑。若溶质与溶剂的分离不能用蒸馏方法时，则应考虑其他回收方 法。如降低浸出相的温度使溶质结晶析出而与溶剂分离，或采用化学方法处理使 溶质与溶剂分离。 ⑤经济指标：尽管在工业生产中溶剂通常是循环使用的，但也会有一定数量 的消耗。因此所选用的溶剂价格应较低，而且来源应较充分，否则在工业生产中 也难以采用。 1.3浸出操作的流程 浸出操作通常采用的三种基本流程即：简单接触法、多级接触法和连续微分 逆流接触法，现分别介绍如下： (1)简单接触法所谓简单接触法，即指分批式单级接触法，使溶剂添加到 装有物料的浸取器中，经过搅拌浸出，使浸出液与浸剩物加以分离后，重复另一 次同样操作，如图9-6()所示。简单接触法设备简单，但生产能力小，浸出效 率也低。 (2)并流多级接触法数组简单接触法浸出装置依序排列，如图9-6(b) 所示为并流多级接触法。工作时每组装置称为一级，物料F由第一级进人后， 与溶剂S1互溶完成第一级浸出，并得浸出液V1,所获浸剩物作为第二级的物 料L1。同理，第三级的物料L2为第二的浸剩物，依次类推。但各级每次加入的 溶剂(S1、S2、S3.Sn)均为纯溶剂。此法由简单接触法改进而成，其依据是 将溶剂分少量多次进行浸出，其效率大于同量溶剂一次浸出的原理。 (3)逆流多级接触法逆流多级接触法是将数个浸出装置串联，如图9-6 (c)所示，物料F由第一级进人，所获浸剩物作为第二级的物料L1,同理依次 类推。溶剂则从第n级进人，第n级所获浸出液作为第n-1级的溶剂，依次逆 向而上，最后于第一级流出，其物料与溶剂因互为逆向，故称逆流法。逆流多级 接触法具有溶剂用量少，浸出效率高，浸出液中所含溶质的溶度高等优点。 (4)连续微分逆流接触法所谓连续微分逆流触法是指在浸出装置内，物料
第9章浸出和车取623 S溶剂 物料F 混合浸出分离 +V浸出物 b 2 生- 3 () 图9-6漫出操作的三种基本流程 与溶剂互成逆向连续接触的浸出操作。物料可经由填料塔借重力或螺旋输送机的 推力与溶剂呈逆向流动，故连续微分多级接触法实质是逆流多级接触法的自动化 改进型式。 1.4浸出操作计算 1.4.1浸出级数的计算 浸出操作计算的目的是确定：①浸出所需的时间；②浸出器的大小；③溶剂