利用气体膨胀液体从海洋生物质中提取脂质（第一部分）：工艺参数对绿壳贻贝脂质产量的影响

《The Journal of Supercritical Fluids》：Lipid Extraction from Marine Biomasses using Gas Expanded Liquids Part 1: effect of process parameters on lipid yield from Greenshell Mussels.

本研究利用CO2与乙醇混合的气膨胀液体（GXL）单相萃取技术，系统考察压力（90-180 bar）、温度（40-65℃）及乙醇浓度（13.5-67 mol%）对贻贝总脂和磷脂提取率、动力学及成分的影响。实验表明GXL萃取效率显著高于传统scCO2（总脂提取率60-100% vs ~42%）和DME体系，且磷脂保留率更高，破坏更小。单相GXL技术可高效提取富含Omega-3的磷脂及中性脂质，并成功实现实验室到中试规模放大，为贻贝 marc残渣高值化利用提供新方案。

　　

J. Morel|O. Catchpole|T. Moreno|K. Lagutin|A. MacKenzie|S. Marshall|A.M. Williams

Callaghan Innovation，奥克兰，1052，新西兰

摘要

在单相区域内，使用气体膨胀液体（GXL）从Greenshell^TM贻贝肉粉（Perna canaliculus）中提取脂质，其中GXL由CO₂和乙醇的混合物组成。本研究在实验室规模上探讨了压力（90 – 180巴）、温度（40 – 65°C）和乙醇浓度（13.5 – 67摩尔%）对提取产率、磷脂含量和组成以及脂质提取动力学的影响。与仅能提取中性脂质的超临界二氧化碳（scCO₂相比，GXL提取所需的溶剂用量更少，且磷脂产率更高。使用GXL可获得高达60 – 100%的总脂质产率，而scCO₂的产率约为42%。共溶剂浓度和提取温度对提取性能的影响最大。GXL提取的Greenshell^TM贻贝提取物含有丰富的Omega-3和Omega-6脂肪酸以及高含量的磷脂，并且相对于原料粉有较低的降解程度。

引言

Greenshell?贻贝（GSM），Perna canaliculus，是一种原产于新西兰的双壳类贻贝。GSM在本地和国际市场上大规模可持续养殖。其中一小部分被加工成营养保健品，特别是通过超临界CO₂提取的中性脂质油。最著名的含有这种GSM中性脂质油的商品是Lyprinol?[1]。将GSM商业加工成该产品后会得到一种部分脱脂的残渣，也称为贻贝渣，其中仍含有高水平的磷脂。由于目前缺乏合适的提取技术，这些海洋磷脂产品的开发潜力尚未充分挖掘[2]、[3]。本研究报道了为开发绿色磷脂提取技术所进行的一些工作，这是新西兰MBIE Endeavour资助项目“Cyber-physical seafood systems”（C11X2001）的一部分。

新鲜捕获的GSM大约由50%的壳和50%的贻贝肉组成，贻贝肉的含水量约为80%，脂质含量为2%，其中46%至85%为极性脂质[4]。在完整状态下，GSM肉中的脂质主要以中性脂质部分的甘油三酯形式存在，而磷脂则存在于极性脂质部分。然而，在制备粉末过程中，天然存在的活性脂肪酶和磷脂酶会迅速水解这些脂质。收获后的加工方法和时间对质量控制至关重要。海洋磷脂是长链多不饱和脂肪酸（PUFAs）的良好来源，包括二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳五烯酸（DPA）和二十二碳六烯酸（DHA）。富含Omega-3的磷脂及相关中性油产品对健康有许多益处，已被广泛研究，包括治疗和预防心血管疾病、炎症、骨质疏松症和骨关节炎，以及支持大脑发育、认知和肌肉恢复[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。

传统上，海洋生物质中的磷脂是用包括乙醇、己烷、乙酸乙酯及其混合物在内的多种有机溶剂提取的；然而，这些方法受到监管限制，且使用和回收这些溶剂能耗较高[13]。中性脂质主要通过压榨技术从海洋生物质中提取，但这种方法存在多不饱和脂肪酸水解和氧化的问题，导致产率较低，尤其是对于含有磷脂的贻贝而言[14]。液化气体如二甲醚（DME）是提取富含PUFA的磷脂油的 promising 溶剂。最近有几项研究探讨了使用绿色溶剂（如scCO₂和DME）从海洋生物质中提取脂质[15]、[16]、[17]。作者之前的研究发现，DME可以有效地从部分或完全脱脂的GSM生物质中提取磷脂，而且DME + 水的混合物相比单独使用DME可以提高从完全冻干生物质中提取的磷脂产率[18]。对于已经通过超临界CO₂部分脱脂的GSM生物质，这种改进效果尤为显著。

一种新兴技术是使用气体膨胀液体作为更环保、更有效的提取方法[19]。气体膨胀液体（GXL）是一种混合溶剂，它由可压缩气体（例如CO₂）组成，这种气体溶解在有机溶剂中，其溶解状态低于系统的液/汽（L/V）压力（此时液相被视为GXL）；或者是在系统L/V压力以上的有机溶剂和气体的单相混合物[20]。通过从低于L/V压力到高于L/V压力的压力变化，这种两相气体/液体混合物会转变为单相气体膨胀液体。GXL具有独特的物理化学性质，其密度和表面张力介于有机溶剂（及其混合物）和超临界流体之间[19]、[21]，这些性质使得提取过程中的质量传递效率更高，扩散速率更快，从而提高了产率并缩短了提取时间[22]、[23]。溶剂极性是影响扩散的关键参数，可以通过改变操作压力、提取温度和气体与共溶剂的比率来调节[24]。

乙酸乙酯、己烷、异丙醇（IPA）和乙醇是潜在的共溶剂（在提取过程中与scCO₂混合以改变溶剂性质），这些溶剂在新西兰和澳大利亚被批准用于食品加工[25]。由于乙醇在食品工业中的广泛应用、其极性远高于scCO₂以及具有氢键形成潜力，且相对容易回收和再利用，因此通常作为首选共溶剂[26]。表1比较了scCO₂、DME和GXL作为提取溶剂的性质以及不同技术的操作参数。超临界CO₂是非极性的，其相对静态介电常数较低，因此无法提取磷脂等极性脂质。虽然这对于某些应用（如生产Lyprinol?）是有利的，但本研究的目的是开发专门用于提取残余生物质中残留的磷脂以及GSM总脂质的提取技术。质量占比低于30%的scCO₂和乙醇混合物也无法完全提取磷脂[15]。DME是一种略带极性的溶剂，在较低提取压力下可以有效提取磷脂[18]、[27]。高共溶剂含量的GXL溶剂比DME更具极性，这体现在其相对静态介电常数显著更高，具体取决于提取过程中使用的乙醇共溶剂浓度。

与scCO₂相比，单相区域内的GXL提取在提取海洋脂质方面具有许多优势，包括更高的提取溶解度、更低的能耗、由于工作压力较低而带来的成本降低、更短的加工时间以及更高的极性脂质产率[28]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。据估计，GXL的能耗不到其他绿色化学应用的一半，但蒸发和溶剂回收成本仍然较高[19]。此外，GXL技术可以改装到许多现有的scCO₂生产设施中，因为这些设施已经具备共溶剂处理的能力，只需调整CO₂泵的规格即可实现所需的溶剂混合物。这样就可以使用操作人员熟悉的共溶剂提取更广泛的复杂脂质，但条件与当前使用的方法不同。GXL已被应用于从食品废弃物、植物、干苹果和微藻等产品中提取高价值成分（如黄酮类、脂肪酸、色素和植物化学物质）[28]、[36]、[39]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]。在某些情况下，GXL的提取率和产率甚至超过了类似的绿色技术（如scCO₂），并与传统溶剂提取方法相当[36]。目前关于GXL在海洋生物质中的应用研究还有限。本研究评估了使用CO₂ + 乙醇混合物从Greenshell?贻贝粉中提取脂质的性能。实验分为三个部分：第一部分确定了GXL作为实验室规模处理技术的可行性，以在有限的条件下获得高脂质产率和高磷脂产率；第二部分探讨了处理参数（特别是磷脂产率）与实验方法限制下的重复性；第三部分报告了GXL向中试规模的放大过程，并将其与基准的DME + 水共溶剂[18]提取部分脱脂生物质（贻贝渣）的结果进行了比较。选择这种生物质是因为其有大量可用于进一步加工以生产第二种高价值产品，而且现有的生产商很可能具备实现这一过程的技术能力。

技术片段

气体膨胀液体提取理论

气体膨胀液体是一种介于有机溶剂和超临界流体之间的中间溶剂类型，后者定义为高压可压缩气体溶解在有机溶剂中的混合物。这导致液相的性质与密集气体或有机液体有显著差异[19]。当压力远超过混合物的蒸气压时，混合物呈现单相状态，其溶剂性质介于两者之间

材料和原料准备

冷冻去壳的GSM肉分批从New World Supermarket（奥克兰，新西兰）和当地一家渔业公司购买。所有海洋生物质样本均使用带有2毫米孔径筛板（IE32，Tritacarne，意大利）的台式绞肉机进行研磨。研磨后的贻贝肉被称量后放入不锈钢托盘，并使用冻干机（LT80，Cuddon Ltd，Blenheim，新西兰）或Pilot 5 – 8（Dynavac，墨尔本，澳大利亚）进行冻干，以获得200

初步实验：比较使用CO₂/乙醇与scCO₂从GSM中提取脂质的效果

使用GXL成功从GSM中提取了脂质。粗提液（在通过旋转蒸发去除共溶剂之前）呈深绿色，并含有少量沉淀物。这两种提取物分别称为可溶部分和不可溶部分。去除共溶剂后，无溶剂提取物呈深绿色/橙色且粘度很高。对于首先通过scCO₂提取中性脂质的试验，中性脂质提取物为亮橙色油

结论

使用气体膨胀液体提取技术可以成功从海洋生物质中提取中性脂质和磷脂。与超临界CO₂相比，GXL提取Greenshell?贻贝粉的溶剂使用量更低，提取产率更高，总脂质回收率也更高。通过调整处理条件可以进一步优化提取效果；共溶剂浓度和提取温度对产率的影响最大

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究由新西兰商业创新与就业部通过Endeavour研究计划“Cyber-physical seafood systems”（C11X2001）资助。作者感谢参与该项目的Plant and Food Research团队。

术语表

术语

定义

符号

a

Peng-Robinson吸引参数

b

Peng-Robinson排斥因子

B

无量纲排斥因子

f_w

偏心因子函数

K_ij

经验二元交互作用参数

Lipid_{ex提取物中的脂质质量（克）}

Lipid_{feed通过彻底分析提取法确定的饲料中的脂质质量（克）}

m偏心因子ω的函数

P_{c临界压力（帕斯卡）}

R气体常数（焦耳·开尔文^-1·摩尔^-1）

T温度（开尔文）

T_{c临界温度（开尔文）}

T_{r实际温度与临界温度的比值}

U内能