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)