Летучая фракция и полный экстракт

Из одного и того же растения получают два разных CO₂-экстракта. Один из них похож на эфирное масло, легкая и текучая летучая фракция (легко испаряющаяся часть экстракта), другой — густой и плотный полный экстракт. Разница не в растении, а в давлении. Диоксид углерода (CO₂) под давлением становится растворителем (жидкостью, извлекающей вещества из растения), и его растворяющая способность зависит от плотности. Плотность регулируется давлением и температурой. При низком давлении растворяются только легкие, летучие молекулы. По мере роста давления извлекаются и тяжелые молекулы: воски (водонепроницаемый слой, покрывающий лист), жирные кислоты, красящие вещества, жирорастворимые антиоксиданты.

Почему из одного растения получают два экстракта?

CO₂ под давлением является селективным растворителем. При температуре выше примерно 31 °C (критическая температура) и давлении выше 74 бар CO₂ переходит в «сверхкритическое» состояние: проникает в ткани растения как газ, растворяет как жидкость [1]. В этом состоянии он извлекает мелкие и жирорастворимые молекулы, но не извлекает крупные водорастворимые молекулы [2]. С ростом давления CO₂ сжимается, его плотность и растворяющая способность увеличиваются. Сначала растворяются легкие молекулы, а при повышении давления к ним добавляются и тяжелые.

Экстракт, полученный при низком давлении, богат ароматическими компонентами. При повышении давления из того же растения также выходят воски, и доля ароматических компонентов снижается. В кожуре цитрона содержание тяжелых ароматических компонентов эфирного масла (сесквитерпенов) составило 0,6 % в дистиллированном масле (классическое эфирное масло, полученное из растения паром), 5,6 % в CO₂-экстракте низкой плотности и 12,1 % в экстракте высокой плотности [3]. Лимонен (основной компонент цитрусового аромата) составляет 60 % в дистиллированном масле и 4,5 % в экстракте высокой плотности. Лимонен не исчез, его разбавили воски, перешедшие в экстракт при высокой плотности [3].

Повышение давления не увеличивает количество эфирного масла, оно добавляет тяжелые компоненты. В исследовании на листьях перечной мяты в диапазоне от 100 до 300 бар скорость выхода восков заметно росла с давлением. Скорость выхода эфирного масла при этом оставалась почти постоянной [4]. Эфирное масло выходит при низком давлении. Высокое давление добавляет воск, жирное масло и тяжелые действующие вещества (компоненты, ради которых экстракт в основном и получают, помимо аромата).

Тяжелым компонентам требуется более высокое давление. Для эфирного масла достаточно от 80 до 100 бар, в этих условиях все компоненты эфирного масла хорошо растворяются в CO₂ [5]. Олеорезин (маслянистый экстракт, несущий одновременно аромат и вкус пряности), содержащий жгучие компоненты имбиря, извлекался в основном при 150 бар и выше. При 80 бар выход был наименьшим, а продуктом являлся прозрачный экстракт эфирного масла [6]. Для желтых красящих веществ куркумы (куркуминоидов) наилучший результат был получен при самом высоком испытанном давлении, 425 бар, и давление было признано наиболее влияющим фактором [7].

Что для чего используется?

Для аромата и вкуса берут летучую фракцию, для тяжелых компонентов, таких как горечь, цвет или антиоксиданты, берут полный экстракт [1].

Летучая фракция похожа на эфирное масло, но не идентична ему. При дистилляции используется кипящий пар, CO₂-экстракция работает в теплом режиме и без воды. В дистиллированном масле больше самых легких компонентов, в CO₂-экстракте больше тяжелых компонентов [8], [3]. В экстракте тимьяна, полученном с помощью CO₂, присутствовал компонент, отсутствующий в дистиллированном масле (тимохинон), а также небольшая доля воска [5].

Полный экстракт похож на олеорезин. В зависимости от условий CO₂ также извлекает воски, красящие вещества, жирные кислоты и жирорастворимые антиоксиданты, такие как витамин E. Продукт представляет собой не классическое эфирное масло, а густой экстракт, похожий на олеорезин [1]. Если цель — аромат, условия выбирают так, чтобы извлечь летучие компоненты и оставить тяжелую фракцию. Если цель — экстракт с действующим веществом для пищевых продуктов, косметики или добавок, стремятся извлечь и тяжелые антиоксиданты [1]. Воски и жирные кислоты твердеют при комнатной температуре, поэтому полный экстракт часто бывает полутвердым.

Как разделяют два продукта?

Сепараторы разделяют экстракт после выхода из экстрактора. CO₂, выходящий из экстрактора (сосуда под давлением, где промывается растение), проходит через один или два сепаратора. В сепараторе снижают давление и температуру, растворимость падает, и вещество выпадает в осадок. Если первый сепаратор охлаждается, воски оседают там, а эфирное масло собирается во втором сепараторе [5]. В исследовании шалфея мускатного (Salvia sclarea) первый сепаратор охлаждали до 0 °C, и в нем накапливались только воски [9].

Последовательная экстракция промывает одно и то же сырье дважды. Сначала при низкой плотности получают летучую фракцию, затем тот же материал экстрагируют повторно при более высокой плотности. В исследовании шалфея мускатного сырьем служило не само растение, а его предварительный экстракт, полученный гексаном (конкрет). На первом этапе собирали только легкие ароматические компоненты, на втором этапе с чуть более высокой плотностью — только склареол (тяжелый, нелетучий ароматический компонент шалфея мускатного) и родственные ему соединения. При увеличении плотности общий выход вырос с 6,0 % до 9,3 % [9]. На розмарине последовательно с четырьмя настройками получили четыре отдельные фракции, в последних двух к CO₂ добавляли небольшое количество этанола [10].

Температура работает в двух направлениях. При росте температуры плотность CO₂ снижается, растворяющая способность падает. В то же время вещества легче испаряются и легче переходят в CO₂. Какой эффект преобладает, зависит от давления [2]. Для имбиря при низком давлении более эффективным оказался более холодный режим, а при высоком давлении — более горячий [6]. Поэтому давление и температуру подбирают совместно.

Что такое субкритический CO₂?

Ниже критической температуры CO₂ является жидкостью. Критическая температура CO₂ составляет 31 °C [2]. Ниже этого значения при достаточном давлении он остается в жидком состоянии, и это называется субкритической (жидкостной) CO₂-экстракцией. Жидкий CO₂ холоднее сверхкритического и имеет более высокую плотность. Его селективность обусловлена не плотностью, а низкой температурой: по мере снижения температуры тяжелые компоненты испаряются труднее и не переходят в CO₂ [2]. В хмеле холодный (10 °C) жидкий CO₂ селективно извлекал вещества, придающие пиву горечь (альфа-кислоты), и легкие ароматические компоненты, тогда как сверхкритический режим растворял также более тяжелые и менее летучие компоненты [11]. Низкая температура сохраняет термочувствительные компоненты [2]. Экстракция субкритической водой представляет собой другой метод, там растворителем служит горячая вода под давлением, здесь же речь идет о жидком CO₂.

Как понять по документу, какой это экстракт?

Разница видна не в названии продукта, а в стандартизируемом компоненте. Названия двух продуктов могут совпадать. Продукт, стандартизированный по ароматическому компоненту — это летучая фракция, а продукт, стандартизированный по горькому, красящему или антиоксидантному компоненту — это полный экстракт. Нижний предел того же ароматического компонента в полном экстракте может быть ниже, так как тяжелые компоненты разбавляют его долю. В технической спецификации (TDS) давление указывается редко, для полного экстракта часто присутствует строка «содержание эфирного масла». Как читать документы, описано на отдельной странице: TDS, SDS, CoA. При падении давления CO₂ переходит в газ и улетучивается, сам CO₂ в экстракте не остается [1]. Если использовался сорастворитель, возможные остатки описаны на отдельной странице: остаточные растворители.