夾帶劑在超臨界CO2萃取中藥有效成分中的應(yīng)用

孫亞偉

(安徽大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，安徽 合肥 230601)

中藥有效成分的提取、分離、精制歷來是中藥研究的重要組成部分和難點(diǎn)，由于中藥有效成分在中藥材中含量低;活性成分與非活性成分并存;相似結(jié)構(gòu)成分干擾多，傳統(tǒng)的提取、分離方法往往提取率低、難分離、甚至造成污染。超臨界CO2(SC－CO2)流體萃取技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)具有精餾和萃取兩過程的高新物質(zhì)分離精制技術(shù)。由于其具有操作方便、能耗低、無污染、分離能力高、無溶劑殘留等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、環(huán)保等領(lǐng)域。但是CO2是非極性物質(zhì)，具有選擇性溶解，SC－CO2對低分子、低極性、親脂性、低沸點(diǎn)的成分如揮發(fā)油、烴、酯、內(nèi)酯、醚、環(huán)氧化合物等表現(xiàn)出優(yōu)異的溶解性。大部分中藥的有效成分是極性集團(tuán)較多且分子量較大的化合物，SC－CO2對大分子和極性集團(tuán)多的物質(zhì)則萃取相對困難，需要加入夾帶劑來改變其溶解性。常用的夾帶劑有甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等。國內(nèi)關(guān)于夾帶劑應(yīng)用研究最早見于1989年，于恩平等［1］建立了一套研究夾帶劑的超臨界萃取裝置，在胡蘿卜素及羅漢果糠苷的萃取中，分別使用丙酮和乙醇做夾帶劑，研究它們對溶解度、收率及選擇性的影響，由于夾帶劑的使用，增強(qiáng)了SC－CO2的溶解力和選擇性。但是，夾帶劑在SC－CO2萃取中藥有效成分中的應(yīng)用還未全面推廣，夾帶劑的種類選擇、用量還僅限于試驗(yàn)階段，還沒有形成成熟的理論體系，筆者對近幾年夾帶劑在SC－CO2流體萃取中藥有效成分方面的研究作一綜述，以迄對工業(yè)生產(chǎn)和試驗(yàn)研究選擇夾帶劑有所幫助。

1 夾帶劑對SC－CO2溶解性的影響

向被萃取成分和SC－CO2組成的二元體系中加入了夾帶劑后，SC－CO2的溶解性發(fā)生了變化，實(shí)驗(yàn)研究表明:溶解性與夾帶劑的種類和比例有很大關(guān)系。Choi等［2］研究發(fā)現(xiàn)麻黃堿類衍生物的鹽酸鹽在超臨界CO2中幾乎不溶，用單一的甲醇作夾帶劑，增溶效應(yīng)不理想，用含10%乙二胺的甲醇作夾帶劑，能顯著提高麻黃堿衍生物鹽酸鹽在超臨界混合溶劑中的溶解度，乙二胺作為反應(yīng)夾帶劑使以鹽形式存在的生物堿轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x堿。方瑞斌等［3］用乙醇等5種有機(jī)溶劑分別對秋水仙塊根進(jìn)行預(yù)先浸泡，然后再進(jìn)行SFE研究，結(jié)果表明浸泡較不浸泡萃取效率大大提高。用乙醇浸泡15 min后，在35 MPa、40℃的條件下萃取35 min，一次萃取率可達(dá)到80%，秋水仙堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從原植物中的0.185%提高到萃取物中的6.92%，提高了近38倍，而不經(jīng)過浸泡處理的樣品中秋水仙堿卻很難被萃取，同樣的萃取條件下只得到3%的萃取率。Wood等［4］利用SC－CO2萃取人參中的人參皂苷，以甲醇或二甲基亞砜為夾帶劑可提高萃取率，與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑萃取法相比，萃取更快速，更有效，提取率高達(dá)90%。

2 夾帶劑提高SC－CO2萃取率的原理

被萃取物在SC－CO2中的溶解過程，受分子量、分子結(jié)構(gòu)、分子極性、含親/疏水性官能團(tuán)的多少、與CO2分子的親和性等多方面的因素影響。加入夾帶劑后，形成了SCCO2—夾帶劑新體系，首先是體系的溶解性發(fā)生改變;也能夠改變SC－CO2的臨界點(diǎn);另外夾帶劑與溶質(zhì)分子間可以形成相互作用力－范德華力;能形成氫鍵的夾帶劑與溶質(zhì)特定官能團(tuán)之間也可以形成氫鍵絡(luò)合及其他作用力。影響效果如何，要以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)。劉曉庚等［5］報(bào)道夾帶劑性質(zhì)對萃取率的變化規(guī)律是:夾帶劑的分子極性越大，溶質(zhì)在超臨界CO2中的溶解度越大;夾帶劑的相對分子質(zhì)量或分子體積的增大，其在超臨界CO2中的溶解度降低，萃取率減小;易形成氫鍵的夾帶劑分子，能明顯提高萃取率;多組分的夾帶劑，對萃取效能的提高更顯著。袁萍等［6］采用紅外光譜測量法研究超臨界CO2加入不同夾帶劑時(shí)，水楊酸中基團(tuán)的伸縮振動(dòng)頻率的位移及夾帶劑與溶質(zhì)的相互作用。結(jié)果表明:以乙醇為夾帶劑時(shí)，水楊酸中CO基團(tuán)、O—H基團(tuán)的伸縮振動(dòng)頻率均向低頻方向移動(dòng);以丙酮為夾帶劑時(shí)，水楊酸中CO基團(tuán)伸縮振動(dòng)頻率向高頻方向移動(dòng)。說明:當(dāng)以乙醇為夾帶劑時(shí)，水楊酸的溶解度遠(yuǎn)大于以丙酮為夾帶劑時(shí)的結(jié)果，夾帶劑對溶質(zhì)增溶的作用能力，形成氫鍵的作用遠(yuǎn)大于溶劑極性的作用。

3 溶質(zhì)在含夾帶劑SC－CO2體系中溶解度的計(jì)算

王進(jìn)平等［7，8］用狀態(tài)方程結(jié)合改進(jìn)方程體積參數(shù)和超臨界流體能量參數(shù)的計(jì)算公式以及PR混合規(guī)則，推導(dǎo)出計(jì)算溶質(zhì)在SC－CO2中溶解度的相平衡計(jì)算模型－MPR－2計(jì)算模型。采用溶質(zhì)在含有和不含有夾帶劑超臨界CO2中的溶解度，把超臨界CO2和夾帶劑視為一個(gè)擬組分，并根據(jù)VDW－1混合規(guī)則求出擬組分的方程參數(shù)，將超臨界三元體系的相平衡問題簡化為超臨界二元體系的相平衡問題。關(guān)聯(lián)和計(jì)算了8種溶質(zhì)(共268個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))在超臨界CO2中的溶解度，模型計(jì)算值與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)值相吻合。通過對蒽、聯(lián)苯、苯甲酸、氮蒽在超臨界 CO2中的溶解度測定，比較了MPR－2和傳統(tǒng)的 VDW－1、VDW －2、MH－3四種計(jì)算模型，結(jié)果MPR－2模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值最相吻合。金君素等［9］將超臨界流體視為膨脹液體，根據(jù)溶液理論，建立了計(jì)算溶質(zhì)在超臨界流體中溶解度的膨脹液體模型。該模型迭代速度快，需要的物性參數(shù)少。用流動(dòng)法測定了2－羥基苯甲酸在超臨界CO2中及有夾帶劑環(huán)己烷、乙醇存在時(shí)的溶解度數(shù)據(jù)。用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對膨脹液體模型的適用性進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的平均相對偏差分別為3.55%、3.78%。

4 夾帶劑在SC－CO2萃取中藥有效成分中的應(yīng)用

4.1 含水乙醇作為夾帶劑 王震宇［10］以蜂膠為原料，進(jìn)行超臨界CO2萃取蜂膠黃酮的研究，系統(tǒng)地考察了醇系、酮系、酯系和混合溶劑等夾帶劑對蜂膠黃酮含量的影響。實(shí)驗(yàn)表明:夾帶劑對萃取影響關(guān)系為:醇系夾帶劑＞混合夾帶劑＞酯系夾帶劑＞酮系夾帶劑＞不加夾帶劑。95%乙醇是性價(jià)比最高的夾帶劑，夾帶劑用量為10%。李國章等［11］使用不同夾帶劑，用超臨界CO2流體萃取丹參中3種丹參酮，研究不同夾帶劑的萃取效果。3種夾帶劑中，95%(V/V)乙醇效果最好，其次為丙酮、正辛烷。田鷺等［12］以乙醇、甲醇、95%乙醇為夾帶劑，用超臨界CO2萃取法從白首烏中提取C21甾苷的提取率，結(jié)果:三種夾帶劑的加入均可以不同程度的提高C21甾苷的提取量，其增大幅度為95%乙醇＞甲醇＞無水乙醇。張珊珊等［13］研究不同濃度乙醇作為夾帶劑對超臨界CO2提取竹葉黃酮得率的影響，結(jié)果:相同的提取條件下，以50%乙醇作為夾帶劑萃取黃酮類物物質(zhì)提取效率最高，可達(dá)到 11.03 mg·g－1。

4.2 無水乙醇作為夾帶劑 饒長全等［14］以無水乙醇為夾帶劑，采用超臨界CO2萃取荔枝核，結(jié)果和無夾帶劑相比，夾帶劑無水乙醇可以提高荔枝核的超臨界萃取率。吳珺婷等［15］以油得率為指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)對提取條件進(jìn)行優(yōu)化，研究超臨界CO2結(jié)合夾帶劑對頂壇花椒籽油進(jìn)行萃取效果，結(jié)果:其最優(yōu)工藝條件為:壓力16 MPa，溫度45℃，無水乙醇作夾帶劑，添加量為CO2摩爾流量的3%。最佳條件下油得率達(dá)21.98%。

4.3 甲醇作為夾帶劑 陳俊英等［16］以不同濃度乙醇、甲醇、丙酮、乙酸乙酯、石油醚作為夾帶劑，從黃姜中超臨界萃取薯蕷皂素，結(jié)果夾帶劑為甲醇時(shí)，易于和溶質(zhì)間形成氫鍵，萃取效率最高;隨著極性的減弱，萃取效率降低，當(dāng)夾帶劑為石油醚時(shí)，萃取效率最低。

4.4 其他夾帶劑 肖飛等［17］研究植物油作夾帶劑對厚樸超臨界提取效率的影響。以萃取物得率及厚樸酚、和厚樸酚的提取率為指標(biāo)，加入體積分?jǐn)?shù)10%植物油作為夾帶劑，厚樸萃取物得率在前2 h明顯高于未加夾帶劑工藝，厚樸酚、和厚樸酚的提取率也有提高。尹文紅等［18］分別以乙醇、水和乙酸為夾帶劑研究對超臨界CO2萃取穿心蓮內(nèi)酯的影響，結(jié)果:3種夾帶劑都提高了萃取效率。晶體的純度隨著夾帶劑加入量(在5%～10%范圍內(nèi))的增加而提高，當(dāng)加入10%的乙酸，溫度為70℃時(shí)晶體的純度最高。

5 夾帶劑在超臨界CO2去除中藥中重金屬的作用

由于工業(yè)污染日趨嚴(yán)重，中藥中重金屬超標(biāo)情況屢屢發(fā)生，如何有效去除中藥材中的重金屬也是中藥研究的課題之一。由于重金屬離子帶有正電荷，具有很強(qiáng)的極性，使得重金屬離子與SC－CO2之間的范德華力很弱，難以直接萃取。加入帶有負(fù)電夾帶劑后可以有效去除重金屬?？状貉啵?9］以CO2及甲醇－CO2為萃取劑對黃芪進(jìn)行超臨界萃取，以原子吸收法測定黃芪中剩余重金屬離子含量。結(jié)果以CO2萃取劑進(jìn)行超臨界萃取，重金屬離子平均去除率為68.5%;以甲醇－CO2為萃取劑進(jìn)行超臨界萃取，重金屬離子平均去除率為89.2%。

6 夾帶劑在超臨界CO2提純、精制中藥提取物中的應(yīng)用

潘見等［20］以70%的巖白菜素為原料，采用超臨界CO2萃取重結(jié)晶巖白菜素，考察了甲醇、乙醇、丙酮和乙酸乙酯4種夾帶劑對超臨界CO2萃取重結(jié)晶巖白菜素的結(jié)晶率、純度、形貌和IR圖譜等的作用規(guī)律。結(jié)果表明，在萃取結(jié)晶壓力為15 MPa、萃取溫度為55℃、萃取時(shí)間為50 min、CO2流量為15 L·min－1的條件下，乙醇作夾帶劑時(shí)重結(jié)晶純化巖白菜素的綜合效果最好，結(jié)晶率達(dá)60%以上、重結(jié)晶純度達(dá)92%以上，且能保持晶體的優(yōu)良晶型和結(jié)晶品質(zhì)。

7 討論

從天然動(dòng)、植、礦物中提取生物活性成分用于人類健康所需是藥學(xué)研究的重要部分，大部分傳統(tǒng)提取方法效率低，SC－CO2萃取的應(yīng)用是天然藥物研究的一大革命。但是，大部分中藥有效成分分子是有極性的，純SC－CO2萃取并不能適用于所有有效成分的提取，夾帶劑的加入提高了所提取成分的選擇性和應(yīng)用范圍，又提高了提取效率，越來越廣泛地應(yīng)用于中藥研究，超臨界CO2萃取還可以對中藥材預(yù)處理，以去除有毒成分或干擾成分。但是迄今為止，夾帶劑用在天然活性物質(zhì)的提取上，僅僅是個(gè)開始，還需要更廣泛的推廣使用。夾帶劑的選擇首先要以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，在初選時(shí)要了解被萃取物的分子結(jié)構(gòu)、分子極性、分子質(zhì)量、分子體積等理化性質(zhì)。選擇對被萃取物的溶解性好、可以形成相互作用力、甚至能形成氫鍵的夾帶劑，以提高萃取效率和選擇性。

［1］于恩平，朱美文，方之蓉，等.關(guān)于超臨界萃取過程中使用夾帶劑的研究［J］.化學(xué)工程，1989，18(4):21－24.

［2］Choi YH，Kim J，Kim YC，et al.Selective extraction of ephedrine from Ephedra sinica using mixture of CO2，diethylamine，and methanol［J］.Chronatographia，1999，50(11):673－679.

［3］方瑞斌，張世鴻.超臨界二氧化碳萃取秋水仙堿［J］.色譜，1999，17(3):249 －252.

［4］Wood JA，Bernards MA，Wan WK，et al.Extraction of ginsenosides from North American ginseng using modified supercritical carbon dioxide［J］.The Journal of Supercritical Fluids，2006，394(1):40 －47.

［5］劉曉庚，陳梅梅，謝亞桐.夾帶劑及其對超臨界CO2萃取效能的影響［J］.食品科學(xué)，2004，25(11):353－357.

［6］袁萍，蔡建國，彭國榮，等.紅外光譜測量法研究超臨界CO2中夾帶劑與溶質(zhì)的相互作用［J］.化工學(xué)報(bào)，2007，58(12):3092 －3096.

［7］王進(jìn)平，辛鳳艷，王利民.固體溶質(zhì)在含夾帶劑超臨界CO2中溶解度的計(jì)算［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(3):213－215.

［8］王進(jìn)平，辛鳳艷，王利民.夾帶劑作用下溶質(zhì)在超臨界CO2中溶解度的研究［J］.河北工業(yè)科技，2007，24(3):131－135.

［9］金君素，李群生，張澤廷，等.含夾帶劑的超臨界流體中固體溶解度的研究［J］.石油化工，2004，33(5):441－446.

［10］王震宇.不同夾帶劑條件下超臨界CO2萃取蜂膠黃酮的研究［J］.廣州化工，2013，41(1):59－61.

［11］李國章，李光鋒.不同夾帶劑對3種丹參酮超臨界CO2流體萃取效果的影響［J］.光譜實(shí)驗(yàn)室，2012，29(4):2140－2143.

［12］田鷺，呂志敏，朱衛(wèi)華.C21甾苷在含不同夾帶劑的超臨界CO2中的提取量［J］.現(xiàn)代中藥研究與實(shí)踐，2009，23(2):66 －69.

［13］張珊珊，王喜平，趙曉紅，等.不同濃度乙醇作為夾帶劑對超臨界CO2提取竹葉黃酮得率的影響［J］.食品研究與開發(fā)，2011，32(1):57 －60.

［14］饒長全，喬方，喇文軍.無水乙醇夾帶劑超臨界CO2萃取荔枝核［J］.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，11(3):59－63.

［15］吳珺婷，秦禮康，金毅，等.超臨界CO2及夾帶劑萃取頂壇花椒籽油工藝優(yōu)化［J］.中國油脂，2011，36(4):16－19.

［16］陳俊英，曹文豪，羅娜，等.不同夾帶劑條件下超臨界萃取薯蕷皂素的研究［J］.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，27(1):60 －63.

［17］肖飛，王振華，梁家龍，等.植物油作夾帶劑對厚樸超臨界CO2提取的影響［J］.廣州中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29(4):443 －446.

［18］尹文紅，陳克勛.夾帶劑對穿心蓮內(nèi)酯超臨界萃取的影響［J］.中成藥，2011，33(6):958 －962.

［19］孔春燕.超臨界法及夾帶劑超臨界法去除黃芪中的重金屬離子的效果研究［J］.時(shí)珍國醫(yī)國藥，2009，20(8):2017－2018.

［20］潘見，高杰，張文成，等.夾帶劑對超臨界CO2萃取重結(jié)晶巖白菜素的影響［J］.化學(xué)與生物工程，2008，25(3):54－57.