超臨界CO2萃取技術(shù)在植物化學(xué)物提取中的應(yīng)用

武劍，石紹偉，胡利娜

（邯鄲學(xué)院，河北邯鄲056005）

超臨界CO2萃取技術(shù)在植物化學(xué)物提取中的應(yīng)用

武劍，石紹偉，胡利娜

（邯鄲學(xué)院，河北邯鄲056005）

介紹了超臨界CO2流體萃取技術(shù)的原理、工藝流程、特點(diǎn)及主要影響因素，綜述了超臨界CO2流體萃取技術(shù)在植物化學(xué)物提取中的應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了超臨界CO2流體萃取技術(shù)的應(yīng)用前景與發(fā)展的對策。

超臨界CO2萃?。恢参锘瘜W(xué)物；研究進(jìn)展

植物的次級代謝產(chǎn)物中除維生素外均是非營養(yǎng)素膳食成分，現(xiàn)已把它們統(tǒng)稱為植物化學(xué)物（phytochemicals）[1]。植物化學(xué)物中，除人們所熟悉的維生素E和類胡蘿卜素外，還包括有多酚類、萜烯類、類黃酮、植物甾醇、植物雌激素、原花色素、皂苷以及一些生物堿等[2]。近年來，研究發(fā)現(xiàn)它們廣泛地分布于自然界中，其生理活性比較緩和，無毒副作用，長期服用可對人體具有調(diào)節(jié)功能，已被作為功能性因子廣泛地應(yīng)用于功能性食品、類藥劑營養(yǎng)品[3]等一系列新型保健產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)中。植物化學(xué)物的有效提取對于提高功能性食品、類藥劑營養(yǎng)品等的內(nèi)在質(zhì)量和保健功效顯得尤為重要。傳統(tǒng)的提取方法（如煎煮法、回流法、浸漬法、滲漉法等）在保留有效成分、去除無效成分方面存在著有效成分損失大、周期長、工序多、提取率不高等缺點(diǎn)。近年來，超臨界CO2（SC-CO2）萃取技術(shù)作為一種高新分離技術(shù)具有保持產(chǎn)品生物活性、提高提取率及純度并且安全無毒、色味純正、操作簡單、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)[4]，特別適用于植物化學(xué)物，尤其對穩(wěn)定性差的活性物質(zhì)的分離和精制中。

1超臨界-CO2流體萃取技術(shù)概述

超臨界流體萃?。╯upercritical fluid extraction，SFE）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一項(xiàng)提取分離技術(shù)，它是利用處于臨界溫度，臨界壓力之上的超臨界流體（supercritical fluid，SCF）具有溶解許多物質(zhì)的能力的性質(zhì)，將SCF作為萃取劑，從液體或固體中萃取分離出特定的成分的新型分離技術(shù)[5]。目前，超臨界溶劑有很多種，如低分子烷烴、氟氫烴、N2O等。CO2以其無毒、不燃、臨界溫度（31.4℃）接近室溫等優(yōu)勢，成為應(yīng)用最多的、最為廣泛的一種SCF。超臨界CO2流體萃取技術(shù)也由于它具有低能耗、無污染和適合于處理易熱分解和易氧化物質(zhì)的特性，已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛的工業(yè)化應(yīng)用。

1.1 超臨界CO2流體萃取的原理[6]

SC-CO2萃取技術(shù)綜合了溶劑萃取和蒸餾兩種功能的特點(diǎn)。超臨界流體是物質(zhì)處于其臨界點(diǎn)（Tc，Tp）以上狀態(tài)時(shí)所呈現(xiàn)出的一種高壓、高密度、具有氣液兩重性的液體。SC-CO2萃取技術(shù)就是以超臨界狀態(tài)的CO2流體為溶劑，利用SC-CO2在臨界點(diǎn)附近所具有的高滲透性、高擴(kuò)散性和高溶解能力對萃取物中的目標(biāo)組分進(jìn)行提取分離，從而達(dá)到分離精制的目的。

SC-CO2流體對溶質(zhì)的溶解度取決于其密度。當(dāng)在臨界點(diǎn)附近，壓力和溫度發(fā)生微小的變化時(shí)，密度即發(fā)生變化，從而會引起溶解度的變化。因此，可以通過適當(dāng)改變溫度或壓力，使溶解度在較大的范圍（100～1 000倍）內(nèi)得到提高。一般情況下，SC-CO2流體的密度越大，其溶解能力就越大。在恒溫下隨壓力升高，溶質(zhì)的溶解度增大；在恒壓下隨溫度升高，溶質(zhì)的溶解度減小。利用這一特性可從物質(zhì)中萃取某些易溶解的成分。而SC-CO2流體的高擴(kuò)散性和流動(dòng)性則有助于所溶解的各成分彼此分離，達(dá)到萃取分離的目的，并能加速溶解平衡，提高萃取效率。

1.2 超臨界CO2流體萃取的工藝流程[7]

SC-CO2流體萃取基本過程由萃取和分離兩大部分組成，按所采用的方法不同，有變壓萃取分離（等溫法）、變溫萃取分離（等壓法）和吸附萃取分離（吸附法）3種基本流程。通常，SC-CO2萃取大多采用等溫法，其基本操作流程見圖1。

圖1 超臨界流體萃取工藝流程Fig.1 Supercritical Fluid Extraction-SFEProcess Flow

操作時(shí)先將原料經(jīng)除雜、粉碎等一系列預(yù)處理后加入到萃取釜5中，氣體CO2經(jīng)過濾器2，壓縮機(jī)3及緩沖罐4進(jìn)入萃取釜5。整個(gè)過程中，CO2的溫度由電熱恒溫箱9及水夾套10進(jìn)行控制，被萃取物在分離釜6內(nèi)進(jìn)行等溫降壓分離，產(chǎn)品留在萃取釜內(nèi)，經(jīng)萃取一定時(shí)間后放出。萃取進(jìn)行時(shí)，從分離釜減壓后的CO2可進(jìn)入過濾器2的進(jìn)口，循環(huán)使用。整個(gè)工藝過程可以是連續(xù)的、半連續(xù)的或間歇的。

1.3 SC-CO2流體萃取技術(shù)的優(yōu)勢[8-10]

1）CO2氣體價(jià)廉易得，無色、無臭、無味、無毒，產(chǎn)品無溶劑殘留，穩(wěn)定性強(qiáng)，色味純正，可以保障產(chǎn)品的食用安全性。

2）CO2的超臨界溫度約為31.1℃，可在接近室溫及CO2氣體籠罩的環(huán)境下進(jìn)行萃取，操作條件溫和，不會破壞生物活性物質(zhì)，并能有效地防止熱敏性物質(zhì)的氧化和逸散，所以特別適用于分離、精制低揮發(fā)度和熱敏性物質(zhì)。

3）蒸餾和萃取合二為一。可同時(shí)完成蒸餾和萃取2個(gè)過程，尤其適用于分離難分離的物質(zhì)，如有機(jī)混合物、同系物的分離精制等。

4）SC-CO2萃取的產(chǎn)品純度高。選擇適當(dāng)?shù)膲毫?、溫度或夾帶劑，可提取高純度的產(chǎn)品，尤其適用于中草藥和功能保健品成分的萃取濃縮。

5）SC-CO2萃取是最環(huán)保的提取方法。一方面體現(xiàn)在節(jié)省能源，整個(gè)過程，只涉及顯熱，且溶劑在循環(huán)過程中溫差小，易于實(shí)現(xiàn)熱量回收；另一方面是因?yàn)檩腿∥餂]有殘留溶媒，防止了提取過程對人體的毒害和對環(huán)境的污染，是絕對純天然萃取技術(shù)。

1.4 SC-CO2流體萃取的影響因素

1.4.1 萃取壓力

萃取壓力是SC-CO2萃取的主要影響因素之一。溫度一定時(shí)，隨著萃取壓力增加，SC-CO2的溶解能力也增加。但當(dāng)壓力增加到一定程度后，則溶解度增加緩慢，此時(shí)的壓力被稱為該溫度下的最佳操作壓力。對于不同的萃取物，由于其極性強(qiáng)弱不同，其最佳操作壓力有很大的不同。一般情況下，弱極性的物質(zhì)在較低的壓力下即可進(jìn)行萃取，而對極性較強(qiáng)的物質(zhì)則需要在較高的壓力下萃取。

1.4.2 萃取溫度

溫度也是超臨界萃取的重要參數(shù)之一。溫度對SC-CO2萃取效果的影響較為復(fù)雜，在一定壓力下升溫，使萃取劑CO2的溶解能力相應(yīng)下降，而被萃取物的溶解能力增大。因此，溫度對超臨界萃取率的影響應(yīng)綜合這兩個(gè)因素來考慮。研究表明[11]在溫度升高過程中，后者起到主導(dǎo)作用。在實(shí)際生產(chǎn)中，SC-CO2萃取的溫度控制為大于臨界溫度，但不宜太高，一般為31.5℃～85℃是最佳操作溫度。

1.4.3 CO2流量和萃取時(shí)間

SC-CO2萃取過程中，萃取劑流量一定時(shí)，萃取時(shí)間越長，收率越高。萃取劑的流量大小主要影響萃取時(shí)間。一般來說收率一定時(shí)流量越大，則萃取的速度越大，所需要的萃取時(shí)間越短，但萃取回收負(fù)荷大，從經(jīng)濟(jì)上考慮應(yīng)選擇適宜的萃取時(shí)間和流量。

1.4.4 夾帶劑

SC-CO2的極性與正己烷相似，適宜萃取脂溶性成分，而對于極性較大的成分的萃取，一般需要加入少量極性溶劑（作為夾帶劑），如甲醇、乙醇、氯仿等，以改善萃取的效果。

1.4.5 物料的粒度

粒度大小可影響提取回收率。減小樣品粒度，可增加固體與溶劑的接觸面積，提高萃取速度；但如果粒度過小，堆積嚴(yán)密，也會堵塞篩孔，進(jìn)而造成萃取器出口過濾網(wǎng)的堵塞，從而降低提取效果。

2 SC-CO2流體萃取技術(shù)在植物化學(xué)物提取中的應(yīng)用

2.1 萜類化合物及揮發(fā)油的提取

萜類化合物主要成分是異戊二烯聚合體及其衍生物，具有一定的生理活性，作為藥用有效成分之一。萜類化合物種類繁多，許多植物成分如揮發(fā)油富含萜類化合物，這些成分含有的萜烯烴多為熱不穩(wěn)定物質(zhì)，易受熱變質(zhì)或揮發(fā)。傳統(tǒng)的提取方法不僅產(chǎn)率低，而且功效成分的分解變化使最終產(chǎn)品質(zhì)量較差。但這些物質(zhì)在SC-CO2中有良好的溶解性能，大都可以無需添加夾帶劑，操作條件溫和，避免其有效成分的分解或破壞，所得產(chǎn)品質(zhì)量高且收率明顯高于傳統(tǒng)方法，因此超臨界CO2萃取成了提取此類物質(zhì)的最佳替代方法。很多學(xué)者也利用SC-CO2萃取植物中的萜類化合物和揮發(fā)油[12-17]，研究發(fā)現(xiàn)SC-CO2萃取法有著傳統(tǒng)溶劑法不可替代的優(yōu)越性，采用該法提取揮發(fā)油，不但可以明顯提高其收率，且省時(shí)省力，具體研究實(shí)例見表1。

表1 SC-CO2提取萜類及揮發(fā)油的實(shí)例Table1 SupercriticalCO2Extraction of the Terpenoids and VolatileOils

2.2 生物堿

生物堿是生物體內(nèi)一類含氮有機(jī)物的總稱，有類似堿的性質(zhì)，多含有較復(fù)雜的含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)和特殊而顯著的生理作用，是植物類藥材中研究得最早最多的一類天然植物化學(xué)物。幾乎所有的生物堿都有極性，在生物體內(nèi)大多數(shù)與酸性成分結(jié)合以鹽的形式存在。因此用純CO2難以有效萃取，故在超臨界CO2萃取時(shí)，原料需要提前用堿性劑（如氨水、三乙胺、Ca（OH）2、Na2CO3溶液等）使之完全轉(zhuǎn)化為游離堿，以便增加生物堿在SC-CO2流體中的溶解度和提高萃取效果；另外，加入適宜的夾帶劑還可以提高被萃取組分的溶解度，同時(shí)，也可提高萃取的選擇性和增大提取組分的純度，常用的夾帶劑大多為甲醇、乙醇、丙酮、氯仿等。葛發(fā)歡等[18]在益母草總生物堿的提取中，益母草先經(jīng)過堿化，再加入夾帶劑，進(jìn)行SC-CO2萃取，可以極大地提高生物堿的萃取率，這比常規(guī)法的萃取率高10倍；在對菊三七生物堿的提取工藝研究中[19]，先將菊三七藥材用2%氨水堿化，并用無水乙醇作為夾帶劑，采用SC-CO2法進(jìn)行提取，從而提高了提取率。表2列舉了SC-CO2提取生物堿的部分實(shí)例。

表2 SC-CO2提取生物堿的實(shí)例Table2 SupercriticalCO2Extraction of the A lkaloid

2.3 酚類的提取

酚類化合物廣泛存在中草藥中，具有顯著的生理活性。酚類化合物屬于中性物質(zhì)，在中草藥中多數(shù)和糖類結(jié)合成甙，增加其極性。依據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)不同可分為黃酮類、香豆類、木脂素類等。傳統(tǒng)的提取酚類的方法有醇提、堿水、堿醇、熱水等，這些方法存在排污量大、提取效率低、分離過程麻煩、成本高等缺點(diǎn)。而SCCO2流體萃取對于黃酮類化合物是一種非常有效的提取方法。很多學(xué)者開展了SC-CO2萃取植物化學(xué)物中的酚類化合物的相關(guān)研究[25-30]，均證實(shí)此法較之其他傳統(tǒng)方法，具有流程短，操作簡單，且萃取得率高，產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)勢，相關(guān)結(jié)論如表3所示。

表3 SC-CO2提取酚類化合物的實(shí)例Table3 SupercriticalCO2Extraction of the Phenolic Compounds

2.4 糖及甙類的提取

糖及甙類的化合物分子量較大，羥基多，極性大，用SC-CO2流體提取產(chǎn)率低，加入夾帶劑或加大壓力則可提高產(chǎn)率。葛發(fā)歡等[31]對萃取黃山藥中萃取薯蕷皂素的工藝研究中發(fā)現(xiàn)，不加夾帶劑很難提出薯蕷皂素，加入丙酮或藥用酒精均可得到滿意的提取效果。考慮到安全性，采用酒精作為夾帶劑提取薯蕷皂素，收率比傳統(tǒng)汽油法提高1.5倍，且生產(chǎn)周期短，產(chǎn)品質(zhì)量高。廖周坤[32]在超臨界CO2萃取藏藥雪靈芝時(shí)發(fā)現(xiàn)，不加夾帶劑的SC-CO2萃取，即使壓力加大，亦基本無法萃出總皂甙及多糖。同樣條件下加不同夾帶劑的SC-CO2，隨著夾帶劑極性的增大，萃取物多糖收率增大，而總皂甙粗品收率逐漸降低；而在梯度SC-CO2萃取中，所得總皂甙粗品、多糖的收率分別為傳統(tǒng)萃取工藝的18.9倍及1.62倍。盛桂華[33]研究了SC-CO2萃取瓜簍多糖的最佳條件，此條件下瓜簍多糖得率為0.95%，比文獻(xiàn)方法提高了3%。由此可見，夾帶劑在糖及甙類的萃取過程中起到關(guān)鍵作用，采用夾帶劑的SC-CO2技術(shù)在植物化學(xué)物的提取上具有更廣闊的應(yīng)用前景。

2.5 醌類及其衍生物

醌類化合物是分子中具有不飽和環(huán)二酮結(jié)構(gòu)的一類天然色素，它以游離態(tài)或苷的形式存在于大黃、何首烏、紫草、蘆薈等藥材中，傳統(tǒng)的提取法為溶劑提取。由于醌類化合物的極性較大，故采用SC-CO2法萃取時(shí)，除了需要較高的壓力外，還要加入合適的夾帶劑。陳衛(wèi)林[34]優(yōu)化了SC-CO2萃取總蒽醌的工藝條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SFE法的提取物中大黃蒽醌的含量是醇提法的2倍。在另外一項(xiàng)SC-CO2流體萃取大黃游離蒽醌的研究中還發(fā)現(xiàn)在相同的提取條件下，以乙醇為夾帶劑時(shí)大黃蒽醌類物質(zhì)的提取效果最好[35]。

3展望

目前，超臨界CO2萃取技術(shù)因其具有純凈、安全、產(chǎn)物活性成分不易受熱分解、穩(wěn)定性強(qiáng)及提取效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為天然植物化學(xué)物研究與開發(fā)中—種具有相當(dāng)發(fā)展?jié)摿Φ母咝绿崛》蛛x方法，具有其獨(dú)到的、其他方法不可取代的優(yōu)勢。

但是，對于植物化學(xué)物的提取同樣具有其自身固有的缺點(diǎn)，對于許多強(qiáng)極性和高相對分子質(zhì)量的物質(zhì)很難進(jìn)行有效萃取，還需要加入合適的夾帶劑，所以，今后應(yīng)在夾帶劑方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。另外，如果能將之與其他分離手段和檢測手段實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，從而大大提高操作的效率，對于促進(jìn)超臨界CO2萃取技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展具有重要意義，也必將推動(dòng)我國天然植物化學(xué)物的研究開發(fā)向更高層次發(fā)展。

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Application of Supercritical CO2Extraction in Study of Phyto-Chemicals

WU Jian，SHIShao-wei，HU Li-na
（Handan college，Hebei，Handan 056005，Hebei，China）

The principle，technological process，characteristic and several factors affecting this extraction yield of supercritical liquid extraction technique were discussed in this paper.In addition，the situation and superiority of supercritical CO2extraction technology applied in the development research of phyto-chemicals were introduced and the application prospect of the technology was performed.

supercriticalCO2extraction；phyto-chemicals；research progress

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.15.016

2014-02-16

武劍（1980—），男（漢），講師，研究生，研究方向：運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)。