亞臨界水技術(shù)及其在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用

張曉倩，王榮春，*，馬鶯，公丕民，楊文欽

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150006；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；3.齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院微生態(tài)工程技術(shù)研究中心，黑龍江齊齊哈爾161006）

亞臨界水技術(shù)及其在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用

張曉倩1，王榮春1，*，馬鶯1，公丕民1，楊文欽2，3

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150006；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；3.齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院微生態(tài)工程技術(shù)研究中心，黑龍江齊齊哈爾161006）

亞臨界水提取技術(shù)是一種無毒、安全、環(huán)保、效率高的提取分離技術(shù)。亞臨界水是溫度在100℃～374℃之間，一定壓力下，仍然保持液體狀態(tài)的水。隨著水溫升高，亞臨界水的物理化學(xué)性質(zhì)會隨之改變，尤其是介電常數(shù)和離子積。對亞臨界水的性質(zhì)，提取機(jī)制、裝置、影響因素以及其在揮發(fā)油、多酚等活性成分提取方面的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，分析了目前亞臨界水提取存在的問題并對其未來的前景做了展望。

亞臨界水；天然活性成分；提取

亞臨界水提取是一種新興的提取方法，該方法最早應(yīng)用于土壤、沉積物等環(huán)境樣品中有機(jī)污染物的提取［1］，現(xiàn)在也用于食品、藥材等天然產(chǎn)物中的有用成分提取，如碳水化合物、蛋白質(zhì)、揮發(fā)油、酚類物質(zhì)、醌類物質(zhì)等。一直以來，人們使用多種方法提取這些成分，包括有機(jī)溶劑提取、CO2超臨界提取、水蒸氣蒸餾等。這些方法都存在一些弊端［2］，有機(jī)溶劑提取存在有機(jī)溶劑殘留問題，對人體健康具有潛在威脅；CO2超臨界提取，一方面CO2需要預(yù)先進(jìn)行純化，成本較高，另一方面，CO2介電常數(shù)很低，適合提取無極性的化合物，對于較高極性化合物，不得不添加有機(jī)溶劑作為夾帶劑［3］，除此之外，碳氧化物的排放會導(dǎo)致溫室效應(yīng)；水蒸氣蒸餾提取率低、耗時長［4］。而亞臨界水提取，一般只需要5 min～30 min，相對于水蒸氣蒸餾需要更少的用水量［5］，提取率高、提取速度快而且不可燃、無毒、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，是一種發(fā)展迅速的綠色提取技術(shù)［6］。

1亞臨界水提取技術(shù)

1.1亞臨界水提取原理

亞臨界水也被稱為壓力熱水，高壓熱水或者過熱水。溫度介于100℃～374℃之間，在一定的壓力下，水仍然保持液體狀態(tài)（水的臨界點是374℃和22.4MPa）［1，7］。隨著水的溫度和壓力的改變，水本身的性質(zhì)也發(fā)生改變。當(dāng)水溫升高時，它的理化性質(zhì)發(fā)生變化，尤其是它的介電常數(shù)和離子積，水的離子積等于氫離子和氫氧根離子濃度的乘積。相對介電常數(shù)會隨溫度升高而減小，從25℃的80降到250℃的27，與甲醇和乙醇在25℃的介電常數(shù)非常接近［8］。隨溫度的升高，提取率不斷增大，是因為高溫降低了溶劑粘度從而破壞了溶解物和基質(zhì)之間的相互作用，而且溫度升高加劇了分子運動和碰撞，使分子偏離初始位置增大，相互作用減弱，有利于擴(kuò)散，提高了擴(kuò)散系數(shù)，因此有利于溶質(zhì)成分溶出［9］。在亞臨界狀態(tài)下，不僅減小水的介電常數(shù)，擴(kuò)散速率加快，改善動力學(xué)特性，降低表面張力及粘度。此外，亞臨界水作為一種特殊的加壓壓縮流體溶劑，具有環(huán)保、無毒及費用低的優(yōu)點。

1.2亞臨界水提取裝置

亞臨界水提取方式有3種操作模型：靜態(tài)模型、動態(tài)模型、動-靜結(jié)合模型。靜態(tài)模型是亞臨界水的體積是固定的，且不會因為壓力條件的改變而改變。動態(tài)模型是水不斷地流過樣品，優(yōu)點就是亞臨界水不斷流動，最終可以獲得更高產(chǎn)量的提取物，但是這種模型比靜態(tài)模型要求更大量的亞臨界水。動-靜結(jié)合模型是將前兩種模型結(jié)合起來［10］。連續(xù)式亞臨界水提取的基本設(shè)備如圖1所示。

圖1　連續(xù)式亞臨界水提取設(shè)備示意圖Fig.1Schematic diagram of continuous subcritical water extraction apparatus

一個基本的提取系統(tǒng)包括儲水裝置，提取容器和提取液接收裝置［11］。在進(jìn)入不銹鋼容器進(jìn)行亞臨界水處理之前水被預(yù)加熱到一個設(shè)定的溫度。預(yù)熱線圈和提取容器都有控溫裝置。在設(shè)定提取條件之后，進(jìn)行提取，提取物運送到冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻到室溫并收集到接收裝置中。儲水裝置與脫氣裝置連接來減少水中的溶解氧以及溶解的CO2，因為溶解氧會腐蝕高溫操作的管路，而溶解的CO2會使提取液酸度增加，從而影響提取物的分析測定。如果沒有圖1中的3-針閥，圖1為動態(tài)模型裝置圖，有針閥則為動-靜結(jié)合模型裝置圖。在沒有高壓泵的情況下可以進(jìn)行亞臨界水分批提取。主要設(shè)備包括提取裝置、預(yù)熱裝置、冷卻系統(tǒng)，示意圖如圖2所示。

圖2　亞臨界水分批提取裝置示意圖Fig.2Schematic diagram of a batch apparatus of subcritical water extraction

連續(xù)式反應(yīng)皿的加熱裝置常用的是氣相色譜爐，分批式反應(yīng)皿采用直接加熱；接收裝置主要有液液提取接收裝置、固相提取接收裝置和固相微提取接收裝置。

1.3影響水的理化性質(zhì)及提取效率的因素

1.3.1提取溫度

提取溫度是影響水的理化性質(zhì)主要因素。它決定了提取速率、效率以及提取的選擇性。在提取過程中，提取率一般會隨著溫度的升高而提高，但溫度過高會破壞一些熱敏性成分，反而會使提取率降低。然而在亞臨界水提取中，影響提取效率的2個主要原因是溶解度和傳質(zhì)效果以及表面平衡的破壞。

1）溶解度和傳質(zhì)效果

關(guān)于亞臨界水提取天然產(chǎn)物中的成分如何改變了溶質(zhì)的溶解度和傳質(zhì)過程有3種不同的觀點。第一種觀點，高溫提高了亞臨界水作為一種溶劑來溶解溶質(zhì)的能力。例如，脫脂米糠中提取蛋白質(zhì)、碳水化合物的含量隨著溫度從50℃～200℃升高而升高［12］。第二種觀點，提取溫度升高，擴(kuò)散速率加快。例如，隨著溫度從25℃～150℃的升高，多環(huán)芳烴溶解速率提高了大約2倍～10倍［13］。第三種觀點，提取物中的溶質(zhì)和樣品基質(zhì)表面之間的濃度梯度影響了提取效率。根據(jù)菲克擴(kuò)散第一定律，溶質(zhì)速率或流量在高濃度梯度時候更高，例如，在靜態(tài)提取中，使用了新的亞臨界水，那么提取率會增加［13］。

2）表面平衡的破壞

高溫在表面平衡破壞中起到非常重要的作用。溫度的影響主要有2個方面：當(dāng)溫度升高時，范德華力、氫鍵、溶質(zhì)分子的偶極引力產(chǎn)生強(qiáng)溶質(zhì)-基質(zhì)的相互作用會破壞基質(zhì)上的活性位點，而且溫度升高加劇了分子運動和碰撞，使分子距離增大，相互作用減弱，氫鍵隨之變?nèi)?。熱能通過降低解吸過程需要的活化能來克服凝聚力（溶質(zhì)-溶質(zhì)）和膠粘力（溶質(zhì)-基質(zhì)）之間的相互作用。此外，亞臨界水的粘度在高溫時會下降，有利于提高基質(zhì)顆粒的滲透性，從而促進(jìn)提取。溶質(zhì)和基質(zhì)的表面張力限制了溶質(zhì)的溶出也限制了溶質(zhì)與溶劑的接觸，通過提高提取溫度，使溶質(zhì)和基質(zhì)表面張力下降，使溶質(zhì)與亞臨界水更好的接觸從而提高提取率。當(dāng)溶劑的表面張力下降，溶劑容易形成孔隙，溶質(zhì)可更快溶解到溶劑中［13］。

提取溫度不斷升高會導(dǎo)致一些提取出的熱敏性成分降解。Ibanez等［14］，使用亞臨界水處理迷迭香，溫度范圍25℃～200℃。在低溫下提取的主要成分是大多數(shù)極性成分，這些成分隨溫度升高而下降。非極性成分的溶解度諸如鼠尾草酸隨溫度升高而增加。然而高溫導(dǎo)致極性和非極性的成分的總產(chǎn)量下降。

1.3.2提取時間

亞臨界水提取比傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑固液提取的提取時間更短。Jimenz Carmona等［15］，采用亞臨界水從牛至葉中提取精油，結(jié)果表明，150℃時提取15 min后基本可提取完全，所得精油產(chǎn)率比水蒸汽蒸餾3 h所得產(chǎn)率高出5.1倍，且品質(zhì)較好。因此提高提取溫度，獲得相同的回收率，需要更短的時間。

1.3.3提取壓力

提取壓力在亞臨界水提取過程中的影響很小。主要是利用壓力使高于沸點的水仍然保持液體狀態(tài)［22］。在高溫條件下，采用高壓可以減少水的表面張力，有助于溶劑與基質(zhì)的孔隙充分接觸，更有利于提取物的溶出。Jiménez-Carmona等［15］，研究表明從馬郁蘭中提取精油，最適溫度150℃，在該溫度下，當(dāng)壓力從2、9、20 MPa變化時，提取率變化很小。

1.3.4水的流速

水的流速對提取效果的影響非常有限，在動態(tài)提取模型中，提高水的流速相當(dāng)于提高了溶質(zhì)的傳質(zhì)速度，進(jìn)而可以提高提取率和回收率。但較高流速卻增加了最終提取物的體積，致使?jié)舛冗^低［16］。Eikani等［17］，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速從2 mL/min提高到4 mL/min時，精油提取率也相應(yīng)提高。

1.4亞臨界水與傳統(tǒng)提取方法的比較

從天然產(chǎn)物中提取一些有用成分有多種方法，目前采用的提取方法是索氏提取和超臨界CO2提取。近年來開始采用亞臨界水提取。下面以提取土壤中的多環(huán)芳烴為例，對比三種不同提取方式［18］。由表1可知，索氏提取耗時長，提取效果沒有明顯優(yōu)勢，超臨界CO2提取壓力要求太高，提取效果不夠理想。綜合提取條件、提取效果及提取成本，亞臨界水提取土壤中的多環(huán)芳烴更有效和經(jīng)濟(jì)。此外，亞臨界水提取技術(shù)對于其他一些弱極性化合物也有較好的提取效率。

2亞臨界水提取的應(yīng)用

亞臨界水提取技術(shù)具有提取時間短、環(huán)境友好、提取效率高等優(yōu)點，在提取環(huán)境樣品污染物、天然產(chǎn)物的有效成分以及廢棄物有用成分方面都有應(yīng)用。1994年，Hawthorne等［19］，首次將亞臨界水提取技術(shù)應(yīng)用于提取土壤中的極性和非極性物質(zhì)，此后該技術(shù)應(yīng)用于土壤、沉積物、淤泥等環(huán)境樣品中有機(jī)污染物的提取。1998年，Basile等［20］，利用亞臨界水提取迷迭香葉子中的揮發(fā)油，結(jié)果表明亞臨界水提取揮發(fā)油效果很好，從此該技術(shù)被應(yīng)用于天然產(chǎn)物及食品中。

2.1亞臨界水提取在揮發(fā)油提取中的應(yīng)用

揮發(fā)油是一種天然產(chǎn)物中的一類具有芳香氣味、可隨水蒸氣蒸餾出來且不溶于水的揮發(fā)性油狀成分的總稱。目前揮發(fā)油的提取方法主要有傳統(tǒng)的水蒸汽蒸餾法、有機(jī)溶劑提取法及超臨界CO2提取等。但是由于傳統(tǒng)提取方法有諸多缺點。為了克服這些缺點，人們開始使用亞臨界水技術(shù)提取揮發(fā)油。表2中列舉了采用亞臨界水提取方法提取揮發(fā)油的應(yīng)用情況。

表2　亞臨界水提取在揮發(fā)油提取中的應(yīng)用Table1 2The application of the subcritical water extraction in the volatile oil extraction

2.2亞臨界水提取在多酚提取中的應(yīng)用

植物多酚是一類在自然界中分布廣泛的植物次生代謝產(chǎn)物，主要存在于植物的皮、根、葉、殼和果肉中，也是許多藥用植物的主要活性成分［21］。表3中列舉了亞臨界水提取在多酚提取中的應(yīng)用。

表3　亞臨界水提取在多酚提取中的應(yīng)用Table 3The application of subcritical water extraction in the polyphenol extraction

2.3亞臨界水提取在其他物質(zhì)提取中的應(yīng)用

亞臨界水提取在揮發(fā)油和多酚提取方面應(yīng)用較多在其他天然產(chǎn)物提取方面也有應(yīng)用。如García-Marino［22］通過亞臨界水提取葡萄籽中的兒茶素、花青素等。表4列舉了亞臨界水提取在揮發(fā)油和多酚以外的活性物質(zhì)提取方面的應(yīng)用及具體的操作條件及分析方法。

表4　亞臨界水提取在其他天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用Table 4The application of subcritical water extraction in the other natural products extraction

3亞臨界水提取方法應(yīng)用方面的限制因素

亞臨界水雖然有諸多優(yōu)點，但仍然存在一些問題。第一，由于植物有效成分十分復(fù)雜，近似化合物比較多，單獨采用亞臨界水提取往往無法直接獲得純度高的目標(biāo)成分。目前一般采用亞臨界水與己烷結(jié)合的方法來實現(xiàn)提純，雖然己烷用量不多，但仍然會有殘留，無法實現(xiàn)完全綠色、無毒、無殘留。第二，由于亞臨界水提取溫度較高，要考慮提取物的耐熱性，避免活性成分的熱降解［23］，所以提取之前需要對被提取物進(jìn)行耐熱性預(yù)實驗。

4展望

亞臨界水提取是一個綠色、環(huán)保、節(jié)能、提取率高、提取時間短的技術(shù)。雖然目前亞臨界水提取技術(shù)還不能提取純物質(zhì)，但是與傳統(tǒng)提取技術(shù)相比，它的優(yōu)勢十分明顯，是一種前景廣闊的分離提取技術(shù)。亞臨界水可以用于提取環(huán)境、食品、植物基質(zhì)中的多種成分，用于食品安全分析有機(jī)污染物提取以及環(huán)境監(jiān)測中土壤/沉積物的檢測［24］。目前主要應(yīng)用于揮發(fā)油、多酚、黃酮類物質(zhì)等成分的提取，但是通過亞臨界水提取技術(shù)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)仍然非常少。因此，用亞臨界水提取技術(shù)提取食品、藥材、廢棄物中有效成分并實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)具有很好的發(fā)展前景。

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Subcritical Water Extraction Technology and Application on Natural Active Ingredients

ZHANG Xiao-qian1，WANG Rong-chun1，*，MA Ying1，GONG Pi-min1，YANG Wen-qin2，3
（1.Harbin Institute of Technology Food Science and Engineering College，Harbin 150006，Heilongjiang，China；2.Northeast Agricultural University Food College，Harbin 150030，Heilongjiang，China；3.Qiqihar Medical School Micro Ecological Engineering Technology Research Center，Qiqihar 161006，Heilongjiang，China）

Subcritical water extraction technology was non-toxic，safe，environmentally friendly，efficient extraction and separation technology.The subcritical water was hot water which maintains its liquid state at temperatures between 100℃and 374℃under pressurized conditions.The physicochemical properties of subcritical water alter with the increased temperature，in particular its relative dielectric constant and ion product.In this paper，we discussed the principle，apparatus，influencing factors and applications of subcritical water in extraction of volatile oils，polyphenols and other natural active ingredients and so on.In addition，we also analyzed the current problems about subcritical water extraction and prospected for its future prospects.

subcritical water；natural active ingredients；extraction

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.11.033

2014-07-31

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（31201403）

張曉倩（1990—），女（漢），在讀碩士研究生，研究方向：亞臨界水提取。

王榮春（1977—），女，副教授，研究方向：亞臨界水技術(shù)在食品中的應(yīng)用及食品化學(xué)。