超臨界CO2萃取技術(shù)在中藥提取中的應(yīng)用研究進(jìn)展*

劉川銘，劉猛剛，繆菊連

(1 大理大學(xué)藥學(xué)院，云南 大理 671000；2 內(nèi)蒙古京新藥業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾市 015000)

物質(zhì)的溫度和壓力超過(guò)其臨界溫度(Tc)與臨界壓力(Pc)時(shí)，此時(shí)的物質(zhì)既不是液體，也不是氣體，但卻具有與氣體相似的低黏度以及與液體相似的高密度，其性質(zhì)是介于氣體和液體之間的單一相態(tài)，此時(shí)物質(zhì)所處的狀態(tài)即為超臨界狀態(tài)，是包含氣體和液體的一種特殊狀態(tài)，該物質(zhì)則稱(chēng)為超臨界流體(Supercritical fluid，簡(jiǎn)稱(chēng)SF或SCF)。常見(jiàn)的超臨界流體有二氧化碳、甲醇、乙醇、丙烷等，其中CO2由于其化學(xué)惰性、無(wú)毒、無(wú)臭、廉價(jià)易得、不污染環(huán)境和產(chǎn)品、以及具有較低的臨界溫度(31.3 ℃)和臨界壓力(7.15 MPa)等性質(zhì)，可在接近室溫的條件下萃取，并且不會(huì)破壞生物活性物質(zhì)和熱敏性物質(zhì)，是用于萃取最理想的超臨界流體。超臨界二氧化碳的密度接近于液體，使其具有良好的溶解性能，另一方面又具有與氣體相近的高滲透能力，使其具有良好的傳質(zhì)性能。所以便可以控制二氧化碳的溫度和壓力分別高于其臨界溫度和臨界壓力，將目標(biāo)物質(zhì)中的有效成分萃取出來(lái)，當(dāng)壓力和溫度恢復(fù)到常溫后，二氧化碳的溶解能力下降，有效成分便與氣態(tài)的二氧化碳分開(kāi)，從而將有效成分提取分離出來(lái)[1]。超臨界二氧化碳萃取技術(shù)因其具有許多傳統(tǒng)溶劑提取方法所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，在天然藥物有效成分提取與分離，生產(chǎn)高經(jīng)濟(jì)附加值產(chǎn)品方面展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景[2]，有利于推動(dòng)我國(guó)天然藥物的研究向更高層次發(fā)展。本文就超臨界二氧化碳萃取技術(shù)在中藥有效成分提取分離中的應(yīng)用方面作一綜述。

1 超臨界二氧化碳萃取技術(shù)在中藥有效成分提取中的應(yīng)用

1.1 揮發(fā)油的提取

揮發(fā)油對(duì)高熱、酸堿比較敏感，采用傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法提取時(shí)容易破壞，效率低。目前，應(yīng)用超臨界二氧化碳提取揮發(fā)油的研究文獻(xiàn)較多，所得產(chǎn)品的收率較高并能保持成分的完整性。劉長(zhǎng)江等[3]采用有機(jī)溶劑提取(SE)、水蒸氣蒸餾萃取(SDE)和超臨界二氧化碳萃取(SFE-CO2)方法提取芹菜籽油，結(jié)果表明超臨界二氧化碳萃取所得的芹菜籽油較其他兩種方法得率高、香氣濃郁、外觀(guān)好、無(wú)溶劑殘留，并確定了超臨界二氧化碳萃取芹菜籽精油的最佳條件為：溫度45 ℃，壓力20 MPa，流量15 L/h，萃取時(shí)間2 h。楊明等[4]分別采用超臨界二氧化碳萃取和水蒸氣蒸餾法提取干姜中的姜油，超臨界二氧化碳萃取法的姜油得率約為水蒸氣蒸餾法的3.8倍，并通過(guò)GC-MS檢測(cè)到了12.82%的6-姜酚(主要有效成分之一)，而在水蒸氣蒸餾法得到的姜油中則未見(jiàn)到該成分。Soh等[5]采用超臨界二氧化碳萃取廣藿香(包括莖)中的廣藿香油，在溫度45 ℃、壓力15 MPa、CO2流量60 g/min的最優(yōu)條件下，其收率和抗氧化活性均優(yōu)于傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法。金建忠[6]采用超臨界二氧化碳萃取法對(duì)溫郁金進(jìn)行提取，首次在溫郁金揮發(fā)油中鑒定出了反-6-乙烯基-4,5,6,7-四氫-3,6-二甲基-5-異丙烯基苯并呋喃、α-蓽澄茄油萜、新莪二酮等成分。結(jié)果表明該法萃取時(shí)間短，收率高，所得溫郁金揮發(fā)油品質(zhì)好，無(wú)溶劑殘留，是一種有效的提取方法。

1.2 生物堿的提取

常規(guī)的生物堿提取方法主要有水或酸水提取法、醇性溶劑或親脂性溶劑提取法等，少數(shù)具有揮發(fā)性的生物堿可用水蒸氣蒸餾法進(jìn)行提取。傳統(tǒng)溶劑法容易造成溶劑殘留，提取分離過(guò)程中要使用大量的酸或堿性試劑，有效成分損失較多且易遭受破壞。超臨界二氧化碳萃取技術(shù)可減少上述缺點(diǎn)，為生物堿的有效提取提供了新的方法。魏福祥等[7]分別采用超臨界二氧化碳萃取法和改進(jìn)堿性乙醇浸泡法提取藜蘆生物堿，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超臨界二氧化碳萃取藜蘆生物堿的收率可達(dá)14.38%，萃取時(shí)間為3 h；而改進(jìn)的堿性乙醇溶液浸泡法生物堿收率為3.89%～4.37%，萃取時(shí)間為72 h。與傳統(tǒng)溶劑浸泡法相比，超臨界二氧化碳萃取藜蘆生物堿具有收率高、雜質(zhì)少、時(shí)間短、整個(gè)過(guò)程環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。葛發(fā)歡等[8]利用超臨界二氧化碳提取益母草藥材中的總生物堿，在萃取壓力30 MPa，萃取溫度70 ℃的條件下進(jìn)行萃取，收率達(dá)到6.5%，總生物堿含量達(dá)到26.60%，比常規(guī)方法高10倍。Ellington等[9]建立了超臨界二氧化碳萃取秋水仙堿、3-去甲基秋水仙堿和秋水仙苷的方法，與傳統(tǒng)的浸漬和超聲提取方法相比，該方法更高效、快速和環(huán)保。

1.3 黃酮類(lèi)化合物的提取

黃酮類(lèi)化合物常規(guī)的提取方法有水提法、堿性水或堿性稀醇提取法、有機(jī)溶劑提取法等，但具有溶劑用量大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、提取效率低、成本高、易污染環(huán)境等缺點(diǎn)。采用超臨界二氧化碳萃取黃酮可減少傳統(tǒng)提取方法帶來(lái)的不足，縮短操作時(shí)間，提高萃取效率。李志平等[10]采用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)從茵陳蒿中提取黃酮類(lèi)化合物，研究表明：由超臨界二氧化碳萃取得到的茵陳蒿黃酮類(lèi)化合物純凈、無(wú)異味、無(wú)溶劑殘留、色澤為黃綠色，且提取效率高于溶劑法，最高可達(dá)3.875%。Liu Chun-ming等[11]采用超臨界二氧化碳萃取法從刺五加的葉片中提取黃酮類(lèi)化合物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在80%乙醇、50 ℃、32 MPa、萃取時(shí)間為180 min等條件下，提取效率最高。與傳統(tǒng)方法相比，對(duì)環(huán)境的污染較小，不需要進(jìn)行后處理。付玉杰等[12]采用超臨界二氧化碳提取甘草地上部分(莖葉)的總黃酮，萃取甘草總黃酮的提取率為2.90%，含量為5.24%。該方法具有提取效率高、溶劑用量少、節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。林英男等[13]利用超臨界二氧化碳提取桑葉中的總黃酮，在萃取壓力30 MPa、萃取溫度40 ℃、萃取時(shí)間3.0 h、夾帶劑無(wú)水乙醇4.0 mL/g的最佳萃取條件下，總黃酮得率為3.2%，提取效率遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)提取方法，并且無(wú)溶劑和重金屬殘留等缺點(diǎn)。

1.4 醌類(lèi)化合物的提取

醌類(lèi)化合物廣泛存在于植物界，游離醌類(lèi)化合物的極性較小，可溶于氯仿、苯等有機(jī)溶劑，故可采用有機(jī)溶劑提取法；具有游離酚羥基的醌類(lèi)化合物可采用堿提酸沉法；分子量較小的苯醌及萘醌類(lèi)化合物可采用水蒸氣蒸餾法進(jìn)行提取。近年來(lái)，超臨界流體萃取法在醌類(lèi)成分的提取中也有應(yīng)用，采用該方法可避免醌類(lèi)成分的分解，提高提取效率。盧朝國(guó)[14]采用超臨界二氧化碳萃取蘆薈的有效成分，以無(wú)水乙醇為夾帶劑，在萃取時(shí)間1 h、萃取溫度65 ℃、萃取壓力30 MPa、CO2流量22 kg/h的條件下，蘆薈苷和蘆薈大黃素的總收率可達(dá)10.68%，對(duì)比回流提取、索氏提取和超聲提取三種方法，其收率均低于超臨界二氧化碳萃取法。李曉麗等[15]采用超臨界二氧化碳萃取朱砂七中的游離蒽醌，在最佳萃取條件下，游離蒽醌收率為3.98%，其中大黃素和大黃素甲醚分別為3.44%和0.38%，與超聲法對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，超臨界二氧化碳萃取的得率更高，操作簡(jiǎn)單，不需要毒性較大的有機(jī)溶劑。

1.5 香豆素和木脂素的提取

香豆素類(lèi)傳統(tǒng)的提取方法為堿提酸沉法和系統(tǒng)溶劑法，對(duì)于小分子香豆素可采用水蒸氣蒸餾法進(jìn)行提取。香豆素類(lèi)成分多以親脂性的游離狀態(tài)存在于植物中，故可采用超臨界萃取技術(shù)進(jìn)行提取，對(duì)于分子量較大或極性較強(qiáng)的香豆素苷類(lèi)可加入適宜的夾帶劑進(jìn)行提取。邱婧然等[16]采用超臨界二氧化碳萃取白芷中的香豆素類(lèi)成分，在萃取溫度55 ℃、萃取壓力20 MPa、萃取時(shí)間1.5 h的最佳條件下，香豆素的平均得率為0.202%，純度為18.5%。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，該工藝操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠。

大多數(shù)木脂素以親脂性的游離狀態(tài)存在，可先用乙醇或丙酮等親水性溶劑提取，提取液濃縮后，再用乙醚或氯仿依次萃取，回收溶劑后既得粗的游離木脂素。超臨界二氧化碳流體萃取對(duì)于木脂素的提取是一種非常有效的方法。戴軍等[17]采用超臨界二氧化碳提取五味子中的木脂素并與乙醇提取法進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在萃取壓力25 MPa、萃取溫度35 ℃、CO2流量2 L/min的提取條件下南、北五味子總木脂素的平均得率分別為95.5%與93.2%，提取物純度分別為9.2%與13.0%。相較于傳統(tǒng)的乙醇提取法，該萃取工藝的提取效率高，操作更加簡(jiǎn)便，明顯優(yōu)于常規(guī)的醇提法。

1.6 糖類(lèi)化合物的提取

糖類(lèi)是植物光合作用的一次代謝產(chǎn)物，可分為單糖、低聚糖和多糖，是植物組織和細(xì)胞的主要能源物質(zhì)。超臨界二氧化碳提取時(shí)，由于糖及其苷類(lèi)化合物的分子量較大，極性較強(qiáng)，常加入適當(dāng)?shù)膴A帶劑或加大萃取壓力以提高產(chǎn)率。韋曉潔等[18]采用超臨界二氧化碳萃取苦丁茶中的多糖成分，在萃取溫度50 ℃、萃取壓力40 MPa、萃取時(shí)間150 min的最佳提取條件下得到的苦丁茶多糖得提取率為7.05%。相較于傳統(tǒng)的提取方法，超臨界二氧化碳萃取可以更好地保留多糖的生物活性，對(duì)環(huán)境的污染較小，適合于苦丁茶多糖的提取。任少科等[19]采用超臨界二氧化碳萃取裝置提取青稞中的有效成分β-葡聚糖，在萃取溫度60 ℃，壓力25 MPa，萃取時(shí)間5 h條件下，β-葡聚糖的含量約為3%。與傳統(tǒng)的溶劑萃取法和化學(xué)法相比，超臨界二氧化碳萃取技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、無(wú)污染、無(wú)溶劑殘留、易于回收等優(yōu)點(diǎn)。李曄[20]應(yīng)用超臨界二氧化碳對(duì)灰樹(shù)花中的多糖進(jìn)行提取，最佳提取條件為溫度45 ℃、壓力30 MPa、40%乙醇作為夾帶劑，得到粗多糖得率及多糖純度分別為7.38%與44.21%。與傳統(tǒng)方法相比，多糖純度有所提高，為后續(xù)灰樹(shù)花多糖的提取提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1.7 油脂及脂肪酸的提取

植物油脂可通過(guò)壓榨法、水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法等方法進(jìn)行提取，但由于上述方法具有出油率低、溶劑殘留等缺點(diǎn)，使得超臨界二氧化碳萃取技術(shù)在藥用油脂及脂肪酸的萃取研究中得到廣泛的發(fā)展，已成為重要的提取方法。山柚油是一種高級(jí)食用油，含有豐富的不飽和脂肪酸，可降低體內(nèi)膽固醇和甘油三酯濃度，用于預(yù)防心腦血管疾病的發(fā)生。姜澤放等[21]采用超臨界二氧化碳萃取山柚油，得到最佳提取工藝為萃取溫度40 ℃、萃取壓力25 MPa、萃取時(shí)間90 min、CO2流量20 L/min，在此工藝條件下山柚油的提取率可達(dá)到80.05%，其中油酸含量為71.80%，亞油酸為12.02%。相較于傳統(tǒng)的提取方法，該工藝具有提取率高、無(wú)溶劑殘留、所得山柚油的品質(zhì)較優(yōu)等優(yōu)勢(shì)，為之后的生產(chǎn)實(shí)踐提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1.8 萜類(lèi)化合物的提取

萜類(lèi)化合物常規(guī)提取方法有溶劑提取法、堿提酸沉法、吸附法等，而超臨界二氧化碳萃取法具有提取速度快、提取率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、無(wú)溶劑殘留等優(yōu)點(diǎn)，可用于提取三萜類(lèi)成分。陸慧等[22]利用超臨界二氧化碳對(duì)白花蛇舌草中的三萜類(lèi)成分進(jìn)行提取，得到最佳萃取工藝為萃取溫度40 ℃、萃取壓力15 MPa、萃取時(shí)間1.5 h、95%乙醇作為夾帶劑用量2.0 mL/g。與傳統(tǒng)的醇回流提取工藝相比，超臨界二氧化碳萃取法的提取時(shí)間明顯縮短，有機(jī)溶劑用量減少，成本低，更符合工業(yè)化生產(chǎn)要求，可有效萃取白花蛇舌草中的三萜類(lèi)成分。賈曉斌等[23]采用超臨界二氧化碳萃取和醇回流兩種方法提取靈芝中的三萜類(lèi)成分并進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超臨界二氧化碳萃取法和醇回流提取法得到的三萜類(lèi)成分的色譜圖具有相似的峰形，靈芝三萜和靈芝酸B含量相近，固形物含量以醇回流法較高。由于醇回流提取法具有提取時(shí)間較長(zhǎng)，浪費(fèi)有機(jī)溶劑等缺點(diǎn)，超臨界二氧化碳萃取法與其提取效果相似，可以取代醇回流法作為提取靈芝子實(shí)體中三萜類(lèi)成分的有效方法。

2 問(wèn)題與展望

與傳統(tǒng)的提取方法相比，超臨界二氧化碳萃取技術(shù)在中藥有效成分的提取分離方面有著巨大的優(yōu)越性，其萃取裝置集提取、分離于一體，在縮短工藝流程的同時(shí)又可滿(mǎn)足不同規(guī)模的生產(chǎn)，如分析、制備、中試和大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)等。然而超臨界二氧化碳萃取技術(shù)在中藥的提取分離方面也有著自身的局限與不足之處，如由于其生產(chǎn)成本較高，造成對(duì)某些中藥材的提取不夠經(jīng)濟(jì)，限制了該技術(shù)在中藥現(xiàn)代化中的應(yīng)用和普及；對(duì)于成分復(fù)雜的中藥材，若單獨(dú)使用該技術(shù)進(jìn)行提取分離，則可能無(wú)法滿(mǎn)足所得產(chǎn)品的高純度要求；對(duì)所得化合物的分析檢測(cè)能力不及HPLC、GC等設(shè)備。

由于超臨界二氧化碳流體具有親脂性，對(duì)于某些極性較大的生物堿、黃酮以及皂苷類(lèi)化合物的溶解能力較差，此時(shí)常需加入不同極性的夾帶劑以調(diào)節(jié)超臨界二氧化碳流體的極性，提高被萃取物在二氧化碳流體中的溶解度[24-26]，因此今后可加強(qiáng)對(duì)夾帶劑的研究。此外，超臨界二氧化碳萃取技術(shù)與現(xiàn)代分析手段(如高效液相色譜、氣相色譜、質(zhì)譜、薄層色譜和核磁共振等)的聯(lián)用，可加快中藥萃出成分的分析和檢測(cè)，大大提高了操作的效率，為中藥的超臨界二氧化碳萃取提供了更廣闊的發(fā)展空間以及應(yīng)用范圍[27-32]。同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)復(fù)方中藥提取工藝的研究，對(duì)通過(guò)超臨界二氧化碳萃取技術(shù)從復(fù)方中藥中提取得到的有效成分進(jìn)行藥理篩選，有利于新成分的發(fā)現(xiàn)，可大大提高新藥的篩選速度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)利用超聲波、微波和電場(chǎng)等來(lái)強(qiáng)化超臨界流體萃取過(guò)程也進(jìn)行了研究，并取得了一定的進(jìn)展[33-34]。

綜上所述，超臨界二氧化碳萃取技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及中藥在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的作用日益突出，將會(huì)使該技術(shù)在中藥有效成分的提取分離及質(zhì)量研究方面得到更廣泛的應(yīng)用與發(fā)展前景，超臨界二氧化碳萃取技術(shù)也必將推動(dòng)我國(guó)中草藥的研究開(kāi)發(fā)向更高的層次發(fā)展。