亞臨界水萃取植物酚類物質研究進展

何 李,高彥祥

中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083

亞臨界水萃取植物酚類物質研究進展

何 李,高彥祥＊

中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083

亞臨界水作為一種無毒、無污染、廉價的溶劑,已應用于天然產物的提取。植物酚類物質是一種特殊的天然產物,其大部分具有很強的抗氧化活性。許多研究結果表明:亞臨界水萃取植物酚類物質行之有效。本文概述了亞臨界水萃取的原理、影響因素,并總結了國內外利用亞臨界水萃取天然酚類物質的發展趨勢。

亞臨界水萃取;植物酚類物質;原理;影響因素

亞臨界水是指溫度介于 100℃與 374℃之間、壓力足夠大并且維持在液體狀態下的水 (水的臨界狀態參數是 374℃,22 MPa)[1]。亞臨界水作為一種特殊的加壓壓縮流體溶劑,具有環保、無毒、費用低的優點,已經被國內外應用在很多領域。亞臨界水萃取(S WE)最早應用于廢棄物處理上,1994年, S.B.Hawthorne等[2]利用亞臨界水從土壤、泥沙以及固體廢物中萃取多環芳香烴 (PAHs)、多氯聯苯(PCBs)等,并利用 GC-MS對產物鑒定分析。C. Crescenzi等[3]利用亞臨界水從酸性土壤萃取得到16種中、酸性殺蟲劑和除草劑殘留物。1998年,亞臨界水首次被應用到天然產物萃取上,英國利茲大學B.Annamaria等[4]用亞臨界水從迷迭香葉中萃取得到烯萜類精油,并從動力學角度證明 S WE比蒸餾更適合萃取植物精油。S WE還應用于食品安全檢測,王耀等[5]用亞臨界水萃取富集肉制品中的亞硝酸鹽,S WE具有樣品用量小、萃取效率高,精密度好的優點,這為食品污染和摻假檢測分析又增添了一新手段。

植物酚類物質是天然產物的重要組成部分,主要包括植物單寧、蒽醌類、黃酮類、木質素以及一些簡單的酚類等,它們具有類似的結構,苯環的不同位置含有酚羥基,具有清除自由基等抗氧化特性[6-7]。國內外已經有大量文獻報道植物酚類物質的萃取、分離和利用情況,最近幾年,利用亞臨界水萃取植物酚類物質也逐漸成為熱點。本文主要闡述 S WE技術原理、設備流程,并對國內外亞臨界水萃取植物酚類物質的研究進展進行了綜述。

1 亞臨界水萃取

1.1 亞臨界水萃取的基本原理

水在常溫下具有很強的氫鍵作用力,與酚羥基之間緊密連接,隨著溫度升高,水的介電常數ε下降,氫鍵作用力顯著減弱,密度和極性減小,從而使酚類物質更易溶出[8,10]。在常溫常壓下,水的介電常數ε為 79,在 5 MPa壓力下,溫度升高至 250℃時,其介電常數降為 27,幾乎相當于乙醇在常溫常壓下的介電常數,明顯提高了中、弱極性物質在水中的溶解度;同時,維持一定的壓力下,升高溫度 (仍然維持液態)可以顯著的減小水的表面張力和粘度,顯著提高了中弱極性酚類物質在水中的溶解性和傳質系數[1]。根據相似相溶的基本原理,增大物質溶解度有利于傳質速率和萃取率的提高;通過調節設備的溫度和壓力,可以選擇性溶解出不同極性酚類物質。升高溫度,水的離子積常數會迅速增加,體系中 H+和OH-數量增多,從而導致亞臨界水具有酸堿催化功能[9],這使得亞臨界水成為天然的催化溶劑。

1.2 亞臨界水萃取設備及工藝過程

目前亞臨界水萃取模式主要有靜態和動態兩種,設備主要是由加速溶劑萃取 (ASE)設備或超臨界二氧化碳設備改裝而成的[1,8]。其主要結構包括壓力泵、預熱器、恒溫爐和萃取斧、冷卻裝置、分離斧及收集裝置等。主要流程是:去離子水脫氣后經過壓力泵到預熱器預熱到預定溫度后,經過萃取斧(置于恒溫爐內部)作用一段時間,經過冷卻裝置,再經過分離斧分離得到目標產物。

靜態萃取是指在維持萃取斧中一定的溫度、壓力以及一定體積的去離子水下,關閉去離子水閥門,使得物料在封閉的萃取斧中和亞臨界水充分接觸,這個過程類似于加速溶劑萃取 (ASE),不同的是該萃取溶劑是水;動態萃取是指維持一定溫度和壓力下,調節去離子水的流速,使得水不斷的穿過萃取斧中的物料,這樣不僅提高了傳質速率,縮短了萃取時間,還實現了連續式操作。但在動態萃取裝置中,壓力泵必須提供足夠的壓力使水壓縮,使其穿過物料萃取斧和各種加熱裝置,并且維持在設定溫度范圍內。高溫高壓下,萃取斧須用一些特殊的金屬單獨制作,Morales Riffo等人甚至利用氧化狀態下的PEEK管做萃取斧材料,利用傳統的針形閥門就可以調節流體壓力和流速,不需要其他任何節流閥[8]。

為了收集揮發性物質 (揮發性精油中的酚類物質),在分離之后,為了減少樣品損失或溶劑對樣品的稀釋作用,還常常需要一套富集或者分析檢測裝置,常見的富集設備有固相萃取 (SPE)[1,12]、固相微萃取 (SPME)[11]、微孔濾膜液-液萃取[13],常見的檢測系統有 GC-MS[2]、LC-MS[3]。亞臨界水與色譜聯機在線聯機使檢測快速、靈敏、全自動,無損失[3,13]。Bin Li等利用 S WE-HPLC(亞臨界水液相色譜)在線檢測了多氯聯苯、氯酚、咖啡因等化學物質[14]。陸曉華等開發出用于果蔬中農藥殘留分析的樣品預處理的亞臨界水裝置,其裝置包括微處理器、加熱器、樣品池、溫度傳感器、電源、輸入裝置和輸出裝置。該裝置結構簡單、體積小、成本低、使用方便、自動化程度高,適于非專業人員現場快速測定,滿足現場快速篩選和測定的需要[15]。

1.3 亞臨界水萃取過程的影響因素

溫度是影響亞臨界水萃取過程中最重要的因素,它對萃取速率、效率和選擇性都有很大的影響。升高溫度,水的粘度降低,表面張力減小,大部分酚類物質溶解速率加快,提高萃取效率;而且不同溫度下的水介電常數不同,極性不斷變化,因此調節溫度可以萃取出不同極性的酚類物質[8,16]。一般情況下,物質的降解和反應(比如,水解、氧化)的程度會隨著溫度的增加而增大。不同植物來源的酚類化合物對溫度的敏感程度不同,因此有必要選擇合適的溫度范圍進行萃取。Zhi Y J等人[17]利用亞臨界水萃取紅葡萄皮中的酚類物質,發現 110℃后,花青素和總酚均開始降解,而酚酸在 100～160℃之間一直比較穩定,在 100～160℃溫度范圍內,提取物的氧自由基清除能力 (ORAC)增加,可能是因為高溫降解產生大量具有抗氧化性的低分子量酚類物質。在一定溫度范圍內,一般升高溫度會增大酚類物質的溶解度,P.Boonchai等人[18]發現蒽醌在 200℃時的水中溶解度大約是其在 125℃下的 6倍,可能是因為提高溫度,使得水分子間作用力 (偶極作用力和氫鍵作用)減弱,從而增加樣品的溶解性。Wan J K也報道,多稠芳烴在 250℃時的溶解度是 25℃的130 000倍[19]。

壓力一般對水的介電常數和溶解能力影響很小,這在多篇文獻中已經報道[1,10,19,20]。當壓力從0.1 MPa增加到 10 MPa,水的介電常數僅僅增加了0.37,因此只需要一定壓力使水維持在液體狀態即可[1]。但是在動態過程中,壓力不能太低,否則不能壓縮水使得其穿過物料和系統。Wan J K等[19]在不同壓力下提取積雪酸及其苷類物質,200℃時,當壓力從 10 MPa升至 40 MPa,積雪酸僅僅從 2.4 mg/g增加到3.4 mg/g,由于壓力對水的介電常數影響不大,壓力從 10 MPa升至 40 MPa(200℃時),水的介電常數僅僅升高 0.8,水的極性幾乎沒有什么變化,壓力對提取率影響不大。因此,壓力的控制相對要求較低,一般萃取壓力維持在 1～6 MPa之間。

時間也是亞臨界水萃取的重要因素之一,特別是對溫度比較敏感的酚類化合物,在萃取斧中時間太長會明顯使其降解,回收率也會明顯降低。和其他萃取方式相比,S WE所用時間一般比較短[10]。Mustafa.Z.Ozel等[12]在不同時間內萃取精油,在150℃、20 min內,所得精油中香荊芥酚和麝香草酚萃取的比較完全,相比之下,超臨界二氧化碳需要 1 h,而蒸餾提取需要數小時,而且蒸餾萃取物中酚類物質含量僅 69%,不及亞臨界水萃取油中的 87%酚類物質含量。亞臨界水在相對很短的萃取時間內就能得到比較完全的萃取物,但是萃取時間的作用不是單一的,它和溫度,流速等因素協同影響萃取效果。

流速對動態亞臨界水萃取影響也比較大,提高水的流速可以增加萃取物從物料基質中轉移的速率,即傳質速率。但是當流速太大時,去離子水的體積需要量就很大,而且對萃取物稀釋程度也很大[43],也使得物料與水之間的接觸時間減少[10]。S.M.Ghoreishi等[21]報道認為流速影響萃取效果需從傳質系數和滯留時間兩方面考慮:高流速水會直接沖擊減弱包裹在物料 (橄欖葉)周圍的薄膜水層,這樣會明顯增大傳質系數,但是另一方面,增大流速會減少水與物料的接觸時間,由此兩個相反的因素導致萃取率基本不隨著流速變化而變化。流體在層流階段,物料粒徑和密度、粘度等參數都基本恒定,雷諾系數基本不變,因此流速不會影響萃取率。當然,不同原料的結果可能差別很大,有時控制一定的其他條件下,流速可能對萃取效果沒有太大影響, Mustafa.Z.Ozel等[12]報道,在 150℃、6 MPa的條件下,調整流速從 1 mL/min到 3 mL/min,樣品回收率變化不大,特別是當萃取 20 min后,回收率基本不變。H.Mohammad等[43]發現流速越大,胡荽籽精油中芳樟醇得率越大,說明芳樟醇的外部傳質 (即從物料表面傳質到水相中)控制著整個萃取過程,但綜合考慮水用量體積和樣品稀釋問題,最終選擇流速為 4 mL/min。

其他因素對亞臨界水萃取效果也有影響,例如萃取斧的幾何參數、萃取劑的改良、萃取方式和物料顆粒大小。J.E.Cacace等[22]報道,影響萃取效果的萃取斧幾何參數是萃取斧的內徑以及其高度。當內徑:高度比例從 8.8增加到 21.9時,亞麻籽木脂素(SDG)的萃取率明顯降低,這可能與料液比有關,在低流速下,提高內徑:高度比例至 18時,SDG的萃取率也會升高,而當液料比升高到 25 mL/g時,提高內徑:高度比例反而使得 SDG的得率減小,因此選擇合適的料液比是考慮萃取容器的幾何參數的前提;為了避免高溫水對萃取物分解,常在溶劑水中加入一定量的有機溶劑,從而達到低溫萃取的效果。這種萃取類似于加速溶劑萃取 (ASE)。Aguez等[23]在亞臨界水中加入 20%～80%的乙醇改良劑,從一種葡萄樹根中提取多酚類物質,選擇 80%乙醇-水作為萃取溶劑,在 240℃、pH3時各種酚類物質具有最高的回收率,但在高溫下,乙醇會與一些酚酸發生酯化等副反應;不同升溫萃取方式對結果也有影響, Matilde等[24]分別以間歇和連續方式設定亞臨界水萃取葡萄籽原花青素的萃取溫度,先在 50℃、100℃和 150℃下分別間歇萃取 30 min,然后在 50℃、100℃以及 50℃、100℃和 150℃下間隔 30 min連續升溫萃取,最后結果為:在 150℃加熱 30 min萃取率最高,為 37.7%,三個溫度連續升溫加熱 90 min的萃取率次之,為 36.7%;物料粒徑的大小直接影響傳質速率,H.Mohammad等[43]把胡荽籽粉碎成粒徑為 0.25 mm,0.5 mm和 1.0 mm的粉末,萃取30 min后,粒徑為 1.0 mm的粉末萃取物中芳樟醇得率最低,可能是因為整個傳質過程受大粒徑的限制,0.25 mm物料比 0.5 mm物料粒徑下芳樟醇得率稍低,可能是因為物料粉碎過程中小粒徑籽粉中精油的揮發。

2 亞臨界水在植物酚類物質萃取中的應用

功能食品的開發日益受到消費者關注,導致對功能食品配料的需求增多,特別是天然抗氧化劑的開發已成國內外熱點。植物多酚類具有很好的天然抗氧化功能,但萃取產物一直受有機溶劑污染、萃取耗時等困擾,因此需要開發環保、潔凈的萃取技術。亞臨界水已被證明是一種優良的萃取劑,近年來,其已被應用于植物酚類物質的萃取,并不斷地在深入研究。

酚類物質在植物中分布很廣泛,不同組織部位、不同溶解性粗提物中均會有酚類物質存在。脂溶性酚類主要分布于植物精油中,S Rovio等[20]從丁香花中萃取精油,萃取物經過固相萃取富集,再經過GC-MS,鑒定得精油中含有丁香酚和丁香酚酸酯。Elena Ibaez等[26]報道亞臨界水萃取的丁香油含有清除DPPH自由基能力的極性多酚類物質。葡萄多酚一直是研究熱點,經過 S WE得到不同組分的產物大部分是單寧類物質和小分子酚類:G.M.Matilde等[24]利用不同溫度 (50,100,150℃)在間歇和連續的方式下萃取得到葡萄籽萃取物,在連續 90 min萃取升溫的方式 (即 50,100,150℃每隔 30 min升溫一次)下萃取得到的酚類物質含量最高,達 582.5 mg/100 g干物質,比 50℃萃取 30 min的多酚含量約高 11倍,說明連續萃取有利于單寧物質的溶出。其他酚類物質的 S WE也均有報道,例如蒽醌[18,30-31]、木質素[22,37]、黃酮[32]。下面列舉了國內外亞臨界水萃取植物酚類物質的研究成果(見表1)。

表 1 亞臨界水萃取植物酚類物質的應用Table 1 The application of subcriticalwater extraction of plant phenolic compounds

3 亞臨界水萃取技術存在的問題

目前,亞臨界水在天然產物中的應用還處于開發階段,無論是設備,還是生產技術都不夠成熟,仍然未得到產業化應用。從以上文獻報道可知,與其他萃取技術相比,亞臨界水萃取時間短,無溶劑殘留(需要有機溶劑協助的除外),選擇性好,操作簡單。和超臨界二氧化碳萃取技術相比,操作簡單,所需要考慮的因素較少(主要考慮溫度參數),樣品損失少(揮發性物質需要冷卻)[9]。而且亞臨界水萃取所需要的壓力不如超臨界二氧化碳那么高,溫度的選擇范圍更廣[1]。但是,目前亞臨界水萃取仍有些缺陷。

3.1 無機鹽類物質在亞臨界水中的溶解性不好,這樣它就可能會堵塞樣品收集之前的管道或壓力調節閥。目前只能靠提高壓力緩解,但這還不能從根本上解決[8]。

3.2 亞臨界水萃取物常為兩相混合的乳狀液,這樣就使得樣品很難得到分離,目前用添加NaCl破乳達到分離[43]。

3.3 亞臨界水在高溫下被脫去氧氣,并且離子積常數 Ka明顯增大,使水具有酸堿作用,可能腐蝕管路[8]。另外,它還具有一定的腐蝕性,可能會使一些有機化合物分解[11]。

3.4 由于亞臨界水萃取的主要影響因素是溫度,這對提取、反應物有一定的限制,特別是熱敏性物質。通過加速溶劑 (ASE)萃取雖然可以降低萃取溫度[23],但仍會帶來有機溶劑的殘留,有違綠色萃取技術的初衷。

4 展望

回歸天然是天然產物的萃取最理想的方式。水是天然產物最好的綠色溶劑,無溶劑殘留,產品使用安全。亞臨界水設備無論是用于萃取還是反應,操作都相對簡單、可行,適合于產業化生產,只是目前仍然沒有開發出商用的亞臨界水設備。相對國外,國內對亞臨界水的應用還很少,研究和應用的空間還很廣泛,我國植物資源非常豐富,種類繁多,除了多酚類物質的萃取分離,亞臨界水完全還可應用于其他天然產物的開發,這對我國的食品、中草藥加工和增加其附加值具有深遠意義。

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Research and Development of Subcritical
Water Extraction in Plant Phenolic Compounds

HE Li,GAO Yan-xiang＊
College of Food Science&Nutrition Engineering,China AgriculturalUniversity,Beijing 100083,China

Subcriticalwaterwas regarded as a kind of non-toxic,clean-up and low-cost solvent,which has been applied for extraction of nutraceutical products.As a special nutraceutical products,most of plant phenolic compounds present great antioxidant capacity.Subcriticalwater has been proved good to extract plant phenolic compounds according to the many results of research.We reviewedmechanis ms and parameters affecting extraction of subcriticalwater extraction,besides,research and developmentof subcriticalwater extraction in nutraceutical phenolic compoundswere also been summarized.

Subcriticalwater extraction;plant phenol;mechanisms;parameters affecting extraction

TS202.1

A

1001-6880(2010)04-0722-06

2009-07-29 接受日期:2009-09-29

＊通訊作者 Tel:86-10-62737034;E-mail:gyxcau@126.com