亞臨界水萃取在天然產(chǎn)物有效成分提取中的研究新進展

李新瑩，劉興利，馮豫川，楊學(xué)軍，于睿鵬

(1.西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護工程學(xué)院，四川成都610041;2.四川大學(xué)化工學(xué)院，四川成都610065)

近年來，天然產(chǎn)物有效成分類藥物和功能性食品的市場需求量日益增加，人們對天然產(chǎn)物有效成分藥用和食用療效的研究也逐漸深入，天然產(chǎn)物中有效成分的提取純化日益受到人們的關(guān)注。天然產(chǎn)物有效成分的傳統(tǒng)提取方法主要有水浸提法、壓榨法、回流法、滲漉法、萃取法、沉淀法及水蒸氣蒸餾法等。然而，由于天然產(chǎn)物成分的復(fù)雜性，使得這些傳統(tǒng)方法大都存在效率低、得率低及能耗大等缺點。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新型提取分離技術(shù)被用于天然產(chǎn)物有效成分的提取，如超臨界萃取、物理場強化提取、雙水相萃取及反膠束萃取等［1-2］。亞臨界水萃取作為一種新型的提取技術(shù)也已被應(yīng)用于天然產(chǎn)物有效成分的提取。亞臨界水萃取技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型提取方式，該方法已成功應(yīng)用于中藥有效成分提取和分析前處理［3］等方面。本文將綜述亞臨界水萃取技術(shù)的基本原理、特點和工藝，并與其他提取方式進行比較，總結(jié)亞臨界水萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物有效成分提取方面的最新研究進展。

1 亞臨界水萃取技術(shù)的簡介

亞臨界水萃取技術(shù)是以亞臨界水為提取溶劑，通過改變其溫度和壓力，使其能在較寬范圍內(nèi)對中等極性乃至非極性的組分具有良好溶解性的綠色萃取技術(shù)［4］。

1.1 亞臨界水萃取技術(shù)的原理與特點

亞臨界水是指溫度介于100～374℃之間、壓力足夠大并且維持液體狀態(tài)的水，又稱高溫水、超加熱水、高壓熱水或熱液態(tài)水［4］。水處于亞臨界狀態(tài)時，中、弱極性物質(zhì)的溶解度明顯增加，從而有利于傳質(zhì)速率和萃取率的提高，并可以通過調(diào)節(jié)物性參數(shù)，選擇性溶解不同極性的化學(xué)成分。而且，根據(jù)萃取對象的不同，在亞臨界水中加入改良試劑，還可以改變其提取性能［3］。此外，升高溫度時水的離子積常數(shù)會迅速增加，體系中H+和OH-數(shù)量增多，從而使亞臨界水具有酸堿催化功能［5］，成為一種天然的催化溶劑。

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。與索氏提取相比，亞臨界水萃取的溫度更高［6］;與水蒸氣蒸餾提取技術(shù)相比，亞臨界水萃取的提取時間更短［7］;而與現(xiàn)有的超臨界CO2萃取技術(shù)相比，亞臨界水萃取技術(shù)具有成本低廉，設(shè)備簡單，可以選擇性連續(xù)提取不同極性化合物及操作簡便等優(yōu)點［8］。

1.2 亞臨界水萃取工藝

亞臨界水萃取工藝過程示意圖及相應(yīng)的設(shè)備如圖1所示。亞臨界水萃取工藝類似于超臨界流體萃取、加壓溶劑萃取或是溶劑加速萃取，主要由高壓注射泵、恒溫爐、預(yù)加熱器、萃取罐、冷卻器及萃取接收裝置等組成［9］。亞臨界水萃取方式主要有2種，即靜態(tài)萃取和動態(tài)提取。靜態(tài)萃取是指亞臨界水與被萃取原料在一定的溫度和壓力下，靜態(tài)作用一定時間后再進行分離的萃取方式［10］，萃取過程類似于加速溶劑萃取。動態(tài)提取為連續(xù)式萃取，是指原料加入萃取器后，亞臨界水用泵連續(xù)通入萃取器中，在固定的溫度或連續(xù)變化的溫度條件下進行萃取［4］，此種方式不但加速了傳質(zhì)效率，縮短了提取時間，還可實現(xiàn)選擇性連續(xù)萃取。

表1 亞臨界水萃取技術(shù)在揮發(fā)油提取中的應(yīng)用Table 1 Extraction of volatile oil using subcritical water extraction technology

圖1 亞臨界水萃取工藝過程示意圖Fig.1 Schematic illustration of the process of subcritical water extraction technology

2 亞臨界水萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物有效成分提取中的應(yīng)用

亞臨界水萃取技術(shù)具有能耗低、快速和環(huán)境友好等優(yōu)點，在天然產(chǎn)物揮發(fā)油、多酚、黃酮、花青素、蛋白質(zhì)、多糖、蒽醌及生物堿等有效成分的提取方面都有應(yīng)用。

2.1 亞臨界水萃取技術(shù)在揮發(fā)油提取中的應(yīng)用

揮發(fā)油是植物中具有芳香氣味，在常溫下可揮發(fā)，并能隨水蒸汽蒸餾與水不相混溶的油狀液體的總稱。天然產(chǎn)物中的揮發(fā)油是一類重要的活性成分，具有多種藥理活性，其在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用越來越受到人們的重視。天然產(chǎn)物揮發(fā)油的提取方法主要有傳統(tǒng)的水蒸汽蒸餾法、有機溶劑萃取法及新興的超臨界CO2萃取技術(shù)等。近年來，亞臨界水萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物揮發(fā)油的提取應(yīng)用方面得到了快速的發(fā)展。

1998年，Basil等［11］首次采用亞臨界水萃取技術(shù)提取迷迭香揮發(fā)油，結(jié)果表明亞臨界水提取時間短，含氧化合物產(chǎn)量高，揮發(fā)油質(zhì)量好，而且亞臨界水不需要蒸發(fā)汽化，大部分熱量可循環(huán)利用。在此之后，亞臨界水萃取技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用于揮發(fā)油的提取當(dāng)中。根據(jù)郭娟和鄭光耀［12-13］等人的總結(jié)，亞臨界水萃取技術(shù)已成功應(yīng)用于小茴香、柴蘇葉、桉樹葉、穗狀牛至葉、丁香、墨角蘭葉、香菜籽、月桂、洋蔥、莞荽籽和花椒等植物揮發(fā)油的提取中。而且，以上的研究結(jié)果表明，在一定條件下，亞臨界水萃取技術(shù)相比于水蒸汽蒸餾技術(shù)更為快速、高效、節(jié)省能源，且油質(zhì)更好、抗氧化活性更強，是植物中揮發(fā)油的一種非常有前景的新型分離提取技術(shù)。不過，近三年來亞臨界水萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物揮發(fā)油的提取方面發(fā)展放緩，文獻報道較少，僅用于川芎、當(dāng)歸和紫草等數(shù)種植物揮發(fā)油的提取(參見表1)。

2.2 亞臨界水萃取技術(shù)在多酚類物質(zhì)提取中的應(yīng)用

多酚類物質(zhì)是天然產(chǎn)物的重要組成部分，主要存在于植物的皮、根、葉、殼和果肉中。多酚類物質(zhì)具有抗突變、抗病毒、抗氧化以及抑制腫瘤發(fā)展的活性，并對心腦血管疾病有一定的防治作用。近年來，植物多酚類物質(zhì)的研究和應(yīng)用越來越受到重視，市場需求量越來越大，亞臨界水萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物多酚類物質(zhì)的提取分離方面的應(yīng)用也倍受關(guān)注。亞臨界水萃取技術(shù)用于提取多酚類物質(zhì)時主要具有兩大優(yōu)勢，一是具有較高的產(chǎn)品得率，再者是所得多酚可以保持較強的抗氧化活性。如Singh等人［16］采用亞臨界水萃取技術(shù)提取馬鈴薯皮中的多酚類物質(zhì)，得到了沒食子酸、綠原酸、咖啡酸、原兒茶酸、丁香酸、對羥基苯甲酸、阿魏酸和香豆酸8種多酚類物質(zhì)，而且提取物中總酚含量為81.83mg/100g，遠遠高于傳統(tǒng)的有機溶劑回流提取法。He等［17］采用亞臨界水萃取技術(shù)提取石榴籽中的多酚類物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該方法得到的多酚成分具有更高的抗氧化活性。正是由于多酚類物質(zhì)的市場需求量的不斷增加及亞臨界水萃取技術(shù)的自身優(yōu)勢，亞臨界水萃取技術(shù)在多酚類物質(zhì)的提取應(yīng)用方面發(fā)展迅速，特別是近幾年來呈現(xiàn)飛速增長的趨勢。近年來，亞臨界水萃取技術(shù)已應(yīng)用于野薔薇、訶子果實、菜籽、苦瓜、牛至、紫草、藻類、迷迭香和丹參［18-24］等多種天然產(chǎn)物多酚類物質(zhì)的提取，具體應(yīng)用情況如表2所示。此外，亞臨界水萃取技術(shù)提取多酚類物質(zhì)的規(guī)模越來越大，原料也向多元化發(fā)展，如亞臨界水萃取技術(shù)成功用于米糠、松樹皮和咖啡渣等量大的天然產(chǎn)物多酚類物質(zhì)的提取［25-28］。

2.3 亞臨界水萃取技術(shù)在黃酮和花青素類成分提取中的應(yīng)用

黃酮類化合物是色原酮或色原烷的衍生物，即以黃酮(2-苯基色原酮)為母核而衍生的一類黃色色素。花青素是一種天然色素，具有明顯的抗氧化作用，而且還具有保護心血管、抗腫瘤、抗炎等作用，在食品營養(yǎng)、醫(yī)藥保健等領(lǐng)域越來越受到人們的青睞。近年來，亞臨界水萃取技術(shù)在黃酮和花青素類成分的提取中也有廣泛應(yīng)用。如采用亞臨界水萃取技術(shù)從黃冠果中提取芒果苷［29］，從葡萄渣中分別提取原花青素和黃酮［30-31］，從洋蔥皮和沙棘葉中提取黃酮醇櫟精［32-33］，從農(nóng)業(yè)廢棄物柑橘皮中提取黃烷酮橙皮苷和蕓香柚皮苷［34］以及從丹參中提取丹參紅色素等［35］。此外，李超等［36］將超聲波輻照與亞臨界水萃取技術(shù)相結(jié)合用于提取葡萄籽中原花青素，結(jié)果表明，超聲輻照能夠加快葡萄籽內(nèi)部原花青素的擴散及促進其解吸，對亞臨界水萃取起強化作用。隨著亞臨界水萃取技術(shù)的不斷完善，亞臨界水萃取技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛，如以大豆胚芽、葛根和槐角為原料采用亞臨界水萃取技術(shù)提取總異黃酮，發(fā)現(xiàn)亞臨界水萃取技術(shù)具有提取時間短、效率高和環(huán)境友好等諸多優(yōu)點［37-39］。由上述大量的研究可知，與傳統(tǒng)的有機溶劑提取法相比，采用亞臨界水萃取技術(shù)提取得到的黃酮和花青素成分的產(chǎn)量更高、成本更低，是一種非常理想的新型提取方法。

2.4 亞臨界水萃取技術(shù)在其他有效成分提取中的應(yīng)用

亞臨界水萃取技術(shù)除了用于揮發(fā)油、多酚、黃酮和花青素類物質(zhì)的提取外，還可用于天然產(chǎn)物中蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖、蒽醌類、醇類、果膠及生物堿等有效成分的提取。如采用亞臨界水萃取技術(shù)提取米糠中的米糠油，結(jié)果發(fā)現(xiàn)米糠油得率達27%，高于其他常規(guī)提取方法［40］。此外，亞臨界水萃取技術(shù)還被用于提取米糠中的蛋白質(zhì)、氨基酸及多糖等［41-43］。目前，使用亞臨界水萃取技術(shù)從天然產(chǎn)物中提取木質(zhì)素、纖維素等成分的研究也有一些報道，如Asghari等［44］采用亞臨界水萃取技術(shù)從日本紅松木中提取纖維素，Tanaka等［45］采用亞臨界水萃取技術(shù)從香橙皮中提取食用纖維素。在近期的報道中，亞臨界水萃取技術(shù)在多糖提取上應(yīng)用最為廣泛，并在提取時間和產(chǎn)品得率上表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢［46-48］。除此之外，亞臨界水萃取技術(shù)還應(yīng)用于柑橘皮、橄欖、椰肉等天然產(chǎn)物有效成分的提取中，具體應(yīng)用情況如表3所示。

表2 亞臨界水萃取技術(shù)在多酚提取中的應(yīng)用Table 2 Extraction of phenolic compounds using subcritical water extraction technology

表3 亞臨界水萃取技術(shù)在其他有效成分提取中的應(yīng)用Table 3 Extraction of other compounds using subcritical water extraction technology

3 展望

隨著生活水平的提高和健康食品需求量的增加，天然產(chǎn)物有效成分的需求也日益增加。建立適合不同結(jié)構(gòu)類型、復(fù)雜多樣的天然產(chǎn)物有效成分的簡便快速的新型提取方法是重要的發(fā)展趨勢。亞臨界水萃取技術(shù)使用純水作為溶劑，避免有機溶劑的應(yīng)用和污染，且其提取時間短、萃取效率高、環(huán)境友好，是一種具有潛力的綠色提取技術(shù)，在植物有效成分提取領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，亞臨界水萃取技術(shù)已在揮發(fā)油、多酚類物質(zhì)、黃酮和花青素等有效成分的提取中得到了廣泛應(yīng)用。此外，新型的亞臨界水萃取技術(shù)與其他方法的聯(lián)用技術(shù)也逐漸發(fā)展起來，如亞臨界水萃取技術(shù)與色譜分析聯(lián)用技術(shù)，亞臨界水萃取技術(shù)與固相微萃取技術(shù)以及液相微萃取技術(shù)聯(lián)用，亞臨界水萃取與大孔吸附樹脂分離技術(shù)聯(lián)用等。因此，亞臨界水萃取技術(shù)作為一種新興的提取分離技術(shù)應(yīng)用于食品工業(yè)將具有很大的潛力。

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