超臨界流體萃取在植物有效成分提取中的應用

劉 艷

(渭南師范學院化學與生命科學學院，陜西渭南714000)

超臨界流體是指物質的溫度和壓力均超過該物質的臨界溫度(TC)和臨界壓力(PC)的狀態(tài).在這個狀態(tài)下，物質同時具備一些液體和氣體的某些性質，如密度接近于液體，粘度系數(shù)和導熱系數(shù)介于氣體和液體之間，擴散系數(shù)為液體的10～100倍，對物料有較好的滲透性和較強的溶解能力，能夠將物料中某些成分提取出來，易于壓縮，而且其溶解度又隨著密度的增加而增加(即溶解度會隨著壓力的增加而增加，隨著溫度的升高而降低).超臨界流體這種不通過相變而方便地改變溶解度的特性極適合于萃取，從而對物質進行分離.從20世紀70年代開始，隨著人們對能源、環(huán)境和健康的日益關注，超臨界流體萃取的研究異常的活躍，呈現(xiàn)出勃勃生機［1］.作為一種節(jié)能、高效和清潔的分離技術，常用于植物中有效成分的分離［2］，有的分離過程已經在諸如食品、日化、制藥、環(huán)保等工業(yè)部門中得到應用，顯示了其獨特的優(yōu)越性.

1 超臨界液體萃取的一般原理

用超臨界流體萃取天然產物，一般用CO2作為萃取劑，這是因為它的臨界溫度和臨界壓力都比較低(TC=31.1℃，PC=7.38MPa)，操作條件溫和，對一些熱穩(wěn)定性不好的物質的萃取特別適合.另外，CO2無毒，無殘留，對環(huán)境不會造成任何污染，被萃取物也不會有任何殘留，這對用于化妝、食品、醫(yī)療等行業(yè)的萃取物的萃取十分重要.同時，CO2不燃燒，操作安全.

超臨界流體萃取過程沒有相變發(fā)生，所以操作過程節(jié)能也是它得到廣泛應用的另一個原因.在一般情況下，它對其他物質的溶解度隨著壓力的增加而增加，而密度又會隨壓力的變化而變化，這樣，通過壓力的增加，就可以使它方便地溶解某些物質，然后降低壓力，使溶解度下降，使被溶解的物質析出，從而達到分離的目的.由于大多數(shù)的操作步驟都為自發(fā)過程，不耗能，所以整個過程耗能很小.萃取的效率和耗能的多少取決于前后的溶解度變化的大小，因為溶解度和密度有關，這就取決于超臨界流體的壓縮比，根據(jù)CO2的壓力和溫度的關系，在臨界點附近，CO2的密度隨壓力的變化比較敏感，所以一般操作條件應選在臨界點附近［3］.

超臨界萃取的流程如圖1［4］所示，萃取方法分為等溫法、等壓法和吸附法.等溫度的過程是將含有目標分離產物的混合物在萃取器中與超臨界CO2混合，目標組分溶解于超臨界CO2中，然后超臨界CO2從分離器中流出經減壓閥降壓，目標組分與超臨界CO2分離，再經分離器后CO2加壓經再生并進行下一步的操作.在這個過程中，溫度不變，是通過壓力的變化使其溶解度變化而達到分離的目的.在等壓法過程中，萃取物被萃取后，經加熱升溫，溶解度降低而使目標組分分離，CO2則經降溫后再生，重新返回萃取槽中.如果目標組分在超臨界CO2的溶解度不大的情況時，則萃取的效率不高，可同采取吸附法，即含目標組分的混合物、超臨界CO2共處于萃取槽中，經過萃取，溶有目標組分的超臨界CO2流動至吸收器中的吸附劑上，被吸附在吸附劑上，而超臨界CO2加壓再生.

作為一種萃取溶劑，對要分離的物質或雜質的溶解性選擇也是影響萃取效率的一個重要因素.超臨界CO2的極性較小(其極性大約在正已烷和氯仿之間)，僅對極性較小的物質有較好的溶解性，對極性較大的物質，溶解度較小.為了使之溶解較大極性的物質，常加入第三種組分，即夾帶劑，以增大其極性.常用的夾帶劑有水、甲醇、乙醇、丙酮等.如在2×104kPa和70℃條件下，棕櫚酸在超臨界CO2的溶解度是0.25%，但在同樣條件下，在其中加入重量10%的乙醇，溶解度可以提高到5%以上［5］.在超臨界CO2加入夾帶劑，不但能提高對目標組分的溶解度，而且會提高其選擇性.在超臨界CO2加入約14%的丙酮，甘油酯的溶解度提高了22倍.純CO2幾乎不能溶解咖啡因，加入了水以后，由于水本身的極性和生成了具有極性的H2CO3，使咖啡因從咖啡豆中游離出來，并在其中溶解.

圖1 超臨界流體萃取流程

2 超臨界液體萃取植物中有效成分

植物中的某些成分具有特殊的作用，在醫(yī)療保健、食品、日用化妝等方面有著難以替代的作用，但這些成分一般熱穩(wěn)定性不好，用其他有機溶劑萃取，在萃取物中難免留下有機殘留，從而產生健康隱患.超臨界CO2的溫和萃取條件和無任何殘留的特點正好在這個領域發(fā)揮作用.

2.1 植物精油的萃取

精油是從植物的花、葉、莖、根或果實中，通過各種提取法提煉萃取的揮發(fā)性芳香物質.精油可由250種以上不同的分子結合而成.這些分子以不同的比例共同存在著，使得每種植物都有其特殊性，也因此精油對人體有一些特殊的作用.精油可以通過皮膚滲透、呼吸作用進入人體，可防傳染病，對抗細菌、病毒、霉菌，可防發(fā)炎、痙攣，促進細胞新陳代謝及細胞再生功能.用超臨界CO2萃取精油的研究很多，有的已經實現(xiàn)工業(yè)化.

玫瑰精油是最古老的香精油之一.大量研究表明：玫瑰精油中含大量的烷烴、香茅醇、香葉醇、橙花醇、丁子香酚、甲醚、單萜和倍半萜等多種化合物［6］.具有理氣、活血、養(yǎng)顏、疾病預防等作用，用于食品、釀酒、熏茶、化妝品和調配高級香精等.目前大多數(shù)的提取采用水蒸氣蒸餾法，但其精油收率較低，且由于高溫氣體的作用，引起高揮發(fā)組分的失散，所得的精油顏色深、氣味不純.而采用超臨界CO2萃取，高揮發(fā)性的頭香物質及低揮發(fā)性的體香和尾香物質都可以得到，品質和收率都大大提高.王淑敏等［7］采用超臨界CO2對兩種玫瑰的精油進行了萃取實驗研究，并對其產品成分進行了氣相色譜—質譜聯(lián)用技術分析.通過正交實驗確定了最佳工藝件：萃取壓力20MPa，分離壓力7MPa，分離溫度35℃，萃取溫度40℃.并且分析了玫瑰精油中的75種揮發(fā)油成分和兩種玫瑰精油香氣不同的原因.李斌等［8－9］通過單因素和正交試驗研究了超臨界CO2萃取玫瑰精油的最佳工藝條件.原料粒度60目，流量18L/h，萃取時間1.5h，溫度40℃，壓力16MPa.同時通過實驗研究了粒度、萃取溫度、壓力、流量、時間5個因素對玫瑰精油萃取率的影響主次，順序為：粒度＞時間＞CO2流量＞溫度＞壓力.除此之外，趙漢臣等［10］也對玫瑰精油萃取的最佳工藝條件進行過實驗研究.

沙棘是一種落葉性灌木，其特性是耐旱，抗風沙，可以在鹽堿化土地上生存，因此被廣泛用于水土保持.國內分布于華北、西北、西南等地.沙棘的根、莖、葉、花、果，特別是沙棘油含有豐富的營養(yǎng)物質和生物活性物質，具有止咳化痰、健胃消食、活血散瘀之功效.現(xiàn)代醫(yī)學研究表明，沙棘可降低膽固醇，緩解心絞痛發(fā)作，還有防治冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的作用.用超臨界流體萃取沙棘油的研究也有較多的報道.銀建中等［11］對超臨界CO2萃取沙棘油進行了實驗研究，建立了一套萃取裝置，考察了萃取溫度、壓力、物料充填量及時間對萃取率的影響.結果表明，當壓力為20～30MPa，溫度為35℃ ～40℃時，可獲得較高的萃取率.同時銀建中等［12］還根據(jù)萃取器單元的質量守恒建立了微分方程，對一定萃取條件下的實驗結果進行了數(shù)值摸擬，確立了萃取過程的數(shù)學模型.另外，秦學磊等［13］也對萃取的條件進行了實驗研究.

2.2 植物色素的萃取

植物中的天然色素色彩艷麗，同時具有一定的營養(yǎng)價值，如辣椒色素、玫瑰紅色素、胡蘿卜色素等，這些色素常用于食品、冷飲、化妝品等方面.傳統(tǒng)的溶劑萃取會使產品帶有有機殘留，而且由于萃取溫度高，使顏色發(fā)生變化.用超臨流體萃取，克服了上述缺點，是色素提取的發(fā)展方向.

辣椒紅色素是從辣椒中提取的紅色粘性油狀液體色素，在國內有一定生產規(guī)模的企業(yè)有十幾家，主要采用溶劑萃取，所得的產品有有機殘留，且具有辣椒的特殊氣味，難以滿足國內外用戶的要求.姜愛麗等［14］將兩種方法相結合提取辣椒紅色素.將干辣椒洗凈，去籽后粉碎，先用丙酮萃取辣椒油樹脂，再用超臨界CO2提取其辣椒紅色素，發(fā)揮了有機溶劑處理量大，而超臨界CO2萃取可以去除有機殘留，提高色素品質的優(yōu)點.同時提出了最佳的工藝條件：萃取釜溫度35℃，萃取壓力30MPa，該條件下萃取物色價增加.而且技術重復性好.王玉琪等［15］將干辣椒先用石油醚萃取得到辣椒樹脂，再用超臨界CO2去除辣椒樹脂中的有機殘留，研究了壓力、溫度及裝填系數(shù)對萃取的影響，從而完成色素的提純與分離，得到深紅色的油狀液體，其產品的技術指標優(yōu)于國標(GB10738-1996)的規(guī)定.姜煒［16］對產于新疆的辣椒紅色素，用溶劑萃取后進一步用超臨界CO2萃取，得到了色價達150，可用于食品的低有機殘留的辣椒色素.

番茄紅素是類胡蘿卜素的一種，作為一種天然色素存在于自然界中，呈紅色，因最早于番茄中發(fā)現(xiàn)而得名.番茄紅素熔點為174℃，難溶于甲醇、乙醇，不溶于水，可溶于乙醚、乙烷，易溶于氯仿、二硫化碳、苯等有機溶劑.由于獨特的結構和性質使其具有抗壞血酸活性、猝滅單線態(tài)氧和清除過氧化氫等作用，廣泛用于保健食品、醫(yī)藥和化妝品，是很有開發(fā)價值的功能性天然食用色素.用超臨界流體萃取番茄紅素，具有無化學溶劑消耗和殘留，無污染，避免萃取物在高溫下的熱裂解，保護生理活性物質的活性.張勁［17］等研究了各種工藝參數(shù)對萃取番茄紅素的影響：除萃取壓力、溫度、時間和夾帶劑等主要影響因素外，預處理也是影響提取率和純度的關鍵步驟.他們采用皂化和乙醇對番茄皮進行預處理，以90%乙醇為夾帶劑，在萃取壓力35MPa，萃取溫度60℃，解析溫度45℃的條件下，流動萃取1.5～2.0h，番茄紅素提取率可達到93.81%.

除了上述色素，其他的天然色素如枸杞紅素［18］、玉米黃素［19］、梔了黃［20］、沙棘黃［21］、可可色素［22］與葡萄色素［23］的超臨界CO2提取的研究也有較多的報道.

2.3 中藥的有效成分的提取

隨著超臨界流體萃取研究的拓展，近年來國內學者將這種方法用于中藥有效成分的提取，成果顯著，這也將促進中藥的現(xiàn)代化和國際化，改變傳統(tǒng)的中藥丸、散、膏、丹令人難辨的狀態(tài).目前，這方面的研究主要集中在單味天然藥物有效成分的提取和復方天然藥物的提取.超臨界流體萃取的應用又分為從中藥中提取其有效成分形成新的藥物制劑，又可以將超臨界流體萃取和其他儀器分析結合起來，對有效成分進行更準確的定量分析.

黃芪為豆科紫云屬膜莢黃芪或蒙古黃芪的干燥根，具有補氣固表、利尿抗毒等功效，其中黃芪甲苷是黃芪中的主要有效成分，具有抗氧化、抗炎、降壓、強心及抗缺血缺氧等功能.蒙英等［24］用超臨界CO2萃取提取黃芪皂苷，以黃芪甲苷提取率為衡量指標，采用香草醛—硫酸比色法測定黃芪甲苷的含量.考察了壓力、溫度、時間和夾帶劑用量對黃芪甲苷提取率的影響.黃芪皂苷的最佳工藝條件：粒度60目;壓力35MPa;溫度45℃;用95%乙醇為夾帶劑，用量4mL/g;CO2流量3.7L/h;萃取時間2.5h;黃芪甲苷萃取率0.234mg/g.

菁蒿素是存在于一年生草本植物中菁蒿(又稱黃花蒿)中的含過氧橋的新型半萜內酯，具有抗瘧、抗菌、解熱和增強免疾等生理活性，已被世界衛(wèi)生組織推薦為制瘧的首選藥物.傳統(tǒng)的提取法多為丙酮，乙腈等溶劑提取硅膠柱層析工藝，但萃取率不高，產品中溶劑殘留等.胡淼等［25］將菁蒿全草曬干、粉碎和篩分后用超臨界CO2萃取，萃取物用HPLC-UV當測量含量.考察了粒度、原料含水量、流量、溫度、壓力和萃取時間這些因素的影響，在較佳條件下，即萃取壓力20MPa，萃取溫度50℃，每千克原料CO2質量流量1kg/h，在優(yōu)化條件下萃取4h，萃取率達到95%以上，萃取物純度在15%以上.葛發(fā)歡等研究了用超臨界CO2提取菁蒿素的工藝，同時還進行了放大實驗，使產品質量達到標準，和傳統(tǒng)的(如汽油法)相比，生產周期縮短100h，生產成本降低447元/kg.

另外，其他中草藥的超臨液體萃取的研究也有較多的報道，如丹參中丹參酮ⅡA的提取［26］，當歸中當歸根油的提?。?7］，還有黃檗中小檗堿提?。?8］等.

3 結語

超臨界流體萃取由于其萃取條件溫和，無任何有機殘留的特點，具有廣闊發(fā)展的前景，必將廣泛地應用在植物中有效成分的提取中.今后的發(fā)展方向是：第一，超臨界流體萃取是一個由溶劑、萃取原料、夾帶劑等組成的一個復雜的多相多組分系統(tǒng)，而且在萃取過程中溫度、壓力有一定的變化范圍，現(xiàn)階段對某一對象的應用研究較多，但對某一特定系統(tǒng)的相變規(guī)律、溶解度的變化與分布規(guī)律的研究并不多，應加強這一方面的基礎.第二，和其他的提取方式相結合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，是盡快擴大超臨界流體萃取實際應用的一條新途徑.第三，在中藥的有效成分的提取中，一方面通過提取和其他現(xiàn)代儀器分析手段結合起來，分析中藥有效成分的化學組成與作用機制;另一方面加強有效成分的萃取研究，使其盡快地實現(xiàn)工業(yè)化，是中醫(yī)藥走向現(xiàn)代化和走向世界的另一條途徑.

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