超臨界流體萃取在提取分離萜類(lèi)化合物中的應(yīng)用

劉玉峰，郭好好

(遼寧大學(xué) 藥學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036)

萜類(lèi)化合物的存在形式多樣且分布廣泛，是許多植物如銀杏葉、山茶花的精油和色素的重要組成部分；也是某些植物中的維生素及昆蟲(chóng)體內(nèi)的激素.萜類(lèi)化合物在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用也十分廣泛，除了常規(guī)用作香料保存食品風(fēng)味[1]，作為香氣前體增加葡萄酒香氣[2]，也可以作為化妝品的原料[3]以及用于農(nóng)業(yè)殺蟲(chóng)劑[4].近年來(lái)，由于天然藥物的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，萜類(lèi)化合物也受到更多的關(guān)注，并且在醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越突出的作用[5]，萜類(lèi)化合物具有抗菌抗病毒[6]、抗腫瘤[7]、抗炎[8]、抗瘧[9]等生物活性，其中紫杉醇、青蒿素等萜類(lèi)化合物已經(jīng)廣泛用于臨床.天然藥物研究中最關(guān)鍵的一步為天然藥物的提取分離，尋找綠色環(huán)保、高效低耗的提取方法一直是研究的重點(diǎn).

使用CO2進(jìn)行超臨界流體萃取提取天然植物中的有效成分，可以避免傳統(tǒng)提取方法中熱降解以及提取溶劑殘留等問(wèn)題[10]，同時(shí)，該技術(shù)還具有無(wú)毒、低成本、不易燃等特性[11].1970年，西德率先成功利用超臨界萃取技術(shù)萃取咖啡中的咖啡因，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用[12].目前，超臨界流體萃取(Supercritical fluid extraction，SFE)技術(shù)已經(jīng)在天然藥物的提取分離方面得到廣泛應(yīng)用.除此之外，SFE在生物樣品測(cè)定中還具有縮短提取時(shí)間、提高提取效率以及高分析物選擇性、低檢測(cè)極限等明顯優(yōu)勢(shì)[13].對(duì)于萜類(lèi)化合物的提取，主要有水蒸氣蒸餾法、有機(jī)溶劑萃取法、索氏萃取法以及同時(shí)萃取蒸餾法等傳統(tǒng)技術(shù)[14].水蒸氣蒸餾法和同時(shí)萃取蒸餾法因其蒸餾提取所需溫度較高且是一個(gè)敞開(kāi)體系，容易引起化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定組分的分解和氧化，造成低沸點(diǎn)成分的流失，同時(shí)對(duì)于高沸點(diǎn)物質(zhì)不易蒸出[15]；對(duì)于溶劑提取如有機(jī)溶劑萃取法，索氏萃取法及同時(shí)萃取蒸餾法，有機(jī)溶劑的去除及殘留是該類(lèi)方法的主要問(wèn)題，同時(shí)有機(jī)溶劑萃取也會(huì)溶解色素和蠟質(zhì)成分，為后續(xù)的分離增加難度[16].由于萜類(lèi)化合物的沸點(diǎn)較低，極性較小，多數(shù)可用SFE得到，同時(shí)該類(lèi)化合物的相對(duì)分子質(zhì)量不大，超臨界流體的低萃取溫度可以避免有效成分分解.與傳統(tǒng)的分離提取技術(shù)相比，SFE在分離萜類(lèi)化合物方面解決了熱降解、易氧化及溶劑殘留等問(wèn)題，為萜類(lèi)化合物的提取分離提供了新的思路.

1 SFE簡(jiǎn)介和基本原理

1.1 超臨界流體簡(jiǎn)介

超臨界流體是一種物質(zhì)狀態(tài)，具有接近氣體的擴(kuò)散系數(shù)及黏度和接近液體的密度[17].這些特性使得超臨界流體在從天然產(chǎn)物中分離提取有效成分方面具有極大的優(yōu)勢(shì).超臨界流體主要分為非極性溶劑(二氧化碳(CO2)等)和極性溶劑(水等)[18].SFE-CO2在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中最為廣泛，因?yàn)镃O2的臨界壓力對(duì)設(shè)備的要求不高，一般工業(yè)水平也易達(dá)到[19].但是在萃取極性較強(qiáng)的物質(zhì)時(shí)，由于CO2的非極性，其溶解度和選擇性較低，萃取效果也不太理想.因此在萃取極性較強(qiáng)的物質(zhì)時(shí)，可加入與溶質(zhì)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的夾帶劑來(lái)提高萃取效率，通常選擇兩種夾帶劑按照不同比例混合來(lái)提高萃取率[20].S?kmen等[21]采用極性SFE-CO2(含乙醇夾帶劑)成功提取分離綠茶中的咖啡因和兒茶素.

1.2 SFE基本原理

影響超臨界流體溶解能力的主要因素是溫度和壓力.可以通過(guò)改變體系的溫度或壓力，使流體的性質(zhì)發(fā)生較大的改變，從而影響溶劑的溶解度[22].由此可知，超臨界流體可以將待分離物質(zhì)的有效成分按照沸點(diǎn)、極性及分子量的大小依次萃取分離[23].由于每個(gè)壓力范圍內(nèi)包含多種萃取物，因此需要結(jié)合減壓或加熱的方式將萃取物依次沉淀分離.首先選擇萃取混合組分的最佳比例[24]，然后通過(guò)控制條件進(jìn)行萃取物沉淀分離，從而達(dá)到分離和提純的目的.

2 SFE的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 SFE的工藝流程

SFE工藝流程如圖1所示.CO2流體從儲(chǔ)存罐流出，進(jìn)入循環(huán)罐，然后進(jìn)行冷卻至最低溫度，通過(guò)加熱達(dá)到臨界狀態(tài)進(jìn)行提取，再進(jìn)入分餾容器通過(guò)降壓升溫進(jìn)行分離，溶質(zhì)由分離器底部取出，氣體可經(jīng)尾氣處理后由壓縮機(jī)返回循環(huán)罐循環(huán)使用或排出[25].SFE主要有3種典型的工藝流程：等壓變溫法、等溫變壓法、吸附法.

圖1 SFE工藝流程[8]

2.1.1 等溫變壓法

整個(gè)過(guò)程溫度保持不變，萃取槽的壓力大于分離槽的壓力.此過(guò)程操作簡(jiǎn)單，適用于萃取對(duì)溫度有嚴(yán)格要求的物質(zhì)，故得到普遍應(yīng)用，但是由于萃取過(guò)程有不斷的加減壓步驟，所以此法能耗較大.

2.1.2 等壓變溫法

該方法在分離釜中將超臨界萃取混合物加熱，此時(shí)的超臨界流體在臨界壓力以上萃取溶劑，溶解度隨溫度升高而降低，所以萃取溶劑會(huì)慢慢析出，從而使被萃取物與其分離.該方法的特點(diǎn)是整個(gè)過(guò)程壓力基本保持不變，所以不需消耗太多能源，但需要加熱蒸汽和冷卻水.

2.1.3 吸附法

該方法利用活性炭的吸附性，對(duì)溶解在流體中的溶質(zhì)分子進(jìn)行吸附.在整個(gè)過(guò)程中體系的壓力、溫度基本保持不變，但是由于吸附劑需解吸再生，故連續(xù)生產(chǎn)不適用于該方法.

2.2 SFE的影響因素

2.2.1 被萃取物的影響

被萃取物中所含水分的多少?zèng)Q定了在萃取前是否要進(jìn)行預(yù)處理.被萃取物中的水分會(huì)阻隔其與萃取溶劑的接觸，使兩組分無(wú)法進(jìn)行互溶.

2.2.2 萃取壓力的影響

萃取壓力是超臨界流體萃取最重要的參數(shù)之一.當(dāng)萃取溫度一定時(shí)，隨著萃取壓力增大，臨界流體的密度也會(huì)增大，分子之間的距離減少，被萃取物在溶劑中的溶解度也會(huì)隨之增大.化學(xué)物質(zhì)的萃取壓力主要由其極性強(qiáng)度決定，極性弱的物質(zhì)通常選用較低的壓力(7～10 MPa)即可滿足要求，極性較強(qiáng)的物質(zhì)通常選用較高的壓力(不小于20 MPa)以達(dá)到萃取效果[22].然而在實(shí)際提取分離工業(yè)中，需要綜合考慮各種因素(如成本、安全問(wèn)題等)來(lái)選擇合適的萃取壓力.Chen等[1]在萃取精油實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)單變量分析可知當(dāng)萃取壓力為20 MPa時(shí)萃取效率最高，然而在最終工藝選擇時(shí)，最佳工藝條件壓力為30 MPa.

2.2.3 萃取溫度的影響

萃取溫度也是一個(gè)重要的因素.一方面溫度升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)加快，可以提高被萃取物質(zhì)分子的擴(kuò)散性，使其易于揮發(fā)，提高萃取率；另一方面升高溫度也會(huì)使氣體萃取劑的密度和其攜帶物質(zhì)的能力降低，導(dǎo)致萃取率降低.因此，在選擇萃取溫度時(shí)應(yīng)該綜合考慮這兩種情況，不同的被萃取物質(zhì)在一定壓力條件下都有其最合適的萃取溫度.一般精油的最佳萃取溫度為45 ℃，如山茶花、蓽茇、百里香草等植物精油[1，8，26].

2.2.4 超臨界流體流量的影響

在萃取過(guò)程中，流體的流量選擇也是十分復(fù)雜的.一方面，提高流體流量可以增大傳質(zhì)推動(dòng)力，從而加快傳質(zhì)速率，促進(jìn)萃取；另一方面，流體流量過(guò)多，流速增加，縮短了流體與被萃取物的接觸，不利于萃取.因此，最適宜流量值的選擇也至關(guān)重要.

除了以上影響因素外，在實(shí)際萃取過(guò)程中，還需要考慮萃取顆粒大小[27]、萃取物研磨時(shí)間[28]、萃取靜態(tài)時(shí)間以及動(dòng)態(tài)時(shí)間、共溶劑[29]等因素對(duì)萃取效率的影響.Chen等[1]在超臨界萃取山茶花精油實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)正交試驗(yàn)確定影響因素效果為壓力>靜態(tài)時(shí)間>動(dòng)態(tài)時(shí)間>溫度.

2.3 SFE的應(yīng)用

隨著SFE的逐漸發(fā)展和完善，其在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中具有越來(lái)越重要的作用.SFE在食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、天然藥物提取等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用.在食品工業(yè)方面，SFE的第一次工業(yè)化應(yīng)用就是用于去除咖啡豆中的咖啡因，SFE不僅可以用來(lái)萃取食品中的有害物質(zhì)，也可以用來(lái)萃取啤酒花和天然色素等物質(zhì)[30].在環(huán)境保護(hù)方面，SFE可以用來(lái)選擇性地均相氧化并分離處理廢水中的有機(jī)污染物，也可以用來(lái)對(duì)生物污泥的多種石油渣油進(jìn)行處理并降解塑料等多種固廢[31].在天然藥物提取方面，SFE可以用來(lái)萃取生物堿類(lèi)、黃酮類(lèi)、皂苷類(lèi)、多糖類(lèi)、萜類(lèi)等化合物[32].鑒于SFE在萜類(lèi)化合物的應(yīng)用十分廣泛，本文將對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步討論.

萜類(lèi)化合物是指含有若干個(gè)異戊二烯結(jié)構(gòu)單位的一類(lèi)化合物，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)單位的數(shù)目將萜類(lèi)化合物分為單萜(C10)、倍半萜(C15)、二萜(C20)、三萜(C30)等[33].萜類(lèi)化合物可以簡(jiǎn)單地分為萜烴和各種含氧衍生物，包括醇、醛、酮、酯以及苷等.本文通過(guò)在Scifinder數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索關(guān)鍵詞，對(duì)近20年來(lái)SFE在提取分離萜類(lèi)化合物進(jìn)行歸納匯總，將所涉及的萜類(lèi)化合物按類(lèi)別列于表1中.

表1 SFE萃取萜類(lèi)化合物的應(yīng)用

SDE，Simultaneous distillation and solvent extraction；

HD，Hydro distillation；

PLE，Pressurized liquid extraction；

SWE，Subcritical water extraction；

SE，Soxhlet extraction.

由表1可知：1)SFE分離所得的萜類(lèi)化合物主要為單萜類(lèi)及含氧倍半萜類(lèi)，相比于有機(jī)溶劑提取法，SFE可以有效避免萃取劑殘留；相比于水蒸氣蒸餾法，對(duì)于低沸點(diǎn)的單萜烴，雖然水蒸氣蒸餾法的萃取率在實(shí)驗(yàn)中會(huì)高于SFE，但是在水蒸氣蒸餾過(guò)程中，可能由于溫度和pH的原因?qū)е聯(lián)]發(fā)性成分重新排列，形成人工單萜碳?xì)渲破罚煜嬲煞?SFE也可根據(jù)需要選擇合適的溫度、壓力以及夾帶劑對(duì)高沸點(diǎn)含氧倍半萜進(jìn)行提取分離[38].2)SFE-色譜聯(lián)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了樣品前處理單元和分離分析單元的結(jié)合，最常用的聯(lián)用技術(shù)有超臨界流體萃取-氣相色譜-質(zhì)譜(SFE-GC-MS)技術(shù)、超臨界流體萃取-高效液相色譜(SFE-HPLC)技術(shù)，可用于多種化合物的快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)分析，如萜類(lèi)化合物、醌類(lèi)化合物[62]等.

3 討論

SFE廣泛地應(yīng)用于精油提取，精油是植物中的揮發(fā)性物質(zhì)，通常由萜烯及氧化萜烯混合組成.在精油的選擇性SFE提取中，由于不期望化合物的共提取(高分子量的碳?xì)浠衔镆约案鞣N草藥的蠟和樹(shù)脂)以及水的共溶劑效應(yīng)，通常提取條件為溫度40～50 ℃，壓力低于10 MPa，根據(jù)化合物在超臨界CO2中的溶解性差異分離高分子量化合物和精油；SFE分離萃取裝置也基本分為兩級(jí)或三級(jí)分離裝置，在一級(jí)分離中分離蠟，二級(jí)分離裝置中分離精油體系，三級(jí)分離中調(diào)節(jié)條件凈化CO2進(jìn)行循環(huán).在精油提取分離中，相比于液體提取，SFE雖然提取石蠟含量較高，但是所提取高分子量化合物含量較低，選擇性消除石蠟比消除高分子量化合物更簡(jiǎn)便.相比于蒸汽蒸餾，SFE避免了熱感化合物的降解和水溶性化合物的水解，保留了精油中所含風(fēng)味.

然而隨著研究的進(jìn)行，SFE的局限性也越來(lái)越大，主要表現(xiàn)在：1)普遍適用性不高，由于超臨界流體自身的極性和非極性之分，導(dǎo)致流體的適用范圍受限，目前應(yīng)用最為廣泛的CO2流體由于自身的弱極性，主要適用于非極性或弱極性化合物的提取，雖然可以通過(guò)加入夾帶劑調(diào)整流體選擇性來(lái)提高萃取率[63]，但是在有些萃取過(guò)程中夾帶劑調(diào)整效果并不理想，且在萃取工藝中夾帶劑可以通過(guò)阻礙吸附劑來(lái)干擾收集步驟，在萃取工藝中使用受限[64].同時(shí)，夾帶劑的應(yīng)用提供了蒸發(fā)的必要性，在萃取工業(yè)規(guī)模上，去除大量的溶劑是很麻煩的，需要引入專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，加大了萃取工業(yè)設(shè)備的要求[65].2)SFE對(duì)人員素質(zhì)、設(shè)備技術(shù)以及成本投入要求較高[66]，這使得SFE的重復(fù)性研究多于實(shí)際應(yīng)用，小規(guī)模實(shí)驗(yàn)多于大規(guī)模生產(chǎn).針對(duì)SFE工業(yè)化所遭遇到的問(wèn)題，我們應(yīng)認(rèn)識(shí)到在分離提取天然化合物方面，每一種提取分離技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和弊端，不存在單一的前處理技術(shù)可以提取分離物質(zhì)中的所有化合物，因此，要提高整個(gè)提取分離天然化合物行業(yè)的水平，在實(shí)際應(yīng)用中合理地運(yùn)用新技術(shù)，有選擇性和針對(duì)性地應(yīng)用SFE，并與其他提取分離技術(shù)相結(jié)合，才能達(dá)到理想的提取效果.

同時(shí)，SFE發(fā)展逐漸成熟，可進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，例如超臨界流體萃取-超臨界流體色譜聯(lián)用技術(shù)(SFE-SFC).相比于當(dāng)前大規(guī)模應(yīng)用的GC-MS檢測(cè)技術(shù)，雖然SFE-SFC還主要用于生物分析檢測(cè)領(lǐng)域，但憑借其更快、更便宜和更環(huán)保的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[67]，未來(lái)還是有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景.