超臨界CO2萃取技術在中藥研究中的應用*

劉川銘，劉猛剛，繆菊連

(1 大理大學藥學院，云南 大理 671000；2 北京優利康達科技股份有限公司，北京 101312)

1 超臨界二氧化碳萃取的原理

超臨界流體(SF)是指溫度和壓力均超過該物質的臨界溫度(Tc)和臨界壓力(pc)的流體，超臨界流體的密度與液體很接近，同時又具有氣體的擴散性能，在超臨界狀態下氣體和液體兩相的界面消失，表面張力為零，反應速度和熱傳導率等出現峰值。在可作為超臨界流體的化合物中，CO2由于其性質穩定、廉價易得、無毒無臭、不污染環境和產品以及具有較低的臨界溫度(31.3 ℃)和臨界壓力(7.15 MPa)等特點，是用于萃取最理想的超臨界流體。表1列出了部分可供使用的超臨界流體的性質。超臨界二氧化碳萃取技術綜合了精餾和液液萃取兩種功能的特點。在萃取過程中，通過控制二氧化碳流體的溫度和壓力分別高于其臨界溫度和臨界壓力，使二氧化碳具有氣體和液體的雙重特性，并具有較大的溶解能力和良好的傳質性能，從而將目標物質中的有效成分提取出來，當溫度和壓力恢復到常溫時，二氧化碳的溶解能力下降，溶解在超臨界流體中的有效成分便與氣態的二氧化碳分開，從而達到提取分離的目的。

表1 常見的超臨界流體的物理性質

2 超臨界二氧化碳萃取的工藝流程

儲罐中的二氧化碳氣體經冷凝器冷凝液化成液體，然后經高壓泵把壓力提高到萃取所需的壓力，再通過熱交換器調節溫度超過其臨界溫度使其成為超臨界二氧化碳流體。二氧化碳流體作為溶劑從萃取釜的底部進入，與目標物質充分接觸，萃取出所需的化學成分。溶解有溶質的高壓二氧化碳流體通過節流閥進行減壓，通過解析釜時經溫度調節器使其變成氣體。此時二氧化碳對溶質的溶解能力降低，溶質便與氣體分離而沉降到解析釜的底部，二氧化碳氣體則通過冷凝器再次冷凝成二氧化碳液體供循環使用。整個過程主要包括二氧化碳的壓縮、萃取、減壓和分離四個階段。二氧化碳流體不斷的在萃取釜與解析釜之間循環，從而將所需的化學成分從原料中提取分離出來。其基本工藝流程見圖1。

圖1 超臨界流體萃取工藝流程

3 超臨界二氧化碳萃取技術的特點

(1)優點

①二氧化碳的臨界溫度接近室溫，化學性質穩定，不易燃爆，安全性好，價格低廉易得，可制成高純度氣體，易與萃取物分離，無溶劑殘留等問題。②超臨界二氧化碳萃取流程簡單，步驟少，提取時間快，生產周期短，省去了某些分離濃縮步驟。即使加入夾帶劑，也可通過分離除去或只是簡單濃縮。③由于萃取裝置密閉，可避免空氣氧化，有利于保證和提高產品質量。④超臨界二氧化碳萃取可節省勞動力和大量有機溶劑，減少“三廢”污染，對保護環境有很大幫助。⑤超臨界二氧化碳萃取特別適合遇熱分解的熱敏性物料以及容易氧化分解破壞的成分，在很大程度上避免了常規提取過程中經常發生的分解、沉淀等反應，保證了提取物的“純天然性”，這是其他方法所不能解決的。

(2)不足

①由于超臨界二氧化碳的極性較小，較難提取強極性或分子量較大的物質，此時常需要加入含極性基團的夾帶劑以提高超臨界流體對萃取物的選擇性和溶解性，從而改善其萃取效果。②整個超臨界二氧化碳萃取裝置是由不同形狀的高壓密閉容器、高壓閥門和高壓管道等連接起來，由于操作壓力較高(一般為15～25 MPa)，使得超臨界二氧化碳萃取設備造價較高，設備一次性投資大，較難普及。③在分離階段，由于溶質在二氧化碳氣體中有“霧末夾帶”現象，將會使整個密閉系統的清潔工作變得困難。

4 影響超臨界二氧化碳萃取的主要因素

4.1 萃取壓力

溫度一定時，超臨界二氧化碳的溶解能力往往隨著萃取壓力的升高而增強，但當壓力增加到一定程度后，溶解力增加變得緩慢，過高的壓力會導致難揮發的物質被萃出以及萃取物中的雜質增多。通常弱極性的物質在較低的壓力下既可進行萃取，極性較強的物質則需要較高的壓力下萃取。因此，對于不同的萃取物，其最佳的操作壓力有很大的不同。

4.2 萃取溫度

溫度對萃取效果的影響較為復雜，對于不同組分，所選擇的溫度范圍是不同的。對于二氧化碳臨界點附近的低壓區，升高溫度可提高分離組分的揮發度和擴散能力，但卻不足以補充超臨界二氧化碳的密度隨溫度升高而急劇下降所導致的溶解能力下降。在高壓區，超臨界二氧化碳的密度大，可壓縮性小，此時升高溫度二氧化碳的密度降低較少，但待分離組分的蒸汽壓和擴散系數卻顯著提高，從而增加了溶質的溶解能力。

4.3 萃取時間和CO2流量

萃取剛開始時，溶劑與溶質之間的接觸不足，收率較低，隨著萃取時間的延長，傳質達到一定程度，萃取速率增大，直到達到最大之后，由于待分離組分的減少，傳質動力降低而使萃取速率降低。當收率一定時，流量越大，溶劑和溶質間的傳熱阻力越小，萃取的速度越快，所需要的時間越短，但萃取的回收負荷將增大。因此，從經濟上考慮應選擇適宜的萃取時間和流量。

4.4 物料的粒度

萃取物的顆粒大小要適中，粒度越小，與超臨界流體的接觸面積越大，增加了傳質效果，有利于提高萃取速度。但粒度過小則會堵塞篩孔，進而造成萃取器出口過濾網的堵塞，從而降低提取效果，反而不利于萃取。

4.5 夾帶劑

超臨界二氧化碳流體具有親脂性，是非極性溶劑，根據相似相溶原理它對非極性的油溶性物質具有較好的溶解能力，而對有一定極性的物質的溶解度則較差。此時，常需加入不同極性的夾帶劑以調節超臨界二氧化碳流體的極性，提高被萃取物質在二氧化碳流體中的溶解度，使原來不能被超臨界二氧化碳萃取的物料變為可能。

5 超臨界二氧化碳萃取在中藥有效成分提取中的應用

傳統的提取方法在中藥有效成分的提取過程中往往具有耗時長、提取的選擇性較差、后續的分離純化步驟繁瑣以及易造成試劑污染等缺點，超臨界二氧化碳萃取作為一項新型的化學工程技術，因其結合了精餾和液液萃取，相較于傳統的提取方法具有收率高、雜質少、萃取時間短以及不會造成環境污染等優點。表2～表8列出了部分中藥有效成分應用超臨界二氧化碳萃取方法所得到的最佳工藝與萃取率。

表2 超臨界CO2萃取技術對中藥生物堿類成分的提取

表3 超臨界CO2萃取技術對中藥揮發油類成分的提取

表4 超臨界CO2萃取技術對中藥蒽醌類成分的提取

表5 超臨界CO2萃取技術對中藥黃酮類成分的提取

表6 超臨界CO2萃取技術對中藥萜類成分的提取

表7 超臨界CO2萃取技術對中藥糖和苷類成分的提取

表8 超臨界CO2萃取技術對中藥苯丙素類成分的提取

5.1 生物堿類的提取

5.2 揮發油類的提取

5.3 蒽醌類的提取

5.4 黃酮類的提取

5.5 萜類的提取

5.6 糖和苷類的提取

5.7 苯丙素類的提取

6 超臨界二氧化碳萃取與其他技術的聯用

6.1 SFE-CGC聯用

SFE與色譜分離技術的非在線聯用中發展較快的是毛細管氣相色譜技術(CGC)，SFE與CGC聯用要獲得尖峰就要對被萃取物進行有效的捕集，并將其快速的引入色譜柱。朱梅等[35]利用超臨界流體萃取技術與毛細管氣相色譜法的聯用技術測定腦立清丸中薄荷腦與冰片的含量，結果表明，SFE的最佳萃取條件為溫度 60 ℃、壓力40 MPa、改性劑量0.2 mL、動態萃取體積6 mL、靜態萃取時間9 min，從而得出SFE-CGC法具有快速簡便、準確可靠等優點。陳斌等[36]采用超臨界流體萃取法聯用毛細管氣相色譜法測定丹參藥材中丹參酮ⅡA的含量，其結果準確可靠，加樣回收率為95.3%，RSD為4.3%，n=3。得出結論利用SFE-CGC法測定丹參藥材中丹參酮ⅡA，可提高分析速度，減少有機溶劑用量，與超聲提取法相比，經t檢驗，顯著優于超聲提取法。

6.2 SFE-HPLC聯用

高效液相色譜法具有分析速度快、分離效能高和應用范圍廣等優點，在室溫下即可實現樣品的分離，對非揮發性物質無須衍生化，從而減少了樣品預處理時間，可用于有機活性組分的分離以及形態分析。張潔等[37]利用兩個簡單的三通閥將SFE和HPLC在線聯接起來，建立了一個新型的從樣品預處理到分離檢測的集成平臺，并將其應用于靈芝子實體的高效、快速萃取和分離分析。李英等[38]建立了SFE-HPLC分離測定虎杖中大黃酸、大黃素及大黃素甲醚含量的方法，HPLC采用弱酸性溶劑為流動相，3種成分分離度高。該方法準確可靠，可為虎杖及其制劑的質量控制提供依據。

6.3 SFE-MD聯用

分子蒸餾技術(MD)是一種在高真空條件下的液-液分離技術，特別適合于高沸點、熱敏性和易氧化物質的分離。由于分子蒸餾可對超臨界二氧化碳萃取得到的產物進行二次分離，選擇性分離目標產物，因此SFE-MD聯用可得到其他分離手段難以完成的高純度產品。張運暉[39]利用超臨界二氧化碳萃取技術提取亞麻中的亞麻精油，然后用分子蒸餾對所得的萃取物進行精分離，得到適宜的分離條件為蒸餾溫度90～105 ℃、操作壓力0.3～1.8 Pa、進料溫度60 ℃、進料速率90～100 mL/h、刮膜器轉速150 r/min，經過四級分子蒸餾，可將原料中的α亞麻酸由原來的67.5%提純至82.3%。于泓鵬等[40]利用超臨界二氧化碳流體萃取丁香精油，然后用分子蒸餾技術(MD)進行精制，所得精油采用GC-MS分析。實驗結果表明，經分子蒸餾技術精制后，丁香酚GC含量由原來的67.56%(SCDE法)提高到68.75%，精油色澤和流動性明顯改善，品質顯著提高。

6.4 SFE-GC-MS聯用

氣相色譜法-質譜法聯用(GC-MS)結合了氣相色譜與質譜各自的優點，既具有較強的分離能力，同時對未知化合物又具有獨特的鑒定能力，且靈敏度極高。氣相色譜和質譜組成的氣質聯用儀，可以增強對SFE萃取物的分析能力。朱紅梅等[41]利用超臨界二氧化碳萃取和氣質聯用儀萃取和檢測香草蘭豆莢中香草醛、對羥基苯甲醛、香草酸、對羥基苯甲酸4種化合物，得到最佳萃取條件為萃取溫度50 ℃、萃取壓力20 MPa、改性劑比例10%、靜態動態循環萃取2次。余昕等[42]通過GC-MS從美洲大蠊的超臨界二氧化碳萃取物中鑒定了50種化學成分，并應用面積歸一法計算各成分的相對百分含量，其中不飽和脂肪酸和酯類占總提取物含量的76.33%，為主要成分。

6.5 SFE-NMR聯用

核磁共振技術可對化合物的結構進行測定，其對被測物質無破壞作用，是一種無損檢測技術。通過將具有特殊分離能力的SFE與可提供化學結構信息的NMR技術進行結合，可一次性完成從樣品的分離純化到色譜峰的檢測、結構測定以及定量分析，并提供混合物的組成和結構信息，從而提高了研究效率和靈活性。由于超臨界流體獨特的萃取能力和NMR精確的結構分析能力，SFE-NMR聯用技術得到了迅速發展，已成為分析難揮發、不耐熱的大分子化合物和生物樣品的有效方法，并且在分析復雜混合物中有著廣泛的應用前景。

6.6 SFE-SFC聯用

超臨界流體色譜(SFC)是以超臨界流體為流動相，以固體吸附劑或鍵合到載體上的高聚物為固定相的一種高效色譜技術。超臨界流體色譜既可以分析GC不適宜的高沸點、低揮發性、熱不穩定的弱極性化合物，又可以像HPLC一樣分析非揮發性和高分子化合物。SFE與SFC的聯用集提取、濃縮、分離和檢測于一體，可省去較為繁瑣的前處理，直接對樣品進行分析。劉蕓蕓等[43]建立了超臨界流體色譜技術分離純化木香中木香烴內酯和去氫木香內酯的方法，采用YMC-C18(10 mm×250 mm， 5 μm)色譜柱作為分離柱，SC-CO2作為流動相，在柱溫 44.85 ℃、壓力13 MPa、檢測波長225 nm、0.13%甲醇為改性劑、流速12.0 mL/min的工藝條件下，木香中的木香烴內酯和去氫木香內酯可得到完全分離。該方法得到的木香烴內酯和去氫木香內酯純品幾乎沒有溶劑殘留，經過高效液相色譜法測定分離純化后的化合物純度均大于99%，認為該方法適合木香有效成分的分析及分離制備。

7 結 語

超臨界二氧化碳萃取得到的中藥有效成分通常具有較高的藥理活性，但也有部分中藥成分的藥理活性與其較高的得率不成正比，因此，該技術在應用于中藥工業的生產過程中還需結合具體的藥材做相應的提取工藝研究和設備設計優化，積極推進先進工藝與設備，改進傳統中藥生產過程中的不足，提高中藥藥效的有效性、質量穩定性和均一性，有利于促進民族醫藥走出國門，提高中藥產品的國際競爭力。