超臨界CO2萃取技術在植物化學物提取中的應用

武劍，石紹偉，胡利娜

（邯鄲學院，河北邯鄲056005）

超臨界CO2萃取技術在植物化學物提取中的應用

武劍，石紹偉，胡利娜

（邯鄲學院，河北邯鄲056005）

介紹了超臨界CO2流體萃取技術的原理、工藝流程、特點及主要影響因素，綜述了超臨界CO2流體萃取技術在植物化學物提取中的應用現狀，展望了超臨界CO2流體萃取技術的應用前景與發展的對策。

超臨界CO2萃取；植物化學物；研究進展

植物的次級代謝產物中除維生素外均是非營養素膳食成分，現已把它們統稱為植物化學物（phytochemicals）[1]。植物化學物中，除人們所熟悉的維生素E和類胡蘿卜素外，還包括有多酚類、萜烯類、類黃酮、植物甾醇、植物雌激素、原花色素、皂苷以及一些生物堿等[2]。近年來，研究發現它們廣泛地分布于自然界中，其生理活性比較緩和，無毒副作用，長期服用可對人體具有調節功能，已被作為功能性因子廣泛地應用于功能性食品、類藥劑營養品[3]等一系列新型保健產品的研制和生產中。植物化學物的有效提取對于提高功能性食品、類藥劑營養品等的內在質量和保健功效顯得尤為重要。傳統的提取方法（如煎煮法、回流法、浸漬法、滲漉法等）在保留有效成分、去除無效成分方面存在著有效成分損失大、周期長、工序多、提取率不高等缺點。近年來，超臨界CO2（SC-CO2）萃取技術作為一種高新分離技術具有保持產品生物活性、提高提取率及純度并且安全無毒、色味純正、操作簡單、省時等優點[4]，特別適用于植物化學物，尤其對穩定性差的活性物質的分離和精制中。

1超臨界-CO2流體萃取技術概述

超臨界流體萃取（supercritical fluid extraction，SFE）是20世紀70年代發展起來的一項提取分離技術，它是利用處于臨界溫度，臨界壓力之上的超臨界流體（supercritical fluid，SCF）具有溶解許多物質的能力的性質，將SCF作為萃取劑，從液體或固體中萃取分離出特定的成分的新型分離技術[5]。目前，超臨界溶劑有很多種，如低分子烷烴、氟氫烴、N2O等。CO2以其無毒、不燃、臨界溫度（31.4℃）接近室溫等優勢，成為應用最多的、最為廣泛的一種SCF。超臨界CO2流體萃取技術也由于它具有低能耗、無污染和適合于處理易熱分解和易氧化物質的特性，已經在國內外得到廣泛的工業化應用。

1.1 超臨界CO2流體萃取的原理[6]

SC-CO2萃取技術綜合了溶劑萃取和蒸餾兩種功能的特點。超臨界流體是物質處于其臨界點（Tc，Tp）以上狀態時所呈現出的一種高壓、高密度、具有氣液兩重性的液體。SC-CO2萃取技術就是以超臨界狀態的CO2流體為溶劑，利用SC-CO2在臨界點附近所具有的高滲透性、高擴散性和高溶解能力對萃取物中的目標組分進行提取分離，從而達到分離精制的目的。

SC-CO2流體對溶質的溶解度取決于其密度。當在臨界點附近，壓力和溫度發生微小的變化時，密度即發生變化，從而會引起溶解度的變化。因此，可以通過適當改變溫度或壓力，使溶解度在較大的范圍（100～1 000倍）內得到提高。一般情況下，SC-CO2流體的密度越大，其溶解能力就越大。在恒溫下隨壓力升高，溶質的溶解度增大；在恒壓下隨溫度升高，溶質的溶解度減小。利用這一特性可從物質中萃取某些易溶解的成分。而SC-CO2流體的高擴散性和流動性則有助于所溶解的各成分彼此分離，達到萃取分離的目的，并能加速溶解平衡，提高萃取效率。

1.2 超臨界CO2流體萃取的工藝流程[7]

SC-CO2流體萃取基本過程由萃取和分離兩大部分組成，按所采用的方法不同，有變壓萃取分離（等溫法）、變溫萃取分離（等壓法）和吸附萃取分離（吸附法）3種基本流程。通常，SC-CO2萃取大多采用等溫法，其基本操作流程見圖1。

圖1 超臨界流體萃取工藝流程Fig.1 Supercritical Fluid Extraction-SFEProcess Flow

操作時先將原料經除雜、粉碎等一系列預處理后加入到萃取釜5中，氣體CO2經過濾器2，壓縮機3及緩沖罐4進入萃取釜5。整個過程中，CO2的溫度由電熱恒溫箱9及水夾套10進行控制，被萃取物在分離釜6內進行等溫降壓分離，產品留在萃取釜內，經萃取一定時間后放出。萃取進行時，從分離釜減壓后的CO2可進入過濾器2的進口，循環使用。整個工藝過程可以是連續的、半連續的或間歇的。

1.3 SC-CO2流體萃取技術的優勢[8-10]

1）CO2氣體價廉易得，無色、無臭、無味、無毒，產品無溶劑殘留，穩定性強，色味純正，可以保障產品的食用安全性。

2）CO2的超臨界溫度約為31.1℃，可在接近室溫及CO2氣體籠罩的環境下進行萃取，操作條件溫和，不會破壞生物活性物質，并能有效地防止熱敏性物質的氧化和逸散，所以特別適用于分離、精制低揮發度和熱敏性物質。

3）蒸餾和萃取合二為一。可同時完成蒸餾和萃取2個過程，尤其適用于分離難分離的物質，如有機混合物、同系物的分離精制等。

4）SC-CO2萃取的產品純度高。選擇適當的壓力、溫度或夾帶劑，可提取高純度的產品，尤其適用于中草藥和功能保健品成分的萃取濃縮。

5）SC-CO2萃取是最環保的提取方法。一方面體現在節省能源，整個過程，只涉及顯熱，且溶劑在循環過程中溫差小，易于實現熱量回收；另一方面是因為萃取物沒有殘留溶媒，防止了提取過程對人體的毒害和對環境的污染，是絕對純天然萃取技術。

1.4 SC-CO2流體萃取的影響因素

1.4.1 萃取壓力

萃取壓力是SC-CO2萃取的主要影響因素之一。溫度一定時，隨著萃取壓力增加，SC-CO2的溶解能力也增加。但當壓力增加到一定程度后，則溶解度增加緩慢，此時的壓力被稱為該溫度下的最佳操作壓力。對于不同的萃取物，由于其極性強弱不同，其最佳操作壓力有很大的不同。一般情況下，弱極性的物質在較低的壓力下即可進行萃取，而對極性較強的物質則需要在較高的壓力下萃取。

1.4.2 萃取溫度

溫度也是超臨界萃取的重要參數之一。溫度對SC-CO2萃取效果的影響較為復雜，在一定壓力下升溫，使萃取劑CO2的溶解能力相應下降，而被萃取物的溶解能力增大。因此，溫度對超臨界萃取率的影響應綜合這兩個因素來考慮。研究表明[11]在溫度升高過程中，后者起到主導作用。在實際生產中，SC-CO2萃取的溫度控制為大于臨界溫度，但不宜太高，一般為31.5℃～85℃是最佳操作溫度。

1.4.3 CO2流量和萃取時間

SC-CO2萃取過程中，萃取劑流量一定時，萃取時間越長，收率越高。萃取劑的流量大小主要影響萃取時間。一般來說收率一定時流量越大，則萃取的速度越大，所需要的萃取時間越短，但萃取回收負荷大，從經濟上考慮應選擇適宜的萃取時間和流量。

1.4.4 夾帶劑

SC-CO2的極性與正己烷相似，適宜萃取脂溶性成分，而對于極性較大的成分的萃取，一般需要加入少量極性溶劑（作為夾帶劑），如甲醇、乙醇、氯仿等，以改善萃取的效果。

1.4.5 物料的粒度

粒度大小可影響提取回收率。減小樣品粒度，可增加固體與溶劑的接觸面積，提高萃取速度；但如果粒度過小，堆積嚴密，也會堵塞篩孔，進而造成萃取器出口過濾網的堵塞，從而降低提取效果。

2 SC-CO2流體萃取技術在植物化學物提取中的應用

2.1 萜類化合物及揮發油的提取

萜類化合物主要成分是異戊二烯聚合體及其衍生物，具有一定的生理活性，作為藥用有效成分之一。萜類化合物種類繁多，許多植物成分如揮發油富含萜類化合物，這些成分含有的萜烯烴多為熱不穩定物質，易受熱變質或揮發。傳統的提取方法不僅產率低，而且功效成分的分解變化使最終產品質量較差。但這些物質在SC-CO2中有良好的溶解性能，大都可以無需添加夾帶劑，操作條件溫和，避免其有效成分的分解或破壞，所得產品質量高且收率明顯高于傳統方法，因此超臨界CO2萃取成了提取此類物質的最佳替代方法。很多學者也利用SC-CO2萃取植物中的萜類化合物和揮發油[12-17]，研究發現SC-CO2萃取法有著傳統溶劑法不可替代的優越性，采用該法提取揮發油，不但可以明顯提高其收率，且省時省力，具體研究實例見表1。

表1 SC-CO2提取萜類及揮發油的實例Table1 SupercriticalCO2Extraction of the Terpenoids and VolatileOils

2.2 生物堿

生物堿是生物體內一類含氮有機物的總稱，有類似堿的性質，多含有較復雜的含氮雜環結構和特殊而顯著的生理作用，是植物類藥材中研究得最早最多的一類天然植物化學物。幾乎所有的生物堿都有極性，在生物體內大多數與酸性成分結合以鹽的形式存在。因此用純CO2難以有效萃取，故在超臨界CO2萃取時，原料需要提前用堿性劑（如氨水、三乙胺、Ca（OH）2、Na2CO3溶液等）使之完全轉化為游離堿，以便增加生物堿在SC-CO2流體中的溶解度和提高萃取效果；另外，加入適宜的夾帶劑還可以提高被萃取組分的溶解度，同時，也可提高萃取的選擇性和增大提取組分的純度，常用的夾帶劑大多為甲醇、乙醇、丙酮、氯仿等。葛發歡等[18]在益母草總生物堿的提取中，益母草先經過堿化，再加入夾帶劑，進行SC-CO2萃取，可以極大地提高生物堿的萃取率，這比常規法的萃取率高10倍；在對菊三七生物堿的提取工藝研究中[19]，先將菊三七藥材用2%氨水堿化，并用無水乙醇作為夾帶劑，采用SC-CO2法進行提取，從而提高了提取率。表2列舉了SC-CO2提取生物堿的部分實例。

表2 SC-CO2提取生物堿的實例Table2 SupercriticalCO2Extraction of the A lkaloid

2.3 酚類的提取

酚類化合物廣泛存在中草藥中，具有顯著的生理活性。酚類化合物屬于中性物質，在中草藥中多數和糖類結合成甙，增加其極性。依據化學結構不同可分為黃酮類、香豆類、木脂素類等。傳統的提取酚類的方法有醇提、堿水、堿醇、熱水等，這些方法存在排污量大、提取效率低、分離過程麻煩、成本高等缺點。而SCCO2流體萃取對于黃酮類化合物是一種非常有效的提取方法。很多學者開展了SC-CO2萃取植物化學物中的酚類化合物的相關研究[25-30]，均證實此法較之其他傳統方法，具有流程短，操作簡單，且萃取得率高，產品質量好等優勢，相關結論如表3所示。

表3 SC-CO2提取酚類化合物的實例Table3 SupercriticalCO2Extraction of the Phenolic Compounds

2.4 糖及甙類的提取

糖及甙類的化合物分子量較大，羥基多，極性大，用SC-CO2流體提取產率低，加入夾帶劑或加大壓力則可提高產率。葛發歡等[31]對萃取黃山藥中萃取薯蕷皂素的工藝研究中發現，不加夾帶劑很難提出薯蕷皂素，加入丙酮或藥用酒精均可得到滿意的提取效果。考慮到安全性，采用酒精作為夾帶劑提取薯蕷皂素，收率比傳統汽油法提高1.5倍，且生產周期短，產品質量高。廖周坤[32]在超臨界CO2萃取藏藥雪靈芝時發現，不加夾帶劑的SC-CO2萃取，即使壓力加大，亦基本無法萃出總皂甙及多糖。同樣條件下加不同夾帶劑的SC-CO2，隨著夾帶劑極性的增大，萃取物多糖收率增大，而總皂甙粗品收率逐漸降低；而在梯度SC-CO2萃取中，所得總皂甙粗品、多糖的收率分別為傳統萃取工藝的18.9倍及1.62倍。盛桂華[33]研究了SC-CO2萃取瓜簍多糖的最佳條件，此條件下瓜簍多糖得率為0.95%，比文獻方法提高了3%。由此可見，夾帶劑在糖及甙類的萃取過程中起到關鍵作用，采用夾帶劑的SC-CO2技術在植物化學物的提取上具有更廣闊的應用前景。

2.5 醌類及其衍生物

醌類化合物是分子中具有不飽和環二酮結構的一類天然色素，它以游離態或苷的形式存在于大黃、何首烏、紫草、蘆薈等藥材中，傳統的提取法為溶劑提取。由于醌類化合物的極性較大，故采用SC-CO2法萃取時，除了需要較高的壓力外，還要加入合適的夾帶劑。陳衛林[34]優化了SC-CO2萃取總蒽醌的工藝條件，結果發現SFE法的提取物中大黃蒽醌的含量是醇提法的2倍。在另外一項SC-CO2流體萃取大黃游離蒽醌的研究中還發現在相同的提取條件下，以乙醇為夾帶劑時大黃蒽醌類物質的提取效果最好[35]。

3展望

目前，超臨界CO2萃取技術因其具有純凈、安全、產物活性成分不易受熱分解、穩定性強及提取效率高等優點，已經成為天然植物化學物研究與開發中—種具有相當發展潛力的高新提取分離方法，具有其獨到的、其他方法不可取代的優勢。

但是，對于植物化學物的提取同樣具有其自身固有的缺點，對于許多強極性和高相對分子質量的物質很難進行有效萃取，還需要加入合適的夾帶劑，所以，今后應在夾帶劑方面進行重點研究。另外，如果能將之與其他分離手段和檢測手段實現有機結合，從而大大提高操作的效率，對于促進超臨界CO2萃取技術應用的發展具有重要意義，也必將推動我國天然植物化學物的研究開發向更高層次發展。

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Application of Supercritical CO2Extraction in Study of Phyto-Chemicals

WU Jian，SHIShao-wei，HU Li-na
（Handan college，Hebei，Handan 056005，Hebei，China）

The principle，technological process，characteristic and several factors affecting this extraction yield of supercritical liquid extraction technique were discussed in this paper.In addition，the situation and superiority of supercritical CO2extraction technology applied in the development research of phyto-chemicals were introduced and the application prospect of the technology was performed.

supercriticalCO2extraction；phyto-chemicals；research progress

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.15.016

2014-02-16

武劍（1980—），男（漢），講師，研究生，研究方向：運動生物化學。