超臨界CO2萃取在植物化學物提取中的研究進展

汪 洋，李 焱*

（貴州大學 化學與化工學院，貴州 貴陽 550025）

超臨界流體（supercritical fluid，SCF）是指介于液體和氣體之間的特殊流體，兼具有液體和氣體的雙重物性[1]。超臨界流體萃取（supercritical fluid extraction，SFE）就是利用處于臨界溫度和臨界壓力之上的SCF作為萃取劑從液體或固體中提取出特定的成分，該技術是一種新型的物質分離技術[2]。SFE同時具有精餾和液相萃取的特點，實現了萃取和分離過程一體化，使用的溶劑較少、方法簡單，且節省能源。此外，低溫萃取保留了天然有效成分（如易揮發性和熱敏性物質）、又不引入其他溶劑，真正做到了被萃取物質的純天然。目前，SCF有很多種，如二氧化碳（CO2）、氟氫烴、低分子烷烴、一氧化二氮（N2O）等，其中CO2具有不可燃、無毒、臨界溫度（31 ℃）接近室溫等特點而被廣泛運用。

植物化學物（phytochemicals，PC）是指由植物代謝產生的多種低分子質量的末端產物（次級植物代謝產物），并通過降解或合成產生不再對代謝過程起作用化合物的總稱。在植物化學物中，除人們所熟悉的維生素E和胡蘿卜素外，還包括多酚類、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[3]。植物化學物的有效提取對提高功能性食品、類藥劑營養品的質量和功能十分重要。傳統的提取方法如回流法、煎煮法、浸漬法、滲漉法等在有效成分保留、去雜方面存在損失大、周期長、工序多、效率低等缺點。利用超臨界CO2（supercritical carbon dioxide，SC-CO2）萃取可以有效地避免此類不足，SC-CO2萃取被廣泛運用在植物化學物的提取實驗中。本文對SC-CO2萃取植物化學物的研究進行了綜述以便能夠為該方面研究提供參考。探討了SC-CO2萃取技術的原理，結合實例說明萃取溫度、萃取壓力以及夾帶劑對萃取效果的影響，并針對超臨界二氧化碳流體在植物化學物提取中的展望和存在問題進行了討論，展望了該技術的應用前景。

1 SC-CO2萃取技術的原理

SC-CO2萃取分離過程的原理是利用SC-CO2對某些特殊天然產物具有特殊的溶解能力，且這種溶解能力與其密度有關，即利用壓力和溫度對SC-CO2溶解能力的影響而進行的。因此通過調節壓力和溫度，改變CO2溶劑的密度，進而增強CO2溶劑的溶解能力，提取目標物質，之后再通過減壓、升溫等操作實現萃取劑與目標物質的分離。臨界點附近及超臨界區域的壓力和溫度調控是獲取高純度目標物質的關鍵，萃取效率與被萃取物質的極性、分子質量大小、沸點等存在著密切的關系[4]。超臨界流體與氣體、液體的物理性質比較見表1。從表1可知，超臨界流體兼有液體和氣體的雙重特性，擴散系數大，黏度小，滲透性好，與液體溶劑相比，可以更快地完成傳質，達到平衡，促進高效分離過程的實現，CO2作為超臨界流體更適合天然活性物質的提取。

表1 超臨界流體與液體、氣體的性質比較[5]Table 1 Comparison of the properties of the supercritical fluid,liquid and gas

一般情況下，SC-CO2的密度增大，溶質的溶解能力也相應增大。尤其在接近臨界點時，密度發生較小變化，往往會引起SC-CO2的溶解能力發生較大的變化。即溫度和壓力的微小變化，便會引起溶質的溶解度發生幾個數量級的變化。在超臨界狀態下，將SC-CO2與待分離的組分接觸，使其有選擇性地將極性、沸點和分子質量不同的成分萃取出來。當然，各壓力范圍所得到的萃取物不可能是單一的，但可以控制條件得到最佳比例的混合成分，然后借助減壓、升溫的方法使SC-CO2變成普通的CO2，被萃取物質則完全或基本析出，從而達到分離提純的目的，所以SC-CO2萃取過程是由萃取和分離組合而成的，其裝置如圖1所示。對于SC-CO2萃取技術，影響因素主要有萃取溫度、壓力、萃取時間、CO2流速以及夾帶劑（常見的有甲醇、乙醇、氯仿等）的選擇。其中選擇適宜夾帶劑可以有效的改善萃取效果。

與傳統的萃取技術相比，SC-CO2萃取技術具有很大的優勢：（1）萃取劑在常壓常溫下為氣體，因此很容易與萃余相分離；（2）CO2在生理上是安全的；（3）便于調節，SC-CO2的溶解能力可以通過調節壓力、溫度以及引入夾帶劑等來改變；（4）其基本的工藝方案很容易實現工業放大[6]；（5）操作簡單，萃取、分離一步到位；（6）SC-CO2價廉、易得，操作安全。

圖1 SC-CO2萃取裝置Fig.1 Equipment of SC-CO2extraction

2 SC-CO2萃取在植物化學物提取中運用

2.1 植物揮發油和精油的SC-CO2萃取

植物揮發油和精油為強親脂性成分，主要由萜類和芳香族化合物等組成。該成分主要存在于杏仁、當歸、姜黃、靈芝等藥用植物的種子、根莖、葉花中，在醫療過程中充當活性物質。這些物質大都具有熱敏性、沸點低、極性小，常見的蒸餾法由于溫度較高，因而活性物質損失較大，SC-CO2萃取，因溫度較低，可使活性物質得以完整保存。另外，由于SC-CO2的強親脂性，使這些脂溶性成分可較快較徹底地被萃取分離，提取率較高。正因如此，SC-CO2萃取被廣泛地運用在植物揮發油和精油的提取當中，有關研究實例見表2，表明SC-CO2萃取技術可以較好地應用于植物揮發油和精油分離提取。

表2 植物揮發油和精油的SC-CO2萃取實例Table 2 SC-CO2extraction instance of volatile oils and essential oils

2.2 植物黃酮類的SC-CO2萃取

黃酮類化合物是指基本母核為2-苯基色原酮的一類化合物，一般泛指具有兩個苯環通過中間三碳相互聯結（C6-C3-C6）而成的一類化學成分。其分子結構中有酮基，顏色常呈黃色，故有黃酮之稱。由于取代基團的不同，形成了結構上的差異，使得黃酮類成分種類較多。在植物界分布較普遍，最集中于被子植物。黃酮類化合物的主要功能有抗菌消炎、降低血壓、抗腫瘤等，由于化學結構上的特征，決定了大多數化合物具有生物活性[19]。在傳統提取方法中常見的有堿法提取、醇提取、熱水提取等。根據粗產品的性質選擇適宜的提純方法，如系統溶劑法、pH值梯度萃取法、硼酸絡合法等。這些傳統的提取方法存在明顯的排污量大、有效成分損失多、成本高等一系列缺點。SC-CO2萃取對于黃酮類化合物是一種非常有效的提取方法。與傳統方法相比，有流程短、效率高、萃取分離一步完成等優勢。有關研究實例見表3，表明SC-CO2萃取技術可以較好地應用于植物黃酮類分離提取。

表3 黃酮類的SC-CO2萃取實例Table 3 SC-CO2extraction instance of flavonoids

2.3 生物堿的SC-CO2萃取

生物堿是中藥有效成分中非常重要的一類，亦是人們在植物性藥材中研究最早最多的一類成分。生物堿的定義還沒有一個嚴格的表述，目前較常用的定義是：生物堿是指來源于生物的含氮的堿性有機化合物。然而，實際上生物堿并不包括氨基酸、肽類、蛋白質等含氮化合物，大部分生物堿的化學結構復雜，多含有復雜的含氮雜環結構，絕大多數具有顯著的生物活性。從現有的研究情況來看，直接用SC-CO2萃取技術分離生物堿比較困難。因為生物堿類化合物大多數是與有機酸結合成鹽存在于植物中，有些則與一些特殊的酸結合。為改善具體操作中的萃取、分離效果可加入適當的堿化劑和夾帶劑。如從羅漢果中提取羅漢果甜苷V時，用純CO2不能得到，而用乙醇作夾帶劑就能得到。有關研究實例見表4，表明SC-CO2萃取技術可以較好地應用于生物堿的分離提取。

表4 生物堿的SC-CO2萃取實例Table 4 SC-CO2extraction instance of alkaloids

2.4 皂苷類的SC-CO2萃取

皂苷是以三萜或甾體為苷元的糖苷類化合物，廣泛分布于自然界，是天然產物研究中的重要領域。傳統溶劑提取皂苷存在周期長、溶劑殘留、環境污染、不適合大規模工業生產等缺陷。皂苷作為分子和極性較大的天然產物，用超臨界CO2萃取需要改變溫度、壓力等條件以及應用夾帶劑（改性劑）進行。夾帶劑是在純的超臨界流體中加入的一種少量的、可以與之混溶的、揮發性介于被分離組分與超臨界組分之間的物質。夾帶劑可以是某一種物質（如乙醇、水），也可以是兩種或多種物質的混合物，它可影響溶質在超臨界流體中的溶解度和選擇性。皂苷作為極性成分，超臨界CO2萃取往往選擇含有乙醇的混合溶劑作為夾帶劑。使用合適的表面活性劑在CO2中形成膠束或微乳液，能夠增大皂苷等極性、親水類物質的溶解度。目前超臨界CO2萃取中應用的表面活性劑為含氟和含硅類表面活性劑，而不是傳統的表面活性劑，但含氟和含硅類表面活性劑價格昂貴，故尋找和合成低成本、低毒性的表面活性劑正在進一步研究中。有關研究實例見表5，表明SC-CO2萃取技術可以較好地應用于植物皂苷類的分離提取。

表5 皂苷類的SC-CO2萃取實例Table 5 SC-CO2extraction instance of saponins

2.5 其他植物化合物組分的SC-CO2萃取

除上述研究之外，在植物甾醇、醌及其衍生物、酚類等有效成分的提取也得到一系列的研究。有關研究實例見表6，表明SC-CO2萃取技術可以較好地應用于其他植物化學物如植物甾醇、醌及其衍生物、酚類等的分離提取。

表6 其他植物化學物組分的SC-CO2萃取實例Table 6 SC-CO2extraction instance of other components

3 總結與展望

SC-CO2萃取與傳統的溶劑提取法相比，具有適用范圍廣、對原料成分無破壞、對產品和環境無污染、提取效率高和操作方便等優點。在國外，特別是在日本，目前這一技術在生產方面得到廣泛地應用。在國內，該技術在植物化學物提取方面的研究是繼其成功運用于食品提取之后才逐漸開展起來的。其發展迅速，在短短幾十年時間內，有關學者進行了大量的研究工作，獲得了大量的積累，至今已對大量原料進行了實驗室小試和近20個品種的中間放大實驗，有些產品（如青蒿素、丹參酮等）和技術已經或即將走向工業化。然而，SC-CO2萃取技術同樣具有自身的缺陷，由于CO2分子的極性小和分子質量低，所以SC-CO2流體對于許多強極性和高分子量的物質提取效果較弱。

目前在實驗室已取得了大量的研究成果，然而要將這些成果轉化成現實的生產力還有許多問題要解決。首先，為彌補SC-CO2萃取技術的不足，應考慮將其與其他分離手段和檢測手段有效結合起來，使分離的質量更高，效果更佳。其次，對許多基礎研究的工作有待加強，要力求能對獲得目標成分的可能性程度進行良好的預測，設計出最優工藝流程。再者，在夾帶劑使用方面還缺乏足夠的理論方面的研究，可預測性差，主要靠實驗摸索。因此，開展這方面的研究工作也具有重大的理論意義和使用價值。

[1]劉淑集，吳成業，蘇永昌，等.超臨界萃取技術在海洋水產的應用研究進展[J].福建水產，2013，35（5）：402-406.

[2]武 劍，石紹偉，胡利娜.超臨界CO2萃取技術在植物化學物提出中應用[J].食品研究與開發，2014，35（15）：52-56.

[3]孫長顥.營養與食品衛生學[M].北京：人民衛生出版社，2008.

[4]白 亮，陶永清，肖傳作，等.超臨界CO2萃取天然產物的應用現狀[J].中國釀造，2015，34（5）：16-20.

[5]于娜娜，張麗坤，朱江蘭，等.超臨界流體萃取原理及應用[J].化工中間體，2011（8）：38-35.

[6]宋照斌，郭清泉，宋啟煌，等.超臨界CO2萃取與低碳經濟[J].廣東化工，2011，38（214）：1-2.

[7]戴 琳，單銀花，王志祥，等.超臨界CO2萃取玫瑰精油的工藝優化[J].食品工業科技，2015，36（3）：266-269，274.

[8]劉亞娟，劉 蕓，王志祥.超臨界CO2萃取煙草精油的工藝研究[J].化學與生物工程，2014，31（6）：59-63.

[9]陳建華，孫 偉，翁少偉，等.香桂桂皮精油的超臨界CO2萃取及其GC-MS 分析[J].中國調味品，2013，38（9）：107-111.

[10]黃秀錦，王海平，黃和升，等.十三香精油提取工藝研究[J].中國調味品，2013，38（2）：53-55.

[11]PENG H,GUO Z D,ZHANG J C.Study on medicinal active constituents of fennel using SFE-CO2[J].Chinese Med J,2003,32(6):337-339.

[12]馬玉花，趙 忠，李科友，等.超臨界CO2流體萃取杏仁油工藝研究[J].農業工程學報，2007，23（4）：272-275.

[13]GE F H,LI Y,XIE J M.Study on essential oil of Chaihu using SFE-CO2[J].Chinese Med J,2004,35(3):149-152.

[14]王丹清，王宏濤，吳大鵬，等.超臨界CO2萃取分離桔油中的萜烯和含氧化合物[J].化學工程，2010，5（5）：9-13.

[15]宋大巍，賈 建.超臨界萃取生姜精油工藝研究[J].農產食品科技，2010，4（3）：15-17.

[16]王 勇，楊衛麗，張 華，等.飛機草揮發油的超臨界CO2萃取工藝[J].中國現代中藥，2015，17（1）：51-52.

[17]劉明石，催瑋琪，金元寶，等.超臨界CO2萃取沉香葉揮發油工藝條件優化研究[J].中國釀造，2014，33（2）：63-65.

[18]黃景晟，張 帥，劉 飛，等.超臨界CO2萃取陳皮揮發油及其化學成分分析[J].現代食品科技，2013，29（8）：1961-1966.

[19]蘇 航，陳 真，等.黃酮類物質改善認知功能障礙作用機制的研究[J].北方藥學，2015，12（6）：95-96.

[20]曾品濤，鄭一敏，胥秀英，等.超臨界CO2萃取麥冬中高異黃酮類物質的工藝研究[J].中國藥業，2010，19（24）：45-46.

[21]姚建國，蔣永紅，周卯星，等.超臨界CO2萃取丹參中的丹參酮[J].山西中醫學院學報，2003，4（1）：41-44.

[22]陳 瑛，孫興力，王文淵.紅薯葉中黃酮類化合物的超臨界提取研究[J].廣州化工，2011，39（6）：82-84.

[23]林英男，時 偉.超臨界CO2提取桑葉中總黃酮的工藝研究[J].齊魯工業大學學報，2014，8（3）：32-36.

[24]張詩靜，史書龍，孫 琴，等.超臨界CO2萃取趕黃草中黃酮類化合物的工藝研究[J].中成藥，2013，35（9）：2043-2047.

[25]ZHANG Z W,XIE M Y,WANG Y X,et al.Supercritical carbon dioxide fluid extraction of functional components fromMomordica charantiaL.fruits[J].Food Sci,2010,31(6):137-141.

[26]DENG Q H,GAO Y.Experiment on active constituents in gingkgo using the second SFE[J].Chinese Traditional and Herbal Drugs,2001,30(6):419-423.

[27]趙德勝，趙艷玲，王海峰.超臨界CO2萃取甘草黃酮工藝的研究[J].江蘇農業科學，2012，40（2）：213-215.

[28]鄧 祥，黃小梅，吳 狄.川佛手中總黃酮的超臨界CO2萃取工藝的優化[J].重慶文理學院學報，2014，35（5）：94-98.

[29]羅喜榮，苑天紅，楊 軍，等.瑞香狼毒總黃酮超臨界CO2萃取工藝優化[J].湖北農業科學，2013，52（6）：1404-1406.

[30]朱曉娜，曹偉偉，李明靜.十二烷基苯磺酸鈉-超臨界二氧化碳萃取槐花總黃酮的工藝研究[J].化學研究，2012，23（2）：73-77.

[31]么宏偉，謝晨陽，吳洪軍，等.龍葵果總生物堿的提取研究[J].中國林副特產，2013（1）：14-18.

[32]曾王旻，馬奕顏，李巨秀.超臨界CO2流體萃取燕麥麩皮中的生物堿[J].農產品加工·學刊，2012（1）：73-76.

[33]蔡建國，張 濤，陳 嵐.超臨界CO2流體萃取博落回總生物堿的研究[J].中草藥，2006，37（6）：853-854.

[34]張 良，袁 瑜，李玉峰.CO2超臨界萃取川貝母游離生物堿工藝研究[J].西華大學學報：自然科學版，2008，27（1）：39-41.

[35]趙旭壯，郭維強，唐遠謀，等.超臨界CO2萃取茶葉中咖啡堿工藝研究[J].食品與發酵科技，2011，47（5）：34-36.

[36]馮自立，陳德經，季曉輝，等.響應曲面分析法對青藤堿超臨界CO2流體萃取條件的優化[J].計算機與應用化學，2010，27（7）：928-932.

[37]耿中峰，呂惠生，張 敏，等.石蒜中加蘭他敏的超臨界CO2萃取工藝研究[J].中草藥，2008，39（4）：543-546.

[38]鄧傳波，夏延斌，鄧潔紅，等.超臨界CO2流體萃取食用級辣椒堿研究[J].食品與機械，2012，28（3）：135-138.

[39]阿依古麗·塔西，古麗克孜·阿日甫，李慕春，等.新疆辣椒中辣椒堿超臨界CO2萃取工藝研究[J].亞太傳統醫藥，2009，5（10）：37-39.

[40]王立紅，周麗莉，禮 彤.胡椒中胡椒堿超臨界二氧化碳萃取工藝的優化[J].時珍國醫國藥，2008，19（7）：1803-1804.

[41]劉 文，韓 笑，王學勇.超臨界CO2萃取白芷中歐前胡素的研究[J].中國藥學雜志，2003，38（2）：99-100.

[42]黃 雪，馮光炷，雒廷亮，等.超臨界CO2萃取三七總皂苷[J].精細化工，2008，25（3）：238-242.

[43]鄧楚津，聶芳紅.超臨界CO2萃取劍麻中總皂苷的工藝研究[J].食品研究與開發，2008，29（2）：41-44.

[44]羅登林，羅 磊，劉建學，等.表面活性劑對超臨界CO2萃取人參中皂苷的影響[J].農業工程學報，2009，25（增刊1）：204-207.

[45]吳 彥，魏和平，陳紅梅，等.超臨界CO2萃取桔梗總皂苷的工藝研究[J].中國醫藥工業雜志，2010，41（2）：103-105.

[46]錢國平，楊亦文，吳彩娟，等.超臨界CO2從黃花蒿中提取青蒿素的研究[J].化工進展，2005，24（3）：286-291.

[47]邢翠萍，汪春生，李長彪.超臨界CO2從滇紫草中提取紫草素的研究[J].精細石油化工，2000（2）：40-43.

[48]盧 智.超臨界CO2流體萃取蘆薈大黃素的研究[J].食品工程，2011（1）：36-38.

[49]鄭偉然，陶永華，苗宏偉，等.炮姜超臨界CO2萃取6-姜酚的工藝研究[J].中草藥，2011，42（10）：2023-2025.

[50]賴錫湖，黃 卓，李 堅，等.超臨界CO2萃取茶葉籽油及其成分分析[J].食品與機械，2011（2）：38-40.

[51]高愛新，王舟蓮，王敬文，等.超臨界CO2萃取技術提取松花粉中植物甾醇的研究[J].食品科技，2010，35（4）：208-210.

[52]張 怡，趙揚帆，鄭寶東.超臨界流體CO2萃取姬松茸酚類物質的研究[J].中國農學通報，2008，24（10）：110-114.

[53]石冰潔，申家杰，張澤廷，等.超臨界CO2萃取天然維生素E 的工藝研究[J].北京化工大學學報：自然科學版，2008，35（6）：21-24.

[54]姚 忠.用超臨界CO2濃縮α-生育酚的試驗研究[J].江蘇理工大學學報：自然科學版，1999，20（6）：1-4.