超臨界CO2萃取天然產物的應用現狀

白 亮，陶永清 *，肖傳作，趙 輝，王素英，石 洋

（1.天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134；2.青島利和萃取科技有限公司，山東 青島 266111）

天然產物是從動、植物中提取的具有良好生物活性功能的物質，主要包括萜類、酚類、醌類、生物堿等，這些物質具有抗炎、抗氧化、抗病毒、抗菌等多種功能[1-3]，被廣泛應用于食品、藥品、化妝品等行業。目前，大多數的天然活性物質依靠傳統溶劑法來提取，不僅工藝繁瑣、所獲得的產品純度較低，而且會對環境造成一定的影響。

超臨界CO2（supercritical dioxide，SC-CO2）萃取技術是利用處于臨界壓力和臨界溫度以上的流體具有的特殊功能，使萃取過程中萃取物和萃取劑得到有效的分離，更加有利于萃取的進行。超臨界CO2萃取技術是一種發展迅速的萃取、分離、精制技術，具有傳統提取方法所不具備的優點，如高效、無溶劑殘留、選擇性強、操作條件溫和等[4-5]，可以有效的保留萃取物中的易揮發性和熱敏性成分。隨著人們對超臨界流體萃取技術的不斷研究和認識，該技術逐漸應用于越來越多的天然活性物質的提取[6]，相關技術的進一步發展和成熟，使超臨界流體萃取的巨大應用潛力得以實現，成為可能取代傳統溶劑法的綠色工藝之一。該文綜述了超臨界CO2萃取技術的基本原理及其在天然活性物質提取中的應用，展望了該技術的應用前景。

1 超臨界CO2萃取技術的基本原理

超臨界CO2萃取技術是利用超臨界流體的特殊溶解性來提取原料中的活性物質。物質之間的溶解能力主要取決于物質分子之間的相似性，這種相似性主要體現在分子結構相似和分子間作用力的相似，而分子結構的相似性也可以歸結為作用能的相似。增大壓力CO2溶劑密度增加，對溶質的作用能增強及分子間作用力增大，使溶質的溶解度增大；溫度升高則加強了物質的揮發性，有利于萃取過程的進行。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[7-8]。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、氣體性質的比較[9]Table 1 Comparison of the properties of the supercritical fluid,liquid and gas

2 超臨界CO2萃取技術的應用

目前，CO2已經成為最主要的超臨界流體，無污染、無有機溶劑殘留、高效、成本低等優點使超臨界CO2流體萃取技術成為了一種高效的“綠色技術”，在天然活性物質的提取方面得到了廣泛的研究和應用[10-12]。

2.1 提取植物精油

植物精油含有酚類、萜類等多種天然活性物質[13]，具有良好的揮發性，易被人體吸收，同時具有抗氧化、抗菌等多種生物活性功能[14]，還可以實現平衡體內機能、美容護膚等功效，因此成為一些化妝品、保健品、藥物的重要組成或添加成分。隨著人們對天然產品的青睞，對天然植物精油的研究和產品開發得到了越來越多的關注[15-16]。目前，傳統的提取方法，如水蒸氣蒸餾（hydro-distillation，HD）、索氏提?。⊿oxhlet extraction，SE）、有機溶劑提取（organic solvent extraction，OSE）等存在提取率低、提取物質量差、溶劑殘留、工藝時間長等問題。SC-CO2萃取技術作為一種高效的提取技術，克服了上述方法的缺點，溫和的操作條件避免了提取物中熱敏性有效成分的破壞；不會出現溶劑殘留；而且萃取時間也明顯縮短。因此，超臨界CO2萃取工藝在植物精油的提取中得到了越來越多的應用[17-22]。

SHAO Q S等[23]采用SC-CO2技術從金線蓮中提取精油，得到的最佳提取條件為萃取壓力35 MPa，萃取溫度37.6 ℃，CO2流量8 L/h，萃取時間150 min；并且將SC-CO2與水蒸氣蒸餾、索氏提取作了對比，發現3種方法提取的精油中主要成分為羧酸類物質，超臨界CO2萃取所得到的精油組分與SE法相似，并且提取物抗氧化能力強于其他兩種提取方法。通過對比3種方法的提取物成分發現，溫度高是引起抗氧化能力降低的主要原因。RUTTARATTANAMONGKOL K等[24]研究表明，從辣木種子中提取精油時，SC-CO2、SE、物理壓榨3種方法所獲得辣木種子精油成分并沒有太大的區別，采用SC-CO2方法時，低壓（15 MPa）萃取階段，升高溫度，流體密度降低，溶質的蒸汽壓升高，而萃取率下降，表明流體密度對萃取率的影響要大于溶質蒸汽壓；隨著壓力的逐漸升高，流體密度增大，萃取率提高。目前，國內外對不同植物中提取精油的實例見表2，表明SC-CO2萃取技術可以較好地應用于植物精油分離提取。

表2 SC-CO2工藝提取植物精油實例Table 2 Examples of extraction of essential oils with supercritical CO2technology

不同的提取工藝，對精油的提取效果產生不同的影響[23]。在保證提取率的前提下，工藝消耗是主要因素，同時也是天然物質實現工業化提取的關鍵。DE MELO M M R等[25]研究表明，在利用咖啡渣提取咖啡因方面，超臨界流體萃?。╯upercritical fluid extration，SFE）比傳統的SE具有更大的優勢，其工藝消耗要低于SE，保持萃取壓力19 MPa，溫度為40 ℃和55 ℃兩個水平，萃取時間為2 h。通過氣相色譜分析提取物中的成分，發現SC-CO2與SE所得到的精油提取物中主要成分亞油酸和棕櫚酸含量差別不大。之后通過以制造成本（cost of manufacturing，COM）和凈收入計算為主，進行不同的操作條件變更和單元安排，通過敏感性分析表明了SC-CO2在咖啡渣利用上的經濟可行性要優于SE。

2.2 提取天然色素

天然色素是具有良好生理活性的染色物質，根據其來源不同可以將其劃分為植物色素、動物色素和微生物色素。天然色素因具備抗氧化、抗癌等多種生物活性功能[26-30]，在化妝品、保健品等方面得到了良好的應用[31]，而且已經有部分天然色素作為食品級色素在食品行業中發揮著重要的作用，如焦糖色素、胡蘿卜素、姜黃色素等。

植物是天然色素的主要來源，絕大多數的植物色素為花青素類、類胡蘿卜素類、黃酮化合物等。隨著天然色素市場需求的不斷提升，采用SC-CO2萃取技術提取天然色素得到了越來越多的關注和研究[32-36]。目前，國內外對不同植物中提取天然色素的實例見表3，表明SC-CO2萃取技術可以較好地應用于植物色素分離提取。

表3 超臨界CO2提取植物色素實例Table 3 Examples of extraction of natural pigments from plants with supercritical CO2extraction technology

為了進一步提高天然色素的提取率，SFE的相關工藝也在進一步改進。LIAU B C等[37]采用超臨界CO2流體-洗脫色譜技術從眼點擬微綠球藻中提取玉米黃素，在開始階段索氏提取法的萃取率要稍高于SFE的萃取率，之后，添加乙醇作為夾帶劑，超臨界流體萃取在洗脫階段的產率增加了近20倍，高于索氏提取，為眼點擬微綠球藻中玉米黃素資源的開發提供了新的方法。MACHADO F R S等[38]采用超臨界強制分散溶液技術（solution enhanced dispersion by supercritical fluids，SEDS）制備蝦青素結晶，以超臨界CO2流體為抗溶劑，當超臨界CO2流體向雨生紅球藻的二氯甲烷提取液中擴散時，造成溶液的過飽和從而使溶質沉淀析出形成細小的顆粒，而析出的小顆粒會在新型高分子3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯的共聚物（copolyer poly hydroxybutirate-co-hydrovalerate，PHBV）聚集被包封，從而獲得蝦青素的提取物。研究發現，抗溶劑壓力（沉淀壓力）和提取劑比是影響包封效率的重要因素。當壓力增加時，結晶顆粒的粒徑縮小，結晶顆粒的粒徑可以在一定程度上反映出溶液中蝦青素提取物的含量；二氯甲烷溶劑比也會對結晶顆粒產生影響，比值的升高會就減小粒徑，但二者與粒徑并非正相關的線性關系，進一步研究得到了最佳的包封率為48.25%，其條件為二氯甲烷溶液比為10 mg/mL（在開始提取蝦青素階段），沉淀壓力為8 MPa。為其他天然物質的獲取提供了新的方法。

2.3 提取生物堿

生物堿是一類含氮的堿性有機物，大多數具有復雜的環狀結構，具有顯著生物活性[39]，是中藥重要的有效成分之一。目前有機溶劑提取法是植物生物堿提取的主要方法，而溶劑殘留是傳統溶劑法提取生物堿所面臨的一個難題。在使用有機溶劑提取植物生物堿時不可避免地會殘留提取劑，從而影響提取物的質量，甚至帶有毒性，增加了相關天然產品的潛在危害性。傳統有機溶劑提取法提取率低、提取時間長、廢液處理等問題限制了生物堿的獲取。近年來，超臨界流體萃取技術在中藥提取中的應用越來越來廣泛，為生物堿的有效提取提供了新的方法。

生物堿大多數難溶于水，易溶于氯仿、丙酮、乙醇等有機溶劑，因此一般都需要使用少量夾帶劑來提取。張玉紅等[40]研究了超臨界CO2提取喜樹種子中喜樹堿的工藝，保持CO2流量為20 L/h，探討了萃取壓力、萃取溫度、夾帶劑和萃取時間對喜樹種子中喜樹堿提取率的影響。通過正交試驗設計確定SC-CO2提取喜樹種子中喜樹堿的最佳工藝條件為萃取壓力25 MPa，萃取溫度50 ℃，萃取時間129 min，夾帶劑為體積分數為90%的乙醇，在該條件下，喜樹堿的平均提取率為76.98%，所得到的萃取物中喜樹堿的質量分數達43.68%。李新德等[41]采用SC-CO2提取伊貝母中的總生物堿，以萃取壓力、萃取溫度、萃取時間，夾帶劑流量為考察因素，通過單因素試驗考察了各因素對伊貝母中的總生物堿提取率的影響，壓力對其影響最為明顯，再進一步通過正交試驗設計確定了最佳工藝條件為壓力20 MPa，溫度45 ℃，時間2 h，夾帶劑流速為2.5 mL/min，該條件下總生物堿萃取率達到0.209%。

3 結論與展望

植物精油、天然色素、生物堿等天然活性物質因具備良好的生物功能而稱為研究開發熱點，具有巨大的市場需求。采用傳統的提取法如索氏提取、有機溶劑提取等方法獲取這些物質時存在溶劑殘留、提取率低、提取工藝時間長等缺點，同時也不符合綠色工藝的生產理念，會對環境造成一定的影響。

SC-CO2萃取工藝作為一種高效的提取、分離技術，具有試劑成本低、無溶劑殘留、操作條件溫和、工藝時間短等優點，已經在天然產物的提取中得到了廣泛的研究和應用。而SC-CO2萃取技術需要提供一定的壓力環境，所以其設備的成本較高；缺少從實驗到產業化過渡的數據支持和工藝理論基礎也同樣限制了超臨界工藝的發展。這些問題會隨著人們對萃取技術的不斷研究、相關萃取模型的完善和提取工藝的改進而得到解決[42-43]。目前，SC-CO2技術已經在咖啡因脫出、啤酒花提取等工藝中取得了成功并且實現了其工業化。此外，SC-CO2萃取工藝與精餾、高效液相色譜、氣相色譜等技術的聯用，更進一步提高了萃取效果及分離、檢測的效率，對實現目標物質的充分提取提供了保障。隨著科學技術發展，SC-CO2技術將在天然活性物質的提取中得到更為廣闊的應用前景。

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