超臨界CO2萃取在植物化學(xué)物提取中的研究進(jìn)展

汪 洋，李 焱*

（貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)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(shù)是一種新型的物質(zhì)分離技術(shù)[2]。SFE同時具有精餾和液相萃取的特點，實現(xiàn)了萃取和分離過程一體化，使用的溶劑較少、方法簡單，且節(jié)省能源。此外，低溫萃取保留了天然有效成分（如易揮發(fā)性和熱敏性物質(zhì)）、又不引入其他溶劑，真正做到了被萃取物質(zhì)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(yùn)用。

植物化學(xué)物（phytochemicals，PC）是指由植物代謝產(chǎn)生的多種低分子質(zhì)量的末端產(chǎn)物（次級植物代謝產(chǎn)物），并通過降解或合成產(chǎn)生不再對代謝過程起作用化合物的總稱。在植物化學(xué)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(xué)物的有效提取對提高功能性食品、類藥劑營養(yǎng)品的質(zhì)量和功能十分重要。傳統(tǒng)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(yùn)用在植物化學(xué)物的提取實驗中。本文對SC-CO2萃取植物化學(xué)物的研究進(jìn)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(shù)的原理，結(jié)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(xué)物提取中的展望和存在問題進(jìn)行了討論，展望了該技術(shù)的應(yīng)用前景。

1 SC-CO2萃取技術(shù)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(chǎn)物具有特殊的溶解能力，且這種溶解能力與其密度有關(guān)，即利用壓力和溫度對SC-CO2溶解能力的影響而進(jìn)行的。因此通過調(diào)節(jié)壓力和溫度，改變CO2溶劑的密度，進(jìn)而增強(qiáng)CO2溶劑的溶解能力，提取目標(biāo)物質(zhì)，之后再通過減壓、升溫等操作實現(xiàn)萃取劑與目標(biāo)物質(zhì)的分離。臨界點附近及超臨界區(qū)域的壓力和溫度調(diào)控是獲取高純度目標(biāo)物質(zhì)的關(guān)鍵，萃取效率與被萃取物質(zhì)的極性、分子質(zhì)量大小、沸點等存在著密切的關(guān)系[4]。超臨界流體與氣體、液體的物理性質(zhì)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(kuò)散系數(shù)大，黏度小，滲透性好，與液體溶劑相比，可以更快地完成傳質(zhì)，達(dá)到平衡，促進(jìn)高效分離過程的實現(xiàn)，CO2作為超臨界流體更適合天然活性物質(zhì)的提取。

表1 超臨界流體與液體、氣體的性質(zhì)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(zhì)的溶解能力也相應(yīng)增大。尤其在接近臨界點時，密度發(fā)生較小變化，往往會引起SC-CO2的溶解能力發(fā)生較大的變化。即溫度和壓力的微小變化，便會引起溶質(zhì)的溶解度發(fā)生幾個數(shù)量級的變化。在超臨界狀態(tài)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(zhì)量不同的成分萃取出來。當(dāng)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(zhì)則完全或基本析出，從而達(dá)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(shù)，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(tǒng)的萃取技術(shù)相比，SC-CO2萃取技術(shù)具有很大的優(yōu)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(diào)節(jié)，SC-CO2的溶解能力可以通過調(diào)節(jié)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(xiàn)工業(yè)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(xué)物提取中運(yùn)用

2.1 植物揮發(fā)油和精油的SC-CO2萃取

植物揮發(fā)油和精油為強(qiáng)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(dāng)歸、姜黃、靈芝等藥用植物的種子、根莖、葉花中，在醫(yī)療過程中充當(dāng)活性物質(zhì)。這些物質(zhì)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(zhì)損失較大，SC-CO2萃取，因溫度較低，可使活性物質(zhì)得以完整保存。另外，由于SC-CO2的強(qiáng)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(yùn)用在植物揮發(fā)油和精油的提取當(dāng)中，有關(guān)研究實例見表2，表明SC-CO2萃取技術(shù)可以較好地應(yīng)用于植物揮發(fā)油和精油分離提取。

表2 植物揮發(fā)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(huán)通過中間三碳相互聯(lián)結(jié)（C6-C3-C6）而成的一類化學(xué)成分。其分子結(jié)構(gòu)中有酮基，顏色常呈黃色，故有黃酮之稱。由于取代基團(tuán)的不同，形成了結(jié)構(gòu)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(xué)結(jié)構(gòu)上的特征，決定了大多數(shù)化合物具有生物活性[19]。在傳統(tǒng)提取方法中常見的有堿法提取、醇提取、熱水提取等。根據(jù)粗產(chǎn)品的性質(zhì)選擇適宜的提純方法，如系統(tǒng)溶劑法、pH值梯度萃取法、硼酸絡(luò)合法等。這些傳統(tǒng)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(tǒng)方法相比，有流程短、效率高、萃取分離一步完成等優(yōu)勢。有關(guān)研究實例見表3，表明SC-CO2萃取技術(shù)可以較好地應(yīng)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(yán)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(jī)化合物。然而，實際上生物堿并不包括氨基酸、肽類、蛋白質(zhì)等含氮化合物，大部分生物堿的化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多含有復(fù)雜的含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)具有顯著的生物活性。從現(xiàn)有的研究情況來看，直接用SC-CO2萃取技術(shù)分離生物堿比較困難。因為生物堿類化合物大多數(shù)是與有機(jī)酸結(jié)合成鹽存在于植物中，有些則與一些特殊的酸結(jié)合。為改善具體操作中的萃取、分離效果可加入適當(dāng)?shù)膲A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(guān)研究實例見表4，表明SC-CO2萃取技術(shù)可以較好地應(yīng)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(chǎn)物研究中的重要領(lǐng)域。傳統(tǒng)溶劑提取皂苷存在周期長、溶劑殘留、環(huán)境污染、不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)等缺陷。皂苷作為分子和極性較大的天然產(chǎn)物，用超臨界CO2萃取需要改變溫度、壓力等條件以及應(yīng)用夾帶劑（改性劑）進(jìn)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(fā)性介于被分離組分與超臨界組分之間的物質(zhì)。夾帶劑可以是某一種物質(zhì)（如乙醇、水），也可以是兩種或多種物質(zhì)的混合物，它可影響溶質(zhì)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(zhì)的溶解度。目前超臨界CO2萃取中應(yīng)用的表面活性劑為含氟和含硅類表面活性劑，而不是傳統(tǒng)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(jìn)一步研究中。有關(guān)研究實例見表5，表明SC-CO2萃取技術(shù)可以較好地應(yīng)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(guān)研究實例見表6，表明SC-CO2萃取技術(shù)可以較好地應(yīng)用于其他植物化學(xué)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(xué)物組分的SC-CO2萃取實例Table 6 SC-CO2extraction instance of other components

3 總結(jié)與展望

SC-CO2萃取與傳統(tǒng)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(chǎn)品和環(huán)境無污染、提取效率高和操作方便等優(yōu)點。在國外，特別是在日本，目前這一技術(shù)在生產(chǎn)方面得到廣泛地應(yīng)用。在國內(nèi)，該技術(shù)在植物化學(xué)物提取方面的研究是繼其成功運(yùn)用于食品提取之后才逐漸開展起來的。其發(fā)展迅速，在短短幾十年時間內(nèi)，有關(guān)學(xué)者進(jìn)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(jìn)行了實驗室小試和近20個品種的中間放大實驗，有些產(chǎn)品（如青蒿素、丹參酮等）和技術(shù)已經(jīng)或即將走向工業(yè)化。然而，SC-CO2萃取技術(shù)同樣具有自身的缺陷，由于CO2分子的極性小和分子質(zhì)量低，所以SC-CO2流體對于許多強(qiáng)極性和高分子量的物質(zhì)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(zhuǎn)化成現(xiàn)實的生產(chǎn)力還有許多問題要解決。首先，為彌補(bǔ)SC-CO2萃取技術(shù)的不足，應(yīng)考慮將其與其他分離手段和檢測手段有效結(jié)合起來，使分離的質(zhì)量更高，效果更佳。其次，對許多基礎(chǔ)研究的工作有待加強(qiáng)，要力求能對獲得目標(biāo)成分的可能性程度進(jìn)行良好的預(yù)測，設(shè)計出最優(yōu)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(yù)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。

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