超臨界CO2萃取技術(shù)在中藥研究中的應(yīng)用*

劉川銘，劉猛剛，繆菊連

(1 大理大學(xué)藥學(xué)院，云南 大理 671000；2 北京優(yōu)利康達(dá)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(zhì)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(shí)又具有氣體的擴(kuò)散性能，在超臨界狀態(tài)下氣體和液體兩相的界面消失，表面張力為零，反應(yīng)速度和熱傳導(dǎo)率等出現(xiàn)峰值。在可作為超臨界流體的化合物中，CO2由于其性質(zhì)穩(wěn)定、廉價(jià)易得、無毒無臭、不污染環(huán)境和產(chǎn)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(diǎn)，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(zhì)。超臨界二氧化碳萃取技術(shù)綜合了精餾和液液萃取兩種功能的特點(diǎn)。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(zhì)性能，從而將目標(biāo)物質(zhì)中的有效成分提取出來，當(dāng)溫度和壓力恢復(fù)到常溫時(shí)，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(tài)的二氧化碳分開，從而達(dá)到提取分離的目的。

表1 常見的超臨界流體的物理性質(zhì)

2 超臨界二氧化碳萃取的工藝流程

儲罐中的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)冷凝器冷凝液化成液體，然后經(jīng)高壓泵把壓力提高到萃取所需的壓力，再通過熱交換器調(diào)節(jié)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(jìn)入，與目標(biāo)物質(zhì)充分接觸，萃取出所需的化學(xué)成分。溶解有溶質(zhì)的高壓二氧化碳流體通過節(jié)流閥進(jìn)行減壓，通過解析釜時(shí)經(jīng)溫度調(diào)節(jié)器使其變成氣體。此時(shí)二氧化碳對溶質(zhì)的溶解能力降低，溶質(zhì)便與氣體分離而沉降到解析釜的底部，二氧化碳?xì)怏w則通過冷凝器再次冷凝成二氧化碳液體供循環(huán)使用。整個(gè)過程主要包括二氧化碳的壓縮、萃取、減壓和分離四個(gè)階段。二氧化碳流體不斷的在萃取釜與解析釜之間循環(huán)，從而將所需的化學(xué)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(shù)的特點(diǎn)

(1)優(yōu)點(diǎn)

①二氧化碳的臨界溫度接近室溫，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易燃爆，安全性好，價(jià)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(shí)間快，生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量。④超臨界二氧化碳萃取可節(jié)省勞動力和大量有機(jī)溶劑，減少“三廢”污染，對保護(hù)環(huán)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(guī)提取過程中經(jīng)常發(fā)生的分解、沉淀等反應(yīng)，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(qiáng)極性或分子量較大的物質(zhì)，此時(shí)常需要加入含極性基團(tuán)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(gè)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(shè)備造價(jià)較高，設(shè)備一次性投資大，較難普及。③在分離階段，由于溶質(zhì)在二氧化碳?xì)怏w中有“霧末夾帶”現(xiàn)象，將會使整個(gè)密閉系統(tǒng)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(shí)，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(qiáng)，但當(dāng)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(dǎo)致難揮發(fā)的物質(zhì)被萃出以及萃取物中的雜質(zhì)增多。通常弱極性的物質(zhì)在較低的壓力下既可進(jìn)行萃取，極性較強(qiáng)的物質(zhì)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(fù)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(diǎn)附近的低壓區(qū)，升高溫度可提高分離組分的揮發(fā)度和擴(kuò)散能力，但卻不足以補(bǔ)充超臨界二氧化碳的密度隨溫度升高而急劇下降所導(dǎo)致的溶解能力下降。在高壓區(qū)，超臨界二氧化碳的密度大，可壓縮性小，此時(shí)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(kuò)散系數(shù)卻顯著提高，從而增加了溶質(zhì)的溶解能力。

4.3 萃取時(shí)間和CO2流量

萃取剛開始時(shí)，溶劑與溶質(zhì)之間的接觸不足，收率較低，隨著萃取時(shí)間的延長，傳質(zhì)達(dá)到一定程度，萃取速率增大，直到達(dá)到最大之后，由于待分離組分的減少，傳質(zhì)動力降低而使萃取速率降低。當(dāng)收率一定時(shí)，流量越大，溶劑和溶質(zhì)間的傳熱阻力越小，萃取的速度越快，所需要的時(shí)間越短，但萃取的回收負(fù)荷將增大。因此，從經(jīng)濟(jì)上考慮應(yīng)選擇適宜的萃取時(shí)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(zhì)效果，有利于提高萃取速度。但粒度過小則會堵塞篩孔，進(jìn)而造成萃取器出口過濾網(wǎng)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(jù)相似相溶原理它對非極性的油溶性物質(zhì)具有較好的溶解能力，而對有一定極性的物質(zhì)的溶解度則較差。此時(shí)，常需加入不同極性的夾帶劑以調(diào)節(jié)超臨界二氧化碳流體的極性，提高被萃取物質(zhì)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?yōu)榭赡堋?/p>

5 超臨界二氧化碳萃取在中藥有效成分提取中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的提取方法在中藥有效成分的提取過程中往往具有耗時(shí)長、提取的選擇性較差、后續(xù)的分離純化步驟繁瑣以及易造成試劑污染等缺點(diǎn)，超臨界二氧化碳萃取作為一項(xiàng)新型的化學(xué)工程技術(shù)，因其結(jié)合了精餾和液液萃取，相較于傳統(tǒng)的提取方法具有收率高、雜質(zhì)少、萃取時(shí)間短以及不會造成環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。表2～表8列出了部分中藥有效成分應(yīng)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(shù)對中藥生物堿類成分的提取

表3 超臨界CO2萃取技術(shù)對中藥揮發(fā)油類成分的提取

表4 超臨界CO2萃取技術(shù)對中藥蒽醌類成分的提取

表5 超臨界CO2萃取技術(shù)對中藥黃酮類成分的提取

表6 超臨界CO2萃取技術(shù)對中藥萜類成分的提取

表7 超臨界CO2萃取技術(shù)對中藥糖和苷類成分的提取

表8 超臨界CO2萃取技術(shù)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(fā)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(shù)的聯(lián)用

6.1 SFE-CGC聯(lián)用

SFE與色譜分離技術(shù)的非在線聯(lián)用中發(fā)展較快的是毛細(xì)管氣相色譜技術(shù)(CGC)，SFE與CGC聯(lián)用要獲得尖峰就要對被萃取物進(jìn)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(shù)與毛細(xì)管氣相色譜法的聯(lián)用技術(shù)測定腦立清丸中薄荷腦與冰片的含量，結(jié)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(tài)萃取體積6 mL、靜態(tài)萃取時(shí)間9 min，從而得出SFE-CGC法具有快速簡便、準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)。陳斌等[36]采用超臨界流體萃取法聯(lián)用毛細(xì)管氣相色譜法測定丹參藥材中丹參酮ⅡA的含量，其結(jié)果準(zhǔn)確可靠，加樣回收率為95.3%，RSD為4.3%，n=3。得出結(jié)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(jī)溶劑用量，與超聲提取法相比，經(jīng)t檢驗(yàn)，顯著優(yōu)于超聲提取法。

6.2 SFE-HPLC聯(lián)用

高效液相色譜法具有分析速度快、分離效能高和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在室溫下即可實(shí)現(xiàn)樣品的分離，對非揮發(fā)性物質(zhì)無須衍生化，從而減少了樣品預(yù)處理時(shí)間，可用于有機(jī)活性組分的分離以及形態(tài)分析。張潔等[37]利用兩個(gè)簡單的三通閥將SFE和HPLC在線聯(lián)接起來，建立了一個(gè)新型的從樣品預(yù)處理到分離檢測的集成平臺，并將其應(yīng)用于靈芝子實(shí)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(zhǔn)確可靠，可為虎杖及其制劑的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

6.3 SFE-MD聯(lián)用

分子蒸餾技術(shù)(MD)是一種在高真空條件下的液-液分離技術(shù)，特別適合于高沸點(diǎn)、熱敏性和易氧化物質(zhì)的分離。由于分子蒸餾可對超臨界二氧化碳萃取得到的產(chǎn)物進(jìn)行二次分離，選擇性分離目標(biāo)產(chǎn)物，因此SFE-MD聯(lián)用可得到其他分離手段難以完成的高純度產(chǎn)品。張運(yùn)暉[39]利用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)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(jìn)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(jìn)料溫度60 ℃、進(jìn)料速率90～100 mL/h、刮膜器轉(zhuǎn)速150 r/min，經(jīng)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(shù)(MD)進(jìn)行精制，所得精油采用GC-MS分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)分子蒸餾技術(shù)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(zhì)顯著提高。

6.4 SFE-GC-MS聯(lián)用

氣相色譜法-質(zhì)譜法聯(lián)用(GC-MS)結(jié)合了氣相色譜與質(zhì)譜各自的優(yōu)點(diǎn)，既具有較強(qiáng)的分離能力，同時(shí)對未知化合物又具有獨(dú)特的鑒定能力，且靈敏度極高。氣相色譜和質(zhì)譜組成的氣質(zhì)聯(lián)用儀，可以增強(qiáng)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(zhì)聯(lián)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(tài)動態(tài)循環(huán)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(xué)成分，并應(yīng)用面積歸一法計(jì)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(lián)用

核磁共振技術(shù)可對化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，其對被測物質(zhì)無破壞作用，是一種無損檢測技術(shù)。通過將具有特殊分離能力的SFE與可提供化學(xué)結(jié)構(gòu)信息的NMR技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可一次性完成從樣品的分離純化到色譜峰的檢測、結(jié)構(gòu)測定以及定量分析，并提供混合物的組成和結(jié)構(gòu)信息，從而提高了研究效率和靈活性。由于超臨界流體獨(dú)特的萃取能力和NMR精確的結(jié)構(gòu)分析能力，SFE-NMR聯(lián)用技術(shù)得到了迅速發(fā)展，已成為分析難揮發(fā)、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(fù)雜混合物中有著廣泛的應(yīng)用前景。

6.6 SFE-SFC聯(lián)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(shù)。超臨界流體色譜既可以分析GC不適宜的高沸點(diǎn)、低揮發(fā)性、熱不穩(wěn)定的弱極性化合物，又可以像HPLC一樣分析非揮發(fā)性和高分子化合物。SFE與SFC的聯(lián)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(jìn)行分析。劉蕓蕓等[43]建立了超臨界流體色譜技術(shù)分離純化木香中木香烴內(nèi)酯和去氫木香內(nèi)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(nèi)酯和去氫木香內(nèi)酯可得到完全分離。該方法得到的木香烴內(nèi)酯和去氫木香內(nèi)酯純品幾乎沒有溶劑殘留，經(jīng)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(rèn)為該方法適合木香有效成分的分析及分離制備。

7 結(jié) 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(shù)在應(yīng)用于中藥工業(yè)的生產(chǎn)過程中還需結(jié)合具體的藥材做相應(yīng)的提取工藝研究和設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化，積極推進(jìn)先進(jìn)工藝與設(shè)備，改進(jìn)傳統(tǒng)中藥生產(chǎn)過程中的不足，提高中藥藥效的有效性、質(zhì)量穩(wěn)定性和均一性，有利于促進(jìn)民族醫(yī)藥走出國門，提高中藥產(chǎn)品的國際競爭力。