超臨界二氧化碳萃取天然產(chǎn)物的應(yīng)用現(xiàn)狀

安軍紅

(大理大學(xué)藥學(xué)院，云南 大理 671000)

動(dòng)物、植物提取物或昆蟲(chóng)、海洋生物和微生物體內(nèi)的組成成分或其代謝產(chǎn)物以及人和動(dòng)物體內(nèi)許許多多內(nèi)源性的化學(xué)成分統(tǒng)稱(chēng)做天然產(chǎn)物，其中主要包括蛋白質(zhì)、氨基酸、糖蛋白、生物堿、揮發(fā)油、黃酮、醌類(lèi)、甾體化合物、抗生素類(lèi)等天然存在的化學(xué)成分，有著抗菌、抗炎、抗氧化、抗病毒等多種作用[1]。目前，大多數(shù)的天然產(chǎn)物主要依靠傳統(tǒng)溶劑法來(lái)提取，不僅工藝繁瑣、周期長(zhǎng)、有效成分損失大、提取率不高、所獲得的產(chǎn)品純度較低，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中存在著潛在的危害性。

超臨界二氧化碳(supercritical dioxide,SC-CO2)萃取技術(shù)[2]是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)提取分離技術(shù)，它是利用處于臨界溫度，臨界壓力之上的超臨界流體具有溶解許多物質(zhì)的能力的性質(zhì)，將超臨界流體二氧化碳作為萃取劑，從液體或固體中萃取分離出特定成分的新型分離技術(shù)?？梢宰鳛槌R界流體的物質(zhì)有很多，例如低分子烷烴、甲醇、乙醇和水等。而目前最常用以及研究最多的超臨界流體是二氧化碳，原因有[3]：(1)二氧化碳的臨界溫度為31.4 ℃，接近室溫，在提取的過(guò)程中可以有效的防止熱敏性物質(zhì)的降解；(2)二氧化碳的臨界壓力(7.38 MPa)處于中等壓力，操作安全且容易達(dá)到超臨界狀態(tài)；(3)二氧化碳無(wú)毒、無(wú)味、不易燃易爆、不腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，使得萃取的產(chǎn)品無(wú)溶劑殘留；(4)超臨界流體二氧化碳具有抗氧化作用，有利于保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量；(5)萃取速度快，效率高，且操作參數(shù)易于控制，因而能使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；(6)耗能低，超臨界流體二氧化碳與萃取物分離后，只要重新壓縮就可循環(huán)利用，耗能大大降低，節(jié)約成本；(7)該技術(shù)選擇性好，且可通過(guò)控制壓力和溫度來(lái)改變超臨界流體二氧化碳的密度，進(jìn)而改變其對(duì)物質(zhì)的溶解能力，有針對(duì)性地萃取中草藥中的某些成分；(8)從萃取到分離可一步完成；此外，該超臨界二氧化碳萃取技術(shù)也由于它萃取速度快，效率高，且操作參數(shù)易于控制，耗能低，幾乎不產(chǎn)生新的“三廢”[4]，還可以提取出傳統(tǒng)方法不能提取出來(lái)的物質(zhì)，有利于保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的工業(yè)化應(yīng)用。

本文綜述了超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的基本原理及其在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用，進(jìn)而說(shuō)明超臨界二氧化碳萃取技術(shù)在中藥領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。為超臨界二氧化碳在其他方面中的應(yīng)用提供參考。

1 超臨界二氧化碳流體萃取的基本原理

超臨界二氧化碳對(duì)物質(zhì)的溶解能力與其密度有關(guān)系。當(dāng)處于臨界點(diǎn)附近時(shí)，壓力和溫度發(fā)生微小的變化，密度也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而會(huì)引起溶解度的變化。因此，可以通過(guò)改變溫度或壓力來(lái)調(diào)節(jié)超臨界流體二氧化碳的溶解能力[5]，使其溶解度在較大的范圍(100～1000倍)內(nèi)得到提高，進(jìn)而萃取得到不同沸點(diǎn)、極性、相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)。一般情況下，超臨界流體二氧化碳的密度越大，其溶解能力就越大[6]。在恒溫下隨壓力升高，溶質(zhì)的溶解度增大；在恒壓下隨溫度升高，溶質(zhì)的溶解度減小[7]。

2 超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的應(yīng)用

2.1 揮發(fā)油的提取

揮發(fā)油是在含有香脂腺的植物中通過(guò)水蒸氣蒸餾法、溶劑提取法等方法提煉萃取的揮發(fā)性芳香物質(zhì)。具有親脂性的性質(zhì)，很容易溶在油脂中。揮發(fā)油的化學(xué)分子組成為萜烯類(lèi)、酯類(lèi)、醇類(lèi)等。此類(lèi)物質(zhì)可以達(dá)到對(duì)抗細(xì)菌、病毒、霉菌、可防發(fā)炎，防痙攣，促進(jìn)細(xì)胞新陳代謝及細(xì)胞再生功能的作用[8-9]。曾朝懿等[10]采用水蒸氣蒸餾法、超聲輔助水蒸氣蒸餾法、微波輔助水蒸氣蒸餾法、超臨界二氧化碳萃取法4種方法對(duì)木姜子花蕾中的揮發(fā)油成分進(jìn)行提取。結(jié)果顯示，超臨界二氧化碳萃取溫度為50 ℃，萃取壓力為15 MPa，分離溫度為40 ℃，分離壓力為7 MPa，二氧化碳流量為15 L/h，此參數(shù)下?lián)]發(fā)油提取率為400 mg/g,而水蒸氣蒸餾法的提取率為32 mg/g，超聲輔助水蒸氣蒸餾法的提取率為40 mg/g,微波輔助水蒸氣蒸餾法的提取率為37 mg/g。由此可以得出，超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的提取率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三種方法的提取率。張師輝等[11]用 3種方法提取溫莪術(shù)油中的成分，分別為超聲輔助乙酸乙酯萃取、超臨界二氧化碳萃取和水蒸氣蒸餾法，利用氣相色譜-四極桿飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜(GC-Q/TOF-MS)對(duì)溫莪術(shù)油中化學(xué)成分進(jìn)行研究，比較不同提取方法對(duì)其成分的影響。結(jié)果表明，當(dāng)萃取溫度為50 ℃，萃取壓力為28 MPa，循環(huán)萃取2 h，經(jīng)過(guò)鑒定后，得到了73個(gè)揮發(fā)性成分，而從超聲輔助乙酸乙酯萃取和水蒸氣蒸餾法中得到的揮發(fā)性成分為72個(gè)，鑒定成分的相對(duì)峰面積之和分別為超聲輔助乙酸乙酯萃取92.87%、超臨界二氧化碳萃取93.36%、水蒸氣蒸餾法92.71%。特別是超臨界二氧化碳萃取有1個(gè)特有的成分。祖恩普等[12]提取皇帝柑果皮中的揮發(fā)油，對(duì)比了超臨界二氧化碳萃取法和乙醚超聲萃取法2種方法的提取效率，當(dāng)參數(shù)為設(shè)定溫度55 ℃，壓強(qiáng) 18 MPa，二氧化碳流量為23 L/h，動(dòng)態(tài)萃取2 h時(shí)，結(jié)果顯示，采用超臨界二氧化碳法提取的揮發(fā)油得率為0.75%，被鑒定的成分有28種，D-檸檬烯含量為45.24%;乙醚超聲法提取的揮發(fā)油得率為0.69%，被鑒定的成分有24種，D-檸檬烯含量為37.73%。由此可以得出超臨界二氧化碳萃取較乙醚超聲萃取揮發(fā)油的出油率更高，鑒別出的成分更全面，有效成分含量也更高。張淑雅等[13]用蒸餾法、水蒸氣蒸餾法、水蒸氣加酒精燈加熱蒸餾法、乙醚超聲波萃取法和超臨界二氧化碳萃取法這五種提取方法對(duì)牡丹皮中的揮發(fā)油進(jìn)行分析，在50 ℃條件下烘烤3 h，研磨成小塊狀，放入萃取釜中，在30 MPa，50 ℃條件下，先靜態(tài)萃取2 h，再動(dòng)態(tài)萃取1 h的條件下，得出超臨界二氧化碳萃取法和乙醚超聲波萃取法以化合物成分為指標(biāo)的情況下鑒別出的成分更全面的結(jié)論。

2.2 生物堿的提取

生物堿是存在于自然界中的一類(lèi)含氮的堿性有機(jī)化合物，過(guò)去又稱(chēng)為贗堿。大多數(shù)有復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，氮素多包含在環(huán)內(nèi)，有顯著的生物活性，是中草藥中重要的有效成分之一。按照生物堿的基本結(jié)構(gòu)，可將其分為60類(lèi)左右。大多呈堿性反應(yīng)，但秋水仙堿呈中性反應(yīng)，茶堿呈酸性反應(yīng)，嗎啡和檳榔堿呈兩性反應(yīng)。生物堿有著很多特殊又顯著的生理活性，如麻黃中的麻黃堿具有平喘作用，罌粟中提取的嗎啡具有強(qiáng)烈的鎮(zhèn)痛作用等[14-15]。因?yàn)樯飰A的極性偏大，所以在用超臨界二氧化碳萃取時(shí)，需要通過(guò)增加壓力或者使用夾帶劑來(lái)增強(qiáng)流體的溶解度。李俶等[16]運(yùn)用正交試驗(yàn)法考察超臨界二氧化碳萃取槲寄生堿的最佳工藝為：槲寄生粉靜態(tài)萃取30 min,再進(jìn)行動(dòng)態(tài)萃取，溫度50 ℃,壓力25 MPa,時(shí)間1 h,夾帶劑為氯仿時(shí),結(jié)果為從每100 g槲寄生中可提取浸膏最高為11.24 g,其中生物堿含量為0.54 g。梁燕明等[17]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超臨界二氧化碳萃取的萃取壓力為20 MPa,溫度為50 ℃，提取時(shí)間為 2.5 h，夾帶劑為95%的乙醇，夾帶劑流量為8 mL/min的條件下，與兩種傳統(tǒng)方法(滲漉法、溫浸法)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)超臨界萃取法得到的苦參堿含量比滲漉法高出0.072%，比溫浸法高出0.105%，由此可知，超臨界萃取方法萃取得到的苦參堿的含量要高于傳統(tǒng)方法所得的苦參堿。李仙義等[18]采用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)從蒙藥蓽茇中萃取胡椒堿，經(jīng)系統(tǒng)觀察法考察了超臨界萃取的最佳萃取條件，并用反向高效液相色譜法進(jìn)行分離測(cè)定，得出最佳萃取條件為萃取壓力38.5 MPa,萃取溫度70 ℃，夾帶劑甲醇量0.4 mL, 靜態(tài)萃取時(shí)間5 min及動(dòng)態(tài)萃取體積5 mL,測(cè)得的胡椒堿含量為2.920%。由此可以看出，超臨界流體萃取技術(shù)對(duì)于加強(qiáng)中蒙藥中的生物堿的提取效率起到了舉足輕重的作用，為中蒙藥的發(fā)展提供了良好的前景。

2.3 天然色素的提取

天然色素是由天然資源獲得的食用色素。主要從動(dòng)物和植物組織及微生物中提取的色素。天然色素不僅具有給食品著色的作用，而且相當(dāng)部分天然色素具有抗氧化、抗癌等多種生理活性，在化妝品、保健品方面也得到了應(yīng)用[19-21]。李雄等[22]研究表明，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)確定了從梔子果實(shí)中提取梔子黃色素的最佳工藝條件為用含乙醇為60%的溶液為夾帶劑，采用萃取壓力為25 MPa，萃取溫度為45 ℃，流體流量為 8 L/h，萃取2 h能獲得較好的萃取效率，此時(shí)所得梔子黃色素的色價(jià)達(dá)1.00。畢靜[23]采用三因素三水平的正交試驗(yàn)對(duì)莧菜中莧菜紅色素的提取提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到了最佳的工藝條件為：萃取溫度60 ℃，萃取壓力為20 MPa，流量計(jì)顯示二氧化碳的流量為0.05 m3/h，以純水作為夾帶劑，原料與夾帶劑質(zhì)量比1:1，萃取60 min，莧菜紅色素含量可達(dá)37.5%。張學(xué)彬等[24]采用單因素試驗(yàn)和均勻設(shè)計(jì)法試驗(yàn)的方法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取法提取辣椒紅色素的工藝條件，得出的結(jié)論為當(dāng)萃取溫度32 ℃、萃取壓力20 MPa、萃取時(shí)間3.5 h、顆粒度 50目的條件下，辣椒紅色素提取率為6.68%。張郁松[25]采用了有機(jī)回流萃取和超臨界二氧化碳萃取2種方法對(duì)辣椒紅素的萃取條件、色素得率、感官品質(zhì)及產(chǎn)品穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比，得到當(dāng)萃取壓力20 MPa，萃取溫度50 ℃，二氧化碳流量為20 L/h，萃取時(shí)間3 h條件下，超臨界二氧化碳萃取得到的辣椒紅素提取率為10.54%，有機(jī)回流萃取提取率為4.86%。而通過(guò)質(zhì)量指標(biāo)的比較得到超臨界法萃取的辣椒紅色素色價(jià)高，色澤鮮艷呈暗紅色的油狀液體，無(wú)辣味；而有機(jī)法萃取的辣椒紅色素色價(jià)低，呈紅色油狀粘稠物，有辣味。比較兩種方法提取得到的辣椒紅素的穩(wěn)定性，可知光照6天后，超臨界法得到的辣椒紅色素色價(jià)損失率為12.90%，而溶劑法得到的辣椒紅色素色價(jià)損失率為21.68%，說(shuō)明超臨界法得到的辣椒紅色素光穩(wěn)定性要強(qiáng)于溶劑法。

2.4 醌類(lèi)的提取

醌類(lèi)化合物是中藥中一類(lèi)具有醌式結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分，主要分為苯醌、萘醌、菲醌和蒽醌四種類(lèi)型。它以游離態(tài)或苷的形式存在于丹參、大黃、茜草等中藥中。醌類(lèi)化合物具有著豐富的生物活性，如致瀉作用、抗菌止血作用、擴(kuò)張冠狀動(dòng)脈的作用、驅(qū)趕捕食者等其他作用[26]。因?yàn)轷?lèi)化合物的極性大，所以在用超臨界二氧化碳萃取時(shí)，需要較高的壓力，還要加入合適的夾帶劑。存在于大黃中的蒽醌主要為結(jié)合蒽醌，需要一定的酶將其結(jié)合力破壞才可以進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)定。薛鵬喜等[27]對(duì)超臨界二氧化碳萃取穗花大黃中總蒽醌的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定了最佳的工藝條件為萃取壓力25 MPa，萃取溫度 50 ℃，萃取2 h。所得到的提取物中總蒽醌的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 23.4 mg/g，總蒽醌轉(zhuǎn)移率達(dá)91.4%。未作君等[28]采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)超臨界萃取大黃游離蒽醌的條件進(jìn)行了優(yōu)化，最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)靜萃取時(shí)間為60 min、動(dòng)萃取時(shí)間為30 min、以乙醇作夾帶劑、乙醇用量300 mL·(100 g大黃)-1、萃取溫度45 ℃、萃取壓力45 MPa的條件下大黃游離蒽醌的萃取量達(dá)1.15%。薛鵬喜[29]考察了用超臨界二氧化碳萃取與有機(jī)溶劑提取兩種方法對(duì)穗花大黃中蒽醌化合物的提取效率進(jìn)行比較，用正交設(shè)計(jì)對(duì)超臨界二氧化碳萃取工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定了最佳工藝條件為以與藥材質(zhì)量比為1:1的5 mol/L的鹽酸對(duì)藥材進(jìn)行萃取前預(yù)處理，以95%乙醇作為夾帶劑，夾帶劑用量2:1萃取壓力25 MPa，萃取溫度45 ℃，二氧化碳流量22 L/h萃取時(shí)間為2.5 h。最后得到的浸膏量為3.58%，總蒽醌萃取率為2.12%。而用有機(jī)溶劑提取到的浸膏得率為10.52%，總蒽醌提取率為1.93%。由此可以看出，采用超臨界萃取工藝得到的萃取物質(zhì)量?jī)?yōu)于有機(jī)溶劑提取所得，而且超臨界萃取耗時(shí)少，萃取率高，對(duì)于萃取穗花大黃中蒽醌類(lèi)物質(zhì)具有巨大的價(jià)值與開(kāi)發(fā)的前景。

2.5 黃酮類(lèi)的提取

黃酮類(lèi)化合物泛指兩個(gè)具有酚羥基的苯環(huán)通過(guò)中央三碳原子相互連結(jié)而成的一系列化合物，其基本母核為2-苯基色原酮。黃酮苷一般易溶于水、乙醇、等強(qiáng)極性的溶劑中，但難溶于或不溶于苯、氯仿等有機(jī)溶劑中。黃酮類(lèi)化合物具有多方面的功效：它是一種很強(qiáng)的抗氧劑；可有效清除體內(nèi)的氧自由基；可以改善血液循環(huán)；可以降低膽固醇；可以抑制炎性生物酶的滲出；還可以增進(jìn)傷口愈合和止痛[30]。使用超臨界二氧化碳萃取可以克服傳統(tǒng)的提取方法提取效率低，成本高，分離過(guò)程復(fù)雜等缺點(diǎn)，而超臨界二氧化碳萃取提高了黃酮的提取率，萃取分離一步完成，產(chǎn)物純度高。王華芳[31]用超臨界二氧化碳萃取杜仲葉中的總黃酮，使用正交試驗(yàn)對(duì)萃取的工藝進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)提取溫度為50 ℃，壓強(qiáng)為30 MPa，時(shí)間120 min的工藝條件下，杜仲葉中的總黃酮提取率高達(dá)10.55%。湯芬等[32]用超臨界二氧化碳萃取荷葉總黃酮，優(yōu)化的工藝條件為萃取壓力45 MPa，溫度36 ℃，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)100%，萃取時(shí)間120 min。在該條件下荷葉總黃酮得率為3.3115 mg/g。宋若遠(yuǎn)等[33]研究發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳萃取的最佳提取工藝為提取溫度40 ℃，提取壓力30 MPa，提取時(shí)間1.5 h，夾帶劑流量 0.40 mL/min的條件下用來(lái)測(cè)定洋蔥皮黃酮，所得到的黃酮的提取率達(dá)到了7.89%。文穎等[34]用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)提取山楂核黃酮，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工藝條件為每50 g原料加入75%乙醇75 mL，萃取時(shí)間為90 min，萃取溫度40 ℃，萃取壓力 25 MPa，所得黃酮提取率為3.308%。馮吉南等[35]發(fā)現(xiàn)甘蔗葉中黃酮類(lèi)化合物用超臨界二氧化碳提取的最佳工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)70%，料液比1∶40(g/mL)，浸取時(shí)間為3.0 h，浸取溫度為70 ℃，在此條件下甘蔗葉黃酮類(lèi)化合物提取率可達(dá)5.81%?？梢?jiàn)超臨界二氧化碳萃取技術(shù)在黃酮類(lèi)化合物的提取中有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

超臨界二氧化碳萃取技術(shù)因其具有著操作溫度低，不會(huì)對(duì)熱敏性的物質(zhì)造成破壞，萃取的效率高，耗能低，工藝簡(jiǎn)單，二氧化碳經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，又可以循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了天然產(chǎn)物提取研究中的一種具有很好的發(fā)展?jié)摿Φ奶崛》椒ā５?，該技術(shù)也具有著自身的一些缺點(diǎn)，超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的選擇性不夠高，對(duì)強(qiáng)極性和分子量較大的物質(zhì)萃取率不高，通常需要加入含極性基團(tuán)的夾帶劑，雖然加入夾帶劑可以解決萃取率低的問(wèn)題，但是又會(huì)產(chǎn)生出新的問(wèn)題。所以對(duì)于夾帶劑的選擇至關(guān)重要，因此夾帶劑的選擇又將會(huì)是一個(gè)重點(diǎn)的研究方向。單一的超臨界二氧化碳萃取技術(shù)提取化合物對(duì)于該技術(shù)的發(fā)展具有著制約性，也對(duì)超臨界二氧化碳萃取技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有著前進(jìn)道路上的阻力。改變?nèi)苊?超臨界多元流體、添加夾帶劑)和與其他現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)聯(lián)用(如高壓液相色譜、毛細(xì)管電泳儀、質(zhì)譜儀、核磁共振等)將成為超臨界二氧化碳技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[36]。因?yàn)橹胁菟幍姆梅绞蕉嗖捎玫氖撬宸?，所以?guó)外已經(jīng)研究采用了全氟聚醚碳酸胺，這使得超臨界萃取技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了對(duì)于水溶性成分的提取[37]。另外，將超臨界二氧化碳萃取技術(shù)與傳統(tǒng)的提取方法相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)而很大程度的提高萃取的效率，增加產(chǎn)品的純度，對(duì)于超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的發(fā)展具有著舉足輕重的作用，也將推動(dòng)天然產(chǎn)物的研究向更高層次的發(fā)展。