超临界流体萃取在植物有效成分提取中的应用

刘 艳

(渭南师范学院化学与生命科学学院，陕西渭南714000)

超临界流体是指物质的温度和压力均超过该物质的临界温度(TC)和临界压力(PC)的状态.在这个状态下，物质同时具备一些液体和气体的某些性质，如密度接近于液体，粘度系数和导热系数介于气体和液体之间，扩散系数为液体的10～100倍，对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力，能够将物料中某些成分提取出来，易于压缩，而且其溶解度又随着密度的增加而增加(即溶解度会随着压力的增加而增加，随着温度的升高而降低).超临界流体这种不通过相变而方便地改变溶解度的特性极适合于萃取，从而对物质进行分离.从20世纪70年代开始，随着人们对能源、环境和健康的日益关注，超临界流体萃取的研究异常的活跃，呈现出勃勃生机［1］.作为一种节能、高效和清洁的分离技术，常用于植物中有效成分的分离［2］，有的分离过程已经在诸如食品、日化、制药、环保等工业部门中得到应用，显示了其独特的优越性.

1 超临界液体萃取的一般原理

用超临界流体萃取天然产物，一般用CO2作为萃取剂，这是因为它的临界温度和临界压力都比较低(TC=31.1℃，PC=7.38MPa)，操作条件温和，对一些热稳定性不好的物质的萃取特别适合.另外，CO2无毒，无残留，对环境不会造成任何污染，被萃取物也不会有任何残留，这对用于化妆、食品、医疗等行业的萃取物的萃取十分重要.同时，CO2不燃烧，操作安全.

超临界流体萃取过程没有相变发生，所以操作过程节能也是它得到广泛应用的另一个原因.在一般情况下，它对其他物质的溶解度随着压力的增加而增加，而密度又会随压力的变化而变化，这样，通过压力的增加，就可以使它方便地溶解某些物质，然后降低压力，使溶解度下降，使被溶解的物质析出，从而达到分离的目的.由于大多数的操作步骤都为自发过程，不耗能，所以整个过程耗能很小.萃取的效率和耗能的多少取决于前后的溶解度变化的大小，因为溶解度和密度有关，这就取决于超临界流体的压缩比，根据CO2的压力和温度的关系，在临界点附近，CO2的密度随压力的变化比较敏感，所以一般操作条件应选在临界点附近［3］.

超临界萃取的流程如图1［4］所示，萃取方法分为等温法、等压法和吸附法.等温度的过程是将含有目标分离产物的混合物在萃取器中与超临界CO2混合，目标组分溶解于超临界CO2中，然后超临界CO2从分离器中流出经减压阀降压，目标组分与超临界CO2分离，再经分离器后CO2加压经再生并进行下一步的操作.在这个过程中，温度不变，是通过压力的变化使其溶解度变化而达到分离的目的.在等压法过程中，萃取物被萃取后，经加热升温，溶解度降低而使目标组分分离，CO2则经降温后再生，重新返回萃取槽中.如果目标组分在超临界CO2的溶解度不大的情况时，则萃取的效率不高，可同采取吸附法，即含目标组分的混合物、超临界CO2共处于萃取槽中，经过萃取，溶有目标组分的超临界CO2流动至吸收器中的吸附剂上，被吸附在吸附剂上，而超临界CO2加压再生.

作为一种萃取溶剂，对要分离的物质或杂质的溶解性选择也是影响萃取效率的一个重要因素.超临界CO2的极性较小(其极性大约在正已烷和氯仿之间)，仅对极性较小的物质有较好的溶解性，对极性较大的物质，溶解度较小.为了使之溶解较大极性的物质，常加入第三种组分，即夹带剂，以增大其极性.常用的夹带剂有水、甲醇、乙醇、丙酮等.如在2×104kPa和70℃条件下，棕榈酸在超临界CO2的溶解度是0.25%，但在同样条件下，在其中加入重量10%的乙醇，溶解度可以提高到5%以上［5］.在超临界CO2加入夹带剂，不但能提高对目标组分的溶解度，而且会提高其选择性.在超临界CO2加入约14%的丙酮，甘油酯的溶解度提高了22倍.纯CO2几乎不能溶解咖啡因，加入了水以后，由于水本身的极性和生成了具有极性的H2CO3，使咖啡因从咖啡豆中游离出来，并在其中溶解.

图1 超临界流体萃取流程

2 超临界液体萃取植物中有效成分

植物中的某些成分具有特殊的作用，在医疗保健、食品、日用化妆等方面有着难以替代的作用，但这些成分一般热稳定性不好，用其他有机溶剂萃取，在萃取物中难免留下有机残留，从而产生健康隐患.超临界CO2的温和萃取条件和无任何残留的特点正好在这个领域发挥作用.

2.1 植物精油的萃取

精油是从植物的花、叶、茎、根或果实中，通过各种提取法提炼萃取的挥发性芳香物质.精油可由250种以上不同的分子结合而成.这些分子以不同的比例共同存在着，使得每种植物都有其特殊性，也因此精油对人体有一些特殊的作用.精油可以通过皮肤渗透、呼吸作用进入人体，可防传染病，对抗细菌、病毒、霉菌，可防发炎、痉挛，促进细胞新陈代谢及细胞再生功能.用超临界CO2萃取精油的研究很多，有的已经实现工业化.

玫瑰精油是最古老的香精油之一.大量研究表明：玫瑰精油中含大量的烷烃、香茅醇、香叶醇、橙花醇、丁子香酚、甲醚、单萜和倍半萜等多种化合物［6］.具有理气、活血、养颜、疾病预防等作用，用于食品、酿酒、熏茶、化妆品和调配高级香精等.目前大多数的提取采用水蒸气蒸馏法，但其精油收率较低，且由于高温气体的作用，引起高挥发组分的失散，所得的精油颜色深、气味不纯.而采用超临界CO2萃取，高挥发性的头香物质及低挥发性的体香和尾香物质都可以得到，品质和收率都大大提高.王淑敏等［7］采用超临界CO2对两种玫瑰的精油进行了萃取实验研究，并对其产品成分进行了气相色谱—质谱联用技术分析.通过正交实验确定了最佳工艺件：萃取压力20MPa，分离压力7MPa，分离温度35℃，萃取温度40℃.并且分析了玫瑰精油中的75种挥发油成分和两种玫瑰精油香气不同的原因.李斌等［8－9］通过单因素和正交试验研究了超临界CO2萃取玫瑰精油的最佳工艺条件.原料粒度60目，流量18L/h，萃取时间1.5h，温度40℃，压力16MPa.同时通过实验研究了粒度、萃取温度、压力、流量、时间5个因素对玫瑰精油萃取率的影响主次，顺序为：粒度＞时间＞CO2流量＞温度＞压力.除此之外，赵汉臣等［10］也对玫瑰精油萃取的最佳工艺条件进行过实验研究.

沙棘是一种落叶性灌木，其特性是耐旱，抗风沙，可以在盐碱化土地上生存，因此被广泛用于水土保持.国内分布于华北、西北、西南等地.沙棘的根、茎、叶、花、果，特别是沙棘油含有丰富的营养物质和生物活性物质，具有止咳化痰、健胃消食、活血散瘀之功效.现代医学研究表明，沙棘可降低胆固醇，缓解心绞痛发作，还有防治冠状动脉粥样硬化性心脏病的作用.用超临界流体萃取沙棘油的研究也有较多的报道.银建中等［11］对超临界CO2萃取沙棘油进行了实验研究，建立了一套萃取装置，考察了萃取温度、压力、物料充填量及时间对萃取率的影响.结果表明，当压力为20～30MPa，温度为35℃ ～40℃时，可获得较高的萃取率.同时银建中等［12］还根据萃取器单元的质量守恒建立了微分方程，对一定萃取条件下的实验结果进行了数值摸拟，确立了萃取过程的数学模型.另外，秦学磊等［13］也对萃取的条件进行了实验研究.

2.2 植物色素的萃取

植物中的天然色素色彩艳丽，同时具有一定的营养价值，如辣椒色素、玫瑰红色素、胡萝卜色素等，这些色素常用于食品、冷饮、化妆品等方面.传统的溶剂萃取会使产品带有有机残留，而且由于萃取温度高，使颜色发生变化.用超临流体萃取，克服了上述缺点，是色素提取的发展方向.

辣椒红色素是从辣椒中提取的红色粘性油状液体色素，在国内有一定生产规模的企业有十几家，主要采用溶剂萃取，所得的产品有有机残留，且具有辣椒的特殊气味，难以满足国内外用户的要求.姜爱丽等［14］将两种方法相结合提取辣椒红色素.将干辣椒洗净，去籽后粉碎，先用丙酮萃取辣椒油树脂，再用超临界CO2提取其辣椒红色素，发挥了有机溶剂处理量大，而超临界CO2萃取可以去除有机残留，提高色素品质的优点.同时提出了最佳的工艺条件：萃取釜温度35℃，萃取压力30MPa，该条件下萃取物色价增加.而且技术重复性好.王玉琪等［15］将干辣椒先用石油醚萃取得到辣椒树脂，再用超临界CO2去除辣椒树脂中的有机残留，研究了压力、温度及装填系数对萃取的影响，从而完成色素的提纯与分离，得到深红色的油状液体，其产品的技术指标优于国标(GB10738-1996)的规定.姜炜［16］对产于新疆的辣椒红色素，用溶剂萃取后进一步用超临界CO2萃取，得到了色价达150，可用于食品的低有机残留的辣椒色素.

番茄红素是类胡萝卜素的一种，作为一种天然色素存在于自然界中，呈红色，因最早于番茄中发现而得名.番茄红素熔点为174℃，难溶于甲醇、乙醇，不溶于水，可溶于乙醚、乙烷，易溶于氯仿、二硫化碳、苯等有机溶剂.由于独特的结构和性质使其具有抗坏血酸活性、猝灭单线态氧和清除过氧化氢等作用，广泛用于保健食品、医药和化妆品，是很有开发价值的功能性天然食用色素.用超临界流体萃取番茄红素，具有无化学溶剂消耗和残留，无污染，避免萃取物在高温下的热裂解，保护生理活性物质的活性.张劲［17］等研究了各种工艺参数对萃取番茄红素的影响：除萃取压力、温度、时间和夹带剂等主要影响因素外，预处理也是影响提取率和纯度的关键步骤.他们采用皂化和乙醇对番茄皮进行预处理，以90%乙醇为夹带剂，在萃取压力35MPa，萃取温度60℃，解析温度45℃的条件下，流动萃取1.5～2.0h，番茄红素提取率可达到93.81%.

除了上述色素，其他的天然色素如枸杞红素［18］、玉米黄素［19］、栀了黄［20］、沙棘黄［21］、可可色素［22］与葡萄色素［23］的超临界CO2提取的研究也有较多的报道.

2.3 中药的有效成分的提取

随着超临界流体萃取研究的拓展，近年来国内学者将这种方法用于中药有效成分的提取，成果显著，这也将促进中药的现代化和国际化，改变传统的中药丸、散、膏、丹令人难辨的状态.目前，这方面的研究主要集中在单味天然药物有效成分的提取和复方天然药物的提取.超临界流体萃取的应用又分为从中药中提取其有效成分形成新的药物制剂，又可以将超临界流体萃取和其他仪器分析结合起来，对有效成分进行更准确的定量分析.

黄芪为豆科紫云属膜荚黄芪或蒙古黄芪的干燥根，具有补气固表、利尿抗毒等功效，其中黄芪甲苷是黄芪中的主要有效成分，具有抗氧化、抗炎、降压、强心及抗缺血缺氧等功能.蒙英等［24］用超临界CO2萃取提取黄芪皂苷，以黄芪甲苷提取率为衡量指标，采用香草醛—硫酸比色法测定黄芪甲苷的含量.考察了压力、温度、时间和夹带剂用量对黄芪甲苷提取率的影响.黄芪皂苷的最佳工艺条件：粒度60目;压力35MPa;温度45℃;用95%乙醇为夹带剂，用量4mL/g;CO2流量3.7L/h;萃取时间2.5h;黄芪甲苷萃取率0.234mg/g.

菁蒿素是存在于一年生草本植物中菁蒿(又称黄花蒿)中的含过氧桥的新型半萜内酯，具有抗疟、抗菌、解热和增强免疾等生理活性，已被世界卫生组织推荐为制疟的首选药物.传统的提取法多为丙酮，乙腈等溶剂提取硅胶柱层析工艺，但萃取率不高，产品中溶剂残留等.胡淼等［25］将菁蒿全草晒干、粉碎和筛分后用超临界CO2萃取，萃取物用HPLC-UV当测量含量.考察了粒度、原料含水量、流量、温度、压力和萃取时间这些因素的影响，在较佳条件下，即萃取压力20MPa，萃取温度50℃，每千克原料CO2质量流量1kg/h，在优化条件下萃取4h，萃取率达到95%以上，萃取物纯度在15%以上.葛发欢等研究了用超临界CO2提取菁蒿素的工艺，同时还进行了放大实验，使产品质量达到标准，和传统的(如汽油法)相比，生产周期缩短100h，生产成本降低447元/kg.

另外，其他中草药的超临液体萃取的研究也有较多的报道，如丹参中丹参酮ⅡA的提取［26］，当归中当归根油的提取［27］，还有黄檗中小檗碱提取［28］等.

3 结语

超临界流体萃取由于其萃取条件温和，无任何有机残留的特点，具有广阔发展的前景，必将广泛地应用在植物中有效成分的提取中.今后的发展方向是：第一，超临界流体萃取是一个由溶剂、萃取原料、夹带剂等组成的一个复杂的多相多组分系统，而且在萃取过程中温度、压力有一定的变化范围，现阶段对某一对象的应用研究较多，但对某一特定系统的相变规律、溶解度的变化与分布规律的研究并不多，应加强这一方面的基础.第二，和其他的提取方式相结合，发挥各自的优势，是尽快扩大超临界流体萃取实际应用的一条新途径.第三，在中药的有效成分的提取中，一方面通过提取和其他现代仪器分析手段结合起来，分析中药有效成分的化学组成与作用机制;另一方面加强有效成分的萃取研究，使其尽快地实现工业化，是中医药走向现代化和走向世界的另一条途径.

［1］张镜澄.超临界流体萃取［M］.北京：化学工业出版社，2000.

［2］方立.超临界流体萃取技术及应用［J］.化学推进剂与高分子材料，2009，7(4)：34－48.

［3］刘亚强，王大伟，李先文，等.现代化学概论［M］.西安：陕西师范大学出版社，2001.

［4］肖峰.大豆磷脂的提取及流程经济性分析［D］.大连：大连理工大学硕士学位论文，2004.

［5］Marentis R T，Charpentier B A.Supercritical fluid Extraction and chromatography［M］.Washington：ACB，1988.127.

［6］刘纪正，刘建华.玫瑰与玫瑰油分析［J］.山东科学，1991，4(1)：71 －76.

［7］王淑敏，刘春明，邢俊鹏，等.玫瑰花中挥发油成分的超临界萃取及质谱分析［J］.质谱学报，2006，27(1)：4－49.

［8］李斌，孟宪军，智红涛，等.SCF-CO2对玫瑰精提取的研究及GC/MS分析［J］.农业科技与装备，2006，(6)：45－49.

［9］李斌，孟宪军，刘辉.超临界流体 CO2萃取玫瑰精油的研究［J］.食品工业科技，2005，26(11)：105－107.

［10］赵汉臣，杨峰，武晓琼，等.超临界流体萃取当提取玫瑰挥发油的实验研究［J］.中国药房，2005，16(15)：1132－1133.

［11］银建中，孙献文，原华山，等.超临界CO2流体萃取沙棘油的实验研究［J］.化学工业与工程，2001，22(6)：9－11.

［12］银建中，毕明树，孙献文，等.超临界CO2萃取沙棘油的实验研究及数值模拟［J］.高校化学工程学报，2001，15(5)：481－485.

［13］秦学磊，张红云，符锋.超临界CO2流体萃取沙棘油最佳工艺条件研究［J］.广东农业科学，2009，(5)：127－129.

［14］姜爱丽，胡文忠，刘程惠，等.辣椒红色素的超临界萃取［J］.加工工艺，2009，9(6)：50 －53.

［15］王玉琪，陈开勤，姚瑞清，等.超临界流体萃取辣椒红色素［J］.化学工程，2008，36(8)：9 －12.

［16］姜炜.超临界萃取技术在辣椒红色素中的应用［J］.南京理工大学学报(自然科学版)，2002，26(1)：80－82.

［17］张劲，李振山，黄文，等.超临界萃取番茄红素影响因素的研究［J］.食品与发酵工业，2006，32(5)：159－162.

［18］李守君.超临界流体CO2萃取枸杞子红色素的工艺条件研究［J］.中国食品添加剂，2004，(2)：25－27.

［19］李大婧，刘荣，王萍.超临界 CO2萃取玉米黄色素的实验研究［J］.中国粮油学报，2005，20(5)：31－35.

［20］李雄，陈茜文.栀了黄色素的二氧化碳超临界萃取研究［J］.湖南农业科学，2010，(1)：85－87.

［21］殷丽君，殷力，孔书敬.超临界CO2萃取沙棘黄色素的研究［J］.中国林副特产，2000，(2)：3－4.

［22］吴朝霞.超临界萃取葡萄籽油及原花青素(OPC's)的初步探讨［J］.食品科技，2005，(7)：47－49.

［23］高德勇，林春绵.超临界CO2萃取可可脂与可可色素的试验研究［J］.食品与发酵工业，1995，(3)：16－20.

［24］蒙英，赵旭壮，李明元.超临界 CO2萃取黄芪皂苷的工艺研究［J］.食品与发酵科技，2011，47(4)：42－44.

［25］胡淼，钱国平，杨亦文，等.超临界CO2提取青蒿素的工艺［J］.江南大学学报(自然科学版)，2006，5(1)：100－103.

［26］宋启煌，姚煜东，林惠崇，等.超临界 CO2萃取丹参酮ⅡA的研究［J］.精细化工，2004，21(增刊)：125 －129.

［27］刘强，陈芝飞.超临界 CO2流体萃取当归根油工艺研究［J］.农产品加工，2010，(11)：70－71.

［28］张玉红，温慧.黄檗中小檗碱的超临界二氧化碳萃取工艺研究［J］.林产化学与工业，2010，39(4)：103－106.