亚临界水萃取技术及其在林下资源活性成分提取中的应用

范泽琨，许莹莹，张宇，肖康曼，李德海

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）



亚临界水萃取技术及其在林下资源活性成分提取中的应用

范泽琨，许莹莹，张宇，肖康曼，李德海

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

摘要：林下资源生长在纯天然的环境中，受污染情况小，具有较高的安全性能、广泛的营养价值和较强的生理功能.因此，提取林下资源活性成分和开发功能性产品成为人们的研究热点.亚临界水萃取技术由于具有无毒、无害、环保、无污染、对活性成分不破坏不氧化、产能大和成本低等诸多优点，受到研究者的重视和应用.亚临界水技术是将水加热到100～374 ℃临界温度范围，通过改变温度，改变了水中的氢键强度，从而使水的极性发生了改变，实现了水溶性物质和脂溶性物质的连续性和选择性提取.该技术常用于萃取蛋白质、多糖、酚类、醌类和挥发油等天然功能性成分.重点阐述了亚临界水萃取技术在林下资源活性成分提取中的应用情况，为林下资源的开发提供参考.

关键词：亚临界水；林下资源；功能成分；提取

亚临界水是近年来新兴的一种提取方法，早期被应用于土壤等环境样品中污染物的检测与提取［1］，近年来逐渐在食品行业得到了重视并且有了广泛的应用，尤其在植物活性物质的提取上更是得到了广泛的应用.长期以来，人们对植物中的各种活性物质的提取通常使用超临界CO2、有机溶剂萃取和水蒸气蒸馏等方法.这些方法往往具有许多缺点，如提取溶剂残留、成本高、效率低下等.亚临界水的出现，正好克服了这些缺点，并因其具有无毒环保、高效节能、提取快速优质等优点，问世以来迅速获得了人们的广泛关注，并得到了广泛的应用.基于亚临界水在食品行业的广泛研究与应用，本文主要介绍亚临界水技术及其在林下资源产品活性成分提取中的应用.

1　亚临界水提取技术在林下资源活性物质提取中的重要性

1.1 林下资源的发展优势

林下资源涵盖内容十分丰富，既包括生物性成分也包括非生物性成分，如矿物质资源等.目前，林下植物资源应用最广，从高等植物到食用菌（一般归到植物类），林下资源丰富的地区主要是东北大兴安岭，西南横断山区等.林下资源产品因为其独特的地理优势，加之野外生长比较多，化肥农药污染比较轻，所以使得一些产品（如坚果，食用菌等）的商品价值增高.林下资源的开发利用，活性物质的提取势必需要一种无溶剂污染、省时省力的方法.为了保证提取物质的产品质量，一些坚果类和药食同源类林下资源的精深加工可以首选亚临界水法.

1.2 亚临界水提取技术的简介

所谓亚临界水提取技术就是采用水作为提取溶剂，加热到100 ℃以上，374 ℃以下的临界温度，并保持高压，使得水仍然处于液态，用这种特殊状态的水来提取物质［2］.亚临界状态下的水具有很多特性，首先，由于高压和高温，水的极性发生改变，由极性向非极性物质转变，使得水自身的介电常数降低.实验表明，在22.1 MPa的高压下，水的介电常数随着温度的升高逐渐降低［3］，这意味着水的极性可以在一个相对宽松的范围内发生变化，从而使得其对中等极性乃至非极性的物质有着相当好的溶解性.通过温度的改变，可以使亚临界水对于脂溶性物质的溶解性接近有机溶剂，从而解决了普通水难以溶解脂溶性物质的问题.其次，亚临界状态下水以氢离子和氢氧根离子存在，具有酸碱的性质，因此可以提取极易溶于酸碱的活性物质.第三，亚临界状态下的水，黏度及表面张力降低，扩散能力增强，此状态下的水对细胞膜的穿透力和对细胞内活性物质的溶解能力增强.因此，更有利于活性物质的提取，提高提取率.但是亚临界状态的水存在一些弊端，由于实验条件为高温高压，此种情况下，活性物质更容易发生分解，聚合反应，使所得产品的副产物较多，纯度降低.一般影响亚临界水提取的因素有提取时间、提取压力、提取温度、萃取溶剂和液料比等.

1.3 亚临界水提取技术在林下资源开发中的应用

实验表明，用亚临界水提取牛至叶的精油，在150 ℃时提取15 min即可提取完全，比水蒸气蒸馏提取3 h的提取率高5.1倍，且精油的质量较好［4］.李双明［5］等采用亚临界水法提取东北红豆杉中的多糖，并与热水回流提取和超声波辅助提取相比较，发现亚临界水提取法得率为3.03%，远远高于两者.徐志宏［6］等采用亚临界水法和有机溶剂提取法提取了丹参中的脂溶性物质，发现亚临界水更环保，更节省能源，当两者提取量相同时，亚临界水法需要的溶剂少，提取时间短.Yang H［7］等采用亚临界水法提取沙棘叶中的活性物质，并检测了活性物质的成分，发现提取物中总酚质量分数为76.07～93.72 mg/g，类黄酮质量分数为47.06～66.03 mg/g，较其他提取方法高.

2　亚临界水在林下资源活性物质提取中的应用

2.1 亚临界水在林下资源中提取多酚类物质的应用

植物多酚又称植物单宁，是一类大分子多元酚化合物，广泛存在于植物的皮、根、叶和果中，含量可达20%.多酚在制革、化工、医药和食品中有着广泛的应用，并且是许多药用植物的主要成分，通过亚临界水提取技术，可以实现对植物多酚的提取.亚临界水在林下资源产品中提取多酚的最佳提取条件见表1.

除此之外，对于多酚类的物质，水处在亚临界状态，具有特殊的性质，一定程度上会对提取物质分解有加速或者减弱的影响.李霄虹［8］等采用亚临界水法研究了杉木中碱木质素的解聚特性，发现温度升高可以增加愈创木酚的提取效率，使得总酚含量升高，但当温度高达350 ℃时，得到的碱木质素高度缩合炭化，实用价值减低.

表1 亚临界水在林下资源产品中提取多酚的最佳提取条件

2.2 亚临界水在林下资源中提取黄酮类物质的应用

黄酮类物质广泛存在于植物中，是一类存在于自然界的、具有2-苯基色原酮（flavone）结构的化合物，其种类繁多，且结构复杂，几乎大部分植物中都含有黄酮.近年来的研究表明，黄酮类化合物具有许多种生物活性，尤其在心脑血管疾病和呼吸系统疾病的治疗上，表现出良好的效果.更有研究表明，其在抗氧化、抑菌和抗肿瘤等方面，有着不俗的效果［14］.亚临界水在提取黄酮方面目前已见不少的应用，目前已从大豆胚芽，葛根等植物中提取出了黄酮.亚临界水在林下资源产品中提取黄酮的最佳提取条件见表2.

表2 亚临界水在林下资源产品中提取黄酮的最佳提取条件

2.3 亚临界水在林下资源中提取挥发油及脂溶性物质的应用

植物的挥发油又叫精油，是植物中的一种重要成分，其成分较为复杂，具有芳香的味道.植物的挥发油具有非常多的生理功能.研究表明，许多植物的精油具有抗菌降压、舒缓神经［20］，甚至是抗癌的作用［21-22］，由于其具有的这些功效，植物的挥发油被广泛应用，并具有非常可观的经济价值.传统精油的提取方法主要是通过水蒸气蒸馏或者溶剂浸取的方法，这种方法不仅提取的效率低，同时也存在溶剂残留难以彻底分离的问题.通过亚临界水提取精油的方法目前已经得到了相当广泛的研究，亚临界水在植物挥发油的提取上，具有较大的优势.这是因为挥发油成分沸点比较高，不易分解，采用亚临界水法往往会取得更高的提取率.Basile［23］等采用亚临界水法和水蒸气蒸馏法对迷迭香里的挥发油进行了提取，发现亚临界水法提取下的产率比较高，而且挥发油不易氧化变质，质量更好.亚临界水在林下资源产品中提取挥发油及脂溶性物质的最佳提取条件见表3.

表3 亚临界水在林下资源产品中提取挥发油及脂溶性物质的最佳提取条件

除了用来提取挥发油，亚临界水还被用来提取植物中的各种脂溶性物质.姚茂君等［29］使用亚临界水提取了牡丹籽油，发现其提取的最佳工艺是50 ℃，0.5 MPa，30 min.徐娟［30］等采用亚临界水法提取橡胶籽油，并探究了亚临界水影响因素对橡胶籽油水解反应的影响，发现在一定范围内增加反应压力，增加水油配比均能促进水解反应.

2.4 亚临界水在林下资源中提取糖类化合物的应用

植物中的碳水化合物包括2部分，一类是可以被人体利用的糖类，另一类不可以被人体利用.但对人体生理功能具有促进作用，如纤维素、木质素.目前已被开发的林下产品中，木耳多糖为酸粘性多糖，具有降血脂，抑制血小板聚集，抗血栓形成，提高免疫力等功效.香菇多糖是一种宿主免疫增强剂.独特的环境优势使得林下产品相对比较安全，无污染，食用菌类作为林下产品的一大群体，近年来更是得到人们的青睐，亚临界水因为溶剂是水，不存在试剂污染问题，所以人们多愿意采用这种提取方法.亚临界水在林下资源产品中提取碳水化合物的最佳提取条件见表4.

表4 亚临界水在林下资源产品中提取碳水化合物的最佳提取条件

亚临界水法有时会作为辅助提取手段应用于实验，提取效果会明显高于单纯的提取实验，而且可以避免试剂污染，缩短提取时间.戈延茹［36］等采用了微波-亚临界水法、超声波法、煎煮法以及微波法进行了红景天多糖提取实验，发现采用亚临界水辅助提取的情况下，提取率明显高于其他方法.可能因为在亚临界状态下水的渗透性增强，使得红景天粉末多糖成分暴露在表面，与溶剂接触面积增大.而且，亚临界状态下的水极性减弱，溶解多糖能力增强.

2.5 亚临界水在林下资源中提取其他活性物质的应用

亚临界状态下的水，在高温条件下存在高离子积和低极性等特点，使得林下资源产品中的一些活性成分发生聚合或者降解反应.Baek［37］等利用亚临界水法提取甘草中的活性物质抗氧化能力大大增强，可能因为高温高压条件下易氧化的物质发生了反应生成了更稳定的活性物质，降低了常温下被氧化的可能性.Deng C H［38］等采用亚临界水法提取川芎、当归中的酯类物质，发现在150 ℃，10～30 min，水流速1 mL/min时提取率最佳.张丽影［39］等采用亚临界水萃取工艺提取了丹参中的红色素，发现温度对提取率的影响最大，其次是物料粒径，料液比和时间，获得了提取的最优条件为萃取温度200 ℃，物料粒径40～60目，液固比为25∶1 mL/g，萃取时间10 min，比采用乙醇法提取率高0.319%.

3　展望与总结

亚临界水法水作为一种绿色、环保、高效的提取方法，必将会广泛应用到林下产品活性物质提取中，尤其是对于药食同源类的食物，为了保证提取物质的安全性，亚临界水法将会受到越来越多的关注.但同时，亚临界水也存在某些缺点，其无法单一分离植物中的有效成分，对不耐高温物质的提取无法进行，高温高压下容易使提取物质发生降解反应，工业化连续生产比较困难等缺点，需要在日后加大研究，改进实验方案.亚临界水法还存在着对设备要求较高，操作存在一定危险性的缺点，随着亚临界水法的广泛应用，亚临界提取设备的改良与简化将逐渐提上日程.

参考文献：

［1］ Wiboonsirikul J，Kimura Y，Kadota M，et al.Properties of extractsfrom defatted rice bran by its subcritical water treatment［J］. Journalof agricultural and food chemistry，2007，55（21）：8759-8765

［2］ Singh P P，Saldana M D A.Subcritical water extraction of phenolic compounds from potato peel［J］.Food Research International，2011，44（8）：2452-2458

［3］ 赵超.超声强化亚临界水提取枸杞多糖的研究［D］.广州：华南理工大学，2014

［4］ Jimenez-Carmona M M，Ubera J L.Comparison ofcontinuous subcritical water extraction and hydrodistillation of marjoram essential oil［J］.Journal of Chromatography A，1999，855（2）：625-632

［5］ 李双明，于三三，贾岩.亚临界水萃取东北红豆杉加工废弃物中的多糖［J］.林产化工与工业，2012，32（5）：106-110

［6］ 徐志宏，钱广生，李章万，等.丹参中脂溶性成分的亚临界水提取方法研究［J］.分析化学研究报告，2003，31（11）：1307-1310

［7］ Yang H，Holloway P H，Santra S.Water-soluble silica-overcoated CdS：Mn/ZnS semiconductor quantum dots［J］.J Chem Phys，2004，121（15）：7421-7426

［8］ 李霄虹，武书彬.亚临界水中杉木碱木质素的解聚特性分析林［J］.林产化学与工业，2015，35（3）：60-66

［9］ 薄采颖，郑光耀，陈琰，等.松树皮多酚的亚临界水提取及抗氧化活性初探［J］.林产化学与工业，2011，31（6）：73-75

［10］ 樊蕊，高彦祥，袁芳，等.亚临界-水萃取甘草抗氧化物质的研究［J］.食品科技，2014，39（2）：192-197

［11］ 李婧秋，白新鹏，李幼梅，等.亚临界水提取油棕果渣多酚响应面优化研究［J］.食品安全质量检测学报，2015，6（7）：2708-2709

［12］ Khajenoori M，Haghighi A，Hormozi F.Proposed models for subcritical water extraction of essential oils［J］.Chin J Chem Eng，2009，17（3）：359-365

［13］ Cacace J E，Mazza G.Pressurized lowpolaritywaterextraction of lignansfrom whole flaxseed［J］.Journal of Food Engineering，2006，77（4）：1087-1095

［14］ 曹纬国，刘志勤，邵云，等.黄酮类化合物药理作用的研究进展［J］.西北植物学报，2003，23（12）：2241-2247

［15］ 尹立影，张永忠.亚临界水法提取红三叶中的总异黄酮［J］.草叶科学，2012，29（10）：1628-1629

［16］ 周丽，张博雅，张永忠.亚临界水提取葛根中总异黄酮的研究［J］.中草药，2012，43（3）：492-494

［17］ 丛艳波，张永忠，刘潇.亚临界水提取槐角中总异黄酮的研究［J］.中草药，2010，41（5）：717-719

［18］ 薄采颖，郑光耀，高丽萍，等.亚临界水提取协同大孔树脂纯化杨树芽总黄酮［J］.林产化学与工业，2014，34（4）：108-111

［19］ 董兴叶，许明君，邓辰辰，等.亚临界水萃取杜仲叶黄酮类化合物工艺优化研究［J］.河南工业大学学报：自然科学版，2016，37（1）：84-87

［20］ Swamy K M，Narayana K L.Intensification of leaching process by dual-frequncyultrasound［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2001 （8）：341-346

［21］ Perrut M，Clavier J Y，Poletto M，et al.Mathematical Modeling of Sunflower Seed Extraction by Supercritical CO2［J］.Ind Eng Chem Res，1997（36）：430-441

［22］ Berna A，Tarrega A，Blasco M，et al.Supercritical CO extraction of essential oil from orange peel，effect of the height of the bed［J］.Supercrit Fluids，2000，18（3）：227-237

［23］ BASILE A，JIMENEZ-CARMONA M M.Extraction of rosemary by superheated water［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1998，46（12）：5205-5209

［24］ 白晓莉，龚荣岗，董伟，等.茶树花精油的亚临界水提工艺及在卷烟中的应用研［J］.食品工业，2013，34（6）：120-122 ［25］ GUO Juan，XING Xiao-yang，KONG Ling-hui，et al.Extraction of Essential Oil from Dried Zanthoxylum Bungeanum Maxim by Subcritical Water［J］.Chemistry& Bioengineering，2009，26（2）：18-21

［26］ 刘小草.超声强化亚临界水提取沙姜精油的研究［D］.广州：华南理工大学，2010

［27］ Ozel M Z，Gogus F，Lewis A C.Subcritical water extraction of essential oils from Thymbra spicata［J］.Food Chemistry，2003（82）：381-386

［28］ 郭娟，杨日福，范晓丹，等.肉桂精油的亚临界水提取［J］.林产化学与工业，2014，34（3）：92-98

［29］ 姚茂君，李静.牡丹籽油亚临界流体萃取工艺优化［J］.食品科学，2014，35（14）：53-55

［30］ 徐娟，包桂蓉，王华，等.亚临界水中橡胶籽油水解反应的实验研究［J］.化学工程，2010，38（1）：46-49

［31］ 娄冠群，张永忠，李振艳，等.亚临界水提取香菇多糖的工艺研究［J］.东北农业大学学报，2010，41（2）：138-142

［32］ Harry I，Ibrahim H，Thring R，et al.Catalytic subcritical water liquefaction of flax straw for high yield of furfural［J］.Biomass and Bioenergy，2014，71：381-393

［33］ 张锐，张旭，刘建群，等.党参的亚临界水提取工艺优选［J］.中国实验方剂学杂志，2013，19（10）：34-37

［34］ 纪丽丽，那娜.亚临界水提取平菇多糖的研究［J］.安徽农业科学，2013，41（1）：302-303

［35］ 邵婷婷，张海晖，段玉清，等.亚临界水萃取板栗多糖及其清除自由基活性研究［J］.食品科技，2012，37（12）：156-160

［36］ 戈延茹，吉顺莉，张春燕，等.微波-亚临界水法提取红景天多糖［J］.食品研究与开发，2010，31（2）：45-47

［37］ BAEK J Y，LEE J M，LEE S C.Extraction of nutraceutical compounds from licoriceroots with subcritical water［J］.Separation and Purification Technology，2008，63：661-664

［38］ Deng C H，Ji J，Wang X C，et al.Development of pressurized hot water extraction followed by headspace solid-phase microextraction and gas chromatography-mass spectrometry for determination of ligustilids in Ligusticum chuanxiong and Angelica sinensis［J］.Sep Sci，2005，28（11）：1237-1243

［39］ 张丽影，于国萍，于纯淼.丹参红色素的亚临界水萃取工艺［J］.食品科学，2010，31（22）：110-113

The application of extract on bioactive constituents of under-forest resources by subcritical water technology

FAN Ze-kun，XU Ying-ying，ZHANG Yu，XIAO Kang-man，LI De-hai
（School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Abstract：The under-forest resources grow up in pure environment，they are with less pollution，high safety property and stronger physiological function.Therefore the extraction of bioactive substances in the under-forest resources attracts people′s attention.The subcritical water technology has been concerned and applicated by reasercher becaues of its aboundant of advantages such as non-toxic，harmless，environmental friendly，no pollution，no damage to bioactive components，high productivity and low cost.The subcritical water technology is the water heated to 100～374 ℃，by changing the temperature to change water hydrogen bonding strength，so the polarity of water has changed . The water soluble substances and fat soluble substances can be extracted continuously and selectively.Commonly used to extract natural functional substances such as protein，polysaccharide，phenols，quinones and volatile oil.Mainly intruduces the usage of extraction of bioactive substances in the under-forest resources，which will provide reference to exploit the under-forest resources.

Key words：subcritical water；under-forest resources；bioactive constituents；extraction

中图分类号：Q949.91

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2016.05.012

文章编号：1007-9831（2016）05-0040-05

收稿日期：2016-03-16

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12543015）；东北林业大学大学生国家级创新实验项目（201510225070）

作者简介：范泽琨（1995-），男，湖南岳阳人，在读本科生.E-mail：1003789222@qq.com

通信作者：李德海 （1976-），男，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，主要从事食品化学及植物有效成分方面的研究.E-mail：lidehaineau@163.com