超临界流体萃取技术的研究与应用

陈淦铭

超临界流体萃取技术的研究与应用

陈淦铭

（中国刑事警察学院，辽宁 沈阳 110035）

超临界流体萃取技术在农业生产、中医药品、食品加工、化工等工业中有广泛的应用，具备分离效果好、产率高及环保等优势，现已逐渐取代传统方法来获取更高品质的产品。介绍了超临界流体的概念及萃取技术，并概述了该技术在各方面的应用及发展前景。

超临界流体；萃取技术；应用；发展趋势

1 超临界流体的简介

1.1 超临界流体的概念

图1为物质的三相图，图1中可以看出物质是以3种状态存在的，通过压力和温度的改变在三相中转换。当物质温度超过C、压力超过c时，就进入图中的右上角所示的超临界状态。此时的物质与三相不同，属于新的单一相，被称为超临界流体（SCF）[1]。

图1 三相图

1.2 超临界流体萃取的基本原理

所谓超临界流体萃取，就是当物质处于超临界状态时，环境的压力和温度与被萃取物在超临界流体内的溶解度有密切的关联，由此能够将各物质进行萃取分离。当超临界流体与被萃取物混合后，超临界流体会根据各物质的极性、沸点等性质不同进行萃取分离。

2 超临界流体萃取的研究

2.1 超临界流体的溶剂特性

当气体超过临界点后，不会因外界压力的改变而发生液化。超临界流体是新的单一相，所以其性质与气、液体均不完全相同，而是介于液相与气相之间，其密度和溶解能力与液体相仿，黏度等性质与气体更加接近。表1为超临界流体的性质。

表1 超临界流体的性质

除此之外，在超临界流中当压力和温度稍有改变，溶质在SCF中的溶解度就会有明显改变。正是由于超临界流体的特殊性质，可以通过其改变物理性质，主要是温度、压力来改变溶剂的溶解能力，从而根据需求将被萃取物分离，这使得SCF萃取技术在各方面都取得突破性进展。

2.2 超临界流体作为萃取剂的条件

并不是所有的超临界流体都可以作为萃取剂，可作为萃取剂应符合以下条件：化学性质稳定，在萃取过程中不发生反应；临界温度C适宜，最好满足能够在常温下进行操作；操作温度能够保证被萃取物不会发生分解；临界压力c不应太高，节约成本；能够有效分离被萃取物；应具备较好的溶解性；容易获取，价格实惠，最好选择无毒无害的气体。

目前可作为萃取剂的有：氨、乙烷、笑气（N2O）、丙烯、二氧化碳等。研究表明，氨的极性较强，但受萃取温度限制，目前只适合萃取石油中胺类等极性化合物；乙烷极性较弱，应用不广；笑气（N2O）和CO2为中等极性，两者性能较为相似，但由于N2O对人有麻醉作用，在实际应用中N2O使用并不多。故目前应用最广泛的SCF溶剂是CO2。表2是几种常见萃取剂的临界参数。

表2 几种超临界流体的临界参数

2.3 夹带剂的研究

在研究过程中发现，除了改变环境物理条件可以对被萃取物在SCF中的溶解能力产生影响之外，在构成的二元体系中加入另一组分，也可以改变某些物质在SCF中的溶解度，加入的新组分甚至还可以改变SCF的选择性溶解。在SCF萃取中，将具有这些作用的新组分称作夹带剂。

夹带剂在SCF生产中的作用十分显著，不仅可以提高溶解度、改善选择性，还能够提高收率和产品的品质。到目前为止，已研究过的夹带剂处于亚临界组分，通常是液体形式加到超临界流体之中，相对小的量便可提高难挥发溶质的溶解度。例如甲醇、丙酮、水等一些溶解性能较好的溶剂，在SCF萃取中往往当作夹带剂。但是迄今为止，夹带剂的具体运用效果只能通过试验进行探索。

2.4 超临界流体萃取的影响因素

2.4.1 被萃取物

被萃取物所含水分的多少决定了在进行萃取前是否须要进行预处理。被萃取物中的水分会将其与萃取溶剂阻隔，使两组分无法进行有限接触、互溶。

2.4.2 萃取压力

在临界点附近，被萃取物在SCF中的溶解能力受压力影响较大，其密度会因压力的微变而产生巨大的变化。对于大多数的固态或液态的被萃取物来说，被萃取物无法完全溶解于萃取剂中。压力显著影响着被萃取物在SCF中溶解能力，且压力对于不同的被萃取物影响的也是不同的。

2.4.3 萃取温度

在压力不变的情况下，温度改变也会使超SCF的溶解性发生改变，这是由于温度升高，使溶质分子间的扩散性提高、易挥发，同时也会使某些气体萃取剂密度和携带物质的能力降低。因此，升高温度并不一定就会提高萃取率。

2.4.4 夹带剂

夹带剂作为在溶质和SCF构成的二元体系中的第三组分，仅需少量就可以大大增加某些难溶解性的被萃取物的溶解度，同时也使SCF的操作压力降低、减少萃取过程中原料的总量。

2.4.5 分离压力和分离温度

萃取完成后，及时调整萃取体系的物理参数，以便更快速得到高品质产品。

3 超临界流体萃取技术的应用

3.1 在食品产业中的应用

3.1.1 食品中的添加剂

吴雪辉[2]等采用SCF萃取剂技术萃取肉桂片。实验使用CO2流体作为萃取剂，并通过正交试验结果得到最佳条件时的压力、温度和萃取时间，同时将萃取技术与GC/MS联用，最终得到肉桂精油的产率为3.69%。与传统水蒸气蒸馏法相比，产率及产品品质均有大幅度的提升，且萃取时间大大缩短，能够将肉桂中的天然香味和色泽较好地保留下来。

3.1.2 萃取动植物油

马玉花[3]等同样运用此项萃取技术与正交试验相结合萃取得到苦杏仁脂肪油，得到杏仁油的产率超过50%，同时研究出了影响产率的各种因素的顺序。此外，在大豆油、葡萄籽油等的萃取也主要运用了此项技术。

3.1.3 食品脱色脱臭

在对天然食品进行改良的工艺中，同样采用SCF萃取法对辣椒中的辣椒红素进行提取，得到的产率是传统溶剂法的1.5倍。且萃取法得到的色素色泽鲜艳，品质高，无辣味，产品在感官上均优于溶剂法[4]。

3.2 在中医药品中的应用

在中医药方面，可以从天然植物中萃取和分离出所需的生物碱。例如，采用SCF萃取技术萃取降香叶中的药用成分，研究得到最适宜的萃取温度和萃取压力后加入少量夹带剂，最终获得了可用于药用的成分降香黄酮等。此方法与传统的水蒸馏方法比较，不仅提高了原料的利用率，同时分离效率高，在生产过程中无有毒物质产生，有利于环境的保护。除此之外，此方法还可用于萃取药品中的常见成分丹参酮ⅡA、阿魏酸等[5]。

3.3 在农业生产中的应用

3.3.1 断肠草根部成分的萃取

断肠草属于马钱科植物，有剧毒，其提取物又是很好的镇痛类药物。采用超临界流体萃取的方法进行萃取，在确定了最佳工艺条件后，通过对比研究发现效果最好的夹带剂为无水乙醇。加入少量的无水乙醇后的萃取率比不添加时提高了1%。

3.3.2 拟除虫菊酯类农药的分离

拟除虫菊酯具有能够生物降解等特性的广泛使用的合成类杀虫剂。采用超临界流体法与紫外色谱法联用技术进行分析，在通过观察色谱峰的峰面积、峰高及响应时间等，结果显示超临界流体法分离效果好，能够有效地将结构相似的成分进行全部分离。

3.4 化学工艺中的应用

在传统的石油化工产业中，采用减压蒸馏等方法进行渣油脱沥青、废油的回收利用，当SCF萃取技术在化工产业中兴起后，传统方法被逐渐替换，目前在三次采油过程中也运用到了此次技术。到目前为止，在我国的化学工业领域内，SCF萃取技术已经在煤炭、石油等石油产物的萃取中广泛应用。

3.5 环境分析中的应用

由于工业以及人类的生活活动，在环境中会产生各种自然或人工金属污染物，铅、汞、砷及其化合物会对人体产生极大的危害。可以运用SCF萃取技术萃取样品中的金属离子，CO2的扩散性较高且黏度低，适合作为萃取剂。超临界流体CO2（SC-CO2）在萃取时会产生很少机溶剂废料，操作简便，分离效果好，这一优点使该技术在环境分析上备受关注。

4 超临界流体萃取技术的发展趋势

1）超临界流体萃取技术可以同其他分析仪器联合使用。目前，SCF萃取与多种仪器法联用，包括薄层色谱（TLC）、高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）、凝胶渗透色谱（GPC）、四极矩质谱（MS）、傅立叶红外光谱（FTIR）、电感耦合等发射光谱（ICPOACS）等。研究人员在研究联用技术的同时，更侧重于提高SFE与各种仪器联用时的检测限[6]。

2）超临界流体萃取技术具有广阔的应用前景。SCF萃取技术符合时代的发展趋势，得到的萃取产品更加符合人们在生产生活中的需求。在农业生产、中医药品、食品加工、化工等工业中更加发挥其优势，逐步取代传统工艺。今后要进一步研究影响超临界流体萃取条件、因素等，因其具有绿色环保、高效提取等多种优点，SCF萃取技术具有广阔的应用前景[7]。

［1］赵丹，尹洁. 超临界流体萃取技术及其应用简介[J].安徽农业科学，2014，42（15）：4772-4780.

［2］吴雪辉，黄永芳，高强，等.肉桂精油的超临界CO2萃取工艺及成分研究[J].食品工业科技，2007（1）：69-71.

［3］马玉花，赵忠，李科友，等.超临界CO2流体萃取杏仁油工艺研究[J].农业工程学报，2007（4）：272-275.

［4］王晶晶，孙海娟，冯叙桥.超临界流体萃取技术在农产品加工业中的应用进展[J].食品安全质量检测学报，2014（2）：560-566.

［5］周子皓，张若曦，连俊青，等. 超临界流体在化学方面的应用[J].广东化工，2017，44（2）：60.

［6］张红英，姚元虎，颜雪明.超临界流体萃取分离技术及其应用[J]. 首都师范大学学报( 自然科学版），2016，37（6）：50-53.

［7］廖劲松，郭勇.超临界流体萃取的应用技术研究[J].食品科技，2002（12）：12-15．

Research and Application of Supercritical Fluid Extraction Technology

（Criminal Investigation Police University of China, Shenyang Liaoning 110035, China ）

Supercritical fluid extraction technology is widely used in agricultural production, traditional Chinese medicine, food processing, chemical industry and other industries. It has the advantages of good separation effect, high yield and environmental protection. It has gradually replaced traditional methods to obtain higher quality product. In this article, the concept of supercritical fluid and extraction technology was introduced, and the application and development prospects of this technology in various aspects were outlined.

Supercritical fluid; Extraction technology; Application; Development trend

2020-08-11

陈淦铭（1996-），男，广东省东莞市人，现就读于中国刑事警察学院公安技术专业，研究方向：法化学。

TQ028

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1004-0935（2021）01-0055-03