超临界流体萃取在提取分离萜类化合物中的应用

刘玉峰，郭好好

(辽宁大学 药学院，辽宁 沈阳 110036)

萜类化合物的存在形式多样且分布广泛，是许多植物如银杏叶、山茶花的精油和色素的重要组成部分；也是某些植物中的维生素及昆虫体内的激素.萜类化合物在生产生活中的应用也十分广泛，除了常规用作香料保存食品风味[1]，作为香气前体增加葡萄酒香气[2]，也可以作为化妆品的原料[3]以及用于农业杀虫剂[4].近年来，由于天然药物的应用越来越广泛，萜类化合物也受到更多的关注，并且在医药领域发挥越来越突出的作用[5]，萜类化合物具有抗菌抗病毒[6]、抗肿瘤[7]、抗炎[8]、抗疟[9]等生物活性，其中紫杉醇、青蒿素等萜类化合物已经广泛用于临床.天然药物研究中最关键的一步为天然药物的提取分离，寻找绿色环保、高效低耗的提取方法一直是研究的重点.

使用CO2进行超临界流体萃取提取天然植物中的有效成分，可以避免传统提取方法中热降解以及提取溶剂残留等问题[10]，同时，该技术还具有无毒、低成本、不易燃等特性[11].1970年，西德率先成功利用超临界萃取技术萃取咖啡中的咖啡因，实现了该技术的产业应用[12].目前，超临界流体萃取(Supercritical fluid extraction，SFE)技术已经在天然药物的提取分离方面得到广泛应用.除此之外，SFE在生物样品测定中还具有缩短提取时间、提高提取效率以及高分析物选择性、低检测极限等明显优势[13].对于萜类化合物的提取，主要有水蒸气蒸馏法、有机溶剂萃取法、索氏萃取法以及同时萃取蒸馏法等传统技术[14].水蒸气蒸馏法和同时萃取蒸馏法因其蒸馏提取所需温度较高且是一个敞开体系，容易引起化学性质不稳定组分的分解和氧化，造成低沸点成分的流失，同时对于高沸点物质不易蒸出[15]；对于溶剂提取如有机溶剂萃取法，索氏萃取法及同时萃取蒸馏法，有机溶剂的去除及残留是该类方法的主要问题，同时有机溶剂萃取也会溶解色素和蜡质成分，为后续的分离增加难度[16].由于萜类化合物的沸点较低，极性较小，多数可用SFE得到，同时该类化合物的相对分子质量不大，超临界流体的低萃取温度可以避免有效成分分解.与传统的分离提取技术相比，SFE在分离萜类化合物方面解决了热降解、易氧化及溶剂残留等问题，为萜类化合物的提取分离提供了新的思路.

1 SFE简介和基本原理

1.1 超临界流体简介

超临界流体是一种物质状态，具有接近气体的扩散系数及黏度和接近液体的密度[17].这些特性使得超临界流体在从天然产物中分离提取有效成分方面具有极大的优势.超临界流体主要分为非极性溶剂(二氧化碳(CO2)等)和极性溶剂(水等)[18].SFE-CO2在实际工业生产应用中最为广泛，因为CO2的临界压力对设备的要求不高，一般工业水平也易达到[19].但是在萃取极性较强的物质时，由于CO2的非极性，其溶解度和选择性较低，萃取效果也不太理想.因此在萃取极性较强的物质时，可加入与溶质结构相适应的夹带剂来提高萃取效率，通常选择两种夹带剂按照不同比例混合来提高萃取率[20].Sökmen等[21]采用极性SFE-CO2(含乙醇夹带剂)成功提取分离绿茶中的咖啡因和儿茶素.

1.2 SFE基本原理

影响超临界流体溶解能力的主要因素是温度和压力.可以通过改变体系的温度或压力，使流体的性质发生较大的改变，从而影响溶剂的溶解度[22].由此可知，超临界流体可以将待分离物质的有效成分按照沸点、极性及分子量的大小依次萃取分离[23].由于每个压力范围内包含多种萃取物，因此需要结合减压或加热的方式将萃取物依次沉淀分离.首先选择萃取混合组分的最佳比例[24]，然后通过控制条件进行萃取物沉淀分离，从而达到分离和提纯的目的.

2 SFE的发展现状

2.1 SFE的工艺流程

SFE工艺流程如图1所示.CO2流体从储存罐流出，进入循环罐，然后进行冷却至最低温度，通过加热达到临界状态进行提取，再进入分馏容器通过降压升温进行分离，溶质由分离器底部取出，气体可经尾气处理后由压缩机返回循环罐循环使用或排出[25].SFE主要有3种典型的工艺流程：等压变温法、等温变压法、吸附法.

图1 SFE工艺流程[8]

2.1.1 等温变压法

整个过程温度保持不变，萃取槽的压力大于分离槽的压力.此过程操作简单，适用于萃取对温度有严格要求的物质，故得到普遍应用，但是由于萃取过程有不断的加减压步骤，所以此法能耗较大.

2.1.2 等压变温法

该方法在分离釜中将超临界萃取混合物加热，此时的超临界流体在临界压力以上萃取溶剂，溶解度随温度升高而降低，所以萃取溶剂会慢慢析出，从而使被萃取物与其分离.该方法的特点是整个过程压力基本保持不变，所以不需消耗太多能源，但需要加热蒸汽和冷却水.

2.1.3 吸附法

该方法利用活性炭的吸附性，对溶解在流体中的溶质分子进行吸附.在整个过程中体系的压力、温度基本保持不变，但是由于吸附剂需解吸再生，故连续生产不适用于该方法.

2.2 SFE的影响因素

2.2.1 被萃取物的影响

被萃取物中所含水分的多少决定了在萃取前是否要进行预处理.被萃取物中的水分会阻隔其与萃取溶剂的接触，使两组分无法进行互溶.

2.2.2 萃取压力的影响

萃取压力是超临界流体萃取最重要的参数之一.当萃取温度一定时，随着萃取压力增大，临界流体的密度也会增大，分子之间的距离减少，被萃取物在溶剂中的溶解度也会随之增大.化学物质的萃取压力主要由其极性强度决定，极性弱的物质通常选用较低的压力(7～10 MPa)即可满足要求，极性较强的物质通常选用较高的压力(不小于20 MPa)以达到萃取效果[22].然而在实际提取分离工业中，需要综合考虑各种因素(如成本、安全问题等)来选择合适的萃取压力.Chen等[1]在萃取精油实验中，通过单变量分析可知当萃取压力为20 MPa时萃取效率最高，然而在最终工艺选择时，最佳工艺条件压力为30 MPa.

2.2.3 萃取温度的影响

萃取温度也是一个重要的因素.一方面温度升高，分子的热运动加快，可以提高被萃取物质分子的扩散性，使其易于挥发，提高萃取率；另一方面升高温度也会使气体萃取剂的密度和其携带物质的能力降低，导致萃取率降低.因此，在选择萃取温度时应该综合考虑这两种情况，不同的被萃取物质在一定压力条件下都有其最合适的萃取温度.一般精油的最佳萃取温度为45 ℃，如山茶花、荜茇、百里香草等植物精油[1，8，26].

2.2.4 超临界流体流量的影响

在萃取过程中，流体的流量选择也是十分复杂的.一方面，提高流体流量可以增大传质推动力，从而加快传质速率，促进萃取；另一方面，流体流量过多，流速增加，缩短了流体与被萃取物的接触，不利于萃取.因此，最适宜流量值的选择也至关重要.

除了以上影响因素外，在实际萃取过程中，还需要考虑萃取颗粒大小[27]、萃取物研磨时间[28]、萃取静态时间以及动态时间、共溶剂[29]等因素对萃取效率的影响.Chen等[1]在超临界萃取山茶花精油实验中，通过正交试验确定影响因素效果为压力>静态时间>动态时间>温度.

2.3 SFE的应用

随着SFE的逐渐发展和完善，其在现代生产生活中具有越来越重要的作用.SFE在食品工业、环境保护、天然药物提取等领域都得到了广泛的应用.在食品工业方面，SFE的第一次工业化应用就是用于去除咖啡豆中的咖啡因，SFE不仅可以用来萃取食品中的有害物质，也可以用来萃取啤酒花和天然色素等物质[30].在环境保护方面，SFE可以用来选择性地均相氧化并分离处理废水中的有机污染物，也可以用来对生物污泥的多种石油渣油进行处理并降解塑料等多种固废[31].在天然药物提取方面，SFE可以用来萃取生物碱类、黄酮类、皂苷类、多糖类、萜类等化合物[32].鉴于SFE在萜类化合物的应用十分广泛，本文将对其进行进一步讨论.

萜类化合物是指含有若干个异戊二烯结构单位的一类化合物，可以根据结构单位的数目将萜类化合物分为单萜(C10)、倍半萜(C15)、二萜(C20)、三萜(C30)等[33].萜类化合物可以简单地分为萜烃和各种含氧衍生物，包括醇、醛、酮、酯以及苷等.本文通过在Scifinder数据库中搜索关键词，对近20年来SFE在提取分离萜类化合物进行归纳汇总，将所涉及的萜类化合物按类别列于表1中.

表1 SFE萃取萜类化合物的应用

SDE，Simultaneous distillation and solvent extraction；

HD，Hydro distillation；

PLE，Pressurized liquid extraction；

SWE，Subcritical water extraction；

SE，Soxhlet extraction.

由表1可知：1)SFE分离所得的萜类化合物主要为单萜类及含氧倍半萜类，相比于有机溶剂提取法，SFE可以有效避免萃取剂残留；相比于水蒸气蒸馏法，对于低沸点的单萜烃，虽然水蒸气蒸馏法的萃取率在实验中会高于SFE，但是在水蒸气蒸馏过程中，可能由于温度和pH的原因导致挥发性成分重新排列，形成人工单萜碳氢制品，混淆真正成分.SFE也可根据需要选择合适的温度、压力以及夹带剂对高沸点含氧倍半萜进行提取分离[38].2)SFE-色谱联用技术实现了样品前处理单元和分离分析单元的结合，最常用的联用技术有超临界流体萃取-气相色谱-质谱(SFE-GC-MS)技术、超临界流体萃取-高效液相色谱(SFE-HPLC)技术，可用于多种化合物的快速、简单、可重复分析，如萜类化合物、醌类化合物[62]等.

3 讨论

SFE广泛地应用于精油提取，精油是植物中的挥发性物质，通常由萜烯及氧化萜烯混合组成.在精油的选择性SFE提取中，由于不期望化合物的共提取(高分子量的碳氢化合物以及各种草药的蜡和树脂)以及水的共溶剂效应，通常提取条件为温度40～50 ℃，压力低于10 MPa，根据化合物在超临界CO2中的溶解性差异分离高分子量化合物和精油；SFE分离萃取装置也基本分为两级或三级分离装置，在一级分离中分离蜡，二级分离装置中分离精油体系，三级分离中调节条件净化CO2进行循环.在精油提取分离中，相比于液体提取，SFE虽然提取石蜡含量较高，但是所提取高分子量化合物含量较低，选择性消除石蜡比消除高分子量化合物更简便.相比于蒸汽蒸馏，SFE避免了热感化合物的降解和水溶性化合物的水解，保留了精油中所含风味.

然而随着研究的进行，SFE的局限性也越来越大，主要表现在：1)普遍适用性不高，由于超临界流体自身的极性和非极性之分，导致流体的适用范围受限，目前应用最为广泛的CO2流体由于自身的弱极性，主要适用于非极性或弱极性化合物的提取，虽然可以通过加入夹带剂调整流体选择性来提高萃取率[63]，但是在有些萃取过程中夹带剂调整效果并不理想，且在萃取工艺中夹带剂可以通过阻碍吸附剂来干扰收集步骤，在萃取工艺中使用受限[64].同时，夹带剂的应用提供了蒸发的必要性，在萃取工业规模上，去除大量的溶剂是很麻烦的，需要引入专门的设备，加大了萃取工业设备的要求[65].2)SFE对人员素质、设备技术以及成本投入要求较高[66]，这使得SFE的重复性研究多于实际应用，小规模实验多于大规模生产.针对SFE工业化所遭遇到的问题，我们应认识到在分离提取天然化合物方面，每一种提取分离技术都有其优点和弊端，不存在单一的前处理技术可以提取分离物质中的所有化合物，因此，要提高整个提取分离天然化合物行业的水平，在实际应用中合理地运用新技术，有选择性和针对性地应用SFE，并与其他提取分离技术相结合，才能达到理想的提取效果.

同时，SFE发展逐渐成熟，可进一步扩大其应用范围，例如超临界流体萃取-超临界流体色谱联用技术(SFE-SFC).相比于当前大规模应用的GC-MS检测技术，虽然SFE-SFC还主要用于生物分析检测领域，但凭借其更快、更便宜和更环保的技术优势[67]，未来还是有很大的发展空间和应用前景.