超临界二氧化碳萃取天然产物的应用现状

安军红

(大理大学药学院，云南 大理 671000)

动物、植物提取物或昆虫、海洋生物和微生物体内的组成成分或其代谢产物以及人和动物体内许许多多内源性的化学成分统称做天然产物，其中主要包括蛋白质、氨基酸、糖蛋白、生物碱、挥发油、黄酮、醌类、甾体化合物、抗生素类等天然存在的化学成分，有着抗菌、抗炎、抗氧化、抗病毒等多种作用[1]。目前，大多数的天然产物主要依靠传统溶剂法来提取，不仅工艺繁琐、周期长、有效成分损失大、提取率不高、所获得的产品纯度较低，而且会对环境造成一定的影响，在实验的过程中存在着潜在的危害性。

超临界二氧化碳(supercritical dioxide,SC-CO2)萃取技术[2]是20世纪70年代发展起来的一项提取分离技术，它是利用处于临界温度，临界压力之上的超临界流体具有溶解许多物质的能力的性质，将超临界流体二氧化碳作为萃取剂，从液体或固体中萃取分离出特定成分的新型分离技术。可以作为超临界流体的物质有很多，例如低分子烷烃、甲醇、乙醇和水等。而目前最常用以及研究最多的超临界流体是二氧化碳，原因有[3]：(1)二氧化碳的临界温度为31.4 ℃，接近室温，在提取的过程中可以有效的防止热敏性物质的降解；(2)二氧化碳的临界压力(7.38 MPa)处于中等压力，操作安全且容易达到超临界状态；(3)二氧化碳无毒、无味、不易燃易爆、不腐蚀等优点，使得萃取的产品无溶剂残留；(4)超临界流体二氧化碳具有抗氧化作用，有利于保证和提高产品的质量；(5)萃取速度快，效率高，且操作参数易于控制，因而能使产品质量稳定；(6)耗能低，超临界流体二氧化碳与萃取物分离后，只要重新压缩就可循环利用，耗能大大降低，节约成本；(7)该技术选择性好，且可通过控制压力和温度来改变超临界流体二氧化碳的密度，进而改变其对物质的溶解能力，有针对性地萃取中草药中的某些成分；(8)从萃取到分离可一步完成；此外，该超临界二氧化碳萃取技术也由于它萃取速度快，效率高，且操作参数易于控制，耗能低，几乎不产生新的“三废”[4]，还可以提取出传统方法不能提取出来的物质，有利于保证和提高产品质量的优点，已经在国内外得到了广泛的工业化应用。

本文综述了超临界二氧化碳萃取技术的基本原理及其在天然产物提取中的应用，进而说明超临界二氧化碳萃取技术在中药领域具有广阔的发展前景。为超临界二氧化碳在其他方面中的应用提供参考。

1 超临界二氧化碳流体萃取的基本原理

超临界二氧化碳对物质的溶解能力与其密度有关系。当处于临界点附近时，压力和温度发生微小的变化，密度也会随之发生变化，从而会引起溶解度的变化。因此，可以通过改变温度或压力来调节超临界流体二氧化碳的溶解能力[5]，使其溶解度在较大的范围(100～1000倍)内得到提高，进而萃取得到不同沸点、极性、相对分子质量的物质。一般情况下，超临界流体二氧化碳的密度越大，其溶解能力就越大[6]。在恒温下随压力升高，溶质的溶解度增大；在恒压下随温度升高，溶质的溶解度减小[7]。

2 超临界二氧化碳萃取技术的应用

2.1 挥发油的提取

挥发油是在含有香脂腺的植物中通过水蒸气蒸馏法、溶剂提取法等方法提炼萃取的挥发性芳香物质。具有亲脂性的性质，很容易溶在油脂中。挥发油的化学分子组成为萜烯类、酯类、醇类等。此类物质可以达到对抗细菌、病毒、霉菌、可防发炎，防痉挛，促进细胞新陈代谢及细胞再生功能的作用[8-9]。曾朝懿等[10]采用水蒸气蒸馏法、超声辅助水蒸气蒸馏法、微波辅助水蒸气蒸馏法、超临界二氧化碳萃取法4种方法对木姜子花蕾中的挥发油成分进行提取。结果显示，超临界二氧化碳萃取温度为50 ℃，萃取压力为15 MPa，分离温度为40 ℃，分离压力为7 MPa，二氧化碳流量为15 L/h，此参数下挥发油提取率为400 mg/g,而水蒸气蒸馏法的提取率为32 mg/g，超声辅助水蒸气蒸馏法的提取率为40 mg/g,微波辅助水蒸气蒸馏法的提取率为37 mg/g。由此可以得出，超临界二氧化碳萃取技术的提取率远远大于其他三种方法的提取率。张师辉等[11]用 3种方法提取温莪术油中的成分，分别为超声辅助乙酸乙酯萃取、超临界二氧化碳萃取和水蒸气蒸馏法，利用气相色谱-四极杆飞行时间串联质谱(GC-Q/TOF-MS)对温莪术油中化学成分进行研究，比较不同提取方法对其成分的影响。结果表明，当萃取温度为50 ℃，萃取压力为28 MPa，循环萃取2 h，经过鉴定后，得到了73个挥发性成分，而从超声辅助乙酸乙酯萃取和水蒸气蒸馏法中得到的挥发性成分为72个，鉴定成分的相对峰面积之和分别为超声辅助乙酸乙酯萃取92.87%、超临界二氧化碳萃取93.36%、水蒸气蒸馏法92.71%。特别是超临界二氧化碳萃取有1个特有的成分。祖恩普等[12]提取皇帝柑果皮中的挥发油，对比了超临界二氧化碳萃取法和乙醚超声萃取法2种方法的提取效率，当参数为设定温度55 ℃，压强 18 MPa，二氧化碳流量为23 L/h，动态萃取2 h时，结果显示，采用超临界二氧化碳法提取的挥发油得率为0.75%，被鉴定的成分有28种，D-柠檬烯含量为45.24%;乙醚超声法提取的挥发油得率为0.69%，被鉴定的成分有24种，D-柠檬烯含量为37.73%。由此可以得出超临界二氧化碳萃取较乙醚超声萃取挥发油的出油率更高，鉴别出的成分更全面，有效成分含量也更高。张淑雅等[13]用蒸馏法、水蒸气蒸馏法、水蒸气加酒精灯加热蒸馏法、乙醚超声波萃取法和超临界二氧化碳萃取法这五种提取方法对牡丹皮中的挥发油进行分析，在50 ℃条件下烘烤3 h，研磨成小块状，放入萃取釜中，在30 MPa，50 ℃条件下，先静态萃取2 h，再动态萃取1 h的条件下，得出超临界二氧化碳萃取法和乙醚超声波萃取法以化合物成分为指标的情况下鉴别出的成分更全面的结论。

2.2 生物碱的提取

生物碱是存在于自然界中的一类含氮的碱性有机化合物，过去又称为赝碱。大多数有复杂的环状结构，氮素多包含在环内，有显著的生物活性，是中草药中重要的有效成分之一。按照生物碱的基本结构，可将其分为60类左右。大多呈碱性反应，但秋水仙碱呈中性反应，茶碱呈酸性反应，吗啡和槟榔碱呈两性反应。生物碱有着很多特殊又显著的生理活性，如麻黄中的麻黄碱具有平喘作用，罂粟中提取的吗啡具有强烈的镇痛作用等[14-15]。因为生物碱的极性偏大，所以在用超临界二氧化碳萃取时，需要通过增加压力或者使用夹带剂来增强流体的溶解度。李俶等[16]运用正交试验法考察超临界二氧化碳萃取槲寄生碱的最佳工艺为：槲寄生粉静态萃取30 min,再进行动态萃取，温度50 ℃,压力25 MPa,时间1 h,夹带剂为氯仿时,结果为从每100 g槲寄生中可提取浸膏最高为11.24 g,其中生物碱含量为0.54 g。梁燕明等[17]通过研究发现，当超临界二氧化碳萃取的萃取压力为20 MPa,温度为50 ℃，提取时间为 2.5 h，夹带剂为95%的乙醇，夹带剂流量为8 mL/min的条件下，与两种传统方法(渗漉法、温浸法)进行对比，发现超临界萃取法得到的苦参碱含量比渗漉法高出0.072%，比温浸法高出0.105%，由此可知，超临界萃取方法萃取得到的苦参碱的含量要高于传统方法所得的苦参碱。李仙义等[18]采用超临界二氧化碳萃取技术从蒙药荜茇中萃取胡椒碱，经系统观察法考察了超临界萃取的最佳萃取条件，并用反向高效液相色谱法进行分离测定，得出最佳萃取条件为萃取压力38.5 MPa,萃取温度70 ℃，夹带剂甲醇量0.4 mL, 静态萃取时间5 min及动态萃取体积5 mL,测得的胡椒碱含量为2.920%。由此可以看出，超临界流体萃取技术对于加强中蒙药中的生物碱的提取效率起到了举足轻重的作用，为中蒙药的发展提供了良好的前景。

2.3 天然色素的提取

天然色素是由天然资源获得的食用色素。主要从动物和植物组织及微生物中提取的色素。天然色素不仅具有给食品着色的作用，而且相当部分天然色素具有抗氧化、抗癌等多种生理活性，在化妆品、保健品方面也得到了应用[19-21]。李雄等[22]研究表明，通过单因素实验和正交实验确定了从栀子果实中提取栀子黄色素的最佳工艺条件为用含乙醇为60%的溶液为夹带剂，采用萃取压力为25 MPa，萃取温度为45 ℃，流体流量为 8 L/h，萃取2 h能获得较好的萃取效率，此时所得栀子黄色素的色价达1.00。毕静[23]采用三因素三水平的正交试验对苋菜中苋菜红色素的提取提取工艺进行优化，得到了最佳的工艺条件为：萃取温度60 ℃，萃取压力为20 MPa，流量计显示二氧化碳的流量为0.05 m3/h，以纯水作为夹带剂，原料与夹带剂质量比1:1，萃取60 min，苋菜红色素含量可达37.5%。张学彬等[24]采用单因素试验和均匀设计法试验的方法优化超临界二氧化碳萃取法提取辣椒红色素的工艺条件，得出的结论为当萃取温度32 ℃、萃取压力20 MPa、萃取时间3.5 h、颗粒度 50目的条件下，辣椒红色素提取率为6.68%。张郁松[25]采用了有机回流萃取和超临界二氧化碳萃取2种方法对辣椒红素的萃取条件、色素得率、感官品质及产品稳定性进行对比，得到当萃取压力20 MPa，萃取温度50 ℃，二氧化碳流量为20 L/h，萃取时间3 h条件下，超临界二氧化碳萃取得到的辣椒红素提取率为10.54%，有机回流萃取提取率为4.86%。而通过质量指标的比较得到超临界法萃取的辣椒红色素色价高，色泽鲜艳呈暗红色的油状液体，无辣味；而有机法萃取的辣椒红色素色价低，呈红色油状粘稠物，有辣味。比较两种方法提取得到的辣椒红素的稳定性，可知光照6天后，超临界法得到的辣椒红色素色价损失率为12.90%，而溶剂法得到的辣椒红色素色价损失率为21.68%，说明超临界法得到的辣椒红色素光稳定性要强于溶剂法。

2.4 醌类的提取

醌类化合物是中药中一类具有醌式结构的化学成分，主要分为苯醌、萘醌、菲醌和蒽醌四种类型。它以游离态或苷的形式存在于丹参、大黄、茜草等中药中。醌类化合物具有着丰富的生物活性，如致泻作用、抗菌止血作用、扩张冠状动脉的作用、驱赶捕食者等其他作用[26]。因为醌类化合物的极性大，所以在用超临界二氧化碳萃取时，需要较高的压力，还要加入合适的夹带剂。存在于大黄中的蒽醌主要为结合蒽醌，需要一定的酶将其结合力破坏才可以进行相应的测定。薛鹏喜等[27]对超临界二氧化碳萃取穗花大黄中总蒽醌的工艺条件进行了优化，最终确定了最佳的工艺条件为萃取压力25 MPa，萃取温度 50 ℃，萃取2 h。所得到的提取物中总蒽醌的质量分数为 23.4 mg/g，总蒽醌转移率达91.4%。未作君等[28]采用正交实验对超临界萃取大黄游离蒽醌的条件进行了优化，最终发现当静萃取时间为60 min、动萃取时间为30 min、以乙醇作夹带剂、乙醇用量300 mL·(100 g大黄)-1、萃取温度45 ℃、萃取压力45 MPa的条件下大黄游离蒽醌的萃取量达1.15%。薛鹏喜[29]考察了用超临界二氧化碳萃取与有机溶剂提取两种方法对穗花大黄中蒽醌化合物的提取效率进行比较，用正交设计对超临界二氧化碳萃取工艺进行优化，确定了最佳工艺条件为以与药材质量比为1:1的5 mol/L的盐酸对药材进行萃取前预处理，以95%乙醇作为夹带剂，夹带剂用量2:1萃取压力25 MPa，萃取温度45 ℃，二氧化碳流量22 L/h萃取时间为2.5 h。最后得到的浸膏量为3.58%，总蒽醌萃取率为2.12%。而用有机溶剂提取到的浸膏得率为10.52%，总蒽醌提取率为1.93%。由此可以看出，采用超临界萃取工艺得到的萃取物质量优于有机溶剂提取所得，而且超临界萃取耗时少，萃取率高，对于萃取穗花大黄中蒽醌类物质具有巨大的价值与开发的前景。

2.5 黄酮类的提取

黄酮类化合物泛指两个具有酚羟基的苯环通过中央三碳原子相互连结而成的一系列化合物，其基本母核为2-苯基色原酮。黄酮苷一般易溶于水、乙醇、等强极性的溶剂中，但难溶于或不溶于苯、氯仿等有机溶剂中。黄酮类化合物具有多方面的功效：它是一种很强的抗氧剂；可有效清除体内的氧自由基；可以改善血液循环；可以降低胆固醇；可以抑制炎性生物酶的渗出；还可以增进伤口愈合和止痛[30]。使用超临界二氧化碳萃取可以克服传统的提取方法提取效率低，成本高，分离过程复杂等缺点，而超临界二氧化碳萃取提高了黄酮的提取率，萃取分离一步完成，产物纯度高。王华芳[31]用超临界二氧化碳萃取杜仲叶中的总黄酮，使用正交试验对萃取的工艺进行研究，发现当提取温度为50 ℃，压强为30 MPa，时间120 min的工艺条件下，杜仲叶中的总黄酮提取率高达10.55%。汤芬等[32]用超临界二氧化碳萃取荷叶总黄酮，优化的工艺条件为萃取压力45 MPa，温度36 ℃，乙醇质量分数100%，萃取时间120 min。在该条件下荷叶总黄酮得率为3.3115 mg/g。宋若远等[33]研究发现超临界二氧化碳萃取的最佳提取工艺为提取温度40 ℃，提取压力30 MPa，提取时间1.5 h，夹带剂流量 0.40 mL/min的条件下用来测定洋葱皮黄酮，所得到的黄酮的提取率达到了7.89%。文颖等[34]用超临界二氧化碳萃取技术提取山楂核黄酮，发现当工艺条件为每50 g原料加入75%乙醇75 mL，萃取时间为90 min，萃取温度40 ℃，萃取压力 25 MPa，所得黄酮提取率为3.308%。冯吉南等[35]发现甘蔗叶中黄酮类化合物用超临界二氧化碳提取的最佳工艺条件为乙醇体积分数70%，料液比1∶40(g/mL)，浸取时间为3.0 h，浸取温度为70 ℃，在此条件下甘蔗叶黄酮类化合物提取率可达5.81%。可见超临界二氧化碳萃取技术在黄酮类化合物的提取中有着显著的优点。

3 结 语

超临界二氧化碳萃取技术因其具有着操作温度低，不会对热敏性的物质造成破坏，萃取的效率高，耗能低，工艺简单，二氧化碳经济实惠，又可以循环利用等优点，已经成为了天然产物提取研究中的一种具有很好的发展潜力的提取方法。但是，该技术也具有着自身的一些缺点，超临界二氧化碳萃取技术的选择性不够高，对强极性和分子量较大的物质萃取率不高，通常需要加入含极性基团的夹带剂，虽然加入夹带剂可以解决萃取率低的问题，但是又会产生出新的问题。所以对于夹带剂的选择至关重要，因此夹带剂的选择又将会是一个重点的研究方向。单一的超临界二氧化碳萃取技术提取化合物对于该技术的发展具有着制约性，也对超临界二氧化碳萃取技术产业化发展有着前进道路上的阻力。改变溶媒(超临界多元流体、添加夹带剂)和与其他现代先进的技术联用(如高压液相色谱、毛细管电泳仪、质谱仪、核磁共振等)将成为超临界二氧化碳技术发展的必然趋势[36]。因为中草药的服用方式多采用的是水煎服，所以国外已经研究采用了全氟聚醚碳酸胺，这使得超临界萃取技术已经发展到了对于水溶性成分的提取[37]。另外，将超临界二氧化碳萃取技术与传统的提取方法相结合，优势互补，进而很大程度的提高萃取的效率，增加产品的纯度，对于超临界二氧化碳萃取技术的发展具有着举足轻重的作用，也将推动天然产物的研究向更高层次的发展。