亚临界水萃取植物酚类物质研究进展

何 李,高彦祥

中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083

亚临界水萃取植物酚类物质研究进展

何 李,高彦祥＊

中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083

亚临界水作为一种无毒、无污染、廉价的溶剂,已应用于天然产物的提取。植物酚类物质是一种特殊的天然产物,其大部分具有很强的抗氧化活性。许多研究结果表明:亚临界水萃取植物酚类物质行之有效。本文概述了亚临界水萃取的原理、影响因素,并总结了国内外利用亚临界水萃取天然酚类物质的发展趋势。

亚临界水萃取;植物酚类物质;原理;影响因素

亚临界水是指温度介于 100℃与 374℃之间、压力足够大并且维持在液体状态下的水 (水的临界状态参数是 374℃,22 MPa)[1]。亚临界水作为一种特殊的加压压缩流体溶剂,具有环保、无毒、费用低的优点,已经被国内外应用在很多领域。亚临界水萃取(S WE)最早应用于废弃物处理上,1994年, S.B.Hawthorne等[2]利用亚临界水从土壤、泥沙以及固体废物中萃取多环芳香烃 (PAHs)、多氯联苯(PCBs)等,并利用 GC-MS对产物鉴定分析。C. Crescenzi等[3]利用亚临界水从酸性土壤萃取得到16种中、酸性杀虫剂和除草剂残留物。1998年,亚临界水首次被应用到天然产物萃取上,英国利兹大学B.Annamaria等[4]用亚临界水从迷迭香叶中萃取得到烯萜类精油,并从动力学角度证明 S WE比蒸馏更适合萃取植物精油。S WE还应用于食品安全检测,王耀等[5]用亚临界水萃取富集肉制品中的亚硝酸盐,S WE具有样品用量小、萃取效率高,精密度好的优点,这为食品污染和掺假检测分析又增添了一新手段。

植物酚类物质是天然产物的重要组成部分,主要包括植物单宁、蒽醌类、黄酮类、木质素以及一些简单的酚类等,它们具有类似的结构,苯环的不同位置含有酚羟基,具有清除自由基等抗氧化特性[6-7]。国内外已经有大量文献报道植物酚类物质的萃取、分离和利用情况,最近几年,利用亚临界水萃取植物酚类物质也逐渐成为热点。本文主要阐述 S WE技术原理、设备流程,并对国内外亚临界水萃取植物酚类物质的研究进展进行了综述。

1 亚临界水萃取

1.1 亚临界水萃取的基本原理

水在常温下具有很强的氢键作用力,与酚羟基之间紧密连接,随着温度升高,水的介电常数ε下降,氢键作用力显著减弱,密度和极性减小,从而使酚类物质更易溶出[8,10]。在常温常压下,水的介电常数ε为 79,在 5 MPa压力下,温度升高至 250℃时,其介电常数降为 27,几乎相当于乙醇在常温常压下的介电常数,明显提高了中、弱极性物质在水中的溶解度;同时,维持一定的压力下,升高温度 (仍然维持液态)可以显著的减小水的表面张力和粘度,显著提高了中弱极性酚类物质在水中的溶解性和传质系数[1]。根据相似相溶的基本原理,增大物质溶解度有利于传质速率和萃取率的提高;通过调节设备的温度和压力,可以选择性溶解出不同极性酚类物质。升高温度,水的离子积常数会迅速增加,体系中 H+和OH-数量增多,从而导致亚临界水具有酸碱催化功能[9],这使得亚临界水成为天然的催化溶剂。

1.2 亚临界水萃取设备及工艺过程

目前亚临界水萃取模式主要有静态和动态两种,设备主要是由加速溶剂萃取 (ASE)设备或超临界二氧化碳设备改装而成的[1,8]。其主要结构包括压力泵、预热器、恒温炉和萃取斧、冷却装置、分离斧及收集装置等。主要流程是:去离子水脱气后经过压力泵到预热器预热到预定温度后,经过萃取斧(置于恒温炉内部)作用一段时间,经过冷却装置,再经过分离斧分离得到目标产物。

静态萃取是指在维持萃取斧中一定的温度、压力以及一定体积的去离子水下,关闭去离子水阀门,使得物料在封闭的萃取斧中和亚临界水充分接触,这个过程类似于加速溶剂萃取 (ASE),不同的是该萃取溶剂是水;动态萃取是指维持一定温度和压力下,调节去离子水的流速,使得水不断的穿过萃取斧中的物料,这样不仅提高了传质速率,缩短了萃取时间,还实现了连续式操作。但在动态萃取装置中,压力泵必须提供足够的压力使水压缩,使其穿过物料萃取斧和各种加热装置,并且维持在设定温度范围内。高温高压下,萃取斧须用一些特殊的金属单独制作,Morales Riffo等人甚至利用氧化状态下的PEEK管做萃取斧材料,利用传统的针形阀门就可以调节流体压力和流速,不需要其他任何节流阀[8]。

为了收集挥发性物质 (挥发性精油中的酚类物质),在分离之后,为了减少样品损失或溶剂对样品的稀释作用,还常常需要一套富集或者分析检测装置,常见的富集设备有固相萃取 (SPE)[1,12]、固相微萃取 (SPME)[11]、微孔滤膜液-液萃取[13],常见的检测系统有 GC-MS[2]、LC-MS[3]。亚临界水与色谱联机在线联机使检测快速、灵敏、全自动,无损失[3,13]。Bin Li等利用 S WE-HPLC(亚临界水液相色谱)在线检测了多氯联苯、氯酚、咖啡因等化学物质[14]。陆晓华等开发出用于果蔬中农药残留分析的样品预处理的亚临界水装置,其装置包括微处理器、加热器、样品池、温度传感器、电源、输入装置和输出装置。该装置结构简单、体积小、成本低、使用方便、自动化程度高,适于非专业人员现场快速测定,满足现场快速筛选和测定的需要[15]。

1.3 亚临界水萃取过程的影响因素

温度是影响亚临界水萃取过程中最重要的因素,它对萃取速率、效率和选择性都有很大的影响。升高温度,水的粘度降低,表面张力减小,大部分酚类物质溶解速率加快,提高萃取效率;而且不同温度下的水介电常数不同,极性不断变化,因此调节温度可以萃取出不同极性的酚类物质[8,16]。一般情况下,物质的降解和反应(比如,水解、氧化)的程度会随着温度的增加而增大。不同植物来源的酚类化合物对温度的敏感程度不同,因此有必要选择合适的温度范围进行萃取。Zhi Y J等人[17]利用亚临界水萃取红葡萄皮中的酚类物质,发现 110℃后,花青素和总酚均开始降解,而酚酸在 100～160℃之间一直比较稳定,在 100～160℃温度范围内,提取物的氧自由基清除能力 (ORAC)增加,可能是因为高温降解产生大量具有抗氧化性的低分子量酚类物质。在一定温度范围内,一般升高温度会增大酚类物质的溶解度,P.Boonchai等人[18]发现蒽醌在 200℃时的水中溶解度大约是其在 125℃下的 6倍,可能是因为提高温度,使得水分子间作用力 (偶极作用力和氢键作用)减弱,从而增加样品的溶解性。Wan J K也报道,多稠芳烃在 250℃时的溶解度是 25℃的130 000倍[19]。

压力一般对水的介电常数和溶解能力影响很小,这在多篇文献中已经报道[1,10,19,20]。当压力从0.1 MPa增加到 10 MPa,水的介电常数仅仅增加了0.37,因此只需要一定压力使水维持在液体状态即可[1]。但是在动态过程中,压力不能太低,否则不能压缩水使得其穿过物料和系统。Wan J K等[19]在不同压力下提取积雪酸及其苷类物质,200℃时,当压力从 10 MPa升至 40 MPa,积雪酸仅仅从 2.4 mg/g增加到3.4 mg/g,由于压力对水的介电常数影响不大,压力从 10 MPa升至 40 MPa(200℃时),水的介电常数仅仅升高 0.8,水的极性几乎没有什么变化,压力对提取率影响不大。因此,压力的控制相对要求较低,一般萃取压力维持在 1～6 MPa之间。

时间也是亚临界水萃取的重要因素之一,特别是对温度比较敏感的酚类化合物,在萃取斧中时间太长会明显使其降解,回收率也会明显降低。和其他萃取方式相比,S WE所用时间一般比较短[10]。Mustafa.Z.Ozel等[12]在不同时间内萃取精油,在150℃、20 min内,所得精油中香荆芥酚和麝香草酚萃取的比较完全,相比之下,超临界二氧化碳需要 1 h,而蒸馏提取需要数小时,而且蒸馏萃取物中酚类物质含量仅 69%,不及亚临界水萃取油中的 87%酚类物质含量。亚临界水在相对很短的萃取时间内就能得到比较完全的萃取物,但是萃取时间的作用不是单一的,它和温度,流速等因素协同影响萃取效果。

流速对动态亚临界水萃取影响也比较大,提高水的流速可以增加萃取物从物料基质中转移的速率,即传质速率。但是当流速太大时,去离子水的体积需要量就很大,而且对萃取物稀释程度也很大[43],也使得物料与水之间的接触时间减少[10]。S.M.Ghoreishi等[21]报道认为流速影响萃取效果需从传质系数和滞留时间两方面考虑:高流速水会直接冲击减弱包裹在物料 (橄榄叶)周围的薄膜水层,这样会明显增大传质系数,但是另一方面,增大流速会减少水与物料的接触时间,由此两个相反的因素导致萃取率基本不随着流速变化而变化。流体在层流阶段,物料粒径和密度、粘度等参数都基本恒定,雷诺系数基本不变,因此流速不会影响萃取率。当然,不同原料的结果可能差别很大,有时控制一定的其他条件下,流速可能对萃取效果没有太大影响, Mustafa.Z.Ozel等[12]报道,在 150℃、6 MPa的条件下,调整流速从 1 mL/min到 3 mL/min,样品回收率变化不大,特别是当萃取 20 min后,回收率基本不变。H.Mohammad等[43]发现流速越大,胡荽籽精油中芳樟醇得率越大,说明芳樟醇的外部传质 (即从物料表面传质到水相中)控制着整个萃取过程,但综合考虑水用量体积和样品稀释问题,最终选择流速为 4 mL/min。

其他因素对亚临界水萃取效果也有影响,例如萃取斧的几何参数、萃取剂的改良、萃取方式和物料颗粒大小。J.E.Cacace等[22]报道,影响萃取效果的萃取斧几何参数是萃取斧的内径以及其高度。当内径:高度比例从 8.8增加到 21.9时,亚麻籽木脂素(SDG)的萃取率明显降低,这可能与料液比有关,在低流速下,提高内径:高度比例至 18时,SDG的萃取率也会升高,而当液料比升高到 25 mL/g时,提高内径:高度比例反而使得 SDG的得率减小,因此选择合适的料液比是考虑萃取容器的几何参数的前提;为了避免高温水对萃取物分解,常在溶剂水中加入一定量的有机溶剂,从而达到低温萃取的效果。这种萃取类似于加速溶剂萃取 (ASE)。Aguez等[23]在亚临界水中加入 20%～80%的乙醇改良剂,从一种葡萄树根中提取多酚类物质,选择 80%乙醇-水作为萃取溶剂,在 240℃、pH3时各种酚类物质具有最高的回收率,但在高温下,乙醇会与一些酚酸发生酯化等副反应;不同升温萃取方式对结果也有影响, Matilde等[24]分别以间歇和连续方式设定亚临界水萃取葡萄籽原花青素的萃取温度,先在 50℃、100℃和 150℃下分别间歇萃取 30 min,然后在 50℃、100℃以及 50℃、100℃和 150℃下间隔 30 min连续升温萃取,最后结果为:在 150℃加热 30 min萃取率最高,为 37.7%,三个温度连续升温加热 90 min的萃取率次之,为 36.7%;物料粒径的大小直接影响传质速率,H.Mohammad等[43]把胡荽籽粉碎成粒径为 0.25 mm,0.5 mm和 1.0 mm的粉末,萃取30 min后,粒径为 1.0 mm的粉末萃取物中芳樟醇得率最低,可能是因为整个传质过程受大粒径的限制,0.25 mm物料比 0.5 mm物料粒径下芳樟醇得率稍低,可能是因为物料粉碎过程中小粒径籽粉中精油的挥发。

2 亚临界水在植物酚类物质萃取中的应用

功能食品的开发日益受到消费者关注,导致对功能食品配料的需求增多,特别是天然抗氧化剂的开发已成国内外热点。植物多酚类具有很好的天然抗氧化功能,但萃取产物一直受有机溶剂污染、萃取耗时等困扰,因此需要开发环保、洁净的萃取技术。亚临界水已被证明是一种优良的萃取剂,近年来,其已被应用于植物酚类物质的萃取,并不断地在深入研究。

酚类物质在植物中分布很广泛,不同组织部位、不同溶解性粗提物中均会有酚类物质存在。脂溶性酚类主要分布于植物精油中,S Rovio等[20]从丁香花中萃取精油,萃取物经过固相萃取富集,再经过GC-MS,鉴定得精油中含有丁香酚和丁香酚酸酯。Elena Ibaez等[26]报道亚临界水萃取的丁香油含有清除DPPH自由基能力的极性多酚类物质。葡萄多酚一直是研究热点,经过 S WE得到不同组分的产物大部分是单宁类物质和小分子酚类:G.M.Matilde等[24]利用不同温度 (50,100,150℃)在间歇和连续的方式下萃取得到葡萄籽萃取物,在连续 90 min萃取升温的方式 (即 50,100,150℃每隔 30 min升温一次)下萃取得到的酚类物质含量最高,达 582.5 mg/100 g干物质,比 50℃萃取 30 min的多酚含量约高 11倍,说明连续萃取有利于单宁物质的溶出。其他酚类物质的 S WE也均有报道,例如蒽醌[18,30-31]、木质素[22,37]、黄酮[32]。下面列举了国内外亚临界水萃取植物酚类物质的研究成果(见表1)。

表 1 亚临界水萃取植物酚类物质的应用Table 1 The application of subcriticalwater extraction of plant phenolic compounds

3 亚临界水萃取技术存在的问题

目前,亚临界水在天然产物中的应用还处于开发阶段,无论是设备,还是生产技术都不够成熟,仍然未得到产业化应用。从以上文献报道可知,与其他萃取技术相比,亚临界水萃取时间短,无溶剂残留(需要有机溶剂协助的除外),选择性好,操作简单。和超临界二氧化碳萃取技术相比,操作简单,所需要考虑的因素较少(主要考虑温度参数),样品损失少(挥发性物质需要冷却)[9]。而且亚临界水萃取所需要的压力不如超临界二氧化碳那么高,温度的选择范围更广[1]。但是,目前亚临界水萃取仍有些缺陷。

3.1 无机盐类物质在亚临界水中的溶解性不好,这样它就可能会堵塞样品收集之前的管道或压力调节阀。目前只能靠提高压力缓解,但这还不能从根本上解决[8]。

3.2 亚临界水萃取物常为两相混合的乳状液,这样就使得样品很难得到分离,目前用添加NaCl破乳达到分离[43]。

3.3 亚临界水在高温下被脱去氧气,并且离子积常数 Ka明显增大,使水具有酸碱作用,可能腐蚀管路[8]。另外,它还具有一定的腐蚀性,可能会使一些有机化合物分解[11]。

3.4 由于亚临界水萃取的主要影响因素是温度,这对提取、反应物有一定的限制,特别是热敏性物质。通过加速溶剂 (ASE)萃取虽然可以降低萃取温度[23],但仍会带来有机溶剂的残留,有违绿色萃取技术的初衷。

4 展望

回归天然是天然产物的萃取最理想的方式。水是天然产物最好的绿色溶剂,无溶剂残留,产品使用安全。亚临界水设备无论是用于萃取还是反应,操作都相对简单、可行,适合于产业化生产,只是目前仍然没有开发出商用的亚临界水设备。相对国外,国内对亚临界水的应用还很少,研究和应用的空间还很广泛,我国植物资源非常丰富,种类繁多,除了多酚类物质的萃取分离,亚临界水完全还可应用于其他天然产物的开发,这对我国的食品、中草药加工和增加其附加值具有深远意义。

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Research and Development of Subcritical
Water Extraction in Plant Phenolic Compounds

HE Li,GAO Yan-xiang＊
College of Food Science&Nutrition Engineering,China AgriculturalUniversity,Beijing 100083,China

Subcriticalwaterwas regarded as a kind of non-toxic,clean-up and low-cost solvent,which has been applied for extraction of nutraceutical products.As a special nutraceutical products,most of plant phenolic compounds present great antioxidant capacity.Subcriticalwater has been proved good to extract plant phenolic compounds according to the many results of research.We reviewedmechanis ms and parameters affecting extraction of subcriticalwater extraction,besides,research and developmentof subcriticalwater extraction in nutraceutical phenolic compoundswere also been summarized.

Subcriticalwater extraction;plant phenol;mechanisms;parameters affecting extraction

TS202.1

A

1001-6880(2010)04-0722-06

2009-07-29 接受日期:2009-09-29

＊通讯作者 Tel:86-10-62737034;E-mail:gyxcau@126.com