亚临界水萃取在天然产物有效成分提取中的研究新进展

李新莹，刘兴利，冯豫川，杨学军，于睿鹏

(1.西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川成都610041;2.四川大学化工学院，四川成都610065)

近年来，天然产物有效成分类药物和功能性食品的市场需求量日益增加，人们对天然产物有效成分药用和食用疗效的研究也逐渐深入，天然产物中有效成分的提取纯化日益受到人们的关注。天然产物有效成分的传统提取方法主要有水浸提法、压榨法、回流法、渗漉法、萃取法、沉淀法及水蒸气蒸馏法等。然而，由于天然产物成分的复杂性，使得这些传统方法大都存在效率低、得率低及能耗大等缺点。随着科学技术的发展，一些新型提取分离技术被用于天然产物有效成分的提取，如超临界萃取、物理场强化提取、双水相萃取及反胶束萃取等［1-2］。亚临界水萃取作为一种新型的提取技术也已被应用于天然产物有效成分的提取。亚临界水萃取技术是近年来发展起来的新型提取方式，该方法已成功应用于中药有效成分提取和分析前处理［3］等方面。本文将综述亚临界水萃取技术的基本原理、特点和工艺，并与其他提取方式进行比较，总结亚临界水萃取技术在天然产物有效成分提取方面的最新研究进展。

1 亚临界水萃取技术的简介

亚临界水萃取技术是以亚临界水为提取溶剂，通过改变其温度和压力，使其能在较宽范围内对中等极性乃至非极性的组分具有良好溶解性的绿色萃取技术［4］。

1.1 亚临界水萃取技术的原理与特点

亚临界水是指温度介于100～374℃之间、压力足够大并且维持液体状态的水，又称高温水、超加热水、高压热水或热液态水［4］。水处于亚临界状态时，中、弱极性物质的溶解度明显增加，从而有利于传质速率和萃取率的提高，并可以通过调节物性参数，选择性溶解不同极性的化学成分。而且，根据萃取对象的不同，在亚临界水中加入改良试剂，还可以改变其提取性能［3］。此外，升高温度时水的离子积常数会迅速增加，体系中H+和OH-数量增多，从而使亚临界水具有酸碱催化功能［5］，成为一种天然的催化溶剂。

亚临界水作为一种特殊的加压压缩流体溶剂，具有环保、无毒及费用低的优点。与索氏提取相比，亚临界水萃取的温度更高［6］;与水蒸气蒸馏提取技术相比，亚临界水萃取的提取时间更短［7］;而与现有的超临界CO2萃取技术相比，亚临界水萃取技术具有成本低廉，设备简单，可以选择性连续提取不同极性化合物及操作简便等优点［8］。

1.2 亚临界水萃取工艺

亚临界水萃取工艺过程示意图及相应的设备如图1所示。亚临界水萃取工艺类似于超临界流体萃取、加压溶剂萃取或是溶剂加速萃取，主要由高压注射泵、恒温炉、预加热器、萃取罐、冷却器及萃取接收装置等组成［9］。亚临界水萃取方式主要有2种，即静态萃取和动态提取。静态萃取是指亚临界水与被萃取原料在一定的温度和压力下，静态作用一定时间后再进行分离的萃取方式［10］，萃取过程类似于加速溶剂萃取。动态提取为连续式萃取，是指原料加入萃取器后，亚临界水用泵连续通入萃取器中，在固定的温度或连续变化的温度条件下进行萃取［4］，此种方式不但加速了传质效率，缩短了提取时间，还可实现选择性连续萃取。

表1 亚临界水萃取技术在挥发油提取中的应用Table 1 Extraction of volatile oil using subcritical water extraction technology

图1 亚临界水萃取工艺过程示意图Fig.1 Schematic illustration of the process of subcritical water extraction technology

2 亚临界水萃取技术在天然产物有效成分提取中的应用

亚临界水萃取技术具有能耗低、快速和环境友好等优点，在天然产物挥发油、多酚、黄酮、花青素、蛋白质、多糖、蒽醌及生物碱等有效成分的提取方面都有应用。

2.1 亚临界水萃取技术在挥发油提取中的应用

挥发油是植物中具有芳香气味，在常温下可挥发，并能随水蒸汽蒸馏与水不相混溶的油状液体的总称。天然产物中的挥发油是一类重要的活性成分，具有多种药理活性，其在医学方面的应用越来越受到人们的重视。天然产物挥发油的提取方法主要有传统的水蒸汽蒸馏法、有机溶剂萃取法及新兴的超临界CO2萃取技术等。近年来，亚临界水萃取技术在天然产物挥发油的提取应用方面得到了快速的发展。

1998年，Basil等［11］首次采用亚临界水萃取技术提取迷迭香挥发油，结果表明亚临界水提取时间短，含氧化合物产量高，挥发油质量好，而且亚临界水不需要蒸发汽化，大部分热量可循环利用。在此之后，亚临界水萃取技术逐渐广泛应用于挥发油的提取当中。根据郭娟和郑光耀［12-13］等人的总结，亚临界水萃取技术已成功应用于小茴香、柴苏叶、桉树叶、穗状牛至叶、丁香、墨角兰叶、香菜籽、月桂、洋葱、莞荽籽和花椒等植物挥发油的提取中。而且，以上的研究结果表明，在一定条件下，亚临界水萃取技术相比于水蒸汽蒸馏技术更为快速、高效、节省能源，且油质更好、抗氧化活性更强，是植物中挥发油的一种非常有前景的新型分离提取技术。不过，近三年来亚临界水萃取技术在天然产物挥发油的提取方面发展放缓，文献报道较少，仅用于川芎、当归和紫草等数种植物挥发油的提取(参见表1)。

2.2 亚临界水萃取技术在多酚类物质提取中的应用

多酚类物质是天然产物的重要组成部分，主要存在于植物的皮、根、叶、壳和果肉中。多酚类物质具有抗突变、抗病毒、抗氧化以及抑制肿瘤发展的活性，并对心脑血管疾病有一定的防治作用。近年来，植物多酚类物质的研究和应用越来越受到重视，市场需求量越来越大，亚临界水萃取技术在天然产物多酚类物质的提取分离方面的应用也倍受关注。亚临界水萃取技术用于提取多酚类物质时主要具有两大优势，一是具有较高的产品得率，再者是所得多酚可以保持较强的抗氧化活性。如Singh等人［16］采用亚临界水萃取技术提取马铃薯皮中的多酚类物质，得到了没食子酸、绿原酸、咖啡酸、原儿茶酸、丁香酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸和香豆酸8种多酚类物质，而且提取物中总酚含量为81.83mg/100g，远远高于传统的有机溶剂回流提取法。He等［17］采用亚临界水萃取技术提取石榴籽中的多酚类物质，发现该方法得到的多酚成分具有更高的抗氧化活性。正是由于多酚类物质的市场需求量的不断增加及亚临界水萃取技术的自身优势，亚临界水萃取技术在多酚类物质的提取应用方面发展迅速，特别是近几年来呈现飞速增长的趋势。近年来，亚临界水萃取技术已应用于野蔷薇、诃子果实、菜籽、苦瓜、牛至、紫草、藻类、迷迭香和丹参［18-24］等多种天然产物多酚类物质的提取，具体应用情况如表2所示。此外，亚临界水萃取技术提取多酚类物质的规模越来越大，原料也向多元化发展，如亚临界水萃取技术成功用于米糠、松树皮和咖啡渣等量大的天然产物多酚类物质的提取［25-28］。

2.3 亚临界水萃取技术在黄酮和花青素类成分提取中的应用

黄酮类化合物是色原酮或色原烷的衍生物，即以黄酮(2-苯基色原酮)为母核而衍生的一类黄色色素。花青素是一种天然色素，具有明显的抗氧化作用，而且还具有保护心血管、抗肿瘤、抗炎等作用，在食品营养、医药保健等领域越来越受到人们的青睐。近年来，亚临界水萃取技术在黄酮和花青素类成分的提取中也有广泛应用。如采用亚临界水萃取技术从黄冠果中提取芒果苷［29］，从葡萄渣中分别提取原花青素和黄酮［30-31］，从洋葱皮和沙棘叶中提取黄酮醇栎精［32-33］，从农业废弃物柑橘皮中提取黄烷酮橙皮苷和芸香柚皮苷［34］以及从丹参中提取丹参红色素等［35］。此外，李超等［36］将超声波辐照与亚临界水萃取技术相结合用于提取葡萄籽中原花青素，结果表明，超声辐照能够加快葡萄籽内部原花青素的扩散及促进其解吸，对亚临界水萃取起强化作用。随着亚临界水萃取技术的不断完善，亚临界水萃取技术的应用范围更加广泛，如以大豆胚芽、葛根和槐角为原料采用亚临界水萃取技术提取总异黄酮，发现亚临界水萃取技术具有提取时间短、效率高和环境友好等诸多优点［37-39］。由上述大量的研究可知，与传统的有机溶剂提取法相比，采用亚临界水萃取技术提取得到的黄酮和花青素成分的产量更高、成本更低，是一种非常理想的新型提取方法。

2.4 亚临界水萃取技术在其他有效成分提取中的应用

亚临界水萃取技术除了用于挥发油、多酚、黄酮和花青素类物质的提取外，还可用于天然产物中蛋白质、氨基酸、多糖、蒽醌类、醇类、果胶及生物碱等有效成分的提取。如采用亚临界水萃取技术提取米糠中的米糠油，结果发现米糠油得率达27%，高于其他常规提取方法［40］。此外，亚临界水萃取技术还被用于提取米糠中的蛋白质、氨基酸及多糖等［41-43］。目前，使用亚临界水萃取技术从天然产物中提取木质素、纤维素等成分的研究也有一些报道，如Asghari等［44］采用亚临界水萃取技术从日本红松木中提取纤维素，Tanaka等［45］采用亚临界水萃取技术从香橙皮中提取食用纤维素。在近期的报道中，亚临界水萃取技术在多糖提取上应用最为广泛，并在提取时间和产品得率上表现出明显的优势［46-48］。除此之外，亚临界水萃取技术还应用于柑橘皮、橄榄、椰肉等天然产物有效成分的提取中，具体应用情况如表3所示。

表2 亚临界水萃取技术在多酚提取中的应用Table 2 Extraction of phenolic compounds using subcritical water extraction technology

表3 亚临界水萃取技术在其他有效成分提取中的应用Table 3 Extraction of other compounds using subcritical water extraction technology

3 展望

随着生活水平的提高和健康食品需求量的增加，天然产物有效成分的需求也日益增加。建立适合不同结构类型、复杂多样的天然产物有效成分的简便快速的新型提取方法是重要的发展趋势。亚临界水萃取技术使用纯水作为溶剂，避免有机溶剂的应用和污染，且其提取时间短、萃取效率高、环境友好，是一种具有潜力的绿色提取技术，在植物有效成分提取领域有着广阔的应用前景。目前，亚临界水萃取技术已在挥发油、多酚类物质、黄酮和花青素等有效成分的提取中得到了广泛应用。此外，新型的亚临界水萃取技术与其他方法的联用技术也逐渐发展起来，如亚临界水萃取技术与色谱分析联用技术，亚临界水萃取技术与固相微萃取技术以及液相微萃取技术联用，亚临界水萃取与大孔吸附树脂分离技术联用等。因此，亚临界水萃取技术作为一种新兴的提取分离技术应用于食品工业将具有很大的潜力。

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