夹带剂在超临界CO2萃取中药有效成分中的应用

孙亚伟

(安徽大学化学化工学院，安徽 合肥 230601)

中药有效成分的提取、分离、精制历来是中药研究的重要组成部分和难点，由于中药有效成分在中药材中含量低;活性成分与非活性成分并存;相似结构成分干扰多，传统的提取、分离方法往往提取率低、难分离、甚至造成污染。超临界CO2(SC－CO2)流体萃取技术是近年来兴起的一项具有精馏和萃取两过程的高新物质分离精制技术。由于其具有操作方便、能耗低、无污染、分离能力高、无溶剂残留等特点，广泛应用于医药、食品、环保等领域。但是CO2是非极性物质，具有选择性溶解，SC－CO2对低分子、低极性、亲脂性、低沸点的成分如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧化合物等表现出优异的溶解性。大部分中药的有效成分是极性集团较多且分子量较大的化合物，SC－CO2对大分子和极性集团多的物质则萃取相对困难，需要加入夹带剂来改变其溶解性。常用的夹带剂有甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等。国内关于夹带剂应用研究最早见于1989年，于恩平等［1］建立了一套研究夹带剂的超临界萃取装置，在胡萝卜素及罗汉果糠苷的萃取中，分别使用丙酮和乙醇做夹带剂，研究它们对溶解度、收率及选择性的影响，由于夹带剂的使用，增强了SC－CO2的溶解力和选择性。但是，夹带剂在SC－CO2萃取中药有效成分中的应用还未全面推广，夹带剂的种类选择、用量还仅限于试验阶段，还没有形成成熟的理论体系，笔者对近几年夹带剂在SC－CO2流体萃取中药有效成分方面的研究作一综述，以迄对工业生产和试验研究选择夹带剂有所帮助。

1 夹带剂对SC－CO2溶解性的影响

向被萃取成分和SC－CO2组成的二元体系中加入了夹带剂后，SC－CO2的溶解性发生了变化，实验研究表明:溶解性与夹带剂的种类和比例有很大关系。Choi等［2］研究发现麻黄碱类衍生物的盐酸盐在超临界CO2中几乎不溶，用单一的甲醇作夹带剂，增溶效应不理想，用含10%乙二胺的甲醇作夹带剂，能显著提高麻黄碱衍生物盐酸盐在超临界混合溶剂中的溶解度，乙二胺作为反应夹带剂使以盐形式存在的生物碱转变为游离碱。方瑞斌等［3］用乙醇等5种有机溶剂分别对秋水仙块根进行预先浸泡，然后再进行SFE研究，结果表明浸泡较不浸泡萃取效率大大提高。用乙醇浸泡15 min后，在35 MPa、40℃的条件下萃取35 min，一次萃取率可达到80%，秋水仙碱的质量分数从原植物中的0.185%提高到萃取物中的6.92%，提高了近38倍，而不经过浸泡处理的样品中秋水仙碱却很难被萃取，同样的萃取条件下只得到3%的萃取率。Wood等［4］利用SC－CO2萃取人参中的人参皂苷，以甲醇或二甲基亚砜为夹带剂可提高萃取率，与传统有机溶剂萃取法相比，萃取更快速，更有效，提取率高达90%。

2 夹带剂提高SC－CO2萃取率的原理

被萃取物在SC－CO2中的溶解过程，受分子量、分子结构、分子极性、含亲/疏水性官能团的多少、与CO2分子的亲和性等多方面的因素影响。加入夹带剂后，形成了SCCO2—夹带剂新体系，首先是体系的溶解性发生改变;也能够改变SC－CO2的临界点;另外夹带剂与溶质分子间可以形成相互作用力－范德华力;能形成氢键的夹带剂与溶质特定官能团之间也可以形成氢键络合及其他作用力。影响效果如何，要以实验为依据。刘晓庚等［5］报道夹带剂性质对萃取率的变化规律是:夹带剂的分子极性越大，溶质在超临界CO2中的溶解度越大;夹带剂的相对分子质量或分子体积的增大，其在超临界CO2中的溶解度降低，萃取率减小;易形成氢键的夹带剂分子，能明显提高萃取率;多组分的夹带剂，对萃取效能的提高更显著。袁萍等［6］采用红外光谱测量法研究超临界CO2加入不同夹带剂时，水杨酸中基团的伸缩振动频率的位移及夹带剂与溶质的相互作用。结果表明:以乙醇为夹带剂时，水杨酸中CO基团、O—H基团的伸缩振动频率均向低频方向移动;以丙酮为夹带剂时，水杨酸中CO基团伸缩振动频率向高频方向移动。说明:当以乙醇为夹带剂时，水杨酸的溶解度远大于以丙酮为夹带剂时的结果，夹带剂对溶质增溶的作用能力，形成氢键的作用远大于溶剂极性的作用。

3 溶质在含夹带剂SC－CO2体系中溶解度的计算

王进平等［7，8］用状态方程结合改进方程体积参数和超临界流体能量参数的计算公式以及PR混合规则，推导出计算溶质在SC－CO2中溶解度的相平衡计算模型－MPR－2计算模型。采用溶质在含有和不含有夹带剂超临界CO2中的溶解度，把超临界CO2和夹带剂视为一个拟组分，并根据VDW－1混合规则求出拟组分的方程参数，将超临界三元体系的相平衡问题简化为超临界二元体系的相平衡问题。关联和计算了8种溶质(共268个数据点)在超临界CO2中的溶解度，模型计算值与文献的实验值相吻合。通过对蒽、联苯、苯甲酸、氮蒽在超临界 CO2中的溶解度测定，比较了MPR－2和传统的 VDW－1、VDW －2、MH－3四种计算模型，结果MPR－2模型计算值与实验值最相吻合。金君素等［9］将超临界流体视为膨胀液体，根据溶液理论，建立了计算溶质在超临界流体中溶解度的膨胀液体模型。该模型迭代速度快，需要的物性参数少。用流动法测定了2－羟基苯甲酸在超临界CO2中及有夹带剂环己烷、乙醇存在时的溶解度数据。用实验数据和文献数据对膨胀液体模型的适用性进行了验算，结果实验数据及文献数据的平均相对偏差分别为3.55%、3.78%。

4 夹带剂在SC－CO2萃取中药有效成分中的应用

4.1 含水乙醇作为夹带剂 王震宇［10］以蜂胶为原料，进行超临界CO2萃取蜂胶黄酮的研究，系统地考察了醇系、酮系、酯系和混合溶剂等夹带剂对蜂胶黄酮含量的影响。实验表明:夹带剂对萃取影响关系为:醇系夹带剂＞混合夹带剂＞酯系夹带剂＞酮系夹带剂＞不加夹带剂。95%乙醇是性价比最高的夹带剂，夹带剂用量为10%。李国章等［11］使用不同夹带剂，用超临界CO2流体萃取丹参中3种丹参酮，研究不同夹带剂的萃取效果。3种夹带剂中，95%(V/V)乙醇效果最好，其次为丙酮、正辛烷。田鹭等［12］以乙醇、甲醇、95%乙醇为夹带剂，用超临界CO2萃取法从白首乌中提取C21甾苷的提取率，结果:三种夹带剂的加入均可以不同程度的提高C21甾苷的提取量，其增大幅度为95%乙醇＞甲醇＞无水乙醇。张珊珊等［13］研究不同浓度乙醇作为夹带剂对超临界CO2提取竹叶黄酮得率的影响，结果:相同的提取条件下，以50%乙醇作为夹带剂萃取黄酮类物物质提取效率最高，可达到 11.03 mg·g－1。

4.2 无水乙醇作为夹带剂 饶长全等［14］以无水乙醇为夹带剂，采用超临界CO2萃取荔枝核，结果和无夹带剂相比，夹带剂无水乙醇可以提高荔枝核的超临界萃取率。吴珺婷等［15］以油得率为指标，采用正交试验对提取条件进行优化，研究超临界CO2结合夹带剂对顶坛花椒籽油进行萃取效果，结果:其最优工艺条件为:压力16 MPa，温度45℃，无水乙醇作夹带剂，添加量为CO2摩尔流量的3%。最佳条件下油得率达21.98%。

4.3 甲醇作为夹带剂 陈俊英等［16］以不同浓度乙醇、甲醇、丙酮、乙酸乙酯、石油醚作为夹带剂，从黄姜中超临界萃取薯蓣皂素，结果夹带剂为甲醇时，易于和溶质间形成氢键，萃取效率最高;随着极性的减弱，萃取效率降低，当夹带剂为石油醚时，萃取效率最低。

4.4 其他夹带剂 肖飞等［17］研究植物油作夹带剂对厚朴超临界提取效率的影响。以萃取物得率及厚朴酚、和厚朴酚的提取率为指标，加入体积分数10%植物油作为夹带剂，厚朴萃取物得率在前2 h明显高于未加夹带剂工艺，厚朴酚、和厚朴酚的提取率也有提高。尹文红等［18］分别以乙醇、水和乙酸为夹带剂研究对超临界CO2萃取穿心莲内酯的影响，结果:3种夹带剂都提高了萃取效率。晶体的纯度随着夹带剂加入量(在5%～10%范围内)的增加而提高，当加入10%的乙酸，温度为70℃时晶体的纯度最高。

5 夹带剂在超临界CO2去除中药中重金属的作用

由于工业污染日趋严重，中药中重金属超标情况屡屡发生，如何有效去除中药材中的重金属也是中药研究的课题之一。由于重金属离子带有正电荷，具有很强的极性，使得重金属离子与SC－CO2之间的范德华力很弱，难以直接萃取。加入带有负电夹带剂后可以有效去除重金属。孔春燕［19］以CO2及甲醇－CO2为萃取剂对黄芪进行超临界萃取，以原子吸收法测定黄芪中剩余重金属离子含量。结果以CO2萃取剂进行超临界萃取，重金属离子平均去除率为68.5%;以甲醇－CO2为萃取剂进行超临界萃取，重金属离子平均去除率为89.2%。

6 夹带剂在超临界CO2提纯、精制中药提取物中的应用

潘见等［20］以70%的岩白菜素为原料，采用超临界CO2萃取重结晶岩白菜素，考察了甲醇、乙醇、丙酮和乙酸乙酯4种夹带剂对超临界CO2萃取重结晶岩白菜素的结晶率、纯度、形貌和IR图谱等的作用规律。结果表明，在萃取结晶压力为15 MPa、萃取温度为55℃、萃取时间为50 min、CO2流量为15 L·min－1的条件下，乙醇作夹带剂时重结晶纯化岩白菜素的综合效果最好，结晶率达60%以上、重结晶纯度达92%以上，且能保持晶体的优良晶型和结晶品质。

7 讨论

从天然动、植、矿物中提取生物活性成分用于人类健康所需是药学研究的重要部分，大部分传统提取方法效率低，SC－CO2萃取的应用是天然药物研究的一大革命。但是，大部分中药有效成分分子是有极性的，纯SC－CO2萃取并不能适用于所有有效成分的提取，夹带剂的加入提高了所提取成分的选择性和应用范围，又提高了提取效率，越来越广泛地应用于中药研究，超临界CO2萃取还可以对中药材预处理，以去除有毒成分或干扰成分。但是迄今为止，夹带剂用在天然活性物质的提取上，仅仅是个开始，还需要更广泛的推广使用。夹带剂的选择首先要以实验结果为依据，在初选时要了解被萃取物的分子结构、分子极性、分子质量、分子体积等理化性质。选择对被萃取物的溶解性好、可以形成相互作用力、甚至能形成氢键的夹带剂，以提高萃取效率和选择性。

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