超临界CO2萃取技术在植物化学物提取中的应用

武剑，石绍伟，胡利娜

（邯郸学院，河北邯郸056005）

超临界CO2萃取技术在植物化学物提取中的应用

武剑，石绍伟，胡利娜

（邯郸学院，河北邯郸056005）

介绍了超临界CO2流体萃取技术的原理、工艺流程、特点及主要影响因素，综述了超临界CO2流体萃取技术在植物化学物提取中的应用现状，展望了超临界CO2流体萃取技术的应用前景与发展的对策。

超临界CO2萃取；植物化学物；研究进展

植物的次级代谢产物中除维生素外均是非营养素膳食成分，现已把它们统称为植物化学物（phytochemicals）[1]。植物化学物中，除人们所熟悉的维生素E和类胡萝卜素外，还包括有多酚类、萜烯类、类黄酮、植物甾醇、植物雌激素、原花色素、皂苷以及一些生物碱等[2]。近年来，研究发现它们广泛地分布于自然界中，其生理活性比较缓和，无毒副作用，长期服用可对人体具有调节功能，已被作为功能性因子广泛地应用于功能性食品、类药剂营养品[3]等一系列新型保健产品的研制和生产中。植物化学物的有效提取对于提高功能性食品、类药剂营养品等的内在质量和保健功效显得尤为重要。传统的提取方法（如煎煮法、回流法、浸渍法、渗漉法等）在保留有效成分、去除无效成分方面存在着有效成分损失大、周期长、工序多、提取率不高等缺点。近年来，超临界CO2（SC-CO2）萃取技术作为一种高新分离技术具有保持产品生物活性、提高提取率及纯度并且安全无毒、色味纯正、操作简单、省时等优点[4]，特别适用于植物化学物，尤其对稳定性差的活性物质的分离和精制中。

1超临界-CO2流体萃取技术概述

超临界流体萃取（supercritical fluid extraction，SFE）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（supercritical fluid，SCF）具有溶解许多物质的能力的性质，将SCF作为萃取剂，从液体或固体中萃取分离出特定的成分的新型分离技术[5]。目前，超临界溶剂有很多种，如低分子烷烃、氟氢烃、N2O等。CO2以其无毒、不燃、临界温度（31.4℃）接近室温等优势，成为应用最多的、最为广泛的一种SCF。超临界CO2流体萃取技术也由于它具有低能耗、无污染和适合于处理易热分解和易氧化物质的特性，已经在国内外得到广泛的工业化应用。

1.1 超临界CO2流体萃取的原理[6]

SC-CO2萃取技术综合了溶剂萃取和蒸馏两种功能的特点。超临界流体是物质处于其临界点（Tc，Tp）以上状态时所呈现出的一种高压、高密度、具有气液两重性的液体。SC-CO2萃取技术就是以超临界状态的CO2流体为溶剂，利用SC-CO2在临界点附近所具有的高渗透性、高扩散性和高溶解能力对萃取物中的目标组分进行提取分离，从而达到分离精制的目的。

SC-CO2流体对溶质的溶解度取决于其密度。当在临界点附近，压力和温度发生微小的变化时，密度即发生变化，从而会引起溶解度的变化。因此，可以通过适当改变温度或压力，使溶解度在较大的范围（100～1 000倍）内得到提高。一般情况下，SC-CO2流体的密度越大，其溶解能力就越大。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。利用这一特性可从物质中萃取某些易溶解的成分。而SC-CO2流体的高扩散性和流动性则有助于所溶解的各成分彼此分离，达到萃取分离的目的，并能加速溶解平衡，提高萃取效率。

1.2 超临界CO2流体萃取的工艺流程[7]

SC-CO2流体萃取基本过程由萃取和分离两大部分组成，按所采用的方法不同，有变压萃取分离（等温法）、变温萃取分离（等压法）和吸附萃取分离（吸附法）3种基本流程。通常，SC-CO2萃取大多采用等温法，其基本操作流程见图1。

图1 超临界流体萃取工艺流程Fig.1 Supercritical Fluid Extraction-SFEProcess Flow

操作时先将原料经除杂、粉碎等一系列预处理后加入到萃取釜5中，气体CO2经过滤器2，压缩机3及缓冲罐4进入萃取釜5。整个过程中，CO2的温度由电热恒温箱9及水夹套10进行控制，被萃取物在分离釜6内进行等温降压分离，产品留在萃取釜内，经萃取一定时间后放出。萃取进行时，从分离釜减压后的CO2可进入过滤器2的进口，循环使用。整个工艺过程可以是连续的、半连续的或间歇的。

1.3 SC-CO2流体萃取技术的优势[8-10]

1）CO2气体价廉易得，无色、无臭、无味、无毒，产品无溶剂残留，稳定性强，色味纯正，可以保障产品的食用安全性。

2）CO2的超临界温度约为31.1℃，可在接近室温及CO2气体笼罩的环境下进行萃取，操作条件温和，不会破坏生物活性物质，并能有效地防止热敏性物质的氧化和逸散，所以特别适用于分离、精制低挥发度和热敏性物质。

3）蒸馏和萃取合二为一。可同时完成蒸馏和萃取2个过程，尤其适用于分离难分离的物质，如有机混合物、同系物的分离精制等。

4）SC-CO2萃取的产品纯度高。选择适当的压力、温度或夹带剂，可提取高纯度的产品，尤其适用于中草药和功能保健品成分的萃取浓缩。

5）SC-CO2萃取是最环保的提取方法。一方面体现在节省能源，整个过程，只涉及显热，且溶剂在循环过程中温差小，易于实现热量回收；另一方面是因为萃取物没有残留溶媒，防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，是绝对纯天然萃取技术。

1.4 SC-CO2流体萃取的影响因素

1.4.1 萃取压力

萃取压力是SC-CO2萃取的主要影响因素之一。温度一定时，随着萃取压力增加，SC-CO2的溶解能力也增加。但当压力增加到一定程度后，则溶解度增加缓慢，此时的压力被称为该温度下的最佳操作压力。对于不同的萃取物，由于其极性强弱不同，其最佳操作压力有很大的不同。一般情况下，弱极性的物质在较低的压力下即可进行萃取，而对极性较强的物质则需要在较高的压力下萃取。

1.4.2 萃取温度

温度也是超临界萃取的重要参数之一。温度对SC-CO2萃取效果的影响较为复杂，在一定压力下升温，使萃取剂CO2的溶解能力相应下降，而被萃取物的溶解能力增大。因此，温度对超临界萃取率的影响应综合这两个因素来考虑。研究表明[11]在温度升高过程中，后者起到主导作用。在实际生产中，SC-CO2萃取的温度控制为大于临界温度，但不宜太高，一般为31.5℃～85℃是最佳操作温度。

1.4.3 CO2流量和萃取时间

SC-CO2萃取过程中，萃取剂流量一定时，萃取时间越长，收率越高。萃取剂的流量大小主要影响萃取时间。一般来说收率一定时流量越大，则萃取的速度越大，所需要的萃取时间越短，但萃取回收负荷大，从经济上考虑应选择适宜的萃取时间和流量。

1.4.4 夹带剂

SC-CO2的极性与正己烷相似，适宜萃取脂溶性成分，而对于极性较大的成分的萃取，一般需要加入少量极性溶剂（作为夹带剂），如甲醇、乙醇、氯仿等，以改善萃取的效果。

1.4.5 物料的粒度

粒度大小可影响提取回收率。减小样品粒度，可增加固体与溶剂的接触面积，提高萃取速度；但如果粒度过小，堆积严密，也会堵塞筛孔，进而造成萃取器出口过滤网的堵塞，从而降低提取效果。

2 SC-CO2流体萃取技术在植物化学物提取中的应用

2.1 萜类化合物及挥发油的提取

萜类化合物主要成分是异戊二烯聚合体及其衍生物，具有一定的生理活性，作为药用有效成分之一。萜类化合物种类繁多，许多植物成分如挥发油富含萜类化合物，这些成分含有的萜烯烃多为热不稳定物质，易受热变质或挥发。传统的提取方法不仅产率低，而且功效成分的分解变化使最终产品质量较差。但这些物质在SC-CO2中有良好的溶解性能，大都可以无需添加夹带剂，操作条件温和，避免其有效成分的分解或破坏，所得产品质量高且收率明显高于传统方法，因此超临界CO2萃取成了提取此类物质的最佳替代方法。很多学者也利用SC-CO2萃取植物中的萜类化合物和挥发油[12-17]，研究发现SC-CO2萃取法有着传统溶剂法不可替代的优越性，采用该法提取挥发油，不但可以明显提高其收率，且省时省力，具体研究实例见表1。

表1 SC-CO2提取萜类及挥发油的实例Table1 SupercriticalCO2Extraction of the Terpenoids and VolatileOils

2.2 生物碱

生物碱是生物体内一类含氮有机物的总称，有类似碱的性质，多含有较复杂的含氮杂环结构和特殊而显著的生理作用，是植物类药材中研究得最早最多的一类天然植物化学物。几乎所有的生物碱都有极性，在生物体内大多数与酸性成分结合以盐的形式存在。因此用纯CO2难以有效萃取，故在超临界CO2萃取时，原料需要提前用碱性剂（如氨水、三乙胺、Ca（OH）2、Na2CO3溶液等）使之完全转化为游离碱，以便增加生物碱在SC-CO2流体中的溶解度和提高萃取效果；另外，加入适宜的夹带剂还可以提高被萃取组分的溶解度，同时，也可提高萃取的选择性和增大提取组分的纯度，常用的夹带剂大多为甲醇、乙醇、丙酮、氯仿等。葛发欢等[18]在益母草总生物碱的提取中，益母草先经过碱化，再加入夹带剂，进行SC-CO2萃取，可以极大地提高生物碱的萃取率，这比常规法的萃取率高10倍；在对菊三七生物碱的提取工艺研究中[19]，先将菊三七药材用2%氨水碱化，并用无水乙醇作为夹带剂，采用SC-CO2法进行提取，从而提高了提取率。表2列举了SC-CO2提取生物碱的部分实例。

表2 SC-CO2提取生物碱的实例Table2 SupercriticalCO2Extraction of the A lkaloid

2.3 酚类的提取

酚类化合物广泛存在中草药中，具有显著的生理活性。酚类化合物属于中性物质，在中草药中多数和糖类结合成甙，增加其极性。依据化学结构不同可分为黄酮类、香豆类、木脂素类等。传统的提取酚类的方法有醇提、碱水、碱醇、热水等，这些方法存在排污量大、提取效率低、分离过程麻烦、成本高等缺点。而SCCO2流体萃取对于黄酮类化合物是一种非常有效的提取方法。很多学者开展了SC-CO2萃取植物化学物中的酚类化合物的相关研究[25-30]，均证实此法较之其他传统方法，具有流程短，操作简单，且萃取得率高，产品质量好等优势，相关结论如表3所示。

表3 SC-CO2提取酚类化合物的实例Table3 SupercriticalCO2Extraction of the Phenolic Compounds

2.4 糖及甙类的提取

糖及甙类的化合物分子量较大，羟基多，极性大，用SC-CO2流体提取产率低，加入夹带剂或加大压力则可提高产率。葛发欢等[31]对萃取黄山药中萃取薯蓣皂素的工艺研究中发现，不加夹带剂很难提出薯蓣皂素，加入丙酮或药用酒精均可得到满意的提取效果。考虑到安全性，采用酒精作为夹带剂提取薯蓣皂素，收率比传统汽油法提高1.5倍，且生产周期短，产品质量高。廖周坤[32]在超临界CO2萃取藏药雪灵芝时发现，不加夹带剂的SC-CO2萃取，即使压力加大，亦基本无法萃出总皂甙及多糖。同样条件下加不同夹带剂的SC-CO2，随着夹带剂极性的增大，萃取物多糖收率增大，而总皂甙粗品收率逐渐降低；而在梯度SC-CO2萃取中，所得总皂甙粗品、多糖的收率分别为传统萃取工艺的18.9倍及1.62倍。盛桂华[33]研究了SC-CO2萃取瓜篓多糖的最佳条件，此条件下瓜篓多糖得率为0.95%，比文献方法提高了3%。由此可见，夹带剂在糖及甙类的萃取过程中起到关键作用，采用夹带剂的SC-CO2技术在植物化学物的提取上具有更广阔的应用前景。

2.5 醌类及其衍生物

醌类化合物是分子中具有不饱和环二酮结构的一类天然色素，它以游离态或苷的形式存在于大黄、何首乌、紫草、芦荟等药材中，传统的提取法为溶剂提取。由于醌类化合物的极性较大，故采用SC-CO2法萃取时，除了需要较高的压力外，还要加入合适的夹带剂。陈卫林[34]优化了SC-CO2萃取总蒽醌的工艺条件，结果发现SFE法的提取物中大黄蒽醌的含量是醇提法的2倍。在另外一项SC-CO2流体萃取大黄游离蒽醌的研究中还发现在相同的提取条件下，以乙醇为夹带剂时大黄蒽醌类物质的提取效果最好[35]。

3展望

目前，超临界CO2萃取技术因其具有纯净、安全、产物活性成分不易受热分解、稳定性强及提取效率高等优点，已经成为天然植物化学物研究与开发中—种具有相当发展潜力的高新提取分离方法，具有其独到的、其他方法不可取代的优势。

但是，对于植物化学物的提取同样具有其自身固有的缺点，对于许多强极性和高相对分子质量的物质很难进行有效萃取，还需要加入合适的夹带剂，所以，今后应在夹带剂方面进行重点研究。另外，如果能将之与其他分离手段和检测手段实现有机结合，从而大大提高操作的效率，对于促进超临界CO2萃取技术应用的发展具有重要意义，也必将推动我国天然植物化学物的研究开发向更高层次发展。

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Application of Supercritical CO2Extraction in Study of Phyto-Chemicals

WU Jian，SHIShao-wei，HU Li-na
（Handan college，Hebei，Handan 056005，Hebei，China）

The principle，technological process，characteristic and several factors affecting this extraction yield of supercritical liquid extraction technique were discussed in this paper.In addition，the situation and superiority of supercritical CO2extraction technology applied in the development research of phyto-chemicals were introduced and the application prospect of the technology was performed.

supercriticalCO2extraction；phyto-chemicals；research progress

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.15.016

2014-02-16

武剑（1980—），男（汉），讲师，研究生，研究方向：运动生物化学。