亚临界水技术及其在天然产物提取中的应用

张晓倩，王荣春，*，马莺，公丕民，杨文钦

（1.哈尔滨工业大学食品科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150006；2.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030；3.齐齐哈尔医学院微生态工程技术研究中心，黑龙江齐齐哈尔161006）

亚临界水技术及其在天然产物提取中的应用

张晓倩1，王荣春1，*，马莺1，公丕民1，杨文钦2，3

（1.哈尔滨工业大学食品科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150006；2.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030；3.齐齐哈尔医学院微生态工程技术研究中心，黑龙江齐齐哈尔161006）

亚临界水提取技术是一种无毒、安全、环保、效率高的提取分离技术。亚临界水是温度在100℃～374℃之间，一定压力下，仍然保持液体状态的水。随着水温升高，亚临界水的物理化学性质会随之改变，尤其是介电常数和离子积。对亚临界水的性质，提取机制、装置、影响因素以及其在挥发油、多酚等活性成分提取方面的应用进行了阐述，分析了目前亚临界水提取存在的问题并对其未来的前景做了展望。

亚临界水；天然活性成分；提取

亚临界水提取是一种新兴的提取方法，该方法最早应用于土壤、沉积物等环境样品中有机污染物的提取［1］，现在也用于食品、药材等天然产物中的有用成分提取，如碳水化合物、蛋白质、挥发油、酚类物质、醌类物质等。一直以来，人们使用多种方法提取这些成分，包括有机溶剂提取、CO2超临界提取、水蒸气蒸馏等。这些方法都存在一些弊端［2］，有机溶剂提取存在有机溶剂残留问题，对人体健康具有潜在威胁；CO2超临界提取，一方面CO2需要预先进行纯化，成本较高，另一方面，CO2介电常数很低，适合提取无极性的化合物，对于较高极性化合物，不得不添加有机溶剂作为夹带剂［3］，除此之外，碳氧化物的排放会导致温室效应；水蒸气蒸馏提取率低、耗时长［4］。而亚临界水提取，一般只需要5 min～30 min，相对于水蒸气蒸馏需要更少的用水量［5］，提取率高、提取速度快而且不可燃、无毒、经济环保，是一种发展迅速的绿色提取技术［6］。

1亚临界水提取技术

1.1亚临界水提取原理

亚临界水也被称为压力热水，高压热水或者过热水。温度介于100℃～374℃之间，在一定的压力下，水仍然保持液体状态（水的临界点是374℃和22.4MPa）［1，7］。随着水的温度和压力的改变，水本身的性质也发生改变。当水温升高时，它的理化性质发生变化，尤其是它的介电常数和离子积，水的离子积等于氢离子和氢氧根离子浓度的乘积。相对介电常数会随温度升高而减小，从25℃的80降到250℃的27，与甲醇和乙醇在25℃的介电常数非常接近［8］。随温度的升高，提取率不断增大，是因为高温降低了溶剂粘度从而破坏了溶解物和基质之间的相互作用，而且温度升高加剧了分子运动和碰撞，使分子偏离初始位置增大，相互作用减弱，有利于扩散，提高了扩散系数，因此有利于溶质成分溶出［9］。在亚临界状态下，不仅减小水的介电常数，扩散速率加快，改善动力学特性，降低表面张力及粘度。此外，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。

1.2亚临界水提取装置

亚临界水提取方式有3种操作模型：静态模型、动态模型、动-静结合模型。静态模型是亚临界水的体积是固定的，且不会因为压力条件的改变而改变。动态模型是水不断地流过样品，优点就是亚临界水不断流动，最终可以获得更高产量的提取物，但是这种模型比静态模型要求更大量的亚临界水。动-静结合模型是将前两种模型结合起来［10］。连续式亚临界水提取的基本设备如图1所示。

图1　连续式亚临界水提取设备示意图Fig.1Schematic diagram of continuous subcritical water extraction apparatus

一个基本的提取系统包括储水装置，提取容器和提取液接收装置［11］。在进入不锈钢容器进行亚临界水处理之前水被预加热到一个设定的温度。预热线圈和提取容器都有控温装置。在设定提取条件之后，进行提取，提取物运送到冷却系统进行冷却到室温并收集到接收装置中。储水装置与脱气装置连接来减少水中的溶解氧以及溶解的CO2，因为溶解氧会腐蚀高温操作的管路，而溶解的CO2会使提取液酸度增加，从而影响提取物的分析测定。如果没有图1中的3-针阀，图1为动态模型装置图，有针阀则为动-静结合模型装置图。在没有高压泵的情况下可以进行亚临界水分批提取。主要设备包括提取装置、预热装置、冷却系统，示意图如图2所示。

图2　亚临界水分批提取装置示意图Fig.2Schematic diagram of a batch apparatus of subcritical water extraction

连续式反应皿的加热装置常用的是气相色谱炉，分批式反应皿采用直接加热；接收装置主要有液液提取接收装置、固相提取接收装置和固相微提取接收装置。

1.3影响水的理化性质及提取效率的因素

1.3.1提取温度

提取温度是影响水的理化性质主要因素。它决定了提取速率、效率以及提取的选择性。在提取过程中，提取率一般会随着温度的升高而提高，但温度过高会破坏一些热敏性成分，反而会使提取率降低。然而在亚临界水提取中，影响提取效率的2个主要原因是溶解度和传质效果以及表面平衡的破坏。

1）溶解度和传质效果

关于亚临界水提取天然产物中的成分如何改变了溶质的溶解度和传质过程有3种不同的观点。第一种观点，高温提高了亚临界水作为一种溶剂来溶解溶质的能力。例如，脱脂米糠中提取蛋白质、碳水化合物的含量随着温度从50℃～200℃升高而升高［12］。第二种观点，提取温度升高，扩散速率加快。例如，随着温度从25℃～150℃的升高，多环芳烃溶解速率提高了大约2倍～10倍［13］。第三种观点，提取物中的溶质和样品基质表面之间的浓度梯度影响了提取效率。根据菲克扩散第一定律，溶质速率或流量在高浓度梯度时候更高，例如，在静态提取中，使用了新的亚临界水，那么提取率会增加［13］。

2）表面平衡的破坏

高温在表面平衡破坏中起到非常重要的作用。温度的影响主要有2个方面：当温度升高时，范德华力、氢键、溶质分子的偶极引力产生强溶质-基质的相互作用会破坏基质上的活性位点，而且温度升高加剧了分子运动和碰撞，使分子距离增大，相互作用减弱，氢键随之变弱。热能通过降低解吸过程需要的活化能来克服凝聚力（溶质-溶质）和胶粘力（溶质-基质）之间的相互作用。此外，亚临界水的粘度在高温时会下降，有利于提高基质颗粒的渗透性，从而促进提取。溶质和基质的表面张力限制了溶质的溶出也限制了溶质与溶剂的接触，通过提高提取温度，使溶质和基质表面张力下降，使溶质与亚临界水更好的接触从而提高提取率。当溶剂的表面张力下降，溶剂容易形成孔隙，溶质可更快溶解到溶剂中［13］。

提取温度不断升高会导致一些提取出的热敏性成分降解。Ibanez等［14］，使用亚临界水处理迷迭香，温度范围25℃～200℃。在低温下提取的主要成分是大多数极性成分，这些成分随温度升高而下降。非极性成分的溶解度诸如鼠尾草酸随温度升高而增加。然而高温导致极性和非极性的成分的总产量下降。

1.3.2提取时间

亚临界水提取比传统的有机溶剂固液提取的提取时间更短。Jimenz Carmona等［15］，采用亚临界水从牛至叶中提取精油，结果表明，150℃时提取15 min后基本可提取完全，所得精油产率比水蒸汽蒸馏3 h所得产率高出5.1倍，且品质较好。因此提高提取温度，获得相同的回收率，需要更短的时间。

1.3.3提取压力

提取压力在亚临界水提取过程中的影响很小。主要是利用压力使高于沸点的水仍然保持液体状态［22］。在高温条件下，采用高压可以减少水的表面张力，有助于溶剂与基质的孔隙充分接触，更有利于提取物的溶出。Jiménez-Carmona等［15］，研究表明从马郁兰中提取精油，最适温度150℃，在该温度下，当压力从2、9、20 MPa变化时，提取率变化很小。

1.3.4水的流速

水的流速对提取效果的影响非常有限，在动态提取模型中，提高水的流速相当于提高了溶质的传质速度，进而可以提高提取率和回收率。但较高流速却增加了最终提取物的体积，致使浓度过低［16］。Eikani等［17］，研究发现当流速从2 mL/min提高到4 mL/min时，精油提取率也相应提高。

1.4亚临界水与传统提取方法的比较

从天然产物中提取一些有用成分有多种方法，目前采用的提取方法是索氏提取和超临界CO2提取。近年来开始采用亚临界水提取。下面以提取土壤中的多环芳烃为例，对比三种不同提取方式［18］。由表1可知，索氏提取耗时长，提取效果没有明显优势，超临界CO2提取压力要求太高，提取效果不够理想。综合提取条件、提取效果及提取成本，亚临界水提取土壤中的多环芳烃更有效和经济。此外，亚临界水提取技术对于其他一些弱极性化合物也有较好的提取效率。

2亚临界水提取的应用

亚临界水提取技术具有提取时间短、环境友好、提取效率高等优点，在提取环境样品污染物、天然产物的有效成分以及废弃物有用成分方面都有应用。1994年，Hawthorne等［19］，首次将亚临界水提取技术应用于提取土壤中的极性和非极性物质，此后该技术应用于土壤、沉积物、淤泥等环境样品中有机污染物的提取。1998年，Basile等［20］，利用亚临界水提取迷迭香叶子中的挥发油，结果表明亚临界水提取挥发油效果很好，从此该技术被应用于天然产物及食品中。

2.1亚临界水提取在挥发油提取中的应用

挥发油是一种天然产物中的一类具有芳香气味、可随水蒸气蒸馏出来且不溶于水的挥发性油状成分的总称。目前挥发油的提取方法主要有传统的水蒸汽蒸馏法、有机溶剂提取法及超临界CO2提取等。但是由于传统提取方法有诸多缺点。为了克服这些缺点，人们开始使用亚临界水技术提取挥发油。表2中列举了采用亚临界水提取方法提取挥发油的应用情况。

表2　亚临界水提取在挥发油提取中的应用Table1 2The application of the subcritical water extraction in the volatile oil extraction

2.2亚临界水提取在多酚提取中的应用

植物多酚是一类在自然界中分布广泛的植物次生代谢产物，主要存在于植物的皮、根、叶、壳和果肉中，也是许多药用植物的主要活性成分［21］。表3中列举了亚临界水提取在多酚提取中的应用。

表3　亚临界水提取在多酚提取中的应用Table 3The application of subcritical water extraction in the polyphenol extraction

2.3亚临界水提取在其他物质提取中的应用

亚临界水提取在挥发油和多酚提取方面应用较多在其他天然产物提取方面也有应用。如García-Marino［22］通过亚临界水提取葡萄籽中的儿茶素、花青素等。表4列举了亚临界水提取在挥发油和多酚以外的活性物质提取方面的应用及具体的操作条件及分析方法。

表4　亚临界水提取在其他天然产物提取中的应用Table 4The application of subcritical water extraction in the other natural products extraction

3亚临界水提取方法应用方面的限制因素

亚临界水虽然有诸多优点，但仍然存在一些问题。第一，由于植物有效成分十分复杂，近似化合物比较多，单独采用亚临界水提取往往无法直接获得纯度高的目标成分。目前一般采用亚临界水与己烷结合的方法来实现提纯，虽然己烷用量不多，但仍然会有残留，无法实现完全绿色、无毒、无残留。第二，由于亚临界水提取温度较高，要考虑提取物的耐热性，避免活性成分的热降解［23］，所以提取之前需要对被提取物进行耐热性预实验。

4展望

亚临界水提取是一个绿色、环保、节能、提取率高、提取时间短的技术。虽然目前亚临界水提取技术还不能提取纯物质，但是与传统提取技术相比，它的优势十分明显，是一种前景广阔的分离提取技术。亚临界水可以用于提取环境、食品、植物基质中的多种成分，用于食品安全分析有机污染物提取以及环境监测中土壤/沉积物的检测［24］。目前主要应用于挥发油、多酚、黄酮类物质等成分的提取，但是通过亚临界水提取技术进行工业生产仍然非常少。因此，用亚临界水提取技术提取食品、药材、废弃物中有效成分并实现工业化生产具有很好的发展前景。

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Subcritical Water Extraction Technology and Application on Natural Active Ingredients

ZHANG Xiao-qian1，WANG Rong-chun1，*，MA Ying1，GONG Pi-min1，YANG Wen-qin2，3
（1.Harbin Institute of Technology Food Science and Engineering College，Harbin 150006，Heilongjiang，China；2.Northeast Agricultural University Food College，Harbin 150030，Heilongjiang，China；3.Qiqihar Medical School Micro Ecological Engineering Technology Research Center，Qiqihar 161006，Heilongjiang，China）

Subcritical water extraction technology was non-toxic，safe，environmentally friendly，efficient extraction and separation technology.The subcritical water was hot water which maintains its liquid state at temperatures between 100℃and 374℃under pressurized conditions.The physicochemical properties of subcritical water alter with the increased temperature，in particular its relative dielectric constant and ion product.In this paper，we discussed the principle，apparatus，influencing factors and applications of subcritical water in extraction of volatile oils，polyphenols and other natural active ingredients and so on.In addition，we also analyzed the current problems about subcritical water extraction and prospected for its future prospects.

subcritical water；natural active ingredients；extraction

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.11.033

2014-07-31

国家自然科学基金青年科学基金（31201403）

张晓倩（1990—），女（汉），在读硕士研究生，研究方向：亚临界水提取。

王荣春（1977—），女，副教授，研究方向：亚临界水技术在食品中的应用及食品化学。