王志鋒，王 青

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局審查協(xié)作北京中心，北京 100072）

超臨界流體萃取（supercritical fluid extraction，即SFE）就是利用超臨界流體提取分離有效成分的新技術(shù)，它可以通過(guò)改變壓力或溫度來(lái)調(diào)節(jié)超臨界流體的溶解能力，進(jìn)而對(duì)不同的成分的提取分離有較高的選擇性[1]。目前，超臨界流體萃取被廣泛應(yīng)用于中藥有效成分的提取工藝中。

1 SFE基本原理

超臨界流體（Supercritical Fluid，SF）是一種高密度流體，并處于超臨界狀態(tài)（比如超臨界溫度和臨界壓力）。SF既非氣體，又非液體，性質(zhì)介于兩者之間，其高滲透性、流動(dòng)性與氣體相當(dāng)，溶解能力與液體相當(dāng)，并具有高密度、低黏度和較高的擴(kuò)散系數(shù)。這些特性使SF成為從中藥中提取分離有效成分的優(yōu)良溶劑。

超臨界流體對(duì)溶質(zhì)的溶解能力隨體系壓力和溫度的改變?cè)谙喈?dāng)廣的范圍內(nèi)變動(dòng)。在臨界狀態(tài)附近，對(duì)體系壓力或溫度進(jìn)行微調(diào)，微小的變化便可以使流體密度發(fā)生較大的改變，從而導(dǎo)致其溶解度發(fā)生顯著變化。也就是說(shuō)，在提取分離過(guò)程中，僅調(diào)整溫度或壓力便可以改進(jìn)流體密度，進(jìn)而大幅度改變?nèi)苜|(zhì)的溶解能力，便能夠有選擇性地將不同的目標(biāo)成分提取分離出來(lái)。完成提取分離后，改變體系壓力和溫度便可將SF變?yōu)槠胀怏w進(jìn)而排出分離裝置[2]。

能用作超臨界流體的物質(zhì)有二氧化碳、三氟甲烷、六氟化硫、乙烯、氮?dú)?、氫氣等，其中，CO2的臨界點(diǎn)低（Tc＝31.26℃，Pc＝72.9 atm），設(shè)備技術(shù)易于滿(mǎn)足，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，廉價(jià)易得，是最常用的超臨界流體。另外，非極性的超臨界CO2流體僅對(duì)非極性和弱極性物質(zhì)有較高的萃取能力[3]。

2 影響因素[4-5]

2.1 萃取壓力

超臨界流體的溶解能力與密度成正比，在臨界點(diǎn)附近，壓力的微小改變會(huì)引起SF密度較大的變化。由此可見(jiàn)，SF的溶解能力與壓力有明顯的相關(guān)性。萃取壓力取決于被萃取物的極性，極性弱的物質(zhì)需要較低壓力即可（7～10 MPa），極性較強(qiáng)的物質(zhì)需要較高壓力（≥20 MPa）。而萃取壓力會(huì)受到設(shè)備、安全、成本的限制，不可能無(wú)限制地升高壓力，所以，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)綜合考慮。

2.2 萃取溫度

在恒定的壓力下，隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加快，有效成分?jǐn)U散，傳質(zhì)速度加快，SF與有效成分締合機(jī)會(huì)增加，萃取率升高。但是，如果二氧化碳密度下降，溶解能力變?nèi)?，萃取率便?huì)降低。因此，不同的萃取物在恒定壓力下都有其最合適的萃取溫度。

2.3 萃取物粒度

SFE的具體過(guò)程可以分為萃取物與SF接觸、溶解和逸出3個(gè)步驟，其中，關(guān)鍵步驟為溶質(zhì)的擴(kuò)散速率。溶質(zhì)的粒度越小，與流體的接觸面積越大，有利于溶質(zhì)的擴(kuò)散，萃取速度會(huì)提高。然而此時(shí)，粒度過(guò)小可以增強(qiáng)顆粒表面的熱效應(yīng)，使得原料的堆積密度變大，降低通透性，甚至堵塞篩孔，使得摩擦生熱體系溫度升高，活性物質(zhì)遭到破壞。因此，粒度大小要適宜。

2.4 CO2流量

超臨界萃取率會(huì)隨著CO2流量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。在一定范圍內(nèi)，增加CO2流量，可使SF與萃取物充分?jǐn)嚢琛⒔佑|，進(jìn)而增加SF的溶解能力，有利于萃取的進(jìn)行。而當(dāng)CO2流量過(guò)大時(shí)，會(huì)使流體在物料中的傳質(zhì)接觸時(shí)間變短，使SF無(wú)法與溶質(zhì)充分作用，降低了萃取率，增加了SF的損耗量，提高了生產(chǎn)成本。因此，在實(shí)際生產(chǎn)工藝中，應(yīng)綜合考慮，通過(guò)一系列試驗(yàn)來(lái)確定適宜的流體流量。

2.5 萃取時(shí)間

在流量恒定的情況下，在萃取初始階段，SF尚未與溶質(zhì)充分接觸，而延長(zhǎng)萃取時(shí)間可使傳質(zhì)趨于穩(wěn)定，萃取效率逐漸提高，直至達(dá)到最大值。此后，由于目標(biāo)成分含量減少，使得萃取率逐漸下降。

2.6 夾帶劑（entrainer）

在超臨界流體萃取過(guò)程中，夾帶劑的加入可以有效改變SCF的選擇性溶解作用。CO2是非極性溶劑，對(duì)極性物質(zhì)的溶解能力比較弱，限制了其在極性較強(qiáng)的物質(zhì)中的提取分離。在分離極性較強(qiáng)的物質(zhì)時(shí)，可以使用極性?shī)A帶劑來(lái)提高體系的溶解能力。常用的極性?shī)A帶劑有乙醇、甲醇、丙酮、水、乙酸乙酯和乙氰等，但是，加入的夾帶劑最后均需從萃取物中分離或回收，會(huì)增加設(shè)備的能耗。因此，在選用夾帶劑時(shí)，要綜合考慮夾帶劑的性質(zhì)、用量、成本和萃取效率等。

3 SFE在中藥有效成分提取分離中的應(yīng)用[5-7]

中藥成分復(fù)雜，對(duì)其有效成分的提取、分離是中藥現(xiàn)代化研究中的重要內(nèi)容。相對(duì)于傳統(tǒng)提取工藝，超臨界萃取技術(shù)具有高效、穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。從專(zhuān)利保護(hù)的角度來(lái)看，SFE主要涉及對(duì)單味中藥材有效成分的提取分離，包括揮發(fā)油、黃酮類(lèi)、生物堿類(lèi)、皂苷、多糖類(lèi)和醌類(lèi)等。

3.1 揮發(fā)油

揮發(fā)油（Volatile oil）屬于天然藥物有效成分，通常具有廣泛生物活性，并且富含萜類(lèi)、半萜類(lèi)化合物。水蒸氣蒸餾法是其傳統(tǒng)提取工藝，但是，水蒸氣蒸餾法容易出現(xiàn)提取收率低、提取時(shí)間長(zhǎng)、有效成分不穩(wěn)定等缺陷。而超臨界流體并不存在上述缺陷，由于分子量比較小，揮發(fā)油在SF中的溶解性能良好，多數(shù)可采用SFE直接萃取。

中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，CN101524402A（公開(kāi)日2009-09-09）公開(kāi)了一種用CO2超臨界萃取技術(shù)提取芳香新塔花全草中揮發(fā)油的方法。這種方法與現(xiàn)有的水蒸氣蒸餾法提取揮發(fā)油的方法相比，SFE不需要任何溶劑，可在常溫下進(jìn)行，并且CO2無(wú)毒、無(wú)殘留，節(jié)約能耗，氣源來(lái)源穩(wěn)定，可循環(huán)使用，提取工藝簡(jiǎn)單，萃取效率高，其揮發(fā)油的收率可達(dá)到1.8%以上。這種方法克服了傳統(tǒng)的對(duì)新塔花的揮發(fā)油提取中使用的水蒸氣蒸餾的方法存在的費(fèi)時(shí)、費(fèi)能和產(chǎn)品帶有水分殘留的缺點(diǎn)。

3.2 黃酮類(lèi)

黃酮類(lèi)（Anthoxanthin）化合物是一類(lèi)低分子量天然植物成分，具有防氧化、降血脂、抗過(guò)敏和抑制血小板聚集等活性。水煎煮法、浸泡法、堿提酸沉法是黃酮類(lèi)化合物傳統(tǒng)的提取工藝，這些工藝存在著成本高、周期長(zhǎng)、效率低、污染重等缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)提取方法相比，SFE萃取黃酮類(lèi)化合物流程短、效率高、無(wú)溶劑殘留，所以，被廣泛運(yùn)用。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，CN105832809A（公開(kāi)日2016-08-10）公開(kāi)了一種采用超臨界流體萃取胡枝子總黃酮的方法。胡枝子在我國(guó)分布廣泛，但目前主要是作為牧草使用，用于防止水土流失。胡枝子的主要活性成分為黃酮類(lèi)化合物。相比于傳統(tǒng)的提取工藝，比如煎煮法、乙醇回流法（對(duì)照組）相比，超臨界流體萃取方法（實(shí)驗(yàn)組）能夠顯著提高胡枝子萃取液中總黃酮提取量（對(duì)照組為1.02～1.45 mg/g，實(shí)驗(yàn)組為3.16～3.69 mg/g）。此外，胡枝子萃取液中總黃酮純度也顯著提高（對(duì)照組為2.51%～3.47%，實(shí)驗(yàn)組為10.54%～11.79%）。

3.3 生物堿

生物堿（Alkaloid）種類(lèi)繁多，是植物次生代謝產(chǎn)物中較大的一類(lèi)，其可用于多種疾病的防治，比如心抗炎、抗瘧疾、抗病毒、抗腫瘤，且有益于血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)。索氏提取法、滲漉法、酸性水溶液提取法、親脂性有機(jī)溶劑提取法等是生物堿傳統(tǒng)的提取分離方法。與這些傳統(tǒng)方法相比，SFE可以通過(guò)加入夾帶劑來(lái)減少酸堿性試劑的用量，并且提高萃取效率。

葉乾堂等，CN102786472A（公開(kāi)日2012-11-21）公開(kāi)了一種利用超臨界萃取提取分離千層塔及其毛狀根中石杉?jí)A甲的方法。在實(shí)際工作中，采用超臨界萃取等技術(shù)能大幅提高提取率，生產(chǎn)成本降低。與傳統(tǒng)工藝相比，使用這種方法，生產(chǎn)成本下降了40%，并且可以使石杉?jí)A甲含量不低于0.002 5%的原料產(chǎn)生價(jià)值，實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。通過(guò)循環(huán)使用SFE排出的CO2廢氣經(jīng)過(guò)冷凝壓縮后再次攜帶夾帶劑乙醇進(jìn)入一級(jí)萃取釜進(jìn)行下一輪萃取，節(jié)省二氧化碳使用量。

3.4 皂苷和多糖類(lèi)

皂苷和多糖類(lèi)是藥材提取物中分子式較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。皂苷（Saponin）是固醇的低聚配糖體或三萜類(lèi)化合物的總稱(chēng)，多糖（Polysaccharide）常由多個(gè)單糖基通過(guò)糖苷鍵連接而成，二者具有降血糖、降血脂、增強(qiáng)機(jī)體免疫功能、抗腫瘤、降血糖和抗病毒等藥理活性。皂苷和糖類(lèi)化合物的分子量比較大，羥基比較多，極性比較大，難溶于低極性溶劑。傳統(tǒng)的提取方法是甲醇回流提取法，這種方法能耗大、成本高。與之相比，超臨界流體萃取速度快、效率高、成本低、無(wú)污染、操作簡(jiǎn)便。由此可知，SFE更加適合皂苷和多糖類(lèi)化合物的提取。在超臨界萃取過(guò)程中，可通過(guò)加入夾帶劑、提高壓力、梯度萃取等方法來(lái)提高萃取率。

肖軍平等，CN104530147A（公開(kāi)日2015-04-22）公開(kāi)了一種從裸花紫珠葉中提取制備毛蕊花糖苷標(biāo)準(zhǔn)品的方法。采用的超臨界流體萃取技術(shù)具有選擇性高、傳質(zhì)系數(shù)大、操作溫度溫和、超臨界流體溶解能力強(qiáng)且可調(diào)、可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)的純化分離技術(shù)中引入的其他組成，過(guò)程綠色環(huán)保，且在無(wú)氧、中溫等溫和條件下進(jìn)行，排除了過(guò)程中影響產(chǎn)品穩(wěn)定性的因素，提取得率和純度都得到了極大的提高。蔣來(lái)高，CN1854158A公開(kāi)了一種運(yùn)用超臨界流體萃取技術(shù)提取黃芪多糖的工藝。黃芪多糖與黃芪注射液較易被臨床應(yīng)用所接受，而傳統(tǒng)的黃芪多糖提取工藝的提取得率和純度都不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)需求，而應(yīng)用SFE實(shí)現(xiàn)了從藥材黃芪中提取黃芪多糖-Ⅲ糖。

3.5 醌類(lèi)化合物

醌類(lèi)化合物是存在于中草藥中的一類(lèi)包含不飽和環(huán)二酮結(jié)構(gòu)的化合物，具有抗菌、抗氧化、抗腫瘤等生物活性。醌類(lèi)的傳統(tǒng)提取方法包括溶劑法、酸堿水解、水蒸氣蒸餾法、pH梯度分離等，但是，這些方法污染比較大、步驟繁多?；诤?jiǎn)化工藝、減少污染、提高收率的優(yōu)勢(shì)，SFE能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法存在的不足，因而在中草藥中醌類(lèi)化合物的提取分離領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

栗進(jìn)才等，CN102240327A（公開(kāi)日2011-11-16）公開(kāi)了超SFE在提取中藥大黃中的大黃總蒽醌的應(yīng)用。傳統(tǒng)的分離方法因提取率低、周期長(zhǎng)、成本高、純度不高、浪費(fèi)生藥資源，已成為現(xiàn)階段制約該產(chǎn)品出口的主要障礙；采用超臨界流體提取中藥大黃中的大黃總蒽醌的方法，具有提取方法簡(jiǎn)單、專(zhuān)屬性強(qiáng)、提取率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，提取過(guò)程符合環(huán)保要求，提取物/藥液中大黃總蒽醌的含量可達(dá)81%.

4 回顧與展望

超臨界流體萃取技術(shù)最早出現(xiàn)的專(zhuān)利是1943年，主要應(yīng)用于石油化工。1970年以后，超臨界流體萃取技術(shù)的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大到了對(duì)植物油、咖啡因等的提取分離。20世紀(jì)80年代，美國(guó)、德國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)工業(yè)化的SCF的裝置設(shè)備；相對(duì)于歐美，日本在SCF方面起步稍晚，但發(fā)展迅速，并且在食品、天然藥物、保健品、化妝品領(lǐng)域取得一定優(yōu)勢(shì)。我國(guó)研究SCF僅10多年，起始階段以清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京化工大學(xué)等高校實(shí)驗(yàn)室為主，具體針對(duì)SFE在中草藥的提取分離研究始于20世紀(jì)80年代后期，目前逐漸與藥理和臨床應(yīng)用研究相結(jié)合，有些產(chǎn)品進(jìn)行了中試以及工業(yè)化研究，并且有產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)[4]。

目前，SFE的專(zhuān)利有很多，而進(jìn)行到小試和中試的產(chǎn)品還不多，僅有少數(shù)達(dá)到商業(yè)規(guī)模的工藝獲得成功；且SFE主要局限于單味中藥有效成分的提取分離，尚不能滿(mǎn)足傳統(tǒng)中藥復(fù)方的提取需求。由此可見(jiàn)，完善SFE在中藥材復(fù)方的應(yīng)用將是相關(guān)人員今后研究的重大課題[7]。此外，中藥材種類(lèi)繁多，成分復(fù)雜，單獨(dú)使用SFE恐難以完全滿(mǎn)足對(duì)產(chǎn)品純度的要求，有待于SFE與其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合[8]。由于具有優(yōu)于傳統(tǒng)分離技術(shù)的特點(diǎn)以及廣泛的關(guān)注，SFE已被國(guó)家納入重點(diǎn)支持項(xiàng)目，隨著應(yīng)用的不斷完善和研究的不斷深入，相信SFE能夠?yàn)槲覈?guó)中藥現(xiàn)代化作出巨大的貢獻(xiàn)。