安軍紅

(大理大學藥學院，云南 大理 671000)

動物、植物提取物或昆蟲、海洋生物和微生物體內的組成成分或其代謝產物以及人和動物體內許許多多內源性的化學成分統稱做天然產物，其中主要包括蛋白質、氨基酸、糖蛋白、生物堿、揮發(fā)油、黃酮、醌類、甾體化合物、抗生素類等天然存在的化學成分，有著抗菌、抗炎、抗氧化、抗病毒等多種作用[1]。目前，大多數的天然產物主要依靠傳統溶劑法來提取，不僅工藝繁瑣、周期長、有效成分損失大、提取率不高、所獲得的產品純度較低，而且會對環(huán)境造成一定的影響，在實驗的過程中存在著潛在的危害性。

超臨界二氧化碳(supercritical dioxide,SC-CO2)萃取技術[2]是20世紀70年代發(fā)展起來的一項提取分離技術，它是利用處于臨界溫度，臨界壓力之上的超臨界流體具有溶解許多物質的能力的性質，將超臨界流體二氧化碳作為萃取劑，從液體或固體中萃取分離出特定成分的新型分離技術?？梢宰鳛槌R界流體的物質有很多，例如低分子烷烴、甲醇、乙醇和水等。而目前最常用以及研究最多的超臨界流體是二氧化碳，原因有[3]：(1)二氧化碳的臨界溫度為31.4 ℃，接近室溫，在提取的過程中可以有效的防止熱敏性物質的降解；(2)二氧化碳的臨界壓力(7.38 MPa)處于中等壓力，操作安全且容易達到超臨界狀態(tài)；(3)二氧化碳無毒、無味、不易燃易爆、不腐蝕等優(yōu)點，使得萃取的產品無溶劑殘留；(4)超臨界流體二氧化碳具有抗氧化作用，有利于保證和提高產品的質量；(5)萃取速度快，效率高，且操作參數易于控制，因而能使產品質量穩(wěn)定；(6)耗能低，超臨界流體二氧化碳與萃取物分離后，只要重新壓縮就可循環(huán)利用，耗能大大降低，節(jié)約成本；(7)該技術選擇性好，且可通過控制壓力和溫度來改變超臨界流體二氧化碳的密度，進而改變其對物質的溶解能力，有針對性地萃取中草藥中的某些成分；(8)從萃取到分離可一步完成；此外，該超臨界二氧化碳萃取技術也由于它萃取速度快，效率高，且操作參數易于控制，耗能低，幾乎不產生新的“三廢”[4]，還可以提取出傳統方法不能提取出來的物質，有利于保證和提高產品質量的優(yōu)點，已經在國內外得到了廣泛的工業(yè)化應用。

本文綜述了超臨界二氧化碳萃取技術的基本原理及其在天然產物提取中的應用，進而說明超臨界二氧化碳萃取技術在中藥領域具有廣闊的發(fā)展前景。為超臨界二氧化碳在其他方面中的應用提供參考。

1 超臨界二氧化碳流體萃取的基本原理

超臨界二氧化碳對物質的溶解能力與其密度有關系。當處于臨界點附近時，壓力和溫度發(fā)生微小的變化，密度也會隨之發(fā)生變化，從而會引起溶解度的變化。因此，可以通過改變溫度或壓力來調節(jié)超臨界流體二氧化碳的溶解能力[5]，使其溶解度在較大的范圍(100～1000倍)內得到提高，進而萃取得到不同沸點、極性、相對分子質量的物質。一般情況下，超臨界流體二氧化碳的密度越大，其溶解能力就越大[6]。在恒溫下隨壓力升高，溶質的溶解度增大；在恒壓下隨溫度升高，溶質的溶解度減小[7]。

2 超臨界二氧化碳萃取技術的應用

2.1 揮發(fā)油的提取

揮發(fā)油是在含有香脂腺的植物中通過水蒸氣蒸餾法、溶劑提取法等方法提煉萃取的揮發(fā)性芳香物質。具有親脂性的性質，很容易溶在油脂中。揮發(fā)油的化學分子組成為萜烯類、酯類、醇類等。此類物質可以達到對抗細菌、病毒、霉菌、可防發(fā)炎，防痙攣，促進細胞新陳代謝及細胞再生功能的作用[8-9]。曾朝懿等[10]采用水蒸氣蒸餾法、超聲輔助水蒸氣蒸餾法、微波輔助水蒸氣蒸餾法、超臨界二氧化碳萃取法4種方法對木姜子花蕾中的揮發(fā)油成分進行提取。結果顯示，超臨界二氧化碳萃取溫度為50 ℃，萃取壓力為15 MPa，分離溫度為40 ℃，分離壓力為7 MPa，二氧化碳流量為15 L/h，此參數下揮發(fā)油提取率為400 mg/g,而水蒸氣蒸餾法的提取率為32 mg/g，超聲輔助水蒸氣蒸餾法的提取率為40 mg/g,微波輔助水蒸氣蒸餾法的提取率為37 mg/g。由此可以得出，超臨界二氧化碳萃取技術的提取率遠遠大于其他三種方法的提取率。張師輝等[11]用 3種方法提取溫莪術油中的成分，分別為超聲輔助乙酸乙酯萃取、超臨界二氧化碳萃取和水蒸氣蒸餾法，利用氣相色譜-四極桿飛行時間串聯質譜(GC-Q/TOF-MS)對溫莪術油中化學成分進行研究，比較不同提取方法對其成分的影響。結果表明，當萃取溫度為50 ℃，萃取壓力為28 MPa，循環(huán)萃取2 h，經過鑒定后，得到了73個揮發(fā)性成分，而從超聲輔助乙酸乙酯萃取和水蒸氣蒸餾法中得到的揮發(fā)性成分為72個，鑒定成分的相對峰面積之和分別為超聲輔助乙酸乙酯萃取92.87%、超臨界二氧化碳萃取93.36%、水蒸氣蒸餾法92.71%。特別是超臨界二氧化碳萃取有1個特有的成分。祖恩普等[12]提取皇帝柑果皮中的揮發(fā)油，對比了超臨界二氧化碳萃取法和乙醚超聲萃取法2種方法的提取效率，當參數為設定溫度55 ℃，壓強 18 MPa，二氧化碳流量為23 L/h，動態(tài)萃取2 h時，結果顯示，采用超臨界二氧化碳法提取的揮發(fā)油得率為0.75%，被鑒定的成分有28種，D-檸檬烯含量為45.24%;乙醚超聲法提取的揮發(fā)油得率為0.69%，被鑒定的成分有24種，D-檸檬烯含量為37.73%。由此可以得出超臨界二氧化碳萃取較乙醚超聲萃取揮發(fā)油的出油率更高，鑒別出的成分更全面，有效成分含量也更高。張淑雅等[13]用蒸餾法、水蒸氣蒸餾法、水蒸氣加酒精燈加熱蒸餾法、乙醚超聲波萃取法和超臨界二氧化碳萃取法這五種提取方法對牡丹皮中的揮發(fā)油進行分析，在50 ℃條件下烘烤3 h，研磨成小塊狀，放入萃取釜中，在30 MPa，50 ℃條件下，先靜態(tài)萃取2 h，再動態(tài)萃取1 h的條件下，得出超臨界二氧化碳萃取法和乙醚超聲波萃取法以化合物成分為指標的情況下鑒別出的成分更全面的結論。

2.2 生物堿的提取

生物堿是存在于自然界中的一類含氮的堿性有機化合物，過去又稱為贗堿。大多數有復雜的環(huán)狀結構，氮素多包含在環(huán)內，有顯著的生物活性，是中草藥中重要的有效成分之一。按照生物堿的基本結構，可將其分為60類左右。大多呈堿性反應，但秋水仙堿呈中性反應，茶堿呈酸性反應，嗎啡和檳榔堿呈兩性反應。生物堿有著很多特殊又顯著的生理活性，如麻黃中的麻黃堿具有平喘作用，罌粟中提取的嗎啡具有強烈的鎮(zhèn)痛作用等[14-15]。因為生物堿的極性偏大，所以在用超臨界二氧化碳萃取時，需要通過增加壓力或者使用夾帶劑來增強流體的溶解度。李俶等[16]運用正交試驗法考察超臨界二氧化碳萃取槲寄生堿的最佳工藝為：槲寄生粉靜態(tài)萃取30 min,再進行動態(tài)萃取，溫度50 ℃,壓力25 MPa,時間1 h,夾帶劑為氯仿時,結果為從每100 g槲寄生中可提取浸膏最高為11.24 g,其中生物堿含量為0.54 g。梁燕明等[17]通過研究發(fā)現，當超臨界二氧化碳萃取的萃取壓力為20 MPa,溫度為50 ℃，提取時間為 2.5 h，夾帶劑為95%的乙醇，夾帶劑流量為8 mL/min的條件下，與兩種傳統方法(滲漉法、溫浸法)進行對比，發(fā)現超臨界萃取法得到的苦參堿含量比滲漉法高出0.072%，比溫浸法高出0.105%，由此可知，超臨界萃取方法萃取得到的苦參堿的含量要高于傳統方法所得的苦參堿。李仙義等[18]采用超臨界二氧化碳萃取技術從蒙藥蓽茇中萃取胡椒堿，經系統觀察法考察了超臨界萃取的最佳萃取條件，并用反向高效液相色譜法進行分離測定，得出最佳萃取條件為萃取壓力38.5 MPa,萃取溫度70 ℃，夾帶劑甲醇量0.4 mL, 靜態(tài)萃取時間5 min及動態(tài)萃取體積5 mL,測得的胡椒堿含量為2.920%。由此可以看出，超臨界流體萃取技術對于加強中蒙藥中的生物堿的提取效率起到了舉足輕重的作用，為中蒙藥的發(fā)展提供了良好的前景。

2.3 天然色素的提取

天然色素是由天然資源獲得的食用色素。主要從動物和植物組織及微生物中提取的色素。天然色素不僅具有給食品著色的作用，而且相當部分天然色素具有抗氧化、抗癌等多種生理活性，在化妝品、保健品方面也得到了應用[19-21]。李雄等[22]研究表明，通過單因素實驗和正交實驗確定了從梔子果實中提取梔子黃色素的最佳工藝條件為用含乙醇為60%的溶液為夾帶劑，采用萃取壓力為25 MPa，萃取溫度為45 ℃，流體流量為 8 L/h，萃取2 h能獲得較好的萃取效率，此時所得梔子黃色素的色價達1.00。畢靜[23]采用三因素三水平的正交試驗對莧菜中莧菜紅色素的提取提取工藝進行優(yōu)化，得到了最佳的工藝條件為：萃取溫度60 ℃，萃取壓力為20 MPa，流量計顯示二氧化碳的流量為0.05 m3/h，以純水作為夾帶劑，原料與夾帶劑質量比1:1，萃取60 min，莧菜紅色素含量可達37.5%。張學彬等[24]采用單因素試驗和均勻設計法試驗的方法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取法提取辣椒紅色素的工藝條件，得出的結論為當萃取溫度32 ℃、萃取壓力20 MPa、萃取時間3.5 h、顆粒度 50目的條件下，辣椒紅色素提取率為6.68%。張郁松[25]采用了有機回流萃取和超臨界二氧化碳萃取2種方法對辣椒紅素的萃取條件、色素得率、感官品質及產品穩(wěn)定性進行對比，得到當萃取壓力20 MPa，萃取溫度50 ℃，二氧化碳流量為20 L/h，萃取時間3 h條件下，超臨界二氧化碳萃取得到的辣椒紅素提取率為10.54%，有機回流萃取提取率為4.86%。而通過質量指標的比較得到超臨界法萃取的辣椒紅色素色價高，色澤鮮艷呈暗紅色的油狀液體，無辣味；而有機法萃取的辣椒紅色素色價低，呈紅色油狀粘稠物，有辣味。比較兩種方法提取得到的辣椒紅素的穩(wěn)定性，可知光照6天后，超臨界法得到的辣椒紅色素色價損失率為12.90%，而溶劑法得到的辣椒紅色素色價損失率為21.68%，說明超臨界法得到的辣椒紅色素光穩(wěn)定性要強于溶劑法。

2.4 醌類的提取

醌類化合物是中藥中一類具有醌式結構的化學成分，主要分為苯醌、萘醌、菲醌和蒽醌四種類型。它以游離態(tài)或苷的形式存在于丹參、大黃、茜草等中藥中。醌類化合物具有著豐富的生物活性，如致瀉作用、抗菌止血作用、擴張冠狀動脈的作用、驅趕捕食者等其他作用[26]。因為醌類化合物的極性大，所以在用超臨界二氧化碳萃取時，需要較高的壓力，還要加入合適的夾帶劑。存在于大黃中的蒽醌主要為結合蒽醌，需要一定的酶將其結合力破壞才可以進行相應的測定。薛鵬喜等[27]對超臨界二氧化碳萃取穗花大黃中總蒽醌的工藝條件進行了優(yōu)化，最終確定了最佳的工藝條件為萃取壓力25 MPa，萃取溫度 50 ℃，萃取2 h。所得到的提取物中總蒽醌的質量分數為 23.4 mg/g，總蒽醌轉移率達91.4%。未作君等[28]采用正交實驗對超臨界萃取大黃游離蒽醌的條件進行了優(yōu)化，最終發(fā)現當靜萃取時間為60 min、動萃取時間為30 min、以乙醇作夾帶劑、乙醇用量300 mL·(100 g大黃)-1、萃取溫度45 ℃、萃取壓力45 MPa的條件下大黃游離蒽醌的萃取量達1.15%。薛鵬喜[29]考察了用超臨界二氧化碳萃取與有機溶劑提取兩種方法對穗花大黃中蒽醌化合物的提取效率進行比較，用正交設計對超臨界二氧化碳萃取工藝進行優(yōu)化，確定了最佳工藝條件為以與藥材質量比為1:1的5 mol/L的鹽酸對藥材進行萃取前預處理，以95%乙醇作為夾帶劑，夾帶劑用量2:1萃取壓力25 MPa，萃取溫度45 ℃，二氧化碳流量22 L/h萃取時間為2.5 h。最后得到的浸膏量為3.58%，總蒽醌萃取率為2.12%。而用有機溶劑提取到的浸膏得率為10.52%，總蒽醌提取率為1.93%。由此可以看出，采用超臨界萃取工藝得到的萃取物質量優(yōu)于有機溶劑提取所得，而且超臨界萃取耗時少，萃取率高，對于萃取穗花大黃中蒽醌類物質具有巨大的價值與開發(fā)的前景。

2.5 黃酮類的提取

黃酮類化合物泛指兩個具有酚羥基的苯環(huán)通過中央三碳原子相互連結而成的一系列化合物，其基本母核為2-苯基色原酮。黃酮苷一般易溶于水、乙醇、等強極性的溶劑中，但難溶于或不溶于苯、氯仿等有機溶劑中。黃酮類化合物具有多方面的功效：它是一種很強的抗氧劑；可有效清除體內的氧自由基；可以改善血液循環(huán)；可以降低膽固醇；可以抑制炎性生物酶的滲出；還可以增進傷口愈合和止痛[30]。使用超臨界二氧化碳萃取可以克服傳統的提取方法提取效率低，成本高，分離過程復雜等缺點，而超臨界二氧化碳萃取提高了黃酮的提取率，萃取分離一步完成，產物純度高。王華芳[31]用超臨界二氧化碳萃取杜仲葉中的總黃酮，使用正交試驗對萃取的工藝進行研究，發(fā)現當提取溫度為50 ℃，壓強為30 MPa，時間120 min的工藝條件下，杜仲葉中的總黃酮提取率高達10.55%。湯芬等[32]用超臨界二氧化碳萃取荷葉總黃酮，優(yōu)化的工藝條件為萃取壓力45 MPa，溫度36 ℃，乙醇質量分數100%，萃取時間120 min。在該條件下荷葉總黃酮得率為3.3115 mg/g。宋若遠等[33]研究發(fā)現超臨界二氧化碳萃取的最佳提取工藝為提取溫度40 ℃，提取壓力30 MPa，提取時間1.5 h，夾帶劑流量 0.40 mL/min的條件下用來測定洋蔥皮黃酮，所得到的黃酮的提取率達到了7.89%。文穎等[34]用超臨界二氧化碳萃取技術提取山楂核黃酮，發(fā)現當工藝條件為每50 g原料加入75%乙醇75 mL，萃取時間為90 min，萃取溫度40 ℃，萃取壓力 25 MPa，所得黃酮提取率為3.308%。馮吉南等[35]發(fā)現甘蔗葉中黃酮類化合物用超臨界二氧化碳提取的最佳工藝條件為乙醇體積分數70%，料液比1∶40(g/mL)，浸取時間為3.0 h，浸取溫度為70 ℃，在此條件下甘蔗葉黃酮類化合物提取率可達5.81%?？梢姵R界二氧化碳萃取技術在黃酮類化合物的提取中有著顯著的優(yōu)點。

3 結 語

超臨界二氧化碳萃取技術因其具有著操作溫度低，不會對熱敏性的物質造成破壞，萃取的效率高，耗能低，工藝簡單，二氧化碳經濟實惠，又可以循環(huán)利用等優(yōu)點，已經成為了天然產物提取研究中的一種具有很好的發(fā)展?jié)摿Φ奶崛》椒?。但是，該技術也具有著自身的一些缺點，超臨界二氧化碳萃取技術的選擇性不夠高，對強極性和分子量較大的物質萃取率不高，通常需要加入含極性基團的夾帶劑，雖然加入夾帶劑可以解決萃取率低的問題，但是又會產生出新的問題。所以對于夾帶劑的選擇至關重要，因此夾帶劑的選擇又將會是一個重點的研究方向。單一的超臨界二氧化碳萃取技術提取化合物對于該技術的發(fā)展具有著制約性，也對超臨界二氧化碳萃取技術產業(yè)化發(fā)展有著前進道路上的阻力。改變溶媒(超臨界多元流體、添加夾帶劑)和與其他現代先進的技術聯用(如高壓液相色譜、毛細管電泳儀、質譜儀、核磁共振等)將成為超臨界二氧化碳技術發(fā)展的必然趨勢[36]。因為中草藥的服用方式多采用的是水煎服，所以國外已經研究采用了全氟聚醚碳酸胺，這使得超臨界萃取技術已經發(fā)展到了對于水溶性成分的提取[37]。另外，將超臨界二氧化碳萃取技術與傳統的提取方法相結合，優(yōu)勢互補，進而很大程度的提高萃取的效率，增加產品的純度，對于超臨界二氧化碳萃取技術的發(fā)展具有著舉足輕重的作用，也將推動天然產物的研究向更高層次的發(fā)展。