生物工業(yè)下游技術 第五章 超臨界萃取

第五章超臨界流體萃取

2023/2/61啤酒花模擬麥汁煮沸過程，在1000毫升pH值為5的緩沖水中加人1.5克酒花，煮沸90分鐘，產(chǎn)生的水溶液具有抗誘變活性。而波蘭《觀察家》周刊載文說，波蘭醫(yī)學家認為，用其啤酒花蒸沸15～20分鐘制成沖劑，每天飲用兩次，每次四分之一杯，可治失眠癥、神經(jīng)衰弱癥、月經(jīng)不調以及消化不良等疾病。另外，用啤酒花泡制成的茶葉有利尿作用，飲用這種茶能輔助治療腎臟疾病。已經(jīng)知道酒花有抑制細菌的作用。實際上，日本科學家已經(jīng)證實，酒花中的蛇麻酮有很高的抗幽門螺旋桿菌的能力。2023/2/622023/2/63啤酒花為多年生草質藤本植物。全株有倒鉤刺，莖長約10厘米，中空。葉對生、卵形、有長柄?；ㄐ蛞干?，雄花穗狀，具有多數(shù)葉狀苞片，雌黃10余對，無花被子，果期產(chǎn)生大量黃粉狀物。新疆天山、阿爾泰山的山坡林間有大量野生分布，為本品原產(chǎn)地之一。所制啤酒酒液透明度好，有光澤，泡沫細膩潔白，有花香氣，味純柔和，二氧化碳含量豐富。啤酒花是制造啤酒的關鍵原料，每制造1000升啤酒約需要干啤酒花1.5公斤。2023/2/64啤酒花啤酒花還可用來做面包和治病，藥用價值較大，有利尿健胃作用。其松果制劑具有抗癌活性；揮發(fā)油對治療心臟病有較好功效；富有多酚化合物對治療各類炎癥及瓦特金氏病肝感染性損傷有一定作用。巴州是新疆啤酒花主要產(chǎn)地之一。種植面積達520公頃，產(chǎn)量3400多噸。出口的“641”啤酒花香味濃烈，很受歡迎。2023/2/65啤酒花【異名】忽布，香蛇麻，啤瓦古麗(維名)【來源】為?？浦参锲【苹ǖ拇苹ㄐ?。【化學成分】含葎草二烯酮、葎草烯酮-Ⅱ、葎草酮、蛇麻酮、α-考繞咖烯、γ-白菖考烯、9-甲基丁烯-3-醇-2、月桂烯、α-葎草烯、石竹烯等。尚含黃芪甙、異槲皮甙、蕓香甙、山柰酚的3-鼠李糖二葡萄糖甙、3-鼠李糖葡萄糖甙和葡萄糖甙、槲皮素的3-鼠李二葡萄糖甙、3-鼠李糖葡萄糖甙和3-葡萄糖甙、五色矢車菊素、無色飛燕草素、鞣質、樹脂等。2023/2/662023/2/67第一節(jié)超臨界的萃取原理

2023/2/68概念將超臨界流體作為萃取溶劑的一種萃取技術，兼有傳統(tǒng)的蒸餾和液液萃取的特征，應用很廣的技術。超臨界流體是狀態(tài)超過氣液共存時的最高壓力和最高溫度下物質特有的點——臨界點后的流體。2023/2/69油脂提取物的沸點高而揮發(fā)性低，因而在氣相中的濃度極低；但在二氧化碳和乙烯等物質的超臨界流體溶劑中受到高壓后，它們的氣相濃度增加了100萬倍，甚至增加10億倍。2023/2/610癸酸(C10H20O2)熔點31℃，沸點269℃冷卻至－196℃，用真空泵抽真空，再升溫到19.5℃,癸酸的溶解度為3×10-8g/L

（真空溶解物質的能力低）用乙炔(臨界溫度T=283K,臨界壓力P=5MPa)作為超臨界萃取溶劑,加壓至8.2MPa,癸酸的溶解度為7g/L2023/2/611一、超臨界流體定義

任何一種物質都存在三種相態(tài)-氣相、液相、固相。三相成平衡態(tài)共存的點叫三相點。液、氣兩相成平衡狀態(tài)的點叫臨界點。在臨界點時的溫度和壓力稱為臨界溫度和壓力。不同的物質其臨界點所要求的壓力和溫度各不相同。

2023/2/612一、超臨界流體定義超臨界流體(Supercriticalfluid，SCF)技術中的SCF是指溫度和壓力均高于臨界點的流體,如二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。高于臨界溫度和臨界壓力而接近臨界點的狀態(tài)稱為超臨界狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)時，氣液兩相性質非常相近，以至無法分別，所以稱之為SCF。

2023/2/613

這種流體(SCF)兼有氣液兩重性的特點，它既有與氣體相當?shù)母邼B透能力和低的粘度，又兼有與液體相近的密度和對許多物質優(yōu)良的溶解能力。

相

密度(g/mL)

擴散系數(shù)(cm2/s)粘度(g/cm.s)氣體(G)10-3

10-1

10-4

超臨界流(SCF)0.3～0.910-3～10-4

10-4～10-3

液體(L)110-5

10-2

超臨界流體的性質2023/2/614二、超臨界流體萃取的基本原理

超臨界流體萃取分離過程是利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關系，即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進行的。當氣體處于超臨界狀態(tài)時,成為性質介于液體和氣體之間的單一相態(tài),具有和液體相近的密度,

粘度雖高于氣體但明顯低于液體,擴散系數(shù)為液體的10～100倍;

因此對物料有較好的滲透性和較強的溶解能力,能夠將物料中某些成分提取出來。2023/2/615二、超臨界流體萃取的基本原理在超臨界狀態(tài)，將超臨界流體與待分離的物質接觸，使其有選擇性地依次把極性大小、沸點高低和分子量大小的成分萃取出來。并且超臨界流體的密度和介電常數(shù)隨著密閉體系壓力的增加而增加,極性增大,利用程序升壓可將不同極性的成分進行分步提取。2023/2/616二、超臨界流體萃取的基本原理當然，對應各壓力范圍所得到的萃取物不可能是單一的，但可以通過控制條件得到最佳比例的混合成分，然后借助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體，被萃取物質則自動完全或基本析出，從而達到分離提純的目的，并將萃取分離兩過程合為一體，這就是超臨界流體萃取分離的基本原理。2023/2/617第二節(jié)超臨界CO2的溶劑特征

2023/2/618超臨界流體的選擇性超臨界流體萃取過程能否有效地分離產(chǎn)物或除去雜質，關鍵是超臨界流體萃取中使用的溶劑必須具有良好的選擇性。提高溶劑選擇性的基本原則是：①操作溫度應和超臨界流體的臨界溫度相接近；②超臨界流體的化學性質應和待分離溶質的化學性質相接近。若兩條原則基本符合，效果就較理想，若符合程度降低，效果就會遞減。2023/2/619流體名稱分子式臨界壓力(bar)臨界溫度(℃)臨界密度(g/cm3)二氧化碳CO272.931.20.433水H2O217.6374.20.332氨NH3112.5132.40.235乙烷C2H648.132.20.203乙烯C2H449.79.20.218氧化二氮N2O71.736.50.450丙烷C3H841.996.60.217戊烷C5H1237.5196.60.232丁烷C4H1037.5135.00.2282023/2/620作為超臨界流體必須具備的條件萃取劑需具有化學穩(wěn)定性，對設備沒有腐蝕性；臨界溫度不能太低或太高，最好在室溫附近或操作溫度附近；操作溫度應低于被萃取溶質的分解溫度或變質溫度；臨界壓力不能太高，可節(jié)約壓縮動力費；選擇性要好，容易得到高純度制品；溶解度要高，可以減少溶劑的循環(huán)量；萃取溶劑要容易獲取，價格要便宜。2023/2/621一、超臨界CO2的相圖

2023/2/622精餾操作液相萃取和吸收超臨界萃取和色譜吸附分離CO2的p－T－ρ圖精餾操作液相萃取和吸收超臨界萃取和色譜吸附分離2023/2/623在臨界點附近，密度線聚集于臨界點周圍，壓力或溫度小范圍的變化，就會引起CO2密度大幅度變化。CO2溶解、萃取物質的能力與本身的密度成正比，這就可以通過改變壓力或溫度來改變CO2密度，從而改變對物質的溶解能力。2023/2/624二、萃取溶劑CO2的性質目前研究較多的超臨界流體是二氧化碳，因其具有無毒、不燃燒、對大部分物質不反應、價廉等優(yōu)點，最為常用。在超臨界狀態(tài)下，CO2流體兼有氣液兩相的雙重特點，既具有與氣體相當?shù)母邤U散系數(shù)和低粘度，又具有與液體相近的密度和物質良好的溶解能力。其密度對溫度和壓力變化十分敏感，且與溶解能力在一定壓力范圍內成比例，所以可通過控制溫度和壓力改變物質的溶解度。2023/2/625第三節(jié)SC-CO2萃取以及拖帶劑的作用

2023/2/6262023/2/627一、SC-CO2萃取

天然產(chǎn)物中通常含有許多不同的化學成分，對同一天然產(chǎn)品用不同方法或不同萃取劑得到的制品，其組分是不同的。2023/2/628二、拖帶劑的作用

單一組分的超臨界溶劑有較大的局限性，其缺點包括：某些物質在純超臨界流體中溶解度很低，如超臨界CO2只能有效地萃取親脂性物質，對糖、氨基酸等極性物質，在合理的溫度與壓力下幾乎不能萃??；選擇性不高，導致分離效果不好；溶質溶解度對溫度、壓力的變化不夠敏感，使溶質與超臨界流體分離時耗費的能量增加。2023/2/629在純流體中加入少量與被萃取物親和力強的組分，以提高其對被萃取組分的選擇性和溶解度，添加的這類物質稱為夾帶劑，有時也稱為改性劑(Modifer)或共溶劑(Cosolvert)。夾帶劑的添加量一般不超過臨界流體的15％(物質的量比)。除了甲醇外，夾帶劑還有水、丙酮、乙醇、苯、甲苯、二氯甲烷、四氯化碳、正已烷和環(huán)己烷等。夾帶劑的概念也不僅包括通常的液體溶劑。還包括溶解于超臨界氣體中的固態(tài)化合物，如萘也可作為夾帶組分。2023/2/6302023/2/631第四節(jié)超臨界流體萃取的基本過程2023/2/6322023/2/6332023/2/634依靠壓力變化的萃取分離法，在一定溫度下，使超臨界流體和溶質減壓，經(jīng)膨脹后分離，溶質由分離器下部取出，氣體經(jīng)壓縮機返回萃取器循環(huán)使用。等溫法或絕熱法2023/2/635等壓法依靠溫度變化的萃取分離法。經(jīng)加熱、升溫使氣體和溶質分離，從分離器下部取出萃取物，氣體經(jīng)冷卻、壓縮后返回萃取器循環(huán)使用。2023/2/636吸附法用吸附劑進行的萃取分離法。在分離器中，經(jīng)萃取出的溶質被吸附劑吸附，氣體經(jīng)壓縮后返回萃取器循環(huán)使用。2023/2/637壓縮機

萃取釜

制冷MVC-760L

二氧化碳循環(huán)泵

2023/2/638超臨界流體萃取條件的選擇萃取流體萃取壓力萃取溫度改性劑萃取時間萃取條件的優(yōu)化2023/2/639超臨界萃取的技術原理

利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進行的。在超臨界狀態(tài)下，將超臨界流體與待分離的物質接觸，使其有選擇性地把極性大小、沸點高低和分子量大小的成分依次萃取出來。當然，對應各壓力范圍所得到的萃取物不可能是單一的，但可以控制條件得到最佳比例的混合成分，然后借助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體，被萃取物質則完全或基本析出，從而達到分離提純的目的。

2023/2/640第五節(jié)超臨界萃取技術的應用

2023/2/641超臨界流體萃取特點

臨界溫度低，適用于熱敏性化合物的提取和純化。超臨界萃取可以在接近室溫(35～40℃)及CO2氣體包裹下進行提取，有效地防止了熱敏性物質的氧化和逸散，從而在萃取物中保持著原料的有效成分，把高沸點、低揮發(fā)性、易熱解的物質在遠低于其沸點溫度下萃取出來。

2023/2/642使用SFE是最干凈的提取方法，由于全過程不用有機溶劑，萃取過程中不發(fā)生化學反應，因此萃取物絕無殘留的溶劑物質，從而防止了提取過程中對人體有害物的存在和對環(huán)境的污染，無溶劑殘留，無硝酸鹽和重金屬離子。2023/2/643CO2是一種不活潑的氣體無臭、無毒、不易燃，無味、使用安全，不污染環(huán)境，可提供惰環(huán)境，避免產(chǎn)物氧化，不影響萃取物的有效成份。CO2氣體價格便宜，純度高，容易制取，且在生產(chǎn)中可以重復循環(huán)使用，從而有效地降低了成本。2023/2/644

萃取速度快，萃取和分離合二為一，當飽和的溶解物的CO2流體進入分離器時，由于壓力的下降或溫度的變化，使得CO2與萃取物迅速成為兩相（氣液分離）而立即分開，不僅萃取的效率高而且能耗較少，提高了生產(chǎn)效率也降低了費用成本。

2023/2/645壓力和溫度都可以成為調節(jié)萃取過程的參數(shù)，通過改變溫度和壓力達到萃取的目的，壓力固定通過改變溫度也同樣可以將物質分離開來；反之，將溫度固定，通過降低壓力使萃取物分離，因此工藝簡單容易掌握，而且萃取的速度快。

2023/2/646主要缺點由于高壓帶來的高昂設備投資和維護費用，所以目前應用面還不寬，但是對于高經(jīng)濟價值的產(chǎn)品以及精餾和液相萃取操作應用不妥的情況，還是應該考慮使用超臨界流體萃取工藝。2023/2/647生化成分的提取

用超臨界流體萃取技術提取深水魚油（EPA、DHA即腦黃金）、維生素E、維生素C等保健成分，具有天然、綠色、無毒、無殘留、產(chǎn)品純度高等特點，且萃取收率高，效益好。同樣利用此項技術可提取紫杉醇、黃酮類化合物、糖及其苷類、生物堿類化合物。這些分離后的成分用于制備藥物，可為醫(yī)藥界帶來巨大的變革和進步，如DHA具有降血脂，防血栓及健腦益智作用，而紫杉醇為目前唯一治療某些癌癥的特效良藥。已完成的提取技術包括：深水魚油（EPA、DHA即腦黃金）；維生素E；維生素C等。

2023/2/648天然香料的提取

超臨界流體萃取技術一個非常成功的應用領域是天然香料的萃取，如對名貴香料茉莉浸膏、玫瑰精油、丁香油、迷迭香料的提取等。因為超臨界流體溶解能力強、萃取效率高、所得精油收率高且生產(chǎn)過程常用CO2作萃取劑，所得產(chǎn)品無毒、無殘留、成品顏色和香味純正，因此有其獨到之處，品質比溶劑法優(yōu)良，具有天然香氣，天然感、新鮮感良好，因含揮發(fā)成分，香色完全，售價比普通提取法高20-25%，提取率也比起高出20～100％。同時提高了產(chǎn)品市場競爭力能為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。2023/2/649天然香料的提取已完成的提取物質包括：香料茉莉浸膏、玫瑰精油、丁香油、迷迭香、桂花浸膏、樹蘭、零陵香草（又名靈香草）等等。2023/2/650天然食品的制備

采用超臨界流體萃取技術，從辣椒中萃取辣紅素、以及胡蘿卜素、番茄紅素的萃取、大豆油的精制、啤酒花的提取、咖啡因的脫除等，均是成熟的工藝技術，且產(chǎn)品成色好、收率高、無毒副作用，是天然的食用色素和營養(yǎng)成分。采用超臨界流體萃取技術還可以從煙草中脫除尼古丁，生產(chǎn)不含尼古丁的香煙，這些技術深受生產(chǎn)廠家歡迎。已提取的產(chǎn)品有：辣紅素、胡蘿卜素、番茄紅素、大豆油、小麥胚油、紅花籽油等。2023/2/651納米材料制備

采用超臨界流體萃取技術，將物質顆粒溶解于超臨界流體中，利用抗溶劑法或快速膨脹法，將流體膨脹而處于低于臨界壓力狀態(tài)，溶質晶核來不及成長，而在10-7～10-5秒內被迅速結晶析出，可以制得10～50納米的超細顆粒。目前已擁有多種納米顆粒和納米材料制備技術，但超臨界流體萃取技術可以在常溫下進行操作，不需深度低溫進行。因此能耗低，運行經(jīng)濟合理，這一方法是目前制造納米顆粒的最有競爭力的技術之一。2023/2/652超臨界流體制備納米材料的另一種方法是將待處理的物質飽和溶解在溶劑中，當將該溶液中通入超臨界流體時，由于原溶劑部分溶入超臨界流體而原固體溶質不溶于該流體，造成溶劑富裕而析出，得到納米級固體溶質。2023/2/653環(huán)境保護當將排放的有機廢料與氧置于超臨界水中時，氧化反應進行的非?？欤３Ｔ趲追昼妼⒂袡C物完全轉化為二氧化碳和水。在處理難轉換的酚類化合物、氯烴類化合物、含氮化合物、有機氧化物、軍事材料等方面的廢棄物污染方面，超臨界流體技術都顯示了其無與倫比的優(yōu)越性。尤其是對二惡英的清理更是如此。

2023/2/654

二惡英發(fā)源于20世紀60年代的美國越南戰(zhàn)爭以后，是一種危害人體神經(jīng)系統(tǒng)的多環(huán)化合物，一般存在于焚燒后的飛灰中，即用焚燒的方法都不能將其除去。它可以長期積累于人、魚和其它動物體內而不能充分分解，但實驗表明，在超臨界水中二惡英幾乎可以100％的分解，從而證實了這項技術在環(huán)保方面的優(yōu)勢。另外，采用超臨界流體萃取技術，可以有效地降解高分子材料，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、尼龍－66等等，從而為人類徹底解決白色污染帶來了希望。

2023/2/655用超臨界CO2萃取技術進行中藥研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，和中藥傳統(tǒng)方法相比，具有許多獨特的優(yōu)點。

2023/2/656開發(fā)實例2023/2/657青蒿素從黃花中提取青蒿素（Artemisinin）的新工藝。青蒿素來自菊科植物黃花蒿（Artemisiaannua）的一種倍半萜內酯類成分，是我國唯一得到國際承認的抗瘧新藥。然而本應屬于中國的東西，中國僅占國際市場份額的0.5%。傳統(tǒng)的汽油法存在收率低、成本高、存在易燃易爆等危險，用SFE工藝，從0.1升、5升設備小試到25升、50升設備中試放大，一直到200升設備的工業(yè)化生產(chǎn)證明，超臨界CO2萃取工藝可用于青蒿素的生產(chǎn)，青蒿素產(chǎn)品符合中國藥品標準。2023/2/658超臨界CO2萃取工藝比傳統(tǒng)法（如汽油法）優(yōu)越，產(chǎn)品收率提高1.9倍，生產(chǎn)周期縮短約100小時，成本降低447/Kg，可節(jié)省大量的有機溶劑汽油，避免易燃易爆的危險，減少三廢污染，大大簡化生產(chǎn)工藝。該新工藝已取得發(fā)明專利證書。在最近召開的中國青蒿素成果產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略研討會上，已初步?jīng)Q定推廣這種新工藝，以達到占國際市場份額的3-5%的目標。2023/2/659貫葉連翹提取物貫葉連翹提取物是目前國際流行的十大植物提取物之一，主要用于治療憂郁癥。提取物是用貫葉連翹藥材經(jīng)水煮或醇提、濃縮、干燥而得。采用超臨界CO2萃取工藝，達到出口標準，比傳統(tǒng)工藝優(yōu)越。

2023/2/660紫杉烷類化學成分

紅豆杉中紫杉烷類成分的提取分離，傳統(tǒng)的植物化學分離要得到單體純品難度較大，步驟較為繁瑣，原料經(jīng)多次浸提濃縮后，有機溶劑多次萃取，再進行多次柱層析，此過程中，要用多種有毒的有機溶劑，如氯仿或二氯甲烷等。云南紅豆杉（Taxusyunnensis）經(jīng)超臨界CO2提取3小時所得粗浸膏，含雜質較少，較易分離到單體，該浸膏只需進行一次硅膠柱層析就能得到6個紫杉烷類單體和2個其它單體。2023/2/661姜黃油

超臨界CO2提取姜黃油，其收油率是水蒸汽的1.4倍，生產(chǎn)周期只是舊工藝的1/3。對所得的姜黃油進行GC/MS分離鑒定，其化學組成主要由姜黃酮等26個成分組成，其組成與水蒸汽的差不多。姜黃油的超臨界CO2提取已應用于生產(chǎn)中。用超臨界CO2進行中藥揮發(fā)油或脂肪油化學成分的研究較為簡單，只要1-2個小時提取油后，直接進行GC-MS-計算機聯(lián)用技術分析，即可鑒定油中化學成分。2023/2/662姜黃油

超臨界CO2提取姜黃油，其收油率是水蒸汽的1.4倍，生產(chǎn)周期只是舊工藝的1/3。對所得的姜黃油進行GC/MS分離鑒定，其化學組成主要由姜黃酮等26個成分組成，其組成與水蒸汽的差不多。姜黃油的超臨界CO2提取已應用于生產(chǎn)中。用超臨界CO2進行中藥揮發(fā)油或脂肪油化學成分的研究較為簡單，只要1-2個小時提取油后，直接進行GC-MS-計算機聯(lián)用技術分析，即可鑒定油中化學成分。2023/2/663復方丹參制劑中丹參提取丹參酮類是從唇形科植物丹參（Salviamiltiorrhiza）中提取的總酮類及其它成分的總稱，是制備各種丹參制劑如復方丹參片，丹參酮IIA磺酸鈉注射液（主要用于心腦血管?。┖偷⑼z囊（主要用于抗菌消炎）原料主要成分，其中，丹參酮IIA是藥典規(guī)定用于質量控制的有效成分。各藥廠的提取方法主要是乙醇熱回流提取，然后濃縮成浸膏，用于各種制劑。由于提取能力差和長時間加熱提取或濃縮，有效成分損失嚴重，往往浸膏中丹參酮IIA含量在0.15%-1%左右，再做成制劑，往往丹參酮IIA檢測不出或含量太小，藥典標準都難以達到，近幾年國家取消不少藥廠的復方丹參片制劑的生產(chǎn)批文，原因大多與此有關。2023/2/664復方丹參制劑中丹參提取用超臨界CO2萃取法對此進行了工藝改革，從小試到中試直到生產(chǎn)證明，收率比舊工藝高，生產(chǎn)周期縮短，有效成分丹參酮IIA高度濃縮，含量平均≥20%，最高可達80%左右，此工藝已應用于多個藥廠的復方丹參制劑（如復方丹參片）的生產(chǎn)，并保持了應有的臨床效果。

2023/2/665大蒜注射液的工藝改革大蒜注射液為臨床上廣泛應用的中藥制劑，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝是水蒸汽蒸餾配制而成。用超臨界CO2萃取法對此工藝進行改革，并應用于臨床。結果證明，不僅工藝優(yōu)越，而且還能提高療效。SFE制劑對粘膜真菌感染性疾病，總效率提高18.42%；對深部真菌感染性疾病，總有效率提高33.34%。2023/2/666蜂膠類黃酮物質（皮素，鼠李素等）：已被證明抗癌有效的12種類黃酮化合物中作為蜂膠成分的有7種（皮素，山奈素，高良姜，芹菜素，木犀草，密桔黃素和福桔黃素。某些類黃酮化合物能抑制細胞增生，如木犀草素和皮素都具有抗增生活性，多氧基類黃酮福桔黃素和密桔黃素也具有抗癌活性。Ban等（1983）觀察到蜂膠對Hela細胞有殺滅作用，其中Hela細胞對皮素和鼠李素較敏感，對高良姜素的敏感性差。2023/2