亞臨界萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用

摘

要：綜述了亞臨界萃取技術(shù)的原理、特點(diǎn)以及影響因素，并簡(jiǎn)述了亞臨界萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：亞臨界萃取技術(shù)；天然產(chǎn)物；提取

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引言天然產(chǎn)物中的黃酮類、生物堿類、萜類等活性成分是藥物與藥物先導(dǎo)化合物的重要來(lái)源物，這類成分在不同生物體內(nèi)含量甚微，且分離過(guò)程中受諸多因素限制。天然產(chǎn)物有效成分的傳統(tǒng)提取方法主要有水浸提法、壓榨法、回流法、滲漉法、萃取法、沉淀法及水蒸氣蒸餾法等。然而，由于天然產(chǎn)物成分的復(fù)雜性，使得這些傳統(tǒng)方法大都存在得率低、能耗大、提取效率不高等缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新型提取分離技術(shù)被應(yīng)用于天然產(chǎn)物有效成分的提取領(lǐng)域，如超臨界萃取、物理場(chǎng)強(qiáng)化提取、雙水相萃取及反膠束萃取等技術(shù)。在新型的提取分離技術(shù)中，超臨界CO2萃取技術(shù)由于其具有節(jié)約能源、低碳環(huán)保、產(chǎn)率高、操作方便等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于天然化學(xué)提取領(lǐng)域。但是，該技術(shù)的應(yīng)用也有一定的局限性，如CO2存在非極性和分子量低的兩大特點(diǎn)，決定了該技術(shù)的應(yīng)用范圍只能是對(duì)非極性或者弱極性化合物的萃取，對(duì)大分子或者是極性較強(qiáng)的化合物提取率不高，難以達(dá)到與非極性提取一樣的萃取效果。而亞臨界萃取技術(shù)是在超臨界CO2萃取技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的，極大地改善了超臨界CO2萃取技術(shù)的應(yīng)用局限，目前已被成功應(yīng)用于中藥有效成分的提取和分析前處理等方面。

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亞臨界萃取技術(shù)的原理及影響因素1.1

亞臨界萃取技術(shù)簡(jiǎn)介溶劑在高于其沸點(diǎn)但低于臨界溫度的溫度區(qū)間內(nèi)，在一定壓力下以液態(tài)存在的狀態(tài)稱為溶劑的亞臨界狀態(tài)。在此狀態(tài)下利用其相似相溶的物理性質(zhì)，用作生物成分萃取的溶劑稱為亞臨界萃取溶劑，其萃取工藝稱為亞臨界萃取工藝，適合于亞臨界萃取的溶劑沸點(diǎn)都低于周圍的環(huán)境溫度，一般沸點(diǎn)在0℃以下，20℃時(shí)的液化壓力在0.8MPa以下。

最早應(yīng)用的亞臨界溶劑為丁烷和丙烷，1990年發(fā)明的專利《液化石油氣浸出油脂工藝》（專利號(hào)：90108660.6）代表了亞臨界萃取技術(shù)的誕生。隨后，二甲醚、四氟乙烷（R134a）、液氨、六氟化硫、二氯二氟甲烷（氟利昂R12）、一氯二氟甲烷（氟利昂R22）等溶劑被先后應(yīng)用或試驗(yàn)。由于這些溶劑的極性有一定的差別，因此在應(yīng)用中也各具特色。亞臨界萃取技術(shù)在美國(guó)、日本等國(guó)雖早有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室研究報(bào)道，但成功應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)還是由我國(guó)以祁鯤為代表的研究人員實(shí)現(xiàn)的。20世紀(jì)90年代，安陽(yáng)漫天雪食品制造有限公司的祁鯤在我國(guó)率先轉(zhuǎn)化應(yīng)用了4號(hào)溶劑浸出技術(shù)，開發(fā)出了低溫大豆蛋白粉。其后，4號(hào)溶劑萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物萃取方面也取得了成功，先后為國(guó)內(nèi)10多家企業(yè)建成20多條生產(chǎn)線，為我國(guó)萬(wàn)壽菊黃色素和辣椒紅色素等產(chǎn)品開發(fā)提供了關(guān)鍵裝備。亞臨界萃取技術(shù)已應(yīng)用到植物油、植物色素、植物精油、生物堿、中藥材等幾十種植物原料的非極性和弱極性成分提取生產(chǎn)中，目前已建成70多條生產(chǎn)線，每年的總加工量逾20萬(wàn)t。1.2

亞臨界萃取技術(shù)的原理在一定壓力下，以液化的亞臨界溶劑對(duì)物料進(jìn)行逆流萃取，萃取液（液相）中的溶劑經(jīng)蒸發(fā)工序，使溶劑氣化并與萃取出的目標(biāo)成分分離，得到產(chǎn)品；被萃取過(guò)的物料蒸發(fā)出吸附的溶劑，得到另一產(chǎn)品（固相）。氣化的溶劑被液化后可循環(huán)使用。整個(gè)萃取過(guò)程在室溫或更低的溫度下進(jìn)行，所以不會(huì)對(duì)物料中的熱敏性成分造成損害，這是亞臨界萃取工藝的最大特點(diǎn)。溶劑從物料中氣化時(shí)，需要吸收熱量（氣化潛熱），所以蒸發(fā)脫溶時(shí)要向物料中補(bǔ)充一定的熱量。溶劑氣體被壓縮液化時(shí)，會(huì)放出熱量（液化潛熱），工藝中大部分熱量可以通過(guò)氣化與液化溶劑的熱交換來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。1.3

影響因素同超臨界CO2流體萃取技術(shù)一樣，亞臨界萃取技術(shù)使用時(shí)的影響因素對(duì)其萃取效果也是不容忽視的，主要影響因素包括萃取壓力、萃取時(shí)間、溫度、夾帶劑等。1.3.1

萃取壓力該技術(shù)對(duì)萃取壓力的要求相對(duì)寬松，萃取效果受溫度影響的程度要大于萃取壓力。1.3.2

萃取溫度溫度變化是該技術(shù)應(yīng)用的主要影響因素，溫度微調(diào)會(huì)影響化合物的溶解能力。因此，應(yīng)針對(duì)不同的化合物，選擇不同的萃取溫度范圍，甚至有些成分的提取需要加入抗氧劑，以減弱高溫溶劑對(duì)有效成分的氧化作用。1.3.3

萃取時(shí)間由于亞臨界萃取技術(shù)的高效性，其提取時(shí)間比傳統(tǒng)有機(jī)溶劑固液萃取的提取時(shí)間更短。采用亞臨界水從牛至葉中提取精油，結(jié)果表明，在150℃條件下提取15min后基本可提取完全，所得精油產(chǎn)率比水蒸氣蒸餾3h所得產(chǎn)率高出5.1倍，且品質(zhì)較好。因此，提高提取溫度，只需更短的時(shí)間，即可獲得相同的回收率。萃取時(shí)間的作用不是單一的，它和溫度、流速等因素協(xié)同影響萃取效果。1.3.4

夾帶劑加入適量合適的夾帶劑可明顯提高亞臨界流體對(duì)某些被萃取組分的選擇性和溶解度。在辣椒紅色素的萃取中，研究了特定夾帶劑的加入對(duì)亞臨界流體的溶解能力和萃取選擇性，結(jié)果表明，特定夾帶劑的加入可以顯著增強(qiáng)流體的溶解能力。表面活性劑也可以作為夾帶劑提高亞臨界流體萃取效率，提高的程度與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，分子的脂溶性部分越大，其對(duì)亞臨界流體的萃取效率提高越多。關(guān)于夾帶劑的作用原理，有研究認(rèn)為是夾帶劑的加入改變了溶劑密度或內(nèi)部分子之間的相互作用所致。1.4

亞臨界萃取技術(shù)的特點(diǎn)1.4.1

節(jié)能，運(yùn)行成本低亞臨界萃取技術(shù)使用的溶劑損耗低，每噸原料消耗溶劑小于8kg；萃取過(guò)程不需要蒸汽，僅90℃熱水即可，相對(duì)6號(hào)溶劑，可節(jié)約熱能70%；相對(duì)于超臨界CO2萃取技術(shù)所使用的設(shè)備等投資，亞臨界萃取技術(shù)投資小、生產(chǎn)成本低。1.4.2

良好的萃取選擇性亞臨界萃取技術(shù)在使用過(guò)程中，通過(guò)改變萃取參數(shù)，對(duì)萃取溶媒的極性進(jìn)行微調(diào)，可以選擇性地萃取出不同極性的化合物，有機(jī)溶劑的參與將大大增加溶媒的萃取范圍。1.4.3

保留提取物的活性成分萃取和脫溶過(guò)程不用過(guò)度加熱，不會(huì)對(duì)物料中的熱敏性成分造成損害，保留了提取物的活性成分，使其不會(huì)被破壞、氧化。1.4.4

適合大規(guī)模生產(chǎn)亞臨界流體來(lái)源廣，價(jià)格低；設(shè)備工作壓力低（工作壓力0.3～0.7MPa），安全性高；生產(chǎn)規(guī)模大，成套萃取設(shè)備一條生產(chǎn)線可處理0.1～200t/d的量。

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亞臨界萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用亞臨界萃取技術(shù)相比其他分離技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)：無(wú)毒、無(wú)害；環(huán)保、無(wú)污染、非熱加工，不破壞、氧化提取物的活性成分；產(chǎn)能大，可進(jìn)行工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)；節(jié)能、運(yùn)行成本低；易于和目標(biāo)產(chǎn)物分離。因此，亞臨界萃取技術(shù)在天然動(dòng)植物有效成分的提取、中藥活性成分的提取與有害脂溶性成分的分離等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。2.1

在揮發(fā)油方面的應(yīng)用揮發(fā)油是天然產(chǎn)物中的一類具有芳香氣味、可隨水蒸氣蒸餾出來(lái)且不溶于水的揮發(fā)性油狀成分的總稱。目前，揮發(fā)油的提取方法主要有傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法、有機(jī)溶劑提取法及超臨界CO2提取法等。但是，傳統(tǒng)提取方法有諸多局限，為了克服這些缺點(diǎn)，人們開始使用亞臨界萃取技術(shù)提取揮發(fā)油。亞臨界萃取技術(shù)現(xiàn)已成功應(yīng)用于小茴香、柴蘇葉、桉樹葉、穗狀牛至葉、丁香、墨角蘭葉、香菜籽、月桂、洋蔥、芫荽籽和花椒等植物揮發(fā)油的提取中。采用亞臨界CO2萃取法提取川芎揮發(fā)油，其收率是傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法的10倍，且提取時(shí)間短，油質(zhì)更好、抗氧化活性更強(qiáng)。2.2

在植物色素萃取生產(chǎn)方面的應(yīng)用傳統(tǒng)的植物脂溶性色素用己烷溶劑提取，水溶性色素用水或乙醇提取，都有加熱脫溶的工藝過(guò)程，影響產(chǎn)品質(zhì)量。而用丙烷、丁烷、二甲醚以及它們的混合溶劑進(jìn)行亞臨界萃取，有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在河北、山東、云南、新疆、甘肅、吉林已有十余家企業(yè)建立了亞臨界流體萃取生產(chǎn)線，主要用于辣椒紅色素、萬(wàn)壽菊黃色素、番茄紅色素、姜黃色素、蠶米綠色素的生產(chǎn)。利用亞臨界水萃取紫甘薯紅色素。他們以花色苷提取率為考察指標(biāo)，通過(guò)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)，確定紫甘薯色素的最佳萃取工藝：提取溫度110℃、提取時(shí)間6min、液料比40:1（mL/g）、乙醇濃度40%、pH值2.5，此時(shí)花色苷提取率為（1.897±0.049）mg/g。與超聲波提取法和溶劑浸提法相比，亞臨界萃取技術(shù)縮短了提取時(shí)間，并且減少了有機(jī)溶劑的使用量。2.3

在多酚類物質(zhì)提取中的應(yīng)用植物多酚類具有很好的天然抗氧化功能，但萃取產(chǎn)物一直受有機(jī)溶劑污染、萃取耗時(shí)等問題困擾，因此需要開發(fā)環(huán)保、潔凈的萃取技術(shù)。近年來(lái)，亞臨界萃取技術(shù)已被應(yīng)用于植物多酚類物質(zhì)的萃取中，并不斷對(duì)其進(jìn)行了深入研究。亞臨界萃取技術(shù)用于提取多酚類物質(zhì)時(shí)主要具有兩大優(yōu)勢(shì)，一是具有較高的產(chǎn)品得率，二是所得多酚可以保持較強(qiáng)的抗氧化活性。用亞臨界水提取訶子果實(shí)中沒食子酸、鞣花酸、柯里拉京等化合物，結(jié)果表明，在溫度120～180℃、壓力4MPa、流速4mL/min條件下，提取物中的沒食子酸和鞣花酸含量隨溫度提高而增加，柯里拉京含量在120℃時(shí)達(dá)到最高。與熱水提取和索氏提?。ǚ謩e用水和乙醇作溶劑）等常規(guī)方法相比，亞臨界萃取技術(shù)的時(shí)間最短，所得提取物總多酚含量和抗氧化活性也最高。用亞臨界水提取苦瓜中的多酚化合物，結(jié)果表明，在溫度150～200℃、壓力10MPa、流速2mL/min條件下，提取物中總多酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.63mg/g，大大高于甲醇超聲波提取的總多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.00mg/g和沸水回流提取的總多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.68mg/g。另外，亞臨界萃取技術(shù)還應(yīng)用于茶葉、松樹皮、葡萄渣、迷迭香和牛至等植物多酚的提取。2.4

在黃酮和花青素類成分提取中的應(yīng)用黃酮類化合物是色原酮或色原烷的衍生物，即以黃酮（2-苯基色原酮）為母核而衍生出的一類黃色色素?；ㄇ嗨厥且环N天然色素，具有明顯的抗氧化作用，而且具有保護(hù)心血管、抗腫瘤、抗炎等作用，在食品營(yíng)養(yǎng)、醫(yī)藥保健等領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的青睞。近年來(lái)，亞臨界萃取技術(shù)在黃酮和花青素類成分的提取中也有廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取法相比，采用亞臨界萃取技術(shù)提取得到的黃酮和花青素成分的產(chǎn)量更高、成本更低。對(duì)亞臨界流體1，1，1，2-四氟乙烷（R134a）萃取天然產(chǎn)物中原花青素的適宜工藝條件進(jìn)行了研究，在以山楂為實(shí)驗(yàn)原料、萃取壓力10MPa、萃取溫度50℃、萃取時(shí)間80min的工藝條件下，花青素萃取率為2.50%，而用有機(jī)溶劑萃取技術(shù)得到的山楂花青素萃取率為2.10%，且亞臨界流體萃取工藝流程簡(jiǎn)單，萃取物中沒有溶劑殘留，是提取附加值高的天然產(chǎn)物花青素的一種新型綠色環(huán)保的方法。2.5

在其他有效成分提取中的應(yīng)用亞臨界萃取技術(shù)除了用于揮發(fā)油、多酚、黃酮和花青素類物質(zhì)的提取外，還可用于天然產(chǎn)物中蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖、蒽醌類、醇類、果膠及生物堿等有效成分的提取。如用丁烷對(duì)大豆胚片進(jìn)行萃取，分離出油脂后，再以液氨為溶劑進(jìn)行第二次萃取，分離出低聚糖等成分后，可以直接得到濃縮蛋白，克服了醇法提取生產(chǎn)蛋白容易變性的問題，也大大節(jié)省了投資。目前，關(guān)于使用亞臨界萃取技術(shù)從天然產(chǎn)物中提取木質(zhì)素、纖維素等成分的研究也有一些報(bào)道，如采用亞臨界水從脫脂亞麻籽粉中提取木脂素、蛋白質(zhì)和碳水化合物；采用亞臨界萃