亚临界水萃取技术在植物提取物领域的应用研究进展

Application of SubcriticalW ater Extraction in the F ield of P lant Extractives
ZH ENG Guang yao , BO C ai y ing , ZHANG Jing li
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( 1. Institute of Chem ical Industry of Fo rest P roducts , CAF; N a tiona l Eng ineer ing L ab. for B io m ass Chem ica lU tiliza tion ; K ey and O pen L ab . on Fo rest Che m ica l Eng ineer ing , SFA, N an jing 210042, China ; 2. The N e w Zea land Institute fo r P lant& F ood R esearch L i m ited , Auckland 1142, N ew Z ea land) Abstrac t : Subcr itica lw ater extraction is a ne w k ind of separa tion techno logy . T he pr incip le and advantage of subcr itica lw ater ex traction are desc ribed , the application o f ex traction of valuable compounds( such as vo latile o i, l po lypheno ls , pec tine , ex traction in the fie ld o f plant ex tractives is explored . K ey word s : plant extractives ; subcritical wa ter ; extraction; application lactone , anthraqu inone , etc . ) from natural plants and food by products are introduced, and the deve lopm ent prospect of subcr itica l wa ter
第 5期
郑光耀 , 等 : 亚临界水萃取技术在植物提取物领域的应用研究进展
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提取物产业的发展起着很大的作用。亚临界水萃取技术也是近 10 年来刚刚发展起来的一种新兴的提 [ 2] 取分离技术 , 该方法最早应用于土壤、 沉积物、 淤泥等环境样品中有机污染物的萃取 。由于具有提取 时间短、 萃取效率高、 环境友好等技术优势 , 亚临界水萃取技术作为植物有效成分提取分离的新方法近 年来得到了迅速发展 , 是一种很有潜力开发成为工业化生产的绿色提取技术。作者对亚临界水萃取技 术的原理和优势进行了阐述, 介绍了亚临界水萃取技术在植物有效成分和食品副产物提取中的应用 , 并 对亚临界水萃取技术在植物提取物领域的发展前景作了展望。
( 1. 中国林业科学研究院 林产化学工业研究所 ; 生物质化学利用国家工程实验室 ; 国家林业局 林产化学工程重点开放性实验室 , 江苏 南京 210042 ; 2. T he N e w Zea land Institute for P lant& F ood R esearch L i m ited, A uck land 1142, N ew Zea land) 摘 Z H ENG G uang yao 关键词 : 要: 亚临界水萃取技术是一种 新兴的提取分离技术 。 作者对亚临界水萃取技术 的原理和优
2 亚临界水萃取技术的优势
随着科技进步和生活水平的提高 , 人们对健康、 环境有了新的认识, 对食品、 医药、 化妆品等有关身 心健康的产品及相关生产方法 , 提出了更高的标准和要求。超临界 CO 2 萃取技术作为一种独特、 高效 和清洁的提取分离技术, 在食品、 香料、 医药、 化工等领域已展现出良好的应用前景, 已成为取代传统化 [ 8] 学方法的首选 。但由于超临界 CO2 的非极性和相对分子质量小的特点, 对极性较强和相对分子质量 大的化合物缺乏足够的溶解性而提取效率不高。最典型的表现是 , 它对于近年来越来越受到人们重视、 对癌症和心脑血管等疾病有显著疗效的多糖类、 皂苷类、 黄酮类等化合物的提取效果很差。水与 CO2 一样具有价廉、 无毒、 无污染的优点, 常温下对非极性化合物溶解性非常小, 但是水的极性可以通过升高 温度使其达到超临界或亚临界状态而大大降低 , 对在常温下水中溶解度低的疏水性化合物具有良好的 溶解能力 , 对极性较强和相对分子质量大的化合物仍具有足够的溶解性, 正好弥补超临界 CO2 的不 足
植物提取物是以植物为原料, 按照对提取的最终产品的用途需要 , 经过物理化学提取分离过程, 定 向获取和富集植物中的某一种或多种有效成分 , 而不改变其有效成分结构而形成的产品。植物提取物 是植物药制剂的主要原料 , 是天然医药保健品市场上的核心产品 , 相对化学药物的毒副作用大、 易产生 抗药性 , 植物提取物作为天然药物具有无可比拟的天然优势。在当今全世界崇尚自然、 返朴归真的大潮 流中, 植物提取物已广泛应用于天然药物、 保健食品、 功能饮料、 食品添加剂、 化妆品、 饲料添加剂、 兽药、 植物源农药等多个领域。我国地跨热带、 亚热带、 温带和寒温带, 气候条件多种多样, 地形、 地貌、 地质和 土壤条件变化多端, 孕育和保存了种类繁多的植物资源。同时 , 植物提取物兼有开发投入少, 技术含量 高 , 产品附加值大 , 国际市场应用广泛 , 市场发展空间大等诸多特点。因此, 我国植物提取物产业发展非 [ 1] 常迅速 , 已成为国际上一个重要的植物提取物生产国 。植物提取物研究水平及植物提取物产品质量 在很大程度上依赖植物有效成分提取分离的技术方法。随着科技的进步与发展, 植物提取物的提取分 离技术不断从食品、 医药、 化工、 环境等行业引入新的方法, 如超声波提取技术、 微波提取技术、 膜分离技 术、 分子蒸馏技术、 大孔树脂吸附技术和超临界 CO2 萃取技术等, 这些新技术的应用对于推动我国植物
收稿日期 : 2010- 05- 18 基金项目 : 国家林业局 948技术引进项目 ( 2008 - 4- 80) ; 科技部农业科技成果转化资金项目 ( 2008GB24320412 ) 作者简介 : 郑光耀 ( 1964- ) , 男 , 福建莆田人 , 副研究员 , 主要从事植物资源的提取分离技术及其活性成分开发利用研究 ; E ma i: l zhguya@ sin a . com。
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。由于超临界水在如此高的温度 ( 374
) 和压力 ( 22MP a) 下极具腐蚀性及反应性, 一些被提取的
化合物会因热力学稳定性差而分解, 使超临界水的应用受到限制。而亚临界水产生的条件比较温和 , 对 压力的要求较低 , 只要适当的压力使水保持液体状态下即可, 一般为 1~ 6M Pa , 主要是通过改变温度来 提取不同种类的化合物, 这就为它的应用开辟了一个新的领域。 用亚临界水提取分离植物有效成分, 与现有超临界 CO2 萃取技术相比具有以下优点 : 1 ) 由于 CO2 不溶于水, 超临界 CO2 萃取原料需要预先干燥处理, 不但额外地增加了成本 , 也使芳香性化合物受到损 失。而亚临界水萃取原料无需干燥, 就能很方便地完成对有效成分的提取 ; 2) 超临界 CO2 用于萃取低 分子、 低极性、 亲脂性、 低沸点的化合物较为理想, 但对萃取极性较强、 相对分子质量大的化合物则有一 定困难 , 在实际操作中往往需要加入提携剂来增加化合物的溶解度和选择性, 不但增加了操作的繁琐 性 , 也存在着有机溶剂的残留问题。而亚临界水萃取通过改变温度和压力来控制水的介电常数 , 就可以 选择性地提取不同极性的化合物 , 或从强极性、 中极性到非极性化合物的连续提取; 3)超临界 CO2 萃取 必须在 25M P a以上的超高压状态下才能进行 , 超临界 CO2 流体又需பைடு நூலகம்制冷液化 , 设备制造和运行成本
1 亚临界水萃取技术的原理
常温常压下 , 水是极性很大的溶剂, 它能很好地溶解极性化合物, 但对低极性化合物的溶解性很低。 在适度的压力下 , 将水加热到 100 以上临界温度 374 以下的高温, 水体仍然保持在液体状态 , 这种 [ 3- 4 ] 水称为亚临界水 , 也称之为高温水、 超加热水、 高压热水或热液态水 。亚临界水的物理、 化学特性与 常温常压下的水有较大差别, 随着温度的升高 , 水的极性、 表面张力和黏度都急剧下降 , 对中极性和非极 性化合物的溶解能力会大大增加, 其性质更接近于有机溶剂。亚临界水物理、 化学特性的改变 , 主要与 流体微观结构的氢键、 离子水合、 离子缔合、 簇状结构的变化有关。随着温度的增加, 亚临界水的氢键被 打开或减弱 , 水的介电 常数很容 易降低。水在常温 常压下介 电常数约 为 80 , 而 升温升压 至 250 、 5M Pa 时 , 水的介电常数降低到 27 , 这个值和 25 、 0 . 1M Pa 下的乙醇相同 , 这表明亚临界水对中极性 [ 5- 7 ] 和非极性化合物具有一定的溶解能力 。因此, 通过调节亚临界水的温度和压力 , 使水的极性在较大 范围内变化 , 就可以选择性地提取不同种类的植物有效成分 , 也可以实现植物有效成分从水溶性成分到 脂溶性成分的连续提取。由于亚临界水萃取是以价廉、 无污染的水作为萃取剂, 而且具有较好的渗透与 溶解能力, 亚临界水萃取技术被视为绿色环保、 前景广阔的一项变革性技术。
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较高。而亚临界水萃取不需要太高的压力 , 萃取装置相对比较简单, 提取时间可以在数十分钟内完成。 [ 10 ] 因此, 亚临界水萃取技术是一种很有前景的变革性技术 , 显示出巨大和决定性的优势 。