CO2-SFE的萃取原理及其在天然药物化学成分提取中的应用

ＣＯ2－ＳＦＥ的萃取原理及其在天然药物化学成分提取中的应用标签：CO2-SFE；萃取原理；天然药物化学
超临界流体萃取(supercritical fluid extraction，SFE)技术产生于20世纪50年代，是一种对环境友好的新型“绿色”分离技术，具有提取率高、产品纯度好、流程简单、能耗低、无毒、安全、无污染、廉价和可回收等优点，一直是分离技术中一个最活跃的领域。

1原理
1.1基本原理
任何物质都有气、液、固三种聚集态。

但是，任何物质都有一个临界温度(Tc)，当其气体的温度超过临界温度后，不管加多大压力都不能使其液化，即临界温度是气体能够液化的最高温度。

在临界温度时能使气体液化的最小压力称为临界压力(Pc)。

在Tc和Pc时物质的状态称为临界点，高于Tc和Pc而接近临界点的状态称为超临界状态，这种状态的流体被称为超临界流体(supercritical f1uid，SCF)，
SCF是介于气体和液体之间的一种特殊的聚集态，不同于一般的气体，也有别于一般液体。

它具有许多特性：①扩散系数比气体小，但比液体高一个数量级；
②黏度较小，接近气体，比液体小2个数量级；③密度较大，类似液体，比气体大数百倍。

超临界流体兼有液体和气体的双重特性，具有良好的溶解特性和传质特性。

其扩散系数大，黏度小，渗透性好，溶解溶质的能力较大，而且在临界点附近这种特性对压力和温度的变化非常敏感，与液体溶剂萃取相比，可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。

可用作超临界流体的溶剂有乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、甲醇、乙醇、水、二氧化碳等多种物质，目前研究较多的是CO2，超临界CO2密度大（临界密度0.488 g/m3），溶解能力强，传质速率高；它的临界参数为Tc=31.06℃，Pc=7.39 MPa，便于在室温和可操作的压力(从8到20 MPa)下操作，可以防止热解及化学危害；它又具有来源丰富，价格便宜，纯度高，化学性质不活泼，无毒和不燃烧的安全性，可回收和无污染等优点，所以在超临界流体技术中具有广泛的应用。

CO2-SFE是利用压力和温度对超临界CO2溶解能力的影响而进行的。

当二氧化碳气体处于超临界状态时，其扩散系数为液体的100倍，因此，对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力，将超临界CO2与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来，并且超临界CO2的密度和介电常数随着密闭系统压力的增加而增加，利用程序升压可将不同的有效成分进行分步提取。

然后借助减压、升温的方法使超临界CO2变成普通气体，被萃取物质则自动安全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃
取分离两过程合为一体，这就是CO2-SFE的基本原理。

1.2 夹带剂
虽然通过调节压力与温度很方便地改变超临界CO2溶解性能。

但是，单一的超临界CO2对某些溶解度很低、选择性不高的物质具有局限性，因此在纯气体溶剂中加入附加组分(即夹带剂)得到了广泛的研究。

夹带剂作为混合溶剂的一种，大大增加被分离组分在气相中的溶解度，并可使溶质的选择性(分离因子)大大提高；它拓宽了超临界萃取的应用范围，使得混合溶剂的应用将成为超临界萃取过程的主要发展方向，常用的夹带剂大多为甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿等有机溶剂，此外，水、有机酸、有机碱等也可用作夹带剂。

夹带剂的加入方式有静态加入和动态加入两种，以动态加入较多。

2 技术特点
CO2-SFE与传统的化学法萃取相比有以下突出的优点：①萃取和分离合二为一，当饱含溶解物的二氧化碳超临界流体流经分离器时，由于压力下降使得CO2与萃取物迅速成为两相(气液分离)分开，不存在物料的相变过程。

超临界CO2 提取(动态)循环一开始，分离便开始进行，不需回收溶剂，操作方便，不仅萃取效率高，而且工艺流程短、耗时少、能耗少、成本低、对环境无污染，萃取流体可循环使用，真正实现生产过程绿色化。

②萃取温度低，CO2的Tc为31.06℃，可以有效地防止热敏性成分的氧化和逸散，完整保留生物活性，完好地保存有效成分不被破坏或发生次生化，尤其适合于那些对热敏感性强、容易氧化分解的成分的提取，而且能把高沸点，低挥发度、易热解的物质在其沸点温度下萃取出来。

③超临界流体CO2常态下是气体，无毒、无害、不易燃易爆、表面张力低、沸点低，与萃取成分分离后完全没有溶剂的残留，有效地避免了传统提取条件下溶剂毒性的残留。

同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，是100％的环境友好溶剂。

④超临界CO2流体的极性可以改变，一定温度条件下，只要改变压力或加入适宜的夹带剂即可提取不同极性的物质，可选择范围广。

夹带剂的使用大大拓宽了超临界CO2萃取技术在中药有效成分提取上的应用范围，而超临界微乳技术的出现，更将其研究领域扩展到强极性、水溶性成分的萃取。

3 二氧化碳流体溶解度的经验规律
超临界二氧化碳对不同物质的溶解能力差别很大，与物质的极性、沸点和相对分子量有密切的关系。

一般经验规律如下：①亲脂性、低沸点成分可在104 kPa 以下萃取，如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧化合物等，如天然植物和果实中的香气成分，如桉树脑、麝香草酚、酒花中的低沸点酯类等。

②强的极性基团(如-OH、-COOH)的引入，使得萃取变得困难。

在苯的衍生物范围内，具有三个羟基酚类的物质，以及一个羧基和两个羟基的化合物仍然可以被萃取，而那些具有一个羧基和三个以上羟基的化合物是不能被萃取的。

③更强的极性物质，如糖类、氨基酸类在40 MPa以下是不能被萃取的。

④化合物的相对分子质量越高，愈难萃取。

相对分子质量在200～400范围内的组分容易萃取，有些相对分子质量低，
易挥发成分甚至可直接用二氧化碳流体提取；相对分子质量高的物质(如蛋白质、树胶和蜡等)则很难萃取。

4在天然药物化学成分提取中的应用
4．1生物碱提取
大多数生物碱在植物体内以盐的形式存在，仅有少数极性极弱的生物碱以游离态存在。

而CO2-SFE很难萃取出以盐或苷形式存在的生物碱，原料一般需要碱性试剂(如氨水、三乙胺、Ca(OH)2、Na2CO3溶液等)的碱化预处理，目的就是使结合的生物碱游离出来，增加生物碱在超临界CO2流体中的溶解度，提高萃取效率。

并需使用夹带剂来增强萃取能力，对水溶性或极性强的尚可通过加表面活性剂的微乳体系来萃取。

目前对大多数生物碱的提取CO2-SFE尚不是一种有效的方法，但基于可大大减少酸或碱性试剂的用量及具有较高的提取率，仍值得进一步深入研究。

部分生物碱的提取条件见表1。

表 1 天然药物中生物碱的CO2-SFE提取实例
4．2香豆素和木脂素的提取
CO2- SFE萃取对于香豆素和木脂素的提取是一种非常有效的方法。

通过采用多级分离或与超临界精馏相结合可以得到有效成分含量很高的提取物。

对于游离态的香豆素和木脂素一般只需用纯CO2-SFE即可；对于分子量较大或极性较强的成分则有时要加入适当的夹带剂；而对于以苷的形式存在者，则几乎不能用CO2- SFE有效提取。

部分香豆素和木脂素的提取条件见表2。

表2天然药物中香豆素和木脂素的CO2-SFE提取实例
4．3黄酮类化合物的提取
黄酮类化合物的传统提取方法中较常见的有醇提法、碱水或碱醇提取、热水提取等。

其粗产物的分离主要是根据其极性差异、酸性强弱、分子大小和特殊结构等性质，采用适宜的分离方法，如系统溶剂法、pH梯度萃取法、硼酸络合法、铅盐沉淀法等。

这些传统的提取方法存在明显的排污量大、有效成分损失多、提取率低、成本高等一系列缺点。

目前CO2- SFE研究最多的是银杏叶的提取，具有产率高，产品质量好的特点。

部分香豆素和木脂素的提取条件见表3。

表3天然药物中黄酮的CO2-SFE提取实例
4．4醌类及其衍生物的提取
醌类及其衍生物包括苯醌、萘醌、菲醌等，多数极性较大，故用超临界二氧化碳萃取时需要采用较高的压力，且通常还要加入夹带剂。

部分醌类及其衍生物的提取条件见表4。

表4天然药物中醌类及其衍生物的CO2-SFE提取实例
4．5糖及其苷类的提取
由于糖及其苷类的化合物分子量较大、羟基多、极性大，用纯二氧化碳提取产率低，加入提携剂或加大压力则可提高产率。

必要时可考虑梯度萃取。

部分糖及其苷类的提取条件见表5。

表5天然药物中糖及其苷类的CO2-SFE提取实例
4．6挥发性成分的提取
尽管挥发油所含化学成分因其来源不同而颇不一致，但因其沸点较低、分子量不大、极性小，在SFE-CO2中有良好的溶解性能，大多数都可用纯二氧化碳萃取得到，所需的操作温度一般较低，避免了其中有效成分的破坏或分解，因此不仅产品质量佳而且收率也较传统方法高很多，是一类最适合用SFE-CO2提取的成分。

部分挥发油的提取条件见表6。

要进一步发展应用超临界CO2萃取技术，必须加强基础理论和化学工程方面的研究，以完善和丰富超临界条件下各种物系的相平衡、物理化学和传热传质等数据，预测和建立起有关超临界萃取过程的热力学和动力学模型。

工艺设计和设备制造对于超临界CO2萃取技术的发展也是至关重要的。

在超临界CO2流体中加入表面活性剂形成超临界微乳体系来增进物质的溶解性能，是一个值得注意的研究方向。

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