超臨界流體技術(shù)及其在天然活性成分提取分離中的應(yīng)用

超臨界流體技術(shù)及其在天然活性成分提取分離中的應(yīng)用

干預流提取技術(shù)（afe）是一種將超流用作溶劑的過程，該過程中的高滲透性和高溶解能力用于提取分離混合物。早在1879年,Hannay和Hogarth通過試驗發(fā)現(xiàn)了超臨界流體(SCF)與液體一樣,可用來溶解高沸點的固體物質(zhì),人們初步意識到SCF具有分離能力,20世紀50年代,美國的Todd和Elgin等人從理論上提出了超臨界流體用于萃取分離的可能性,直到1978年聯(lián)邦德國將此技術(shù)運用在工業(yè)化生產(chǎn)中,并取得成功。超臨界萃取技術(shù)是一種獨特、高效、清潔的新型提取、分離技術(shù),在很多領(lǐng)域得到了廣泛的重視和開發(fā),尤其是在天然產(chǎn)物有效成分提取與分離方面。目前,臨界萃取技術(shù)用于提取生物活性成分的報道不斷出現(xiàn),已涉及到幾大類天然化合物(揮發(fā)油、苷類、多糖、萜類、生物堿、黃酮、單寧、甾體及有機酸等),引起了人們的極大興趣,為此,本文就臨界萃取技術(shù)及其在天然活性成分提取分離中的應(yīng)用作一評述。1rr技術(shù)的基本原則和特點1.1超臨界流體萃取分離的原理Francis在1954年完成了在25℃及5.5MPa下由液態(tài)二氧化碳和其它兩種化合物組成的共有464個三元系的平衡相圖,為后人進行SFE提供了理論依據(jù)。超臨界流體萃取分離是利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關(guān)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。在超臨界狀態(tài)下,將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸,使其有選擇性地依次把極性大小、沸點高低和相對分子質(zhì)量大小不同的成分萃取出來。超臨界萃取的實驗流程示意圖如下。1.2scf-co萃取特點傳統(tǒng)的天然產(chǎn)物有效成分的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法和有機溶劑萃取法,它們均具有明顯的缺陷,大量實驗研究證實SFE技術(shù)相對于傳統(tǒng)提取方法具有許多優(yōu)勢其優(yōu)勢特點為:(1)操作溫度低。能較好地使萃取物的有效成分不被破壞,特別適用那些對熱敏感性強、容易被氧化分解、破壞的成分的提取與分離。(2)選擇性強,提取完全。在高壓、密閉、惰性環(huán)境中,能有選擇性提取有效成分,提取純度高,便于后繼分離、產(chǎn)品收率人人提高。(3)常用的SCF-CO2具有無毒、無味、不燃、不腐蝕、安全、不污染環(huán)境、價廉。能循環(huán)使用等特點,萃取產(chǎn)品無溶劑殘留,具有純天然性,特別適合食品、香料、醫(yī)藥等天然產(chǎn)品提取。(4)萃取工藝簡單,提取快,生產(chǎn)周期短,效率高。1.3萃取條件的優(yōu)化在應(yīng)用SFE時,必須對影響起萃取效率的各種因素加以考慮,即優(yōu)化的操作條件下才能使萃取處于最佳狀態(tài)。到目前為止,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)的各種影響因素如下所述:萃取壓力、萃取溫度、時間和樣品顆粒大小以及流體流速、萃取物收集方法和夾帶劑的應(yīng)用等。下面對主要因素做簡要的介紹。1.3.1克氏原螯蝦co用作超臨界萃取劑的流體很多,有二氧化碳、乙烷、乙烯、丙烯、乙醇、甲醇、笨、水等。這些流體中有得的價格昂貴難以制取;有的化學性質(zhì)活潑,使用起來很危險;有的對設(shè)備有腐蝕性和破壞性;有的氣體有毒有害,不適合提取食品和醫(yī)藥中的有效成分,且易造成環(huán)境污染,綜合各種因素,CO2作為超臨界溶劑有很大的優(yōu)越性。CO2的臨界溫度為31.1℃,臨界壓力為7.38MPa,技術(shù)水平很容易達到,且CO2臨界密度大,對很多溶劑有很大的溶解度。CO2是惰性氣體,具有不易燃燒、化學性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、無臭、安全、廉價等優(yōu)點。因此,在視頻、醫(yī)藥、化妝品、香料領(lǐng)域中,常作為萃取溶劑。1.3.2壓力的影響超臨界流體的密度在相當?shù)某潭壬吓c它的溶解能力密切相關(guān),超臨界流體的密度通過壓力和溫度的變化在大范圍內(nèi)發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)實驗證明,萃取效率主要取決于壓力的變化。溶解度隨著壓力的增大而增加,單位時間內(nèi)的萃取量增大,但壓力不是隨意增大和選擇的,操作壓力的增加要考慮設(shè)備投資大幅增加,另外壓力相對高時,萃取物中的色素等無用成分的含量也會增加,對其品質(zhì)有一定的影響,而且當壓力上升到一定程度增幅越來越小。萃取溫度是影響萃取率的另一個重要參數(shù),一方面溫度提高,分子熱運動速度增加,相互碰撞概率提高,二氧化碳溶解能力增加,另一方面溫度提高,二氧化碳密度降低,攜帶物質(zhì)的能力降低,萃取率的高低取決于此溫度下何種狀態(tài)占優(yōu)勢。1.3.3萃取時間的延長超臨界流體如CO2等的流量對萃取率的影響也很大。一方面,增大CO2等的流量可以加快溶劑與溶質(zhì)而利于萃取;另一方面卻減少了溶劑與溶質(zhì)的接觸面積而對萃取不利。時間對萃取率的影響也較大。隨著萃取時間的延長,萃取率提高;但達到一定時間以后,萃取率的變化不大。而且,萃取時間的延長是以電力、壓力、設(shè)備損耗等為代價的。因此,在實際的應(yīng)用中,要選擇合適的流量和萃取時間,既保證高的萃取率,又要盡量降低成本。1.3.4超臨界流體法夾帶劑是指超臨界流體氣體中加入的一種少量的可與之混溶的、揮發(fā)性介于被分離物質(zhì)與超臨界組分之間的物質(zhì),通常能使SCF(超臨界流體)的萃取能力增強,操作壓力也將得以降低,這不僅對降低能耗有很大意義,而且可以使設(shè)備的設(shè)計壓力降低,大大節(jié)省設(shè)備投資。然而某些夾帶劑在提高SFE的萃取力時也降低了SFE的選擇性。2超提取對天然活性物質(zhì)的提取的應(yīng)用2.1萃取方法的選擇超臨界萃取揮發(fā)油的報道甚多,也取得了很大的進展。揮發(fā)油(volatileoils)又稱精油(essentialoils),是一類具有芳香氣味的油狀液體的總稱,在常溫下能揮發(fā),可隨水蒸氣蒸餾。揮發(fā)油類成分在植物界分布很廣,主要存在于種子植物,尤其是芳香植物中。揮發(fā)油常用水蒸氣蒸餾法提取,但操作繁雜,提取效率低,時間長。郭紅祥、張慧珍等從萃取率、萃取時間、萃取油成分及外觀顏色等方面比較了超臨界CO2萃取方法和水蒸汽蒸餾萃取法,結(jié)果表明,超臨界CO2萃取方法操作自動化程度高,不僅萃取能力強,而且能方便有選擇性地萃取所需成分,更適合于熱敏性、易氧化物質(zhì)成分的提取。李桂生,馬成等對當歸揮發(fā)油的提取結(jié)果表明超臨界CO2萃取所得當歸油的收率約為水蒸氣蒸餾收率2倍。曾虹燕、馮波等人探討了超臨界CO2萃取的壓力、溫度、流量、時間等條件對荷葉揮發(fā)油收率的影響,確定其最佳萃取條件:萃取壓力30MPa,溫度40℃,CO2流量25kg/h和時間90min,得率為4.36%。此外超臨界萃取還用于丁香、石榴果實、白芨、連翹、姜等物料中提取揮發(fā)油成分。2.2全沸堿萃取法生物堿是指天然的含氮有機化合物,但不包括氨基酸、蛋白質(zhì)等開鏈的簡單脂肪胺,它的氮原子常在環(huán)上,并具有復雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和生理活性。超臨界萃取技術(shù)在生物堿的提取分離方面具有低溫、快速、收率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、成本低等特點,特別是對一些資源少、療效好、劑量小及附加值高的產(chǎn)品極為適用。SF-CO2已經(jīng)成功的萃取了許多生物堿。但SFE比較適合萃取脂溶性、相對分子質(zhì)量小的物質(zhì),對極性大、相對分子質(zhì)量較大的生物堿要加入夾帶劑和堿化劑,葛發(fā)歡、史慶龍等將益母草經(jīng)堿化后,再加入夾帶劑-氯仿在萃取壓力30MPa、萃取溫度為70℃并進行三級分離,在此條件下,收率可達6.5%,益母草總生物堿可達26.6%,完全滿足益母草制劑的要求,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。黃欣、蘇樂群等比較超臨界流體萃取法和醇回流法提取元胡有效成分的優(yōu)劣,結(jié)果表明SFE(CO2)法較回流法提取不會改變元胡中的生物堿類成分,且得到的產(chǎn)物純度高、雜質(zhì)少,適合下一步的制劑開發(fā)研究。王麗杰、張東杰研究了超臨界CO2流體萃取平貝母中總生物堿的工藝,正交試驗得到萃取平貝母中總生物堿的最佳萃取條件為萃取壓力20MPa、乙醇用量300mL、萃取時間2h、萃取溫度45℃在此條件下總生物堿萃取率為0.217%。2.3超臨界萃取法黃酮類化合物廣泛存在于自然界中,屬于植物在長期自然選擇過程中產(chǎn)生的一些次級代謝產(chǎn)物。已發(fā)現(xiàn)約有4000余種黃酮類化合物,主要存在于植物的葉、果實、根、皮中。黃酮類化合物有很多重要的生理功能,因此對該類化合物的研究已成為國內(nèi)外食品、醫(yī)藥界研究的熱門課題,是一類具有廣泛開發(fā)前景的天然活性成分。從植物中提取黃酮類物質(zhì),傳統(tǒng)提取方法中較常用的有乙醇、堿水或熱水提取等,這些方法排污量大、有效成分損失多、提取效率低、成本高。而采用超臨界萃取方法能彌補這些不足。王曉丹、史桂云分別采用水提取法、傳統(tǒng)乙醇提取法、微波提取法、超臨界CO2萃取法提取柿葉總黃酮,結(jié)果表明超臨界CO2萃取法提取總黃酮含量最高,且得到的萃取物純凈,色澤金黃,純度高,無異味。呂程麗,歐陽玉祝以葛根為原料,對超臨界CO2提取葛根中的總黃酮。結(jié)果表明,在溫度為50℃、料液比為280:330(g/mL)、萃取壓力35MPa條件下萃取2h,總黃酮的提取率為1.4572%。2.4超臨界co萃取法皂苷類相對質(zhì)量分子較大,羥基多,極性大,用純CO2提取其產(chǎn)率很低,加入夾帶劑和增大壓力則可提高產(chǎn)率。盧朝國、趙俊廷用超臨界萃取桔梗皂苷選用無水乙醇作為夾帶劑,比傳統(tǒng)提取所用甲醇等有機溶劑環(huán)保,基本無污染。同時通過正交實驗得出,超臨界CO2萃取桔梗有效成分的最佳工藝條件為:萃取溫度40℃,萃取壓力35MPa,萃取時間4h,夾帶劑用量100mL/100g。在皂苷的提取方法上,超臨界萃取較傳統(tǒng)的萃取方法有明顯的優(yōu)勢。韓志慧、張景偉分別采用無水乙醇回流提取、無水乙醇回流-正丁醇萃取、體積分數(shù)為70%乙醇回流提取、體積分數(shù)為70%乙醇回流提取-正丁醇萃取、水提取、超聲波提取和超臨界CO2提取方法,結(jié)果表明,不同提取方法對皂苷含量有較大的影響,超臨界CO2提取技術(shù)無溶劑殘留,操作溫度低,對環(huán)境友好,提取效率高,皂苷含量是傳統(tǒng)溶劑提取的1.5-2.0倍,有較好的應(yīng)用前景。2.5超臨界co萃取多糖是一類由醛糖或酮糖通過糖苷鍵連接而成的天然高分子多聚物,在自然界含量最豐。多糖具有多種生物活性,具有高免疫,降血燙,抗腫瘤,抗病毒等功能,被認為是構(gòu)成生命的四大基本物質(zhì)之一。盛桂華、周泉城用超臨界CO2萃取瓜簍多糖,得到其最佳提取條件為:萃取壓力20.1MPa,萃取溫度55.2℃,攜帶劑乙醇濃度50.2%,攜帶劑用量12.0mL/100mL,此條件下瓜簍多糖得率為0.95%。張素霞在香菇提取中運用了超臨界CO2提取,與傳統(tǒng)的熱水提取法相比,多糖的提取提高了3.16%,且產(chǎn)品的色澤和風味更加接近標準品,是香菇多糖工業(yè)生產(chǎn)中一種有價值的提取新工藝。2.6最佳條件考察肖飛、李衛(wèi)用超臨界CO2萃取大黃總蒽醌,得到萃取大黃蒽醌最佳條件為:萃取壓力18MPa,萃取溫度60℃,95%乙醇作夾帶劑,用量為2倍藥材量。陳衛(wèi)林,郭玫等得超臨界提取大黃中蒽醌的提取率是其他文獻中最佳提取方法-醇提法的2倍。2.7超臨界co萃取條件篩選單寧酸的提取方法主要是有機溶劑提取法和水提取法,超臨界CO2萃取法用于單寧酸的提取在國內(nèi)外研究報道很少。姜萍,黃娟研究了從五倍子原料中超臨界CO2萃取單寧酸的研究通過對影響萃取的各種因素實驗,得出優(yōu)選的超臨界CO2萃取條件為:萃取溫度為44℃、壓力為25MPa、夾帶劑為乙酸乙酯萃取120min時效果最佳,平均得率為57.83%。宋師花、賈曉斌篩選超臨界CO2萃取靈芝子實體中三萜類成分的最佳工藝條件:萃取壓力為25MPa,萃取溫度為45℃,萃取時間為1.5h,萃取靈芝子實體中三萜類成分具有萃取效率高、萃取時間短、操作簡單等優(yōu)點,其方法可靠,切實可行。余基成、金莉等人采用超臨界CO2萃取技術(shù)提取綠茶中茶多酚的最優(yōu)條件為溫度60℃、壓力25MPa、萃取時間1h。茶多酚的萃取率