超臨界流體萃取在提取分離萜類化合物中的應用

劉玉峰，郭好好

(遼寧大學 藥學院，遼寧 沈陽 110036)

萜類化合物的存在形式多樣且分布廣泛，是許多植物如銀杏葉、山茶花的精油和色素的重要組成部分；也是某些植物中的維生素及昆蟲體內的激素.萜類化合物在生產生活中的應用也十分廣泛，除了常規用作香料保存食品風味[1]，作為香氣前體增加葡萄酒香氣[2]，也可以作為化妝品的原料[3]以及用于農業殺蟲劑[4].近年來，由于天然藥物的應用越來越廣泛，萜類化合物也受到更多的關注，并且在醫藥領域發揮越來越突出的作用[5]，萜類化合物具有抗菌抗病毒[6]、抗腫瘤[7]、抗炎[8]、抗瘧[9]等生物活性，其中紫杉醇、青蒿素等萜類化合物已經廣泛用于臨床.天然藥物研究中最關鍵的一步為天然藥物的提取分離，尋找綠色環保、高效低耗的提取方法一直是研究的重點.

使用CO2進行超臨界流體萃取提取天然植物中的有效成分，可以避免傳統提取方法中熱降解以及提取溶劑殘留等問題[10]，同時，該技術還具有無毒、低成本、不易燃等特性[11].1970年，西德率先成功利用超臨界萃取技術萃取咖啡中的咖啡因，實現了該技術的產業應用[12].目前，超臨界流體萃取(Supercritical fluid extraction，SFE)技術已經在天然藥物的提取分離方面得到廣泛應用.除此之外，SFE在生物樣品測定中還具有縮短提取時間、提高提取效率以及高分析物選擇性、低檢測極限等明顯優勢[13].對于萜類化合物的提取，主要有水蒸氣蒸餾法、有機溶劑萃取法、索氏萃取法以及同時萃取蒸餾法等傳統技術[14].水蒸氣蒸餾法和同時萃取蒸餾法因其蒸餾提取所需溫度較高且是一個敞開體系，容易引起化學性質不穩定組分的分解和氧化，造成低沸點成分的流失，同時對于高沸點物質不易蒸出[15]；對于溶劑提取如有機溶劑萃取法，索氏萃取法及同時萃取蒸餾法，有機溶劑的去除及殘留是該類方法的主要問題，同時有機溶劑萃取也會溶解色素和蠟質成分，為后續的分離增加難度[16].由于萜類化合物的沸點較低，極性較小，多數可用SFE得到，同時該類化合物的相對分子質量不大，超臨界流體的低萃取溫度可以避免有效成分分解.與傳統的分離提取技術相比，SFE在分離萜類化合物方面解決了熱降解、易氧化及溶劑殘留等問題，為萜類化合物的提取分離提供了新的思路.

1 SFE簡介和基本原理

1.1 超臨界流體簡介

超臨界流體是一種物質狀態，具有接近氣體的擴散系數及黏度和接近液體的密度[17].這些特性使得超臨界流體在從天然產物中分離提取有效成分方面具有極大的優勢.超臨界流體主要分為非極性溶劑(二氧化碳(CO2)等)和極性溶劑(水等)[18].SFE-CO2在實際工業生產應用中最為廣泛，因為CO2的臨界壓力對設備的要求不高，一般工業水平也易達到[19].但是在萃取極性較強的物質時，由于CO2的非極性，其溶解度和選擇性較低，萃取效果也不太理想.因此在萃取極性較強的物質時，可加入與溶質結構相適應的夾帶劑來提高萃取效率，通常選擇兩種夾帶劑按照不同比例混合來提高萃取率[20].S?kmen等[21]采用極性SFE-CO2(含乙醇夾帶劑)成功提取分離綠茶中的咖啡因和兒茶素.

1.2 SFE基本原理

影響超臨界流體溶解能力的主要因素是溫度和壓力.可以通過改變體系的溫度或壓力，使流體的性質發生較大的改變，從而影響溶劑的溶解度[22].由此可知，超臨界流體可以將待分離物質的有效成分按照沸點、極性及分子量的大小依次萃取分離[23].由于每個壓力范圍內包含多種萃取物，因此需要結合減壓或加熱的方式將萃取物依次沉淀分離.首先選擇萃取混合組分的最佳比例[24]，然后通過控制條件進行萃取物沉淀分離，從而達到分離和提純的目的.

2 SFE的發展現狀

2.1 SFE的工藝流程

SFE工藝流程如圖1所示.CO2流體從儲存罐流出，進入循環罐，然后進行冷卻至最低溫度，通過加熱達到臨界狀態進行提取，再進入分餾容器通過降壓升溫進行分離，溶質由分離器底部取出，氣體可經尾氣處理后由壓縮機返回循環罐循環使用或排出[25].SFE主要有3種典型的工藝流程：等壓變溫法、等溫變壓法、吸附法.

圖1 SFE工藝流程[8]

2.1.1 等溫變壓法

整個過程溫度保持不變，萃取槽的壓力大于分離槽的壓力.此過程操作簡單，適用于萃取對溫度有嚴格要求的物質，故得到普遍應用，但是由于萃取過程有不斷的加減壓步驟，所以此法能耗較大.

2.1.2 等壓變溫法

該方法在分離釜中將超臨界萃取混合物加熱，此時的超臨界流體在臨界壓力以上萃取溶劑，溶解度隨溫度升高而降低，所以萃取溶劑會慢慢析出，從而使被萃取物與其分離.該方法的特點是整個過程壓力基本保持不變，所以不需消耗太多能源，但需要加熱蒸汽和冷卻水.

2.1.3 吸附法

該方法利用活性炭的吸附性，對溶解在流體中的溶質分子進行吸附.在整個過程中體系的壓力、溫度基本保持不變，但是由于吸附劑需解吸再生，故連續生產不適用于該方法.

2.2 SFE的影響因素

2.2.1 被萃取物的影響

被萃取物中所含水分的多少決定了在萃取前是否要進行預處理.被萃取物中的水分會阻隔其與萃取溶劑的接觸，使兩組分無法進行互溶.

2.2.2 萃取壓力的影響

萃取壓力是超臨界流體萃取最重要的參數之一.當萃取溫度一定時，隨著萃取壓力增大，臨界流體的密度也會增大，分子之間的距離減少，被萃取物在溶劑中的溶解度也會隨之增大.化學物質的萃取壓力主要由其極性強度決定，極性弱的物質通常選用較低的壓力(7～10 MPa)即可滿足要求，極性較強的物質通常選用較高的壓力(不小于20 MPa)以達到萃取效果[22].然而在實際提取分離工業中，需要綜合考慮各種因素(如成本、安全問題等)來選擇合適的萃取壓力.Chen等[1]在萃取精油實驗中，通過單變量分析可知當萃取壓力為20 MPa時萃取效率最高，然而在最終工藝選擇時，最佳工藝條件壓力為30 MPa.

2.2.3 萃取溫度的影響

萃取溫度也是一個重要的因素.一方面溫度升高，分子的熱運動加快，可以提高被萃取物質分子的擴散性，使其易于揮發，提高萃取率；另一方面升高溫度也會使氣體萃取劑的密度和其攜帶物質的能力降低，導致萃取率降低.因此，在選擇萃取溫度時應該綜合考慮這兩種情況，不同的被萃取物質在一定壓力條件下都有其最合適的萃取溫度.一般精油的最佳萃取溫度為45 ℃，如山茶花、蓽茇、百里香草等植物精油[1，8，26].

2.2.4 超臨界流體流量的影響

在萃取過程中，流體的流量選擇也是十分復雜的.一方面，提高流體流量可以增大傳質推動力，從而加快傳質速率，促進萃??；另一方面，流體流量過多，流速增加，縮短了流體與被萃取物的接觸，不利于萃取.因此，最適宜流量值的選擇也至關重要.

除了以上影響因素外，在實際萃取過程中，還需要考慮萃取顆粒大小[27]、萃取物研磨時間[28]、萃取靜態時間以及動態時間、共溶劑[29]等因素對萃取效率的影響.Chen等[1]在超臨界萃取山茶花精油實驗中，通過正交試驗確定影響因素效果為壓力>靜態時間>動態時間>溫度.

2.3 SFE的應用

隨著SFE的逐漸發展和完善，其在現代生產生活中具有越來越重要的作用.SFE在食品工業、環境保護、天然藥物提取等領域都得到了廣泛的應用.在食品工業方面，SFE的第一次工業化應用就是用于去除咖啡豆中的咖啡因，SFE不僅可以用來萃取食品中的有害物質，也可以用來萃取啤酒花和天然色素等物質[30].在環境保護方面，SFE可以用來選擇性地均相氧化并分離處理廢水中的有機污染物，也可以用來對生物污泥的多種石油渣油進行處理并降解塑料等多種固廢[31].在天然藥物提取方面，SFE可以用來萃取生物堿類、黃酮類、皂苷類、多糖類、萜類等化合物[32].鑒于SFE在萜類化合物的應用十分廣泛，本文將對其進行進一步討論.

萜類化合物是指含有若干個異戊二烯結構單位的一類化合物，可以根據結構單位的數目將萜類化合物分為單萜(C10)、倍半萜(C15)、二萜(C20)、三萜(C30)等[33].萜類化合物可以簡單地分為萜烴和各種含氧衍生物，包括醇、醛、酮、酯以及苷等.本文通過在Scifinder數據庫中搜索關鍵詞，對近20年來SFE在提取分離萜類化合物進行歸納匯總，將所涉及的萜類化合物按類別列于表1中.

表1 SFE萃取萜類化合物的應用

SDE，Simultaneous distillation and solvent extraction；

HD，Hydro distillation；

PLE，Pressurized liquid extraction；

SWE，Subcritical water extraction；

SE，Soxhlet extraction.

由表1可知：1)SFE分離所得的萜類化合物主要為單萜類及含氧倍半萜類，相比于有機溶劑提取法，SFE可以有效避免萃取劑殘留；相比于水蒸氣蒸餾法，對于低沸點的單萜烴，雖然水蒸氣蒸餾法的萃取率在實驗中會高于SFE，但是在水蒸氣蒸餾過程中，可能由于溫度和pH的原因導致揮發性成分重新排列，形成人工單萜碳氫制品，混淆真正成分.SFE也可根據需要選擇合適的溫度、壓力以及夾帶劑對高沸點含氧倍半萜進行提取分離[38].2)SFE-色譜聯用技術實現了樣品前處理單元和分離分析單元的結合，最常用的聯用技術有超臨界流體萃取-氣相色譜-質譜(SFE-GC-MS)技術、超臨界流體萃取-高效液相色譜(SFE-HPLC)技術，可用于多種化合物的快速、簡單、可重復分析，如萜類化合物、醌類化合物[62]等.

3 討論

SFE廣泛地應用于精油提取，精油是植物中的揮發性物質，通常由萜烯及氧化萜烯混合組成.在精油的選擇性SFE提取中，由于不期望化合物的共提取(高分子量的碳氫化合物以及各種草藥的蠟和樹脂)以及水的共溶劑效應，通常提取條件為溫度40～50 ℃，壓力低于10 MPa，根據化合物在超臨界CO2中的溶解性差異分離高分子量化合物和精油；SFE分離萃取裝置也基本分為兩級或三級分離裝置，在一級分離中分離蠟，二級分離裝置中分離精油體系，三級分離中調節條件凈化CO2進行循環.在精油提取分離中，相比于液體提取，SFE雖然提取石蠟含量較高，但是所提取高分子量化合物含量較低，選擇性消除石蠟比消除高分子量化合物更簡便.相比于蒸汽蒸餾，SFE避免了熱感化合物的降解和水溶性化合物的水解，保留了精油中所含風味.

然而隨著研究的進行，SFE的局限性也越來越大，主要表現在：1)普遍適用性不高，由于超臨界流體自身的極性和非極性之分，導致流體的適用范圍受限，目前應用最為廣泛的CO2流體由于自身的弱極性，主要適用于非極性或弱極性化合物的提取，雖然可以通過加入夾帶劑調整流體選擇性來提高萃取率[63]，但是在有些萃取過程中夾帶劑調整效果并不理想，且在萃取工藝中夾帶劑可以通過阻礙吸附劑來干擾收集步驟，在萃取工藝中使用受限[64].同時，夾帶劑的應用提供了蒸發的必要性，在萃取工業規模上，去除大量的溶劑是很麻煩的，需要引入專門的設備，加大了萃取工業設備的要求[65].2)SFE對人員素質、設備技術以及成本投入要求較高[66]，這使得SFE的重復性研究多于實際應用，小規模實驗多于大規模生產.針對SFE工業化所遭遇到的問題，我們應認識到在分離提取天然化合物方面，每一種提取分離技術都有其優點和弊端，不存在單一的前處理技術可以提取分離物質中的所有化合物，因此，要提高整個提取分離天然化合物行業的水平，在實際應用中合理地運用新技術，有選擇性和針對性地應用SFE，并與其他提取分離技術相結合，才能達到理想的提取效果.

同時，SFE發展逐漸成熟，可進一步擴大其應用范圍，例如超臨界流體萃取-超臨界流體色譜聯用技術(SFE-SFC).相比于當前大規模應用的GC-MS檢測技術，雖然SFE-SFC還主要用于生物分析檢測領域，但憑借其更快、更便宜和更環保的技術優勢[67]，未來還是有很大的發展空間和應用前景.