超临界流体萃取技术在天然药物提取分离中的应用研究进展

超临界流体萃取技术在天然药物提取分离中的应用研究进展

（贵州大学化学与化工学院，贵州，贵阳，550003）

[摘 要]超临界流体萃取技术现已发展成为一种新兴的独特的化工分离工艺。由于自身的优越性， 这项技术在天然药物提取上得到飞速发展，应用的范围和种类不断拓宽，已成为天然药物研究领域必不可少的技术手段。本文主要综述了近年来超临界二氧化碳萃取在天然药物化学成分提取中的应用。同时对超临界萃取技术在天然药物中的应用进行了展望，指出了目前存在的主要问题和今后发展的趋势。

[关键词]超临界流体萃取技术(SFE)；SCF-CO2；天然产物

Development of Application of Supercritical Fluid Extraction Technology in

the Extraction and Separation of Natural Medicine

(School of Chemstry and Chemcial Engeering,Guizhou University,Guiyang,Guizhou,550003)

[Abstract]Supercritical fluid extraction technology has now developed into a new kind of unique chemical separation process presently.Because of their own superiority,this technology in the extraction of natural medicine develops rapidly and broadens the application scope and variety of techniques,and has become essential in the field of natural medicine.Development of application of supercritical carbon dioxide extraction in the extraction and separation of natural medicine is summarized in this paper. At the same time, the application of supercritical fluid extraction in natural medicines is put forward, it pointed out the existing problems currently and future development trends.

[Key words] supercritical fluid extraction (SFE); SCF-CO2; natural medicine

1.引言

超临界流体技术是利用超临界流体(Supercritica Fluids)的特性而发展起来的一门新兴技术。超临界流体是处于临界温度(Tc)和临界压力(Pc)以上，介于气体和液体之间的流体，兼有气体和液体的双重性质和优点，粘度小，接近于气体，而密度又接近于液体，扩散系数为液体的10-100倍，具有良好的溶解特性和传质特性。利用其在临界点附近，体系温度和压力的微小变化，使溶解度发生几个数量级的突变特性来实现其对物质的提取分离。通过改变压力或温度来改变SCF的性质，达到选择性地提取各种类型的化合物的目的。SCF种类繁多，以二氧化碳最为常用。超临界二氧化碳(SCF-CO2)具有临界温度低(31.3℃)，可在常温下操作，对大部分物质呈化学惰性，有效地防止热敏性和化学不稳定性成分的高温破坏和氧化；无色无味无毒，不残留于萃取物上，无溶解污染；价廉，易得，且易制成高纯度气体，不易燃烧，使用安全；从提取到分离一步完成，操作费用低；选择性好，通过调节温度和压力，可有针对性地萃取有效成分等特点。故(SCF-CO2)技术在中草药有效成分的超临界流体萃取中应用颇多。SCF-CO2极性小，适用于非极性或极性小的化合物的提取，但对极性物质的溶解度很低，常须加入夹带剂，使其在改善或维持选择性的同时提高待萃取成分的溶解度，从而提高萃取效果。由于这些特性，超临界流体具有很大的应用潜力，近年来成为竟相研究的热点[1-7]。 目前，SCF-CO2萃取技术在天然药物提取分离上的应用主要表现为以下两个方面：单味天然药物有效成分的提取分离和复方天然药物制剂中有效成分的提取分离。在实际操作中超临界流体萃取技术又可与其它提取分离方法相结合来获得所需活性成分或与色谱、光谱分析方法联用，对有效成分进行更准确的定量分析。本文综述了超临界流体萃取技术在单味天然药物和复方天然药物制剂提取中的应用。

2.单昧天然药物中有效成分的提取

2.1.生物碱的提取

生物碱是存在于植物体内一类含氮有机化合物，种类繁多，绝大多数具有显著的生理活性。

SCF-CO2技术在提取生物碱时尽管需要选择适当的夹带剂以增强流体的溶解能力或提高选择性，对于大多数生物碱的提取还不是一种很有效的方法，但它能解决传统提取方法存在的分离步骤多、排污量大、收率低等缺陷，因而仍是天然药物生物碱提取技术的发展方向之一。

胡晶红[8]通过溶剂萃取、氨碱化与非氨碱化加极性夹带剂的超临界流体萃取；超临界流体除-溶剂萃取相结合萃取法；超临界除油-加夹带剂超临界流体萃取相结合这几种方法提取苦参中苦参总碱的对比，得出超临界流体除油-溶剂萃取相结合的方法可以获得较高的苦参总碱收率，其收率达到

1.96%，为溶剂萃取法0.801%的2.4倍。使超临界流体技术在苦参生物碱提取中得到了合理、有效的应用。蔡建国等[9]采用超临界CO2结合使用甲醇、乙醇、丙酮作为夹带剂和Na2CO3碱化处理原料研究对生物碱提取率及提取物中总生物碱的影响。通过元素分析，计算提取生物碱的平均相对分子质量，获得各种提取条件下对生物碱分子的提取能力。结果在318.15 K、35 MPa条件下，相对于单纯使用超临界CO2萃取，使用甲醇作为夹带剂和Na2CO3碱化剂可使生物碱的提取率从0.0436%提高到0.2019%，提取物中生物碱的质量分数从12.5%提高到20.03%，提取生物碱的平均相对分子质量从334.63提高到400.03。王丽杰等[10]的研究也显示，溶剂提取平贝母总生物碱提取率为87.12％，而SFE-CO2萃取总生物碱提取率可达92.14％。张春江等[11]优化了SFE-CO2萃取槟榔碱的工艺参数，在此条件下，槟榔碱的萃取量为6143.71μg/g，达到理论最大萃取量的95.3％。

2.2.黄酮类化合物的提取

黄酮类化合物在植物中多数以苷的形式存在，具有多种生理作用。目前，提取黄酮类化合物的传统方法有醇提、碱水或碱醇提取，但回收率低，需使用有毒溶剂，特别是最终精制品质量不够稳定。SFE-CO2具有特殊溶解能力，良好可调节性和选择性等独特优势，能大大缩短提取时间，提高 得率。

焦淑清等[12]利用超临界CO2萃取满山红中黄酮类物质，通过正交实验考察最佳萃取工艺条件，并测定萃取物中总黄酮含量。结果表明，超临界CO2萃取满山红中总黄酮的最佳工艺条件为：原料粒度65目，萃取压力28 MPa，萃取温度为45℃，夹带剂用量1.5 ml/g。徐响等[13]采用响应面法优化蜂胶超临界二氧化碳萃取工艺，根据中心旋转试验设计，研究萃取压力、萃取温度和二氧化碳流速等工艺条件对萃取率的影响。结果表明，蜂胶萃取物的萃取率随温度的升高而降低；随压力和二氧化碳流速的增加萃取率不断增大，而在高压和高流速下又呈现下降趋势。分析所得的回归方程确定最佳工艺条件为：萃取压力33.4MPa，温度45.4℃，二氧化碳流速16.8L/h。在此条件下萃取蜂胶120min 时萃取物的萃取率达19.62g/100g 蜂胶。陶清等[14]也确定了超临界CO2提取竹叶总黄酮的最佳提取条件，萃取压力40MPa、萃取温度60℃、萃取时间60min、夹带剂的用量1mL/g。

2.3.挥发油的提取

挥发油是存在于植物体中一类可随水蒸气蒸馏得到的与水不相混溶的挥发性油状成分， 往往具有特异的芳香气味，通常具有很强的药理活性。但挥发油为脂溶性，沸点低，受热易变质或挥发。传统提取方法主要有水蒸气蒸馏法、有机溶剂提取法和压榨法等， 其中以水蒸气蒸馏法最为常用，但传统提取方法不仅收率低， 而且挥发性成分大量损失，某些成分发生分解变化， 运用SFE-CO2萃取工艺可有效避免这些问题，提高收率和产品质量。

薛焰等[15]采用超临界CO2萃取滁菊中挥发油，筛选出滁菊的最佳提取工艺条件为：采用萃取压力10MPa，萃取温度45℃。分离温度45℃， 超临界萃取滁菊2h，再用22倍量的70％乙醇，提取2 h，优选得到的工艺稳定可行。惰晓等[16]采用正交试验确定了超临界CO2萃取紫苏籽油的工艺条件，并与传统的溶剂萃取法进行比较，实验结果表明，萃取的最佳条件为：压力20MPa，温度40℃，时间6h，CO2流量为30L/h，萃取率可达37.2％，比传统的溶剂萃取法有很大的优越性。陈虹等[17]用超临界CO2流体萃取法代替传统水蒸汽蒸馏法对木香挥发油的提取及其中主要活性成分之一去氢木香内酯的相对含量进行了研究。结果表明超临界萃取法不仅挥发油的收率高，而且活性成分含量也高。杨庆利等[18]采用超临界CO2流体萃取技术提取花生油，确定了超临界CO2流体萃取技术提取花生油的最佳工艺条件。结果表明，超临界CO2流体萃取技术提取花生油的最佳工艺参数为：萃取压

力25MPa，萃取温度45e，CO2流量18kg/h，萃取时间150min，在该工艺条件下花生油萃取率达到

49. 87%。周本杰等[19]采用超临界CO2流体萃取技术提取 川芎的挥发性成分，再将所得到的挥发性成分进行分子蒸馏。以气相色谱( GC)、质谱 ( MS) 技术分别测定萃取物和蒸馏物的化学成分，并对成分种类及其相对含量的变化进行比较。实验结论为SFE与MD联用技术可用于挥发性成分的分离、纯化，且优于单一SFE技术。

2.4.色素的提取

辣椒红是一种天然红色素，由于它的色调鲜艳、热稳定性好，安全无毒，可广泛用于食品、医药和化妆品的着色。传统提取辣色素的办法是溶剂法，由此法制得的辣椒油树脂成分复杂，同时还带有残余溶剂。采用超临界技术能方便地除去树脂中的臭味及残余溶剂，还可同时实现辣椒红色素、黄色素及辣素的分离。并且色素损失少[20]。超临界技术可广泛应用于胡萝卜素[21]、番茄红素[22]、玉米黄色素[23]、叶绿素[24]、栀子黄色素[25]、棕色素[26]等多种色素的提取与分离。人们越来越崇尚“回归自然”，对天然色素需求增多，对其质量要求也越来越高。超临界CO2技术具有纯净、安全、不易受热分解，保持生物活性，稳定性强，色味纯正及提取率高等优点，是天然色素工业中具有相当发展潜力的高新萃取分离方法[27]。

2.5.皂苷类化合物的提取

陈东生等[28]用SFE-CO2萃取菝葜中有效成分薯蓣皂苷元较《 中国药典》中采用的有机溶剂提取法可获得更高的收率。陈俊英[29]以黄姜水解物为原料，采用无水乙醇作为夹带剂，进行SFE-CO2萃取薯蓣皂素的研究，最佳条件下，薯蓣皂素提取率可达到88.82％。

2.6.多糖类化合物的提取

赵子剑[30]以茯苓多糖为评价指标，采用正交实验法对SFE-CO2萃取茯苓多糖提取工艺进行了优选。盛桂华等[31]采用SFE-CO2萃取瓜蒌多糖得率为0.95％，比已知文献方法提高3％。

2.7.其他化合物的提取

刘玉梅等[32]考察了超临界CO2萃取啤酒花浸膏的工艺对产品中啤酒花多酚含量的影响，并以超临界CO2萃取啤酒花的萃余物质为原料，研究了从中提取啤酒花多酚的可能性。结果表明，当萃取温度为40℃，萃取压力大于25MPa时，浸膏中的多酚含量明显提高，更高的提取温度得到的产品中多酚的含量没有明显的提高。从超临界萃取啤酒花的萃余物质中提取啤酒花多酚可提高啤酒花综合利用的价值。周泉城等[33]以挤压处理过大豆脱油后的饼粕为原料，利用超临界CO2流体萃取技术萃取大豆皂甙。通过五因素五水平二次正交旋转实验研究了萃取压力、萃取温度、携带剂用量、乙醇浓度和CO2流量等因素对皂甙得率的影响，确定了超临界CO2流体萃取技术萃取大豆皂甙的最佳工艺条件。结果表明，超临界CO2流体萃取大豆皂甙的最佳工艺参数为：萃取温度为60℃，萃取压力为30.08 MPa，乙醇浓度为50.01%，携带剂用量为50.1mL，流量为11.0kg/h，在该工艺条件下大豆皂甙得率达到0.50%。挤压技术可以显著改善超临界CO2萃取大豆皂甙的得率，提高幅度为95.65%。

3.复方制剂中有效成分的提取

在实际诊治病患的过程当中，由于疾病的病程和性质复杂多变，只凭单味药物难以照顾全面， 故多将多种药物适当配伍，即为复方。目前关于复方当中有效成分的超临界萃取研究还处于起步阶段。

关建等[34]采用CO2超临界萃取技术提取及多种柱色谱法分离，光谱技术鉴定结构。结果分离得到9个化合物，经光谱方法依次鉴定为白桦酸（Ⅰ），β-谷甾醇（Ⅱ），胡萝卜苷（Ⅲ），胆甾醇（Ⅳ），7-羟基-6-甲氧基香豆素（Ⅴ），芳樟醇（Ⅵ)，乙酸芳樟酯（Ⅶ），硬脂酸（Ⅷ），硬脂酸甲酯（Ⅸ）。结论化合物Ⅳ为首次从唇形科植物中分离得到，化合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅷ和Ⅸ为首次从薰衣草属植物中分离得到。 闵江[35]采用100升超临界流体萃取工业化装置对从雷公藤根芯提取有效成分的SFE小试工艺的放大进行了研究，结果表明，当以雷公藤根芯为原料，以增加雷公藤甲素的提取率和降低雷公藤红素的提取率为研究目标，按优化的小试工艺条件，以75%乙醇水溶液为夹带剂进行超临界二氧化碳萃取时，放大工艺下的雷公藤甲素和雷公藤红素的提取率分别为传统提取方法的

1.56和2.27倍。和丽萍等[36]采用超临界CO2萃取方法提取了麻疯树不同部位（叶、皮及种子）中的

挥发性成分，所得萃取物为深黄色或淡黄色液体，产率为叶0.53％、树皮0.56％、种子0.78％。利用气相色谱-质谱联用仪对其萃取物化学成分进行了分析，从麻疯树叶、皮、种子挥发性物质中分别检测出26、26、17种化学成分，占挥发性成分的66.88%、 36.44%、88.31％。化合物类型以酮、酯、脂肪类、萜类化合物、甾醇类、有机酸类、烷烃等化合物为主。罗兰等[37]从CO2超临界萃取部位共分离得到12个化合物，鉴定了其中9个，分别为白术内酯I、白术内酯II、白术内酯Ⅲ、双白术内酯、levistolid A、茯苓酸、阿魏酸、β-谷甾醇和β-胡萝卜苷；其中白术内酯Ⅲ能显著地改善氯化钾诱导PC12细胞钙超载损伤。

4.展望

4.1.超临界萃取技术的现状及存在的问题

在超临界流体技术中，研究及应用较多的是SFE-CO2技术。与传统天然药物分离技术相比， 它具有提取率高、无污染、产率高、操作方便等优点。近年来，超临界萃取技术与HPLC、GC、GC-MS等检测方法相结合，更可提高对天然产物的有效成分含量测定的效率与精确度。

当然SFE 技术对天然产物的有效成分提取也不是万能的，它同样具有自身固有的局限性：1）SFE技术的普适性不好。由于CO2的非极性和低分子量的特点，SFE-CO2主要适合那些非极性或弱极性、分子量小的物质(如油脂、挥发油等) 的萃取。对于极性强、分子量较大的物质(如多糖类、皂苷类、黄酮类等) 的萃取，则有难度，要加提携剂或较高压力下分段进行萃取。不过国外已有报道应用全氟聚醚碳酸铵(PEPE)使SFE技术扩展到水溶性体系，使难以提取的强极性化合物如蛋白等由SFE萃取；2）萃取过程中的装卸料未实现连续化生产中草药原料多为固体（切制成片状或捣碎成粒状等），装卸料多采用间歇式。同时萃取产物的收集必须在无菌箱中进行，为防止交叉污染，更换产品时，装置的清洗尤为重要，也较为困难，故存在萃取装置的转产问题。所以，在萃取过程中，装卸料的连续化生产成为有待解决的问题；3）设备造价昂贵，一次性投资大。

4.2.超临界萃取技术的发展趋势

超临界CO2萃取作为一种化工分离技术，长期以来，其研究多为简单萃取，处理的物料也多为固体植物为主 ,得到的是粗提的混合物，几乎得不到高纯度的产品。为了得到纯度较高的高附加值产品，国外对超临界流体逆流萃取和与其他分离手段的联用的研究越来越多。

我国超临界萃取技术正逐步走向工业化，但只有结合我国丰富的天然资源，开发出自己的分离技术，特别是开发出有我国特色的中草药有效成分萃取技术，才可能有进一步发展，从而产生社会和经济效益。

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