超临界CO2流体萃取法在中药有效成分提取中的应用

1超临界CO2流体萃取法在中药有效成分提取中的应用摘要：目的研究超临界CO2流体萃取法在中药成分离分析中的应用。方法在对萃取条件的优化过程中，选择最佳的萃取条件。结果与讨论发现超临界CO2流体萃取法在中药有效成分的提取中应用广泛。超临界CO2流体萃取法比传统的提取方法省时、省工、污染小。关键词：超临界流体萃取；中药；有效成分；提取；超临界流体ApplicationofSupercriticalCO2FluidExtractionintheExtractionofActiveComponentsfromTraditionalChineseMedicinesAbstract：ObjectiveTostudythetheapplicationofsupercriticalCO2extractionintraditionalChinesemedicine'sseparationandanalysis.MethodsIntheprocessofoptimizationforthebestextractionconditions，selectthebestextractionconditions.ResultsandDiscussionSupercriticalCO2fluidextractioniswidelyusedintheextractionofactiveingredientsfromTraditionalChineseMedicine.SupercriticalCO2extractionspendlesstime，fewerworkerthanthetraditionalmethod，andhavenoenvironmentpollution.Keywords：supercriticalCO2fluidextraction；TraditionalChinesemedicine；extract；Activecomponents超临界流体萃取（SupercriticalFluidExtraction，SFE），是随着科技的发展近代化工分离中出现的一种新兴技术，也是目前国际上较为先进的一种物理萃取技2术，近年来，在许多工业领域得到了广泛用[1]。它是以高压、高密度的超临界流体（SupercriticalFluid，SCF）为溶剂[2]，从液体或固体中溶解所需的组分，然后采用升温、降压、吸收（吸附）等手段将溶剂与所萃取的组分分离，最终得到所需纯组分的操作。1超临界CO2流体萃取法的原理和特点1.1超临界CO2流体萃取法的基本原理任何一种物质都存在3种相态：气相、液相、固相。三相成平衡态状态的点叫三相点，液、气两相成平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力，高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态[3]。不同物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。SFE是通过超临界流体的溶解能力与其密度的关系进行提取分离的，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响。超临界流体密度和液体相近，黏度只是气体的几倍，远低于液体，扩散系数比液体大100倍左右[4]，因此更有利于传质，对物料有较好的渗透性和较强的溶解力。超临界流体的溶解能力可以通过调节温度和压力来进行控制，使其有选择性地溶解。然后通过减压、升温等方法可以使被萃取物质分离出来，从而获得目标提取物[5]。1.2超临界CO2流体萃取法的特点传统提取中药有效成分的方法主要有溶剂提取法，包括浸渍法、渗滤法、煎煮法、回流提取法、索氏提取法、水蒸气蒸馏法和升华法［6，7］。这些方法存在提取率低、药用有效成分含量低、有机残留、易破坏大部分热敏性物质等缺点，而超临界CO2萃取法则克服了这些缺点。1.2.1萃取温度低超临界CO2萃取法要求的实验温度不高，反应温度一般为35-55℃，且整个反应过程处于CO2气体笼罩下进行，可有效防止热敏性成分的氧化和逸散，因此能较好地保存有效成分而不被破坏，不发生次生化，而且对于高沸点、低挥发3性、遇热易分解的物质，由于萃取温度远低于其沸点，萃取效果更佳。1.2.2无残留溶剂[8]由于在提取过程中不使用任何有机溶剂进行萃取，因此最终所得的提取物没有化学溶剂的残留，防止了残留物对人体的伤害和对环境的破坏，保证了提取物的纯天然性。1.2.3分离简单，回收率高[9]采用超临界CO2萃取法萃取物质时萃取和分离合二为一，当饱含提取物的CO2流体进入到分离器中时，受压力下降或温度变化的影响，CO2流体与提取物迅速分离为气液两相，不仅大大提高了萃取的效率，而且所耗费的能量也相对较少，降低了生产成本。1.2.4安全可靠CO2性质不活泼，在萃取过程中不会与萃取物发生化学反应，且CO2属于不可燃性气体，无味、无臭、无毒，安全性非常好。超临界CO2（SC-CO2)还具有抗氧化灭菌作用，有利于保证和提高天然物产品的质量。1.2.5生产成本低由于CO2的制取工艺成熟，制备比较简单，所以CO2气体的价格比较便宜，而且纯度较高，在生产中还可以循环使用，大大降低了生产成本。CO2的临界压力(7.38MPa)处于中等压力，按照超临界流体萃取过程中的通常萃取条件选择适宜的对比压力（Pr=1-6）区域，就目前的工业水平其超临界状态一般易于达到。1.2.6工艺简单、提取速度快在萃取过程中，压力和温度都可成为调节萃取过程的参数，通过改变温度和压力这2个参数都可达到萃取的目的。压力固定时通过改变温度可以将物质分离开来；反之，将温度固定，通过降低压力也可使萃取物分离。因此萃取工艺简单，且萃取速度较快。超临界萃取技术可以与GC、IR、LC、GCMS、HPTLC、GPC结4合，能高效快速地进行成分分析，可提高产物分析的高效性和实用性，为全过程的质量控制提供了保证[10]。2超临界CO2萃取技术在中药有效成分提取中的应用超临界CO2萃取技术用于中草药有效成分的提取分离是目前医药领域最广泛的应用之一。目前已有大量论文报道了直接利用纯SC-CO2萃取中草药中的活性成分，涉及的中草药或天然植物在百种以上。超临界CO2萃取能够用于挥发油、生物碱类、香豆素和木脂素类、黄酮类、萜类、多糖和苷类、醌类等多种有效成分的提取。鉴于超临界CO2萃取技术的多种优点，对于稀有中药材中有效成分的提取应用优势尤为明显。2.1生物碱类生物碱是一类重要的天然有机化合物，广泛分布于植物界，具有多种生物活性[11]，许多重要的植物药都主要含有生物碱成分。如在罂粟科植物罂粟中提取的吗啡具有镇静作用，麻黄中提取的麻黄碱有平喘作用。由于生物碱的极性偏大，CO2-SFE法萃取时往往需要加压或使用夹带剂来增强流体的溶解能力或提高其选择性。如在益母草总生物碱的提取中，经过碱化后的益母草加入夹带剂后，进行超临界CO2萃取，可以极大地提高生物碱的萃取率，这比常规法的萃取率高10倍[12]。佟若菲等[13]利用超临界CO2从黄连中提取生物碱，最佳萃取工艺条件为萃取压力30MPa，物料粒度40-60目，萃取温度60℃，萃取时间1.5h。此条件下黄连中生物碱萃取率为14.24%。ArvindVerma等[14]利用超临界技术从长春花植物中萃取得到长春花生物碱，其最适宜工艺条件为萃取压25MPa，萃取时间40min，萃取温度80℃，夹带剂为甲醇，提取率为4.1%。Tang等[15]利用超临界流体去除了绿茶中的咖啡因，去除率达到83.28%。Kevin等[16]在萃取士的宁时，CO2-SFE系统中加入适量的有机溶剂作为夹带剂以增加CO2的溶解力不失为一种好的方法。52.2挥发油类挥发油又称精油，是一类具有芳香气味的油状液体的总称，在常温下能挥发，可随水蒸气蒸馏。挥发油类成分在植物界分布很广，主要存在于种子植物，尤其是芳香植物中，例如：丁香，藿香等。提取挥发油的常规工艺是水蒸气蒸馏法，提取温度高，时间较长，易致某些对湿和热不稳定的挥发性成分发生变化。超临界CO2流体属非极性溶剂，根据相似相溶原理，它对中药中挥发油这类强亲脂性成分能进行较好的萃取[17]。唐丽君等[18]比较了超临界CO2流体萃取法与水蒸气蒸馏法提取灰毡毛忍冬中挥发油的GC-MS，研究表明，水蒸气蒸馏法提取灰毡毛忍冬中挥发油的含量远远低于超临界CO2流体萃取法，两种提取方法提取的挥发油在含量和成分上有一定的差别。传统提取薏苡仁油常采用丙酮溶剂法，存在着溶剂残留、效率低等缺点，采用超临界CO2流体萃取可以极大地提高提油率，由传统的5%提高到13%[19]。Martína等[20]利用SFE技术萃取艾草中的挥发油成分，结果发现SFE法的萃取率高于水蒸气蒸馏法，而有机溶剂萃取法的萃取率高于以上二者，但是萃取出的有效成分与前两者相比有较大差异，因此选择最佳方法为SFE法。梁健钦等[21]利用超临界CO2萃取沙糖桔叶中的挥发油成分，与水蒸气蒸馏法相比，SFE法收率高，香味纯正，提取时间短，生产效率高，没有溶剂污染，生产方法绿色环保，可用于工业化生产。阿提开·于赛英等[22]以新疆的特色香料作物孜然为原料，利用超临界CO2萃取法最终孜然精油的萃取得率为3.46%，比传统的索氏抽提法提取率高，且产物性质更稳定，纯净度更高。邓妍君等[23]比较了有机溶剂萃取法与超临界CO2萃取法的异同，结果表明，超临界CO2萃取法所得的精油在产品得率、精油品质上明显优于有机溶剂萃取法。陈世雄等[24]也采用超临界CO2萃取法从牛蒡根中萃取出了挥发油，为下一步牛蒡精油的开发利用提供了一定的实验依据。2.3黄酮类黄酮类化合物是一类存在于自然界的能与强酸成盐，其羟基衍生物多具黄色，故又称黄碱素或黄酮[25]。研究已表明黄酮类化合物具有显著的生理药理活性，除6具有抗菌、消炎、抗突变、降压、清热解毒、镇静、利尿等作用外，在抗氧化、抗癌、防癌、抑制脂肪酶等方面也有显著效果[26]，黄酮类化合物在治疗心脑血管等疾病效果尤为显著[27]。陈瑛等[28]以80%乙醇为夹带剂，在30MPa萃取压力、50℃萃取温度下，从红薯叶中萃取总黄酮的得率为6.25%。桑叶中富含黄酮类物质，也是一种常用中药，肖奇志[29]以90%乙醇为夹带剂，经正交实验优选，在35MPa压力、55℃下，桑叶总黄酮得率为2.28%。张珊珊等[30]则以50%乙醇为夹带剂，在35MPa，36℃反应条件下，从北方地区早园竹叶中提取总黄酮，得率可达23.24mg/g。Peng等[31]用SFE技术对PatriniaVillosaJuss进行提取，提取物经高速逆流色谱分离，得到三种类黄酮化合物。Maurcio等[32]用SFE技术提取大豆粉中的异黄酮化合物，通过HPLC分析，发现有些异黄酮得率高于传统提取法。王昕宇等[33]在利用超临界CO2萃取药桑黄酮的工艺研究中，效率明显优于传统提取方法，适于药桑黄酮的大规模提取。2.4醌类醌类化合物是一类分子中含有不饱和环二酮结构的有机化合物，具有抗氧化、抗肿瘤等生理功能，由于多数醌类物质及其衍生物极性较大，故在采用超临界CO2萃取时一般需加入夹带剂[1]。谢伟雪等[34]以甘肃掌叶大黄为原料，选择无水乙醇为夹带剂，在萃取压力30MPa，萃取温度50℃条件下，大黄游离蒽醌类成分的提取率可达1.12%。Benova等[35]利用SFE-CO2法萃取日本虎杖中的白藜芦醇苷及大黄素有效成分，经实验确定最佳条件为压力40MPa、温度100℃、萃取时间45min、夹带剂为乙腈，并与传统的索氏提取法进行比较，发现时间缩短了近5/7，收率也明显的提高了。2.5香豆素香豆素类化合物是一类重要的植物次生代谢产物，常与桂皮酸、黄酮类、木脂素类等生源密切的化合物伴生，具有抗菌、紫外线保护等作用[36]。香豆素类化合物是瑞香科植物的特征性成分之一，现已从瑞香狼毒中分离鉴定出瑞香素、伞形花7内酯、东莨菪内酯等约15种香豆素类成分，这些香豆素具有免疫调节、抗菌、抗惊厥、毒鱼、杀虫等多种生物活性[37，38]。Yan等[39]优化补骨脂中总香豆素的SFE-CO2工艺条件，结果补骨脂总香豆素SFE-CO2最佳工艺为萃取压力35MPa，萃取温度62℃，萃取时