| 二氧化碳超臨界流體萃取概述6 u7 v1 E# P* @( U " X. h- L! w7 Z' g; ^$ R& Z 二氧化碳是一種很常見的氣體，但是過多的二氧化碳會造成"溫室效應"，因此充分利用二氧化碳具有重要意義。傳統(tǒng)的二氧化碳利用技術主要是用于生產(chǎn)干冰（滅火用）或作為食品添加劑等。目前國內(nèi)外正在致力于發(fā)展一種新型的二氧化碳利用技術──CO2超臨界萃取技術。運用該技術可生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品，可提取過去用化學方法無法提取的物質(zhì)，且廉價、無毒、安全、高效；適用于化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)。 5 f8 v" X! @: P; Y9 [! C' m: J 二氧化碳在溫度高于臨界溫度Tc=31.26℃、壓力高于臨界壓力Pc=7.2MPa的狀態(tài)下，性質(zhì)會發(fā)生變化，其密度近于液體，粘度近于氣體，擴散系數(shù)為液體的100倍，因而具有驚人的溶解能力。用它可溶解多種物質(zhì)，然后提取其中的有效成分，具有廣泛的應用前景。 4 d6 U" x& q* e' z- z 傳統(tǒng)的提取物質(zhì)中有效成份的方法，如水蒸汽蒸餾法、減壓蒸餾法、溶劑萃取法等，其工藝復雜、產(chǎn)品純度不高，而且易殘留有害物質(zhì)。超臨界流體萃取是一種新型的分離技術, 它是利用流體在超臨界狀態(tài)時具有密度大、粘度小、擴散系數(shù)大等優(yōu)良的傳質(zhì)特性而成功開發(fā)的。它具有提取率高、產(chǎn)品純度好、流程簡單、能耗低等優(yōu)點。CO2- SFE技術由于溫度低, 且系統(tǒng)密閉, 可大量保存對熱不穩(wěn)定及易氧化的揮發(fā)性成分, 為中藥揮發(fā)性成分的提取分離提供了目前最先進的方法。用超臨界CO2萃取法可以從許多種植物中提取其有效成分，而這些成分過去用化學方法是提取不出來的。這項技術除了用在化工、醫(yī)藥等行業(yè)外，還可用在煙草、香料、食品等方面。如食品中，可以用來去除咖啡、茶葉中的咖啡因，可提取大蒜素、胚芽油、沙棘油、植物油以及醫(yī)藥用的鴉片、阿托品、人參素及銀杏葉、紫杉中的有價值成分?？梢娺@項技術在未來具有廣闊的發(fā)展前景。 一. 超臨界流體萃取的基本原理 ' u d& d8 |% T$ }$ n5 e( ^ (一). 超臨界流體定義* r$ D1 G/ f$ T1 s( \( m 任何一種物質(zhì)都存在三種相態(tài)-氣相、液相、固相。三相成平衡態(tài)共存的點叫三相點。液、氣兩相成平衡狀態(tài)的點叫臨界點。在臨界點時的溫度和壓力稱為臨界壓力。不同的物質(zhì)其臨界點所要求的壓力和溫度各不相同。 超臨界流體(Supercritical fluid，SCF)技術中的SCF是指溫度和壓力均高于臨界點的流體,如二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。高于臨界溫度和臨界壓力而接近臨界點的狀態(tài)稱為超臨界狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)時，氣液兩相性質(zhì)非常相近，以至無法分別，所以稱之為SCF。* J# k# Z; \% u- r 目前研究較多的超臨界流體是二氧化碳，因其具有無毒、不燃燒、對大部分物質(zhì)不反應、價廉等優(yōu)點，最為常用。在超臨界狀態(tài)下，CO2流體兼有氣液兩相的雙重特點，既具有與氣體相當?shù)母邤U散系數(shù)和低粘度，又具有與液體相近的密度和物質(zhì)良好的溶解能力。其密度對溫度和壓力變化十分敏感，且與溶解能力在一定壓力范圍內(nèi)成比例，所以可通過控制溫度和壓力改變物質(zhì)的溶解度。 (二). 超臨界流體萃取的基本原理" z8 @1 J5 d1 ~! m, K/ T " A* S3 D# O: k5 n2 x 超臨界流體萃取分離過程是利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關系，即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進行的。當氣體處于超臨界狀態(tài)時, 成為性質(zhì)介于液體和氣體之間的單一相態(tài), 具有和液體相近的密度, 粘度雖高于氣體但明顯低于液體, 擴散系數(shù)為液體的10～100倍; 因此對物料有較好的滲透性和較強的溶解能力, 能夠?qū)⑽锪现心承┏煞痔崛〕鰜怼?font style="line-height: 1px; font-size: 0px; color: rgb(255, 255, 255); ">0 M' N! V" \. n 在超臨界狀態(tài)下，將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸，使其有選擇性地依次把極性大小、沸點高低和分子量大小的成分萃取出來。并且超臨界流體的密度和介電常數(shù)隨著密閉體系壓力的增加而增加, 極性增大, 利用程序升壓可將不同極性的成分進行分步提取。當然，對應各壓力范圍所得到的萃取物不可能是單一的，但可以通過控制條件得到最佳比例的混合成分，然后借助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體，被萃取物質(zhì)則自動完全或基本析出，從而達到分離提純的目的，并將萃取分離兩過程合為一體，這就是超臨界流體萃取分離的基本原理。 * h6 z+ ^' X Y 超臨界CO2的溶解能力1 p, Y3 R3 f0 i9 b' H ( S7 S# [/ m1 K; H# O% Q9 x+ ^ 超臨界狀態(tài)下，CO2對不同溶質(zhì)的溶解能力差別很大，這與溶質(zhì)的極性、沸點和分子量密切相關，一般來說由一下規(guī)律：6 S1 y4 I; |) _ 1． 親脂性、低沸點成分可在低壓萃取(104Pa), 如揮發(fā)油、烴、酯等。1 @2 z: T( P: }: | 2． 化合物的極性基團越多，就越難萃取。 3． 化合物的分子量越高，越難萃取。 1 I- |7 @' u; f' N) D 超臨界CO2的特點& R8 v5 X }: a 超臨界CO2成為目前最常用的萃取劑，它具有以下特點：8 v8 [' t8 @! w! g; j 1．CO2臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為7.2MPa，臨界條件容易達到。 3 s( W& E8 x3 O2 G! r! ~ 2．CO2化學性質(zhì)不活波，無色無味無毒，安全性好。 7 I5 J4 L6 I# X) R( |! w 3．價格便宜，純度高，容易獲得。 $ O/ \) N! A' [$ v2 ?0 U+ @# `9 a 因此，CO2特別適合天然產(chǎn)物有效成分的提取。$ Q7 q3 O3 r4 b: V 二、超臨界流體萃取的特點 1．萃取和分離合二為一，當飽含溶解物的二氧化碳超臨界流體流經(jīng)分離器時，由于壓力下降使得CO2與萃取物迅速成為兩相（氣液分離）而立即分開，不存在物料的相變過程，不需回收溶劑, 操作方便；不僅萃取效率高，而且能耗較少，節(jié)約成本。 2．壓力和溫度都可以成為調(diào)節(jié)萃取過程的參數(shù)。臨界點附近，溫度壓力的微小變化，都會引起CO2密度顯著變化，從而引起待萃物的溶解度發(fā)生變化，可通過控制溫度或壓力的方法達到萃取目的。壓力固定，改變溫度可將物質(zhì)分離；反之溫度固定，降低壓力使萃取物分離；因此工藝流程短、耗時少。對環(huán)境無污染，萃取流體可循環(huán)使用，真正實現(xiàn)生產(chǎn)過程綠色化。 ' t# J; Y: @" S5 d4 o6 v8 q 3．萃取溫度低, CO2的臨界溫度為31.265℃ ,臨界壓力為 7.18MPa, 可以有效地防止熱敏性成分的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸點，低揮發(fā)渡、易熱解的物質(zhì)在其沸點溫度以下萃取出來?！?br style="line-height: 28px; "> 4. 臨界CO2 流體常態(tài)下是氣體, 無毒, 與萃取成分分離后, 完全沒有溶劑的殘留, 有效地避免了傳統(tǒng)提取條件下溶劑毒性的殘留。同時也防止了提取過程對人體的毒害和對環(huán)境的污染, 100%的純天然。0 {; x5 D# M; K. o1 ^: J 5．超臨界流體的極性可以改變, 一定溫度條件下, 只要改變壓力或加入適宜的夾帶劑即可提取不同極性的物質(zhì), 可選擇范圍廣。# E: ?+ u: r5 x9 S- u: K9 m + _0 ]9 W% ]% Y' \8 k$ C 三、超臨界流體萃取技術的應用 ' F8 x* f s( Q# R2 a (一).超臨界流體技術在國內(nèi)天然藥物研制中的應用( U9 j U4 n. U& z# j3 q% B/ K/ F1 } 1 s& z% o- n3 e9 g- i 目前，國內(nèi)外采用CO2超臨界萃取技術可利用的資源有：紫杉、黃芪、人參葉、大麻、香獐、青蒿草、銀杏葉、川貝草、桉葉、玫瑰花、樟樹葉、茉莉花、花椒、八角、桂花、生姜、大蒜、辣椒、桔柚皮、啤酒花、芒草、香茅草、鼠尾草、迷迭香、丁子香、豆蔻、沙棘、小麥、玉米、米糠、魚、煙草、茶葉、煤、廢油等。9 m1 Q0 o! M' k% h0 t. D 在超臨界流體技術中，超臨界流體萃取技術(Supercritical fluid extraction，SFE)與天然藥物現(xiàn)代化關系密切。SFE對非極性和中等極性成分的萃取，可克服傳統(tǒng)的萃取方法中因回收溶劑而致樣品損失和對環(huán)境的污染，尤其適用于對溫熱不穩(wěn)定的揮發(fā)性化合物提?。粚τ跇O性偏大的化合物，可采用加入極性的夾帶劑如乙醇、甲醉等，改變其萃取范圍提高抽提率。5 r# A0 N: C$ D (二). 超臨界CO2萃取技術在中藥開發(fā)方面的優(yōu)點 用超臨界CO2萃取技術進行中藥研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，和中藥傳統(tǒng)方法相比，具有許多獨特的優(yōu)點： 1、二氧化碳的臨界溫度在31.2℃ ,能夠比較完好地保存中藥有效成分不被破壞或發(fā)生次生化, 尤其適合于那些對熱敏感性強、容易氧化分解的成分的提取。2 I/ R8 a; \$ ^. o 2、流體的溶解能力與其密度的大小相關, 而溫度、壓力的微小變化會引起流體密度的大幅度變化, 從而影響其溶解能力。 所以可以通過調(diào)節(jié)操作壓力、溫度, 從而可減小雜質(zhì)使中藥有效成分高度富集，產(chǎn)品外觀大為改善, 萃取效率高, 且無溶劑殘留。 3、根據(jù)中醫(yī)辨證論治理論, 中藥復方中有效成分是彼此制約、協(xié)同發(fā)揮作用的。超臨界二氧化碳萃取不是簡單地純化某一組分, 而是將有效成分進行選擇性的分離, 更有利于中藥復方優(yōu)勢的發(fā)揮。 4. 超臨界CO2還可直接從單方或復方中藥中提取不同部位或直接提取浸膏進行藥理篩選，開發(fā)新藥，大大提高新藥篩選速度。同時，可以提取許多傳統(tǒng)法提不出來的物質(zhì)，且較易從中藥中發(fā)現(xiàn)新成分，從而發(fā)現(xiàn)新的藥理藥性，開發(fā)新藥。 5、二氧化碳無毒、無害、不易燃易爆、粘度低 ,表面張力低、沸點低, 不易造成環(huán)境污染。 6、通過直接與ＧＣ、ＩＲ、ＭＳ、ＬＣ等聯(lián)用 ,客觀地反映提取物中有效成分的濃度,實現(xiàn)中藥提取與質(zhì)量分析一體化。 7. 提取時間快、生產(chǎn)周期短。超臨界CO2提?。▌討B(tài)）循環(huán)一開始，分離便開始進行。一般提取10分鐘便有成分分離析出，2一4小時左右便可完全提取。同時，它不需濃縮等步驟，即使加入夾帶劑，也可通過分離功能除去或只是簡單濃縮。 + U. E% C* ~, A3 m6 [/ k) b 8. 超臨界CO2萃取，操作參數(shù)容易控制，因此，有效成分及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。 ' P s9 E' q$ k+ c) s4 d( j/ c 9. 經(jīng)藥理、臨床證明，超臨界CO2提取中藥，不僅工藝上優(yōu)越，質(zhì)量穩(wěn)定且標準容易控制，而且其藥理、臨床效果能夠得到保證。 - w" P, t8 a# R1 D9 o 10. 超臨界CO2萃取工藝，流程簡單，操作方便，節(jié)省勞動力和大量有機溶劑，減小三廢污染，這無疑為中藥現(xiàn)代化提供了一種高新的提取、分離、制備及濃縮新方法。 ' E; {4 o2 S" c4 V! y* { 另外，超臨界流體結晶技術中的RESS過程、GAS過程等可制備粒徑均勻的超細顆粒，從而可制備控釋小丸等劑型，可用來制備中藥新劑型。 超臨界萃取技術除了在中藥有效成分的提取方面有著明顯的優(yōu)勢之外，它還在食品、化工和生物工程方面有著廣泛的應用。: V1 F2 d# C. \4 k+ C8 i ! Z. k6 p1 ]2 Q& ]& n+ O5 h (三).超臨界流體技術在其他方面的應用 & K& j6 [5 O5 K5 t 1. 在食品方面的應用 目前已經(jīng)可以用超臨界二氧化碳從葵花籽、紅花籽、花生、小麥胚芽、可可豆中提取油脂，這種方法比傳統(tǒng)的壓榨法的回收率高，而且不存在溶劑法的溶劑分離問題。$ g- h0 s) S. ^& D' C 2. 在醫(yī)藥保健品方面的應用 在抗生素藥品生產(chǎn)中，傳統(tǒng)方法常使用丙酮、甲醇等有機溶劑，但要將溶劑完全除去，又不是要變質(zhì)非常困難。若采用SCFE法則完全可符合要求。 另外，用SCFE法從銀杏葉中提取的銀杏黃酮，從魚的內(nèi)臟，骨頭等提取的多烯不飽和脂肪酸（DHA，EPA），從沙棘籽提取的沙棘油，從蛋黃中提取的卵磷脂等對心腦血管疾病具有獨特的療效 2 b& F4 @8 ~" {$ t5 n6 Q 3. 天然香精香料的提取7 E2 H( o4 J; o$ u' d6 t 用SCFE法萃取香料不僅可以有效地提取芳香組分，而且還可以提高產(chǎn)品純度，能保持其天然香味，如從桂花、茉莉花、菊花、梅花、米蘭花、玫瑰花中提取花香精，從胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料，從芹菜籽、生姜，莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油，不僅可以用作調(diào)味香料，而且一些精油還具有較高的藥用價值?！ ∑【苹ㄊ瞧【漆勗熘胁豢扇鄙俚奶砑游?，具有獨特的香氣、清爽度和苦味。傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的啤酒花浸膏不含或僅含少量的香精油，破壞了啤酒的風味，而且殘存的有機溶劑對人體有害。超臨界萃取技術為酒花浸膏的生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。 4. 在化工方面的應用 在美國超臨界技術還用來制備液體燃料。以甲苯為萃取劑，在Pc=100atm, Tc=400-440℃條件下進行萃取，在SCF溶劑分子的擴散作用下，促進煤有機質(zhì)發(fā)生深度的熱分解，能使三分之一的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)物。此外，從煤炭中還可以萃取硫等化工產(chǎn)品。 美國最近研制成功用超臨界二氧化碳既作反應劑又作萃取劑的新型乙酸制造工藝。俄羅斯、德國還把SCFE法用于油料脫瀝青技術。 * S2 Q7 g) g6 `: d 此外，朝臨界萃取還可以用于提取茶葉中的茶多酚；提取銀杏黃酮、內(nèi)酯；提取桂花精和米糖油。 四、超臨界流體萃取技術的展望 + G# x" u$ M. B! ~6 r3 i 中藥為我國傳統(tǒng)醫(yī)藥，用中藥防病治病在我國具有悠久的歷史。由于化學藥品的毒副作用逐漸被人們所認識及合成一個新藥又需巨大的投資，西醫(yī)西藥對威協(xié)人類健康的常見病、疑難病的治療藥物還遠遠不能滿足臨床的需要，因此，全世界范圍內(nèi)掀起了中醫(yī)中藥熱。 ]# x7 G4 O, l: ~7 p 中藥在我國作為天然藥物不但應用歷史悠久。產(chǎn)量又居世界第一，然而，就目前世界天藥物的貿(mào)易額看．我國僅占18％左右。究其原因，主要是產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化工程技術水平不高，制備工藝和劑型現(xiàn)代化水平還很落后等因素所制約。為此，要改變現(xiàn)狀必需從提取分離工藝、制劑工藝現(xiàn)代化。質(zhì)量控制標準化、規(guī)范化上下手。面對科學技術，特別是醫(yī)藥工業(yè)的迅猛發(fā)展，國際間醫(yī)藥學術交流活動的日益頻繁以及藥品市場競爭越來越激烈，實現(xiàn)中藥現(xiàn)代化，與國際接軌，已成為中醫(yī)藥工作者的共識。 在現(xiàn)代社會，中藥生產(chǎn)中的大桶煮提、大鍋蒸熬及匾、勺、缸類生產(chǎn)器具當家的狀況大為改善，進而出現(xiàn)不銹鋼多功能提取罐、外循環(huán)蒸發(fā)、多效蒸發(fā)器，流化干燥器等設備，中成藥的劑型也有較大的發(fā)展，由丸、散、膏、丹劑為主發(fā)展成為具有顆粒劑、片劑、膠囊劑、口服液及少量粉針等劑型。然而，我國現(xiàn)階段創(chuàng)制的中成藥還難以在國外注冊、合法銷售與使用。從目前全世界天然藥物的貿(mào)易額來看，中國僅占l%左右，與天然藥物主產(chǎn)國的地位極不相稱。其原因主要是產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代工程技術水平不高，制備工藝和劑型現(xiàn)代化方面還很落后；生產(chǎn)過程的許多方面缺乏科學的、嚴格的工藝操作參數(shù)，不僅導致了消耗高、效率低，而且還出現(xiàn)有效成分損失、療效不穩(wěn)定、劑量大服用不方便、產(chǎn)品外觀顏色差、內(nèi)在質(zhì)量不穩(wěn)定；同時還出現(xiàn)缺少系統(tǒng)的量化指標，大多數(shù)產(chǎn)品缺乏療效基本一致的內(nèi)在質(zhì)量標準；許多復方制劑還難以搞清楚其作用的物質(zhì)基礎。"丸、散、膏、丹，神仙難辨" 的狀況尚未根本改變。要改變這種現(xiàn)狀，讓西方醫(yī)藥界接受中藥，增強中藥在國際市場上的競爭地位，主要途徑是，以中藥理論為指導，采用先進的技術，實現(xiàn)中藥現(xiàn)代化。中藥產(chǎn)品現(xiàn)代化的重點可簡單地用8個字來描述，即"有效、量小、安全、可控"。實際上，它涉及范圍十分廣泛，要解決的問題比較復雜，但首先最關鍵的問題就是要提取分離工藝、制劑工藝現(xiàn)代化，質(zhì)量控制標準化、規(guī)范化。為此，許多醫(yī)藥專家多次提出要采用超臨界流體技術、膜分離技術、冷凍干燥技術、微波輻射誘導萃取技術、緩控釋制劑技術、各種先進的色譜、光譜分析等先進技術，進行中藥研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。" z5 e2 {6 y, ^* W* G 中藥生產(chǎn)現(xiàn)代化和質(zhì)量標準科學化是發(fā)展中藥，走向世界的關鍵．在中藥研制和開發(fā)中，必須逆循“三效“(速效、高效、長效)，"三小"(劑量小、副作用小、毒性小)，"五方便"(生產(chǎn)、運輸、儲藏、攜帶、使用方便)為目的之原則．為此，必須選用一些現(xiàn)代高新工藝技術．近年發(fā)展的SFE技術用于提取天然藥物中的有效成分，特別適合對濕熱不穩(wěn)定的物質(zhì)，又無殘留溶劑、無回收溶劑造成環(huán)境污染的缺陷，而且提取速度快、可縮短生產(chǎn)周期。無疑是既可提高收率及產(chǎn)品純度、又可降低成本的一種高新技術可推廣使用．但是因為本法采取的萃取劑均為脂溶性，所以對極性偏大或分子量偏大(一般大于500時)的有效成分提取收率較差，今后必須在選用合適夾帶劑加入方面下功夫．當然，國外已有報道應用全氟聚醚碳酸銨可使SFE法擴展到水溶性體系，使難以提取的強極性化合物如蛋白等成分由SFE法萃?。陙鞸FE技術又與色譜、質(zhì)譜、高壓液相色譜等高新分析儀器聯(lián)用，成為一種有效的分離、分析手段，能高效、快速地進行藥物成分的分析。使一些中藥制劑能借此制訂出能指導生產(chǎn)操作和反映產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量均一性、有效性、穩(wěn)定性、重現(xiàn)性的可控指標，實施質(zhì)量標推科學化． 目前 SFE主要用在天然藥物中有效成分的萃取，而且多用于單個藥物中純天然成分提?。覀冋J為對我國應用歷 史悠久的古方中一些中成藥復方制劑，以及許多中藥中具很強藥理活性，參與生命功能活動的多糖成分．也應該進行采用SFE提取工藝的研究與新藥開發(fā)，這也是使中藥與國際接軌，實現(xiàn)中藥現(xiàn)代化的必經(jīng)之路。) H1 L8 R( l q0 p 在超臨界流體技術中，研究及開發(fā)應用較多的是超臨界流體萃取技術，由于其自身的特點，國內(nèi)外己廣泛應用于食品、香料等領域。我國有豐富的自然資源，超臨界萃取技術有極大的推廣價值。有些交通不發(fā)達的山區(qū)，特產(chǎn)資源十分豐富，尤其盛產(chǎn)中草藥材。處理這些藥材，要用相當大的裝置，且運輸不便，如能在這些山區(qū)建立CO2超臨界萃取設備，可用以提取中藥中最為有用的精華部分，這不僅減少了大量的運輸成本，而且大大增強了重要的附加值。( S3 q0 w4 A2 E8 T6 P# p 9 t% o5 S% _6 H# E3 b4 W8 \9 _; m4 L 而目前的中藥領域，國外或國內(nèi)大多數(shù)從事SFE技術的單位研究開發(fā)應用雖有報道，但缺乏系統(tǒng)性，大多只停留在中藥有效成分或中間原料提取方面，這僅僅是用于中藥的一個方面。中藥的研究與開發(fā)具有特殊性，即必須具有藥理臨床效果，因此，SFE技術用于中藥必須結合藥理臨床研究。只有工藝上優(yōu)越，藥理臨床效果又保證或更好，SFE技術在該領域的生命力或潛力才能真正體現(xiàn)。 |
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