楊志空 韓 偉

0 引言

天然產(chǎn)物中的黃酮類、生物堿類、萜類等活性成分是藥物與藥物先導(dǎo)化合物的重要來源物，這類成分在不同生物體內(nèi)含量甚微，且分離過程中受諸多因素限制。天然產(chǎn)物有效成分的傳統(tǒng)提取方法主要有水浸提法、壓榨法、回流法、滲漉法、萃取法、沉淀法及水蒸氣蒸餾法等。然而，由于天然產(chǎn)物成分的復(fù)雜性，使得這些傳統(tǒng)方法大都存在得率低、能耗大、提取效率不高等缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新型提取分離技術(shù)被應(yīng)用于天然產(chǎn)物有效成分的提取領(lǐng)域，如超臨界萃取、物理場強(qiáng)化提取、雙水相萃取及反膠束萃取等技術(shù)[1-2]。

在新型的提取分離技術(shù)中，超臨界CO2萃取技術(shù)由于其具有節(jié)約能源、低碳環(huán)保、產(chǎn)率高、操作方便等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于天然化學(xué)提取領(lǐng)域。但是，該技術(shù)的應(yīng)用也有一定的局限性，如CO2存在非極性和分子量低的兩大特點(diǎn)，決定了該技術(shù)的應(yīng)用范圍只能是對非極性或者弱極性化合物的萃取，對大分子或者是極性較強(qiáng)的化合物提取率不高，難以達(dá)到與非極性提取一樣的萃取效果。而亞臨界萃取技術(shù)是在超臨界CO2萃取技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的，極大地改善了超臨界CO2萃取技術(shù)的應(yīng)用局限，目前已被成功應(yīng)用于中藥有效成分的提取和分析前處理[3]等方面。

1 亞臨界萃取技術(shù)的原理及影響因素

1.1 亞臨界萃取技術(shù)簡介

溶劑在高于其沸點(diǎn)但低于臨界溫度的溫度區(qū)間內(nèi)，在一定壓力下以液態(tài)存在的狀態(tài)稱為溶劑的亞臨界狀態(tài)。在此狀態(tài)下利用其相似相溶的物理性質(zhì)，用作生物成分萃取的溶劑稱為亞臨界萃取溶劑，其萃取工藝稱為亞臨界萃取工藝，適合于亞臨界萃取的溶劑沸點(diǎn)都低于周圍的環(huán)境溫度，一般沸點(diǎn)在0℃以下，20℃時的液化壓力在0.8 MPa以下[4]。

最早應(yīng)用的亞臨界溶劑為丁烷和丙烷，1990年發(fā)明的專利《液化石油氣浸出油脂工藝》（專利號：90108660.6）代表了亞臨界萃取技術(shù)的誕生。隨后，二甲醚、四氟乙烷（R134a）、液氨、六氟化硫、二氯二氟甲烷（氟利昂R12）、一氯二氟甲烷（氟利昂R22）等溶劑被先后應(yīng)用或試驗(yàn)。由于這些溶劑的極性有一定的差別，因此在應(yīng)用中也各具特色。

亞臨界萃取技術(shù)在美國、日本等國雖早有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室研究報(bào)道，但成功應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)還是由我國以祁鯤為代表的研究人員實(shí)現(xiàn)的。20世紀(jì)90年代，安陽漫天雪食品制造有限公司的祁鯤在我國率先轉(zhuǎn)化應(yīng)用了4號溶劑浸出技術(shù)，開發(fā)出了低溫大豆蛋白粉[5]。其后，4號溶劑萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物萃取方面也取得了成功，先后為國內(nèi)10多家企業(yè)建成20多條生產(chǎn)線，為我國萬壽菊黃色素和辣椒紅色素等產(chǎn)品開發(fā)提供了關(guān)鍵裝備。亞臨界萃取技術(shù)已應(yīng)用到植物油、植物色素、植物精油、生物堿、中藥材等幾十種植物原料的非極性和弱極性成分提取生產(chǎn)中，目前已建成70多條生產(chǎn)線，每年的總加工量逾20萬t。

1.2 亞臨界萃取技術(shù)的原理[6]

在一定壓力下，以液化的亞臨界溶劑對物料進(jìn)行逆流萃取，萃取液（液相）中的溶劑經(jīng)蒸發(fā)工序，使溶劑氣化并與萃取出的目標(biāo)成分分離，得到產(chǎn)品；被萃取過的物料蒸發(fā)出吸附的溶劑，得到另一產(chǎn)品（固相）。氣化的溶劑被液化后可循環(huán)使用。

整個萃取過程在室溫或更低的溫度下進(jìn)行，所以不會對物料中的熱敏性成分造成損害，這是亞臨界萃取工藝的最大特點(diǎn)。溶劑從物料中氣化時，需要吸收熱量（氣化潛熱），所以蒸發(fā)脫溶時要向物料中補(bǔ)充一定的熱量。溶劑氣體被壓縮液化時，會放出熱量（液化潛熱），工藝中大部分熱量可以通過氣化與液化溶劑的熱交換來達(dá)到節(jié)能的目的。

1.3 影響因素

同超臨界CO2流體萃取技術(shù)一樣，亞臨界萃取技術(shù)使用時的影響因素對其萃取效果也是不容忽視的，主要影響因素包括萃取壓力、萃取時間、溫度、夾帶劑等。

1.3.1 萃取壓力

該技術(shù)對萃取壓力的要求相對寬松，萃取效果受溫度影響的程度要大于萃取壓力。

1.3.2 萃取溫度

溫度變化是該技術(shù)應(yīng)用的主要影響因素，溫度微調(diào)會影響化合物的溶解能力。因此，應(yīng)針對不同的化合物，選擇不同的萃取溫度范圍，甚至有些成分的提取需要加入抗氧劑，以減弱高溫溶劑對有效成分的氧化作用。

1.3.3 萃取時間

由于亞臨界萃取技術(shù)的高效性，其提取時間比傳統(tǒng)有機(jī)溶劑固液萃取的提取時間更短。Jimenz Carmona等[7]采用亞臨界水從牛至葉中提取精油，結(jié)果表明，在150℃條件下提取15 min后基本可提取完全，所得精油產(chǎn)率比水蒸氣蒸餾3 h所得產(chǎn)率高出5.1倍，且品質(zhì)較好。因此，提高提取溫度，只需更短的時間，即可獲得相同的回收率。萃取時間的作用不是單一的，它和溫度、流速等因素協(xié)同影響萃取效果。

1.3.4 夾帶劑

加入適量合適的夾帶劑可明顯提高亞臨界流體對某些被萃取組分的選擇性和溶解度。王洪等[8]在辣椒紅色素的萃取中，研究了特定夾帶劑的加入對亞臨界流體的溶解能力和萃取選擇性，結(jié)果表明，特定夾帶劑的加入可以顯著增強(qiáng)流體的溶解能力。表面活性劑也可以作為夾帶劑提高亞臨界流體萃取效率，提高的程度與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，分子的脂溶性部分越大，其對亞臨界流體的萃取效率提高越多。

關(guān)于夾帶劑的作用原理，有研究認(rèn)為是夾帶劑的加入改變了溶劑密度或內(nèi)部分子之間的相互作用所致。

1.4 亞臨界萃取技術(shù)的特點(diǎn)

1.4.1 節(jié)能，運(yùn)行成本低

亞臨界萃取技術(shù)使用的溶劑損耗低，每噸原料消耗溶劑小于8 kg；萃取過程不需要蒸汽，僅90℃熱水即可，相對6號溶劑，可節(jié)約熱能70%；相對于超臨界CO2萃取技術(shù)所使用的設(shè)備等投資，亞臨界萃取技術(shù)投資小、生產(chǎn)成本低。

1.4.2 良好的萃取選擇性

亞臨界萃取技術(shù)在使用過程中，通過改變萃取參數(shù)，對萃取溶媒的極性進(jìn)行微調(diào)，可以選擇性地萃取出不同極性的化合物，有機(jī)溶劑的參與將大大增加溶媒的萃取范圍。

1.4.3 保留提取物的活性成分

萃取和脫溶過程不用過度加熱，不會對物料中的熱敏性成分造成損害，保留了提取物的活性成分，使其不會被破壞、氧化。

1.4.4 適合大規(guī)模生產(chǎn)

亞臨界流體來源廣，價格低；設(shè)備工作壓力低（工作壓力0.3～0.7 MPa），安全性高；生產(chǎn)規(guī)模大，成套萃取設(shè)備一條生產(chǎn)線可處理0.1～200 t/d的量。

2 亞臨界萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用

亞臨界萃取技術(shù)相比其他分離技術(shù)具有許多優(yōu)勢：無毒、無害；環(huán)保、無污染、非熱加工，不破壞、氧化提取物的活性成分；產(chǎn)能大，可進(jìn)行工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)；節(jié)能、運(yùn)行成本低；易于和目標(biāo)產(chǎn)物分離。因此，亞臨界萃取技術(shù)在天然動植物有效成分的提取、中藥活性成分的提取與有害脂溶性成分的分離等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用市場。

2.1 在揮發(fā)油方面的應(yīng)用

揮發(fā)油是天然產(chǎn)物中的一類具有芳香氣味、可隨水蒸氣蒸餾出來且不溶于水的揮發(fā)性油狀成分的總稱。目前，揮發(fā)油的提取方法主要有傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法、有機(jī)溶劑提取法及超臨界CO2提取法等。但是，傳統(tǒng)提取方法有諸多局限，為了克服這些缺點(diǎn)，人們開始使用亞臨界萃取技術(shù)提取揮發(fā)油。亞臨界萃取技術(shù)現(xiàn)已成功應(yīng)用于小茴香、柴蘇葉、桉樹葉、穗狀牛至葉、丁香、墨角蘭葉、香菜籽、月桂、洋蔥、芫荽籽和花椒等植物揮發(fā)油的提取中。

張麗娟等[9]采用亞臨界CO2萃取法提取川芎揮發(fā)油，其收率是傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法的10倍，且提取時間短，油質(zhì)更好、抗氧化活性更強(qiáng)。

2.2 在植物色素萃取生產(chǎn)方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)的植物脂溶性色素用己烷溶劑提取，水溶性色素用水或乙醇提取，都有加熱脫溶的工藝過程，影響產(chǎn)品質(zhì)量。而用丙烷、丁烷、二甲醚以及它們的混合溶劑進(jìn)行亞臨界萃取，有很大的技術(shù)優(yōu)勢。在河北、山東、云南、新疆、甘肅、吉林已有十余家企業(yè)建立了亞臨界流體萃取生產(chǎn)線，主要用于辣椒紅色素、萬壽菊黃色素、番茄紅色素、姜黃色素、蠶米綠色素的生產(chǎn)。

吳昊等[10]利用亞臨界水萃取紫甘薯紅色素。他們以花色苷提取率為考察指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)，確定紫甘薯色素的最佳萃取工藝：提取溫度110 ℃、提取時間6 min、液料比40:1（mL/g）、乙醇濃度40%、pH值2.5，此時花色苷提取率為（1.897±0.049）mg/g。與超聲波提取法和溶劑浸提法相比，亞臨界萃取技術(shù)縮短了提取時間，并且減少了有機(jī)溶劑的使用量。

2.3 在多酚類物質(zhì)提取中的應(yīng)用

植物多酚類具有很好的天然抗氧化功能，但萃取產(chǎn)物一直受有機(jī)溶劑污染、萃取耗時等問題困擾，因此需要開發(fā)環(huán)保、潔凈的萃取技術(shù)。近年來，亞臨界萃取技術(shù)已被應(yīng)用于植物多酚類物質(zhì)的萃取中，并不斷對其進(jìn)行了深入研究。

亞臨界萃取技術(shù)用于提取多酚類物質(zhì)時主要具有兩大優(yōu)勢，一是具有較高的產(chǎn)品得率，二是所得多酚可以保持較強(qiáng)的抗氧化活性。P.Rangsriwong等人[11]用亞臨界水提取訶子果實(shí)中沒食子酸、鞣花酸、柯里拉京等化合物，結(jié)果表明，在溫度120～180℃、壓力4 MPa、流速4 mL/min條件下，提取物中的沒食子酸和鞣花酸含量隨溫度提高而增加，柯里拉京含量在120℃時達(dá)到最高。與熱水提取和索氏提?。ǚ謩e用水和乙醇作溶劑）等常規(guī)方法相比，亞臨界萃取技術(shù)的時間最短，所得提取物總多酚含量和抗氧化活性也最高。

P.Budrat等人[12]用亞臨界水提取苦瓜中的多酚化合物，結(jié)果表明，在溫度150～200℃、壓力10 MPa、流速2 mL/min條件下，提取物中總多酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.63 mg/g，大大高于甲醇超聲波提取的總多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.00 mg/g和沸水回流提取的總多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.68 mg/g。

另外，亞臨界萃取技術(shù)還應(yīng)用于茶葉、松樹皮、葡萄渣、迷迭香和牛至等植物多酚的提取[13-17]。

2.4 在黃酮和花青素類成分提取中的應(yīng)用

黃酮類化合物是色原酮或色原烷的衍生物，即以黃酮（2-苯基色原酮）為母核而衍生出的一類黃色色素?；ㄇ嗨厥且环N天然色素，具有明顯的抗氧化作用，而且具有保護(hù)心血管、抗腫瘤、抗炎等作用，在食品營養(yǎng)、醫(yī)藥保健等領(lǐng)域越來越受到人們的青睞。近年來，亞臨界萃取技術(shù)在黃酮和花青素類成分的提取中也有廣泛應(yīng)用。

與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取法相比，采用亞臨界萃取技術(shù)提取得到的黃酮和花青素成分的產(chǎn)量更高、成本更低。胡凱等人[18]對亞臨界流體1，1，1，2-四氟乙烷（R134a）萃取天然產(chǎn)物中原花青素的適宜工藝條件進(jìn)行了研究，在以山楂為實(shí)驗(yàn)原料、萃取壓力10 MPa、萃取溫度50℃、萃取時間80 min的工藝條件下，花青素萃取率為2.50%，而用有機(jī)溶劑萃取技術(shù)得到的山楂花青素萃取率為2.10%，且亞臨界流體萃取工藝流程簡單，萃取物中沒有溶劑殘留，是提取附加值高的天然產(chǎn)物花青素的一種新型綠色環(huán)保的方法。

2.5 在其他有效成分提取中的應(yīng)用

亞臨界萃取技術(shù)除了用于揮發(fā)油、多酚、黃酮和花青素類物質(zhì)的提取外，還可用于天然產(chǎn)物中蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖、蒽醌類、醇類、果膠及生物堿等有效成分的提取。如用丁烷對大豆胚片進(jìn)行萃取，分離出油脂后，再以液氨為溶劑進(jìn)行第二次萃取，分離出低聚糖等成分后，可以直接得到濃縮蛋白，克服了醇法提取蛋白容易變性的問題，也大大節(jié)省了投資[19]。

目前，關(guān)于使用亞臨界萃取技術(shù)從天然產(chǎn)物中提取木質(zhì)素、纖維素等成分的研究也有一些報(bào)道，如H.Chl等人[20]采用亞臨界水從脫脂亞麻籽粉中提取木脂素、蛋白質(zhì)和碳水化合物；M.Tanaka等[21]采用亞臨界萃取技術(shù)從香橙皮中提取食用纖維素。

3 結(jié)語

目前，亞臨界萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物有效成分提取中的應(yīng)用廣泛，如提取揮發(fā)油、多酚類物質(zhì)、黃酮和花青素等有效成分。亞臨界萃取技術(shù)具有無毒、無害、環(huán)保、無污染、可在非熱條件下加工、節(jié)能、運(yùn)行成本低及易于和產(chǎn)物分離等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有潛力的綠色提取技術(shù)。雖然實(shí)驗(yàn)室萃取工藝成本昂貴，但在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)時，它與其他商業(yè)提取方法相比具有較強(qiáng)的競爭力。因此，亞臨界萃取技術(shù)在提取食品、藥材、廢棄物中的有效成分，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)方面具有很好的發(fā)展前景。

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