超临界流体萃取技术的应用

超临界流体萃取技术的应用专业：化学工程姓名：胡亚鹏流水号:s20130450学号：s13004092超临界流体萃取技术的应用摘要：超临界流体萃取（SFE）技术是近代分离技术中出现的最新学科，近年来发展迅速。与传统萃取法相比，SFE技术具有与环境友好、分离方便等优点，在生物、医药、食品、化工、轻工、冶金、煤炭、环保等诸多领域具有广泛的用途。1前言超临界流体萃取（SFE，简称超临界萃取）是一种将超临界流体作为萃取剂，把一种成分（萃取物）从另一种成分（基质）中分离出来的技术。二氧化碳（CO2）是最常用的超临界流体[1]。超临界流体萃取分离过程的原理是超临界流体对脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油酯等具有特殊溶解作用，利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以超临界流体萃取过程是由萃取和分离组合而成的。物质的气液平衡线并不随温度和压力的增加而无限延伸，当系统处于高于临界压力和临界温度时，气相和液相的界面消失，这时称为超临界状态。相图中高于临界压力和临界温度的区域称为超临界流体区。超临界流体具有密度大、黏度小、扩散系数居中的特点。超临界流体既具有液体对溶质有较大溶解度的特点，又具有气体易于扩散和运动的特性，传质速率大大高于液相过程。也就是说超临界流体兼具气体和液体的性质。更重要的是在临界点附近，压力和温度微小的变化都可以引起流体密度很大的变化，并相应地表现为溶解度的变化。超临界萃取和分离就是利用压力、温度的变化来实现的[2]。2在药品方面的应用2.1在食品中农药残留分析上的应用由于食品组成成分复杂，农药残留水平较低，一般在mg/kg～gg/kg之间，因此要求灵敏度高、特异性强的提取及分析方法。超临界流体具有特殊的溶解性，特别适合于微量成分的提取分离。邱明月等用超临界流体萃取和气相色谱联用(sFE—GC)测定粮谷和茶叶中17种有机氯农药的残留量，并与传统方法进行了比较，认为超临界流体萃取技术是一种快速高效的方法。李新社用超临界二氧化碳流体萃取蔬菜中的残留农药，萃取效率较高，而且不影响样本分析的准确性。王建华等建立了用超临界流体萃取、气相色谱测定韭菜中百菌清、艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂残留量的方法，取得了令人满意的效果。应用超临界流体测定其它蔬菜、水果中有机农药残留量也有较多的报道[3]。2．2中药材中农药残留的脱除目前用于脱除中药材残留农药的方法主要有水洗法、炮制法等。水洗法适用于污染植株表面及鲜品中药材的水溶性农药，而对于生物附集系数大、具有较强穿透性易进入植株内部的绝大多数脂溶性农药则效果较差。炮制法适用于脱除药材中分解温度或降解温度低的农药[4]。超临界流体对脂溶性农药溶解度大，使得该技术既能脱除中药材中残留农药，又不会对中药材的有效成分损失过多，特别适合于中药材中残留农药的脱除。万绍晖等用超If6i界C02萃取法去除当归中有机氯农药，使药材净化。采用正交试验获得最佳萃取条件为：萃取压力15MPa，萃取温度60℃，萃取时间20min，流速1．5mL/min，当归中残留农药去除率达95．1％，相关组分含量没有显著性变化，表明超临界C02萃取法去除当归中残留有机氯农药效果明显。李欢欣等采用超临界C02流体萃取法去除黄芪中残留的有机氯农药，用毛细管气相色谱法测定除毒前后黄芪中农药残留量，评价除毒率。试验结果表明，黄芪中残留农药去除率达87．6％，黄芪甲苷的相对含量为94．5％，相关组分含量没有显著性变化，说明方法可行。2．3在土壤中农药残留分析上的应用有机农药或其代谢产物在进入土壤之后，可以与土壤有机质或矿质形成结合残留物。处于结合残留态的农药难以用常规方法提取。超临界流体以其独特的优势成为目前研究土壤和植物中结合残留最理想的技术。最早应用超临界流体萃取进行结合态农药残留分析的溶剂是甲醇，1986年Peterc．首次应用超临界甲醇法提取样品中的结合残留农药，测得2,4-D的结合残留占施用量的27％t23J。Shahamatu．K．等用超临界C02萃取土壤中的2,4-D的回收率为78．3％。Celi，L.等测得土壤中结合态三氟羧草醚(Ac)占施药量的0．8％，而其降解产物(AAC)的结合态占施药量的15％。苏允兰等采用超临界C02流体研究2甲4氯(MCPA)、2,4-D、除草醚三种除草剂在土壤中的结合残留状况，认为超临界C02流体萃取可以有效地应用于土壤中结合态农药的提取，温度、压力和改性剂的改变均能够影响超临界流体的提取效率。对于苯氧羧酸类除草剂，本身极性较大，要提取其结合态比较困难，需要加入一定量的改性剂甲醇才能提取出来[5]。2.4在中药化学成分(组分)研究中的应用超临界CO2萃取（SFE-CO2）技术进行中草药化学成分的研究，与传统溶剂法比较，可在简化提取分离工艺的同时得到一些传统方法得不到的组分，而对有效成分的萃取率大大高于传统提取法，对中药化学成分(组分)的研究有着积极的意义。在红豆杉紫杉烷类化学成分的研究中，进行红豆杉中紫杉烷类成分的提取分离，传统的植物化学分离要得到单体难度大、步骤繁琐。此过程中，要用多种有毒有机溶剂。而用SFE-CO2对云南红豆杉(Taxusyunnensis)的化学成分进行3h提取所得粗浸膏，只需进行一次硅胶柱层析就能得到6个紫杉烷类单体和2个其它单体，UV、IR、1H-NMR和13C-NMR、MS等光谱分析和化学鉴定为紫杉醇(taxol)，taxuchinA，taxinineE，taxinineJ，baccatin，1-hydroxybaccatin及β-谷甾醇和硬脂酸-1-甘油酯[6]。在姜黄(Curcumalonga)油化学成分的研究中采用SFE-CO2技术，对所得的姜黄油进行GC/MS分离鉴定，确定了包括姜黄酮在内的26个成分。在进行中药挥发油或脂肪油化学成分的研究中，采用SFE-CO2技术得到总成分后，直接进行GCMS-计算机联用技术分析，即可分析鉴定油中化学成分。采用SFECO2技术提取黄花蒿、当归等挥发油，能提取分离出水蒸汽蒸馏法提取不出的成分。2.5在复方中药新药研发中的应用中药复方是传统中药的最主要的、也是中药与国际接轨难度最大的部分。迄今大量的研发工作几乎都集中在单味药物的提取方面，而中药复方由于其成分多而复杂，且各成分之间可能存在协同或拮抗作用，药理作用复杂。因此，利用SFE技术研究复方难度较大，国内的研究报道也很少。但可以预计采用种分离技术能为中草药应用开辟出为广阔的新领域[7]。在对几味单方中药SFE技术研究(包括药效学)的基础上，用SFE技术对结合传统中医理论组成的复方新药研发过程中，葛发欢等人首次用SFE-CO2技术对中药复方进行研究，并发现在合适的SFE-CO2参数条件下，按处方比例混合四味中药一起提取，四味中药中的有效成分均被提出，有效部位(浸膏)收率比单味提取有所增加，复方浸膏收率比单味浸膏收率高。这有可能是因为复方提取时，一些中药成分的提取由于互溶作用，促进其它中药成分的提取。按照此类中药复方的传统用药和提取方法，进行了该复方的传统提取，发现此复方浸膏的收率比SFE高0.34倍，然而其中有效成分，比SFE低近40倍。这说明传统复方提取杂质多，有效成分少，外观颜色差，且批与批间重复性较差，而复方的SFE，有效成分高度浓缩，杂质少，外观颜色较好，各批次之间重复性较好；药效学证明该复方的SFE有效部位，具有传统中医所要求的药效，且复方后具有协同补充效果。研究证明，中药复方的研究与开发可以应SFE新技术，是改进中药复方生产工艺的有效途径，其工业化应用将有可能对中药复方的提取带来革命性的进展。3、在食品方面的应用伴随着人类社会的进步，饮食文化的内涵不断丰富，人们对食品提出了营养性、方便性功能性等更多的要求，同时还越来越强调其安全性。我国食品工业应用超临界萃取技术已逐步由实验室研究走向产业化，集中用在脱咖啡因、啤花有效成分萃取、植物油脂的萃取、色素的分离等方面[8]。3.1脱咖啡因超临界流体萃取技术得到较早大规模的工业化应用的是天然咖啡豆的脱咖啡因。咖啡因是一种较强的中枢神经系统兴奋剂，富含于咖啡豆和茶叶中，许多人饮用咖啡或茶时，不喜欢咖啡因含量过高，而且从植物中脱下的咖啡因可做药用。它常作为药物中的掺合剂，因此咖啡豆和茶叶脱咖啡因的研究应运而生。韩佳宾、江和源等通过正交实验确定了超临界流体脱除茶叶中咖啡因的最佳工艺参数。结果表明,茶样形态对咖啡因脱除影响极大,60目磨碎茶样的咖啡因脱除率可达85.63%,咖啡因含量≤0.5%;含水率对茶叶中咖啡因的脱除率影响也较大,含水率为35%～50%时较适宜。正交实验中,咖啡因脱除率的影响因子主次顺序为压力温度动态循环时间夹带剂用量,而对儿茶素来说,夹带剂的影响较为明显。3.2啤酒花有效成分萃取啤酒花中对酿酒有用的部分是挥发油和软树脂中的律草酮又称α─酸。挥发油赋予啤酒特有的香气，而α─酸在麦芽汁煮沸过程中将异构化为异α─酸，这是造成啤酒苦味的重要物质。用超临界二氧化碳萃取啤酒花，α─酸的萃取率可达95%以上。萃取物为黄绿色的带芳香味的膏状物。张侃、黄亚东等对啤酒花的超临界CO2萃取物的组分进行了分析,气相色谱图表明了超临界CO2和液态CO2萃取物的异同;并对超临界CO2萃取物进行酿酒试验,结果表明超临界CO2萃取物不仅增加啤酒香味,还能改善口味[9]。3.3植物油脂的萃取超临界二氧化碳萃取对植物油脂的应用比较广泛成熟，吕维忠等研究了大豆粗磷脂的超临界CO2提纯工艺，探讨萃取压力、萃取温度、萃取时间对萃取率的影响。通过正交试验得到优化工艺条件为：萃取压20MPa，萃取温度50℃，萃取时间5h。银建中等建立了一套超临界流体萃取实验装置,就大豆和花生两种植物油超临界流体萃取进行了较为详细的实验研究。在探讨了压力、温度、颗粒度、空隙率以及时间等对萃取率的影响之后,获得了指导实际生产的最佳工艺参数条件。3.4色素的分离超临界CO2还可以分离天然色素，随着合成色素的不安全性日益受到人们的重视，世界各国使用合成色素的种类日趋减少。天然色素不仅使用安全，而且常有一定的营养价值，深受消费者喜爱。孙庆杰等采用超临界CO2萃取技术从番茄加工副产品番茄皮中提取出番茄红素。研究了不同的压力、温度、流量和萃取时间对萃取率的影响。当萃取压力在15～25MPa，温度40~50℃，流量20kg/h，萃取1～2h，既可将番茄皮中90%以上的番茄红素萃取出来。姜炜介绍超临界二氧化碳萃取技术提纯辣椒红色素的工作原理及工艺流程。工艺流程通过改变萃取压力、萃取温度、萃取时间和流速等参数确定了最佳工艺条件，在此条件下,得到的辣椒红色素的色价达150以上，且杂质含量符合国家标准[10]。参考文献［1］冯若，等.声化学及其应用［M］.合肥：安徽科技出版社，1992.3-5，84-89.［2］方瑞斌，张世鸿.超声强化超临界萃取紫杉醇的研究［J］.分析化学新进展，1998，15（6）：1243-1244.［3］陈钧，杨克迪，陈洁，等.超声强化超临界流体萃取中传质的实验研究［A］.杨基础.全国超临界技术及应用研讨会论文集［C］.北京：清华大学出版社，1996.50-53.［4］宁正祥，秦燕，林纬，等.高压脉冲-超临界萃取法提取荔枝种仁精油［J］.食品科学，1998，19（1）：9-11.［5］李淑芬.超临界CO2萃取天然产品的特性研究［A］.全国超临界流体技术学术及应用研讨会论文集［C］.北京：清华大学出版社，1996.30-35.［6］马礼金，姚汝华，黄自然，等.超临界流体萃取红芝三萜化合物［J］.华南农业大学学报，1998，19（3）：107—110.［7］原永芳，周践，郑晓梅，等.超临界流体CO2萃取川芎挥发油化学成