超临界流体萃取技术及应用

1超临界流体萃取技术及其在中药研究中的应用概述第二军医大学药学院（上海，200433）宓鹤鸣骆望美超临界流体萃取（SupercriticalFluidExtraction，简称SFE。）是一种新型的提取分离技术，他利用流体（溶剂）在临界点附近某区域（超临界区）内，与待分离混合物中的溶质具有异常相平衡行为和传质性能，且对溶质的溶解能力随压力和温度的改变而在相当宽的范围内变动。利用这种超临界流体（SCF）作溶剂，可以从多种液态或固态混合物中萃取待分离的组分。在中药现代化发展进程中，将SFE技术应用于中药有效成分提取分离及其制剂提取工艺研究，结合传统剂型的工艺改革，可有效富集中药中生物活性物质，提高得率，改变中药制剂“黑、大、粗”面貌。我们在国内较早开展了这方面的工作，现综合文献报道并结合自身的体会，对该技术及其在中药研究中的应用作一概述。一、超临界流体萃取技术的发展90年代后开始运用SFE技术从药用植物中提取药用有效成分等。目前已广泛应用于医药、食品和香料等工业领域，并已取得了令人瞩目的成就。至2000年我国已连续召开了三届全国性超临界流体技术学术及应用研讨会，对该技术在我国的应用与发展又很大的促进作用。特别是近年在中草药及其它天然产物的提取和分离等方面的应用不断深入扩大，并与其它先进技术联用，成为新型而有效的分离分析技术，对中草药的生产、研究和开发起到了非常重要的推动作用。二、超临界流体（一）超临界流体的性质超临界流体（SCF）是指处于临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上的流体(图1)。在超临界状态下，流体的性质介于气体与液体之间（表1），同时兼有气液两重性的特点，既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力和传质性能。超临界流体没有表面张力，很容易穿透进样品基质内。温度略高于临界点时，超临界流体的压缩系数最大，压力的微小变化就能导致较大的密度变化，而控制密度就可控制超临界流体对溶质的溶解能力，因此通过改变压力或温度，可改变SCF的密度，便能溶解许多不2同类型的物质，达到选择性地提取各种类型化合物的目的。图-1纯CO2热力学相图（P-T曲线）tp：三相点cp：临界点G：气相L：液相S：固相SF：超临界流体表1相的物理性质相气体超临界流体液体密度（g/ml）(0.6~2.0)×10-30.2~0.90.8~1.0扩散系数（cm2/s）0.01~1.0(0.5~3.3)×10-4(0.5~2.0)×10-5黏度（g/cm·s）(0.5~3.5)×10-4(2.2~9.9)×10-4(0.3~2.4)×10-2（二）超临界流体的选择用于SFE的超临界流体必须稳定、安全、易于操作，对待萃取物质有足够大的溶解度，同时又有良好的选择性。目前，SFE选择最常使用的超临界流体是二氧化碳，它具有性质稳定、使用安全，价格低廉，无色、无毒、无味、化学惰性、不易燃、低膨胀性、易制得高纯气体等特点；二氧化碳因其临界温度低（Tc=31.3℃），接近室温，临界压力小（Pc=7.15Mpa），而易于操作；而且在临界点附近，温度或压力的改变会使密度（P）发生较大的变化，同时使许多物质在其中的溶解度（S）也发生变化，其关系式为：lnS=KlnP+C，式中K和C为常数。虽然CO2是非极性物质，对极性化合物的溶解能力很低，但可以加入极性改性剂如甲醇、乙醇等而增加其溶解能力。有时也采用衍生化方法来增加待萃取物在超临界流体中的溶解度。这样CO2能萃取从低极性的亲脂性化合物至含有多个羟基的极性化合物，故应用最3为广泛。三、超临界流体萃取（一）超临界流体萃取的特点超临界流体的性质使其既具有气体的性质，又具备液体的优点。其特点有：良好的溶解性能和高萃取效率;萃取选择性好、速度快;溶质分离纯化容易；适合于提取分离热敏物质、易氧化物质和常规蒸馏不易挥发的物质；节省溶剂、无毒、无污染，对食品、药品和化妆品等生产领域应用十分理想；易于自动化，能与色谱、光谱等分析仪器直接联用作在线分析。（二）超临界流体萃取的原理1、CO2-SFE溶解作用在超临界状态下，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性、沸点和分子量密切相关，一般来说有以下规律：亲脂性、低沸点成分可在10Mpa以下萃取，如挥发油、烃、酯、内酯、醚、还氧化物等，象天然植物和果实中的香气成分，如中草药中的脂溶性、低沸点挥发性成分等；化合物的极性基团（如-OH、-COOH等）愈多，则愈难萃取。强极性物质如糖、氨基酸的萃取压力则为40Mpa以上；化合物得分子量愈高，愈难萃取。分子量在200~400范围内的组分容易萃取，有些低分子量、易挥发成分甚至可直接萃取；高分子量物质（如蛋白质、树胶和蜡等）则很难萃取。2、取压力、温度与溶解度在临界点附近，温度和压力的微小变化，都对SCF的粘度、密度等物理性质发生较明显的影响。当压力超过临界压力（Pc）少许，压力的微小变化都会引起密度（d）、粘度（μ）和扩散系数（D）的乘积的大幅度变化。因此改变萃取压力，必然会强烈地影响SCF对多种成分的溶解能力。CO2的Tc接近室温，所以一般操作在40℃左右，在此温度下被萃取的成分不致氧化或逸散。从Pc起，逐步加大压力，由于各压力梯度的SCF的性质不同，因而对溶质的溶解能力也不同。按照被萃取成分的极性大小、沸点高低和分子量的大小可依次被萃取出来。当然，对应各压力梯度所得到的萃取物的成分不可能是单一的。但可以控制条件得到最佳比例的混合成分。对萃取物中某一成分而言，当萃取压力达到某一阀值时，再升高压力，其溶解度不再增加。SCF的溶解度或溶解能力可用溶解度参数δ表示：δ=（E/V）1/2式中E为分子的摩尔内聚能,V为相应的摩尔体积,δ和临界参数关系可表示为:4δ=1.25Pc1/2·ρ∕ρi式中Pc为临界压力,ρ是和δ相对应密度,ρi为液态时密度;上式中1.25Pc1/2项称化学效应项(极性、碱性、键亲和力)，它和分子内部作用力有关；而ρ∕ρi项称为状态效应项（如密度、分子间距离等），它与分子摩尔体积有关，当ρ等于ρi时，δ有最大值。经验证明两溶解度参数的绝对值小于或等于2.04Mpa1/2时,两者溶解度参数越接近,则它们之间的互溶性越好.对SCF-CO2的溶解度参数尚有如下简便式:δ=8.54ρ(计算误差约为10%)。（三）超临界流体萃取过程和装置SFE的工艺流程基本上是由萃取工段和分离（溶质与CO2分离）工段相连而成,首先,CO2以液态形式输入到压缩室升压和定温，成为操作条件下SCF;SCF通入萃取器，在萃取器内，原料中的可溶性组分溶解SCF中，并随SCF一同经过减压阀减压后进入分离器；在分离器内，溶质从气体中分离后取出，CO2气体可再循环使用。大致可分为三步：待测物质从样品基质中释放出来并扩散、溶解进超临界流体中；待测物质从萃取器转移至收集系统；降低超临界流体的压力，有效地收集被萃取的待测物。目前已有许多商品化的仪器，但是也可以自己组装以适应各种不同用途，SFE的装置根据其用途和萃取容器的大小分为多种：如用于分析型的SFE设备，其典型的萃取器体积仅为1ml~100ml，供小量试样分析用，可与GC、HPLC等分析设备联用作在线检测或定性定量分析。SFE-GC是SFE与色谱分离技术在线联用中最成功也最应用广泛的一种，特别是与毛细管气相色谱技术（CGC）的在线联用发展较快。SFE-GC的接口技术大多数是通过一根毛细管限流器SFE进行降压，而后低温捕集萃取物，然后快速升温切换进样而实现的[10，11]。图2超临界流体萃取流程图1、CO2钢瓶；2、冷阱；3、过滤器；4、高压计量泵；5、萃取器；6、一级分离器；7、二级分离器；8、超级恒温水浴；9、水泵；T、温度计；P、精密压力计。用于中试的设备萃取器体积为1立升~20立升。实验获取的工艺条件和数据对放大生产有指导意义。用于生产型的SFE设备可根据萃取器（釜、罐）容积从50立升~4000立升5不等；并可根据实际需要进行多个萃取罐、分离罐的不同组合（串联、并联等）形成一系列产品。超临界流体萃取的一般流程见图2所示：（四）影响超临界流体萃取的因素1、萃取压力压力是SFE中影响萃取效率的最重要参数，温度一定时，压力增加，SCF密度增大，可使溶剂强度增加，待萃取溶质的溶解度也增加，萃取效率提高。2、夹带剂（改性剂）适用于SFE的溶剂大多数是极性较小的溶剂，这有利于选择性地提取，但限制了对极性较大溶质的应用，因此常需要在SCF中加入少量夹带剂或称改性剂，以改变溶剂的极性。3、颗粒大小溶质从样品颗粒中的扩散可用Fick第二定律加以描述。粒子的大小可影响提取收率。减小样品粒度，可增加回收率。但要根据原料的性质而定，粒度不宜太小，否则会严重堵塞筛孔，造成摩擦发热，温度升高，可能使热敏物质或生物活性成分破坏，甚至造成萃取失败。4、SCF的流量（体积）提取物分子结构与所需SCF的体积和流量有关。如CO2-SFE的流量增加时，对一定的萃取器而言，可导致萃取器内流速增加，与被萃取物料的接触时间减少，则提取效率降低；另一方面，SCF流量增加，可增大萃取过程中对传质的推动力，传质速率加快，会提高萃取能力。因此，针对具体样品，应经过试验，选取最佳SCF的流量。5、萃取温度温度是SFE另一重要因素。温度对SCF溶解能力的影响较为复杂：在一定压力下，升高温度，则被萃取物的挥发性增加，可使其在SCF中的浓度增加而使萃取量增大；但另一方面，温度升高，SCF密度降低，则其溶解能力下降，又会使萃取量减少。故对萃取温度要综合上述两个因素加以考虑。温度选择既要保证流体密度又要满足溶质从介质表面的动能过程（挥发、解吸等）的需要。四、应用（一）用于提取中草药有效成分适用于脂溶性和热不稳定性物质，对极性物质则需加入改性剂，如甲醇、乙醇、丙酮、氯仿、乙酸乙酯等。可提取的物质有挥发油、脂肪油、萜类化合物、多组份树脂、酮类化合物、酚类化合物、植物甾醇、皂苷、色素等。（二）用于粗提物的精制，去除有害成分如用于银杏叶提取物（GBE）中的酚酸性去除，可使GBE中该类成分降低到10-5级。6（三）用于去除或减少提取物中重金属残留量及农药有机氯、有机磷残留量等，以减少产品污染提高产品质量；（四）用于脱除有害的溶剂或粘合剂等（五）用于分馏作用，制备分子量分布窄的制品（石油、化工、香精香料等）。（六）用于药物在人体内的生物学测定以跟踪药物在体内的代谢情况。（七）用于分析与其它方法联用，对中药或成方制剂中有效成分进行更有效、快速和准确的定量分析，可作为中药及其制剂的质量控制方法，提高质量标准水平。（八）作为介质，用于中药的微粒制备和薄膜制造，也可直接制备单味中药的浓缩颗粒制剂。五、我院用超临界流体萃取（SFE）技术在药物研究中应用情况我们从八十年代中期开始进行SFE和SFC的研究工作并获得国家自然科学基金的资助。现将这方面工作发表的研究论文目录择要罗列在下，以供读者参考。超临界流体萃取法在中药材质量控制中应用（药学学报，1995，30（2）：133）；超临界流体萃取与其他分析技术联用（分析化学，1997，25（12）：1454）；超临界流体萃取法及高效液相色谱法分析延胡索中延胡索乙素的含量（药学学报，1996，31（4）：282）；临界流体萃取HPLC法测定何首乌中大黄酸、大黄素、大黄素甲醚的含量（中草药，1999，30（4）：258）；临界流体萃取法测定牛膝及其制剂中齐墩果酸的含量，药学学报（1992，27（9）：690）；超临界流体萃取法-毛细管气相色谱法分析牡丹皮中丹皮酚的含量（药学学报，1997，32（12）：928）；超临界流体萃取法-毛细管气相色谱法分析厚朴酚、和厚朴酚的含量（药物分析杂志，1998，18（3）：182）；超临界流体萃取法测定川芎中藁本内酯含量（药学学报，1998，33（6）：457）；国产血竭的超临界CO2流体萃取研究（待发表）。5、前景展望SFE在中草药及天然产物提取分离方面具有低温、快速、收率高、产品纯天然、成本低等特点，体现出其它方法无法比拟的优越性，特别是对一些资源少、疗效好、剂量小、附加值高的