超临界CO2萃取技术在中药研究中的应用
超临界CO2萃取技术在中药研究中的应用
超临界CO2萃取技术作为一种先进的提取技术，在中药研究中展现出独特的优势。本文详细介绍了该技术的原理、工艺流程、特点及其在中药有效成分提取中的具体应用，为中药研究和生产提供了新的思路和方法。
超临界二氧化碳萃取的原理
超临界流体（SF）是指温度和压力均超过该物质的临界温度（Tc）和临界压力（pc）的流体。在超临界状态下，气体和液体两相的界面消失，表面张力为零，反应速度和热传导率等出现峰值。CO2由于其性质稳定、廉价易得、无毒无臭、不污染环境和产品以及具有较低的临界温度（31.3℃）和临界压力（7.15MPa）等特点，是用于萃取最理想的超临界流体。
超临界二氧化碳萃取技术综合了精馏和液液萃取两种功能的特点。在萃取过程中，通过控制二氧化碳流体的温度和压力分别高于其临界温度和临界压力，使二氧化碳具有气体和液体的双重特性，并具有较大的溶解能力和良好的传质性能，从而将目标物质中的有效成分提取出来。当温度和压力恢复到常温时，二氧化碳的溶解能力下降，溶解在超临界流体中的有效成分便与气态的二氧化碳分开，从而达到提取分离的目的。
超临界二氧化碳萃取的工艺流程
储罐中的二氧化碳气体经冷凝器冷凝液化成液体，然后经高压泵把压力提高到萃取所需的压力，再通过热交换器调节温度超过其临界温度使其成为超临界二氧化碳流体。二氧化碳流体作为溶剂从萃取釜的底部进入，与目标物质充分接触，萃取出所需的化学成分。溶解有溶质的高压二氧化碳流体通过节流阀进行减压，通过解析釜时经温度调节器使其变成气体。此时二氧化碳对溶质的溶解能力降低，溶质便与气体分离而沉降到解析釜的底部，二氧化碳气体则通过冷凝器再次冷凝成二氧化碳液体供循环使用。整个过程主要包括二氧化碳的压缩、萃取、减压和分离四个阶段。二氧化碳流体不断的在萃取釜与解析釜之间循环，从而将所需的化学成分从原料中提取分离出来。
图1 超临界流体萃取工艺流程
超临界二氧化碳萃取技术的特点
优点
- 二氧化碳的临界温度接近室温，化学性质稳定，不易燃爆，安全性好，价格低廉易得，可制成高纯度气体，易与萃取物分离，无溶剂残留等问题。
- 超临界二氧化碳萃取流程简单，步骤少，提取时间快，生产周期短，省去了某些分离浓缩步骤。即使加入夹带剂，也可通过分离除去或只是简单浓缩。
- 由于萃取装置密闭，可避免空气氧化，有利于保证和提高产品质量。
- 超临界二氧化碳萃取可节省劳动力和大量有机溶剂，减少“三废”污染，对保护环境有很大帮助。
- 超临界二氧化碳萃取特别适合遇热分解的热敏性物料以及容易氧化分解破坏的成分，在很大程度上避免了常规提取过程中经常发生的分解、沉淀等反应，保证了提取物的“纯天然性”，这是其他方法所不能解决的。
不足
- 由于超临界二氧化碳的极性较小，较难提取强极性或分子量较大的物质，此时常需要加入含极性基团的夹带剂以提高超临界流体对萃取物的选择性和溶解性，从而改善其萃取效果。
- 整个超临界二氧化碳萃取装置是由不同形状的高压密闭容器、高压阀门和高压管道等连接起来，由于操作压力较高（一般为15～25MPa），使得超临界二氧化碳萃取设备造价较高，设备一次性投资大，较难普及。
- 在分离阶段，由于溶质在二氧化碳气体中有“雾末夹带”现象，将会使整个密闭系统的清洁工作变得困难。
影响超临界二氧化碳萃取的主要因素
萃取压力
温度一定时，超临界二氧化碳的溶解能力往往随着萃取压力的升高而增强，但当压力增加到一定程度后，溶解力增加变得缓慢，过高的压力会导致难挥发的物质被萃出以及萃取物中的杂质增多。通常弱极性的物质在较低的压力下既可进行萃取，极性较强的物质则需要较高的压力下萃取。因此，对于不同的萃取物，其最佳的操作压力有很大的不同。
萃取温度
温度对萃取效果的影响较为复杂，对于不同组分，所选择的温度范围是不同的。对于二氧化碳临界点附近的低压区，升高温度可提高分离组分的挥发度和扩散能力，但却不足以补充超临界二氧化碳的密度随温度升高而急剧下降所导致的溶解能力下降。在高压区，超临界二氧化碳的密度大，可压缩性小，此时升高温度二氧化碳的密度降低较少，但待分离组分的蒸汽压和扩散系数却显着提高，从而增加了溶质的溶解能力。
萃取时间和CO2流量
萃取刚开始时，溶剂与溶质之间的接触不足，收率较低，随着萃取时间的延长，传质达到一定程度，萃取速率增大，直到达到最大之后，由于待分离组分的减少，传质动力降低而使萃取速率降低。当收率一定时，流量越大，溶剂和溶质间的传热阻力越小，萃取的速度越快，所需要的时间越短，但萃取的回收负荷将增大。因此，从经济上考虑应选择适宜的萃取时间和流量。
物料的粒度
萃取物的颗粒大小要适中，粒度越小，与超临界流体的接触面积越大，增加了传质效果，有利于提高萃取速度。但粒度过小则会堵塞筛孔，进而造成萃取器出口过滤网的堵塞，从而降低提取效果，反而不利于萃取。
夹带剂
超临界二氧化碳流体具有亲脂性，是非极性溶剂，根据相似相溶原理它对非极性的油溶性物质具有较好的溶解能力，而对有一定极性的物质的溶解度则较差。此时，常需加入不同极性的夹带剂以调节超临界二氧化碳流体的极性，提高被萃取物质在二氧化碳流体中的溶解度，使原来不能被超临界二氧化碳萃取的物料变为可能。
超临界二氧化碳萃取在中药有效成分提取中的应用
传统的提取方法在中药有效成分的提取过程中往往具有耗时长、提取的选择性较差、后续的分离纯化步骤繁琐以及易造成试剂污染等缺点，超临界二氧化碳萃取作为一项新型的化学工程技术，因其结合了精馏和液液萃取，相较于传统的提取方法具有收率高、杂质少、萃取时间短以及不会造成环境污染等优点。
表3 超临界CO2萃取技术对中药挥发油类成分的提取
表2～表8列出了部分中药有效成分应用超临界二氧化碳萃取方法所得到的最佳工艺与萃取率。
生物碱类的提取
挥发油类的提取
蒽醌类的提取
黄酮类的提取
萜类的提取
糖和苷类的提取
苯丙素类的提取
超临界二氧化碳萃取与其他技术的联用
SFE-CGC联用
SFE与色谱分离技术的非在线联用中发展较快的是毛细管气相色谱技术（CGC），SFE与CGC联用要获得尖峰就要对被萃取物进行有效的捕集，并将其快速的引入色谱柱。朱梅等利用超临界流体萃取技术与毛细管气相色谱法的联用技术测定脑立清丸中薄荷脑与冰片的含量，结果表明，SFE的最佳萃取条件为温度60℃、压力40MPa、改性剂量0.2mL、动态萃取体积6mL、静态萃取时间9min，从而得出SFE-CGC法具有快速简便、准确可靠等优点。陈斌等采用超临界流体萃取法联用毛细管气相色谱法测定丹参药材中丹参酮ⅡA的含量，其结果准确可靠，加样回收率为95.3%，RSD为4.3%，n=3。得出结论利用SFE-CGC法测定丹参药材中丹参酮ⅡA，可提高分析速度，减少有机溶剂用量，与超声提取法相比，经t检验，显着优于超声提取法。
SFE-HPLC联用
高效液相色谱法具有分析速度快、分离效能高和应用范围广等优点，在室温下即可实现样品的分离，对非挥发性物质无须衍生化，从而减少了样品预处理时间，可用于有机活性组分的分离以及形态分析。张洁等利用两个简单的三通阀将SFE和HPLC在线联接起来，建立了一个新型的从样品预处理到分离检测的集成平台，并将其应用于灵芝子实体的高效、快速萃取和分离分析。李英等建立了SFE-HPLC分离测定虎杖中大黄酸、大黄素及大黄素甲醚含量的方法，HPLC采用弱酸性溶剂为流动相，3种成分分离度高。该方法准确可靠，可为虎杖及其制剂的质量控制提供依据。
SFE-MD联用
分子蒸馏技术（MD）是一种在高真空条件下的液-液分离技术，特别适合于高沸点、热敏性和易氧化物质的分离。由于分子蒸馏可对超临界二氧化碳萃取得到的产物进行二次分离，选择性分离目标产物，因此SFE-MD联用可得到其他分离手段难以完成的高纯度产品。张运晖利用超临界二氧化碳萃取技术提取亚麻中的亚麻精油，然后用分子蒸馏对所得的萃取物进行精分离，得到适宜的分离条件为蒸馏温度90～105℃、操作压力0.3～1.8Pa、进料温度60℃、进料速率90～100mL/h、刮膜器转速150r/min，经过四级分子蒸馏，可将原料中的α亚麻酸由原来的67.5%提纯至82.3%。于泓鹏等利用超临界二氧化碳流体萃取丁香精油，然后用分子蒸馏技术（MD）进行精制，所得精油采用GC-MS分析。实验结果表明，经分子蒸馏技术精制后，丁香酚GC含量由原来的67.56%（SCDE法）提高到68.75%，精油色泽和流动性明显改善，品质显着提高。
SFE-GC-MS联用
气相色谱法-质谱法联用（GC-MS）结合了气相色谱与质谱各自的优点，既具有较强的分离能力，同时对未知化合物又具有独特的鉴定能力，且灵敏度极高。气相色谱和质谱组成的气质联用仪，可以增强对SFE萃取物的分析能力。朱红梅等利用超临界二氧化碳萃取和气质联用仪萃取和检测香草兰豆荚中香草醛、对羟基苯甲醛、香草酸、对羟基苯甲酸4种化合物，得到最佳萃取条件为萃取温度50℃、萃取压力20MPa、改性剂比例10%、静态动态循环萃取2次。余昕等通过GC-MS从美洲大蠊的超临界二氧化碳萃取物中鉴定了50种化学成分，并应用面积归一法计算各成分的相对百分含量，其中不饱和脂肪酸和酯类占总提取物含量的76.33%，为主要成分。
SFE-NMR联用
核磁共振技术可对化合物的结构进行测定，其对被测物质无破坏作用，是一种无损检测技术。通过将具有特殊分离能力的SFE与可提供化学结构信息的NMR技术进行结合，可一次性完成从样品的分离纯化到色谱峰的检测、结构测定以及定量分析，并提供混合物的组成和结构信息，从而提高了研究效率和灵活性。由于超临界流体独特的萃取能力和NMR精确的结构分析能力，SFE-NMR联用技术得到了迅速发展，已成为分析难挥发、不耐热的大分子化合物和生物样品的有效方法，并且在分析复杂混合物中有着广泛的应用前景。
SFE-SFC联用
超临界流体色谱（SFC）是以超临界流体为流动相，以固体吸附剂或键合到载体上的高聚物为固定相的一种高效色谱技术。超临界流体色谱既可以分析GC不适宜的高沸点、低挥发性、热不稳定的弱极性化合物，又可以像HPLC一样分析非挥发性和高分子化合物。SFE与SFC的联用集提取、浓缩、分离和检测于一体，可省去较为繁琐的前处理，直接对样品进行分析。刘芸芸等建立了超临界流体色谱技术分离纯化木香中木香烃内酯和去氢木香内酯的方法，采用YMC-C18（10mm×250mm，5μm）色谱柱作为分离柱，SC-CO2作为流动相，在柱温44.85℃、压力13MPa、检测波长225nm、0.13%甲醇为改性剂、流速12.0mL/min的工艺条件下，木香中的木香烃内酯和去氢木香内酯可得到完全分离。该方法得到的木香烃内酯和去氢木香内酯纯品几乎没有溶剂残留，经过高效液相色谱法测定分离纯化后的化合物纯度均大于99%，认为该方法适合木香有效成分的分析及分离制备。
结 语
超临界二氧化碳萃取得到的中药有效成分通常具有较高的药理活性，但也有部分中药成分的药理活性与其较高的得率不成正比，因此，该技术在应用于中药工业的生产过程中还需结合具体的药材做相应的提取工艺研究和设备设计优化，积极推进先进工艺与设备，改进传统中药生产过程中的不足，提高中药药效的有效性、质量稳定性和均一性，有利于促进民族医药走出国门，提高中药产品的国际竞争力。