亚临界萃取技术在天然产物提取中的应用
杨志空 韩 伟
华东理工大学中药现代化工程中心
上海 200237
摘 要：综述了亚临界萃取技术的原理、特点以及影响因素，并简述了亚临界萃取技术在天然产物提取中的应用。
关键词：亚临界萃取技术；天然产物；提取
Applicationof Subcritical Technology in Natural Product Extraction
YangZhikong Han Wei
（Engineering Center for Traditional Chinese Medicine Modernization,East China University of science and technology, Shanghai 200237）
Abstract：This article summarized the principle, applied fields,features and factors of subcritical technology. It also makes a briefcompendium to the application of subcritical technology used in extraction ofnatural product.
Key words： subcriticaltechnology; natural product; extraction
0 引言
天然产物中的黄酮类、生物碱类、萜类等活性成分是药物与药物先导化合物的重要来源物，这类成分在不同生物体内含量甚微，且分离过程中受诸多因素限制。天然产物有效成分的传统提取方法主要有水浸提法、压榨法、回流法、渗漉法、萃取法、沉淀法及水蒸气蒸馏法等。然而，由于天然产物成分的复杂性，使得这些传统方法大都存在得率低、能耗大、提取效率不高等缺点。随着科学技术的发展，一些新型提取分离技术被应用于天然产物有效成分的提取领域，如超临界萃取、物理场强化提取、双水相萃取及反胶束萃取等技术[1-2]。
在新型的提取分离技术中，超临界CO2萃取技术由于其具有节约能源、低碳环保、产率高、操作方便等优势，已被广泛应用于天然化学提取领域。但是，该技术的应用也有一定的局限性，如CO2存在非极性和分子量低的两大特点，决定了该技术的应用范围只能是对非极性或者弱极性化合物的萃取，对大分子或者是极性较强的化合物提取率不高，难以达到与非极性提取一样的萃取效果。而亚临界萃取技术是在超临界CO2萃取技术的基础上应运而生的，极大地改善了超临界CO2萃取技术的应用局限，目前已被成功应用于中药有效成分的提取和分析前处理[3]等方面。
1 亚临界萃取技术的原理及影响因素
1.1 亚临界萃取技术简介
溶剂在高于其沸点但低于临界温度的温度区间内，在一定压力下以液态存在的状态称为溶剂的亚临界状态。在此状态下利用其相似相溶的物理性质，用作生物成分萃取的溶剂称为亚临界萃取溶剂，其萃取工艺称为亚临界萃取工艺，适合于亚临界萃取的溶剂沸点都低于周围的环境温度，一般沸点在0 ℃以下，20 ℃时的液化压力在0.8MPa以下[4]。
最早应用的亚临界溶剂为丁烷和丙烷，1990年发明的专利《液化石油气浸出油脂工艺》（专利号：90108660.6）代表了亚临界萃取技术的诞生。随后，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）等溶剂被先后应用或试验。由于这些溶剂的极性有一定的差别，因此在应用中也各具特色。
亚临界萃取技术在美国、日本等国虽早有相关的实验室研究报道，但成功应用于工业化生产还是由我国以祁鲲为代表的研究人员实现的。20世纪90年代，安阳漫天雪食品制造有限公司的祁鲲在我国率先转化应用了4号溶剂浸出技术，开发出了低温大豆蛋白粉[5]。其后，4号溶剂萃取技术在天然产物萃取方面也取得了成功，先后为国内10多家企业建成20多条生产线，为我国万寿菊黄色素和辣椒红色素等产品开发提供了关键装备。亚临界萃取技术已应用到植物油、植物色素、植物精油、生物碱、中药材等几十种植物原料的非极性和弱极性成分提取生产中，目前已建成70多条生产线，每年的总加工量逾20万t。
1.2 亚临界萃取技术的原理[6]
在一定压力下，以液化的亚临界溶剂对物料进行逆流萃取，萃取液（液相）中的溶剂经蒸发工序，使溶剂气化并与萃取出的目标成分分离，得到产品；被萃取过的物料蒸发出吸附的溶剂，得到另一产品（固相）。气化的溶剂被液化后可循环使用。
整个萃取过程在室温或更低的温度下进行，所以不会对物料中的热敏性成分造成损害，这是亚临界萃取工艺的最大特点。溶剂从物料中气化时，需要吸收热量（气化潜热），所以蒸发脱溶时要向物料中补充一定的热量。溶剂气体被压缩液化时，会放出热量（液化潜热），工艺中大部分热量可以通过气化与液化溶剂的热交换来达到节能的目的。
1.3 影响因素
同超临界CO2流体萃取技术一样，亚临界萃取技术使用时的影响因素对其萃取效果也是不容忽视的，主要影响因素包括萃取压力、萃取时间、温度、夹带剂等。
1.3.1 萃取压力
该技术对萃取压力的要求相对宽松，萃取效果受温度影响的程度要大于萃取压力。
1.3.2 萃取温度
温度变化是该技术应用的主要影响因素，温度微调会影响化合物的溶解能力。因此，应针对不同的化合物，选择不同的萃取温度范围，甚至有些成分的提取需要加入抗氧剂，以减弱高温溶剂对有效成分的氧化作用。
1.3.3 萃取时间
由于亚临界萃取技术的高效性，其提取时间比传统有机溶剂固液萃取的提取时间更短。JimenzCarmona等[7]采用亚临界水从牛至叶中提取精油，结果表明，在150 ℃条件下提取15 min后基本可提取完全，所得精油产率比水蒸气蒸馏3 h所得产率高出5.1倍，且品质较好。因此，提高提取温度，只需更短的时间，即可获得相同的回收率。萃取时间的作用不是单一的，它和温度、流速等因素协同影响萃取效果。
1.3.4 夹带剂
加入适量合适的夹带剂可明显提高亚临界流体对某些被萃取组分的选择性和溶解度。王洪等[8]在辣椒红色素的萃取中，研究了特定夹带剂的加入对亚临界流体的溶解能力和萃取选择性，结果表明，特定夹带剂的加入可以显著增强流体的溶解能力。表面活性剂也可以作为夹带剂提高亚临界流体萃取效率，提高的程度与其分子结构有关，分子的脂溶性部分越大，其对亚临界流体的萃取效率提高越多。
关于夹带剂的作用原理，有研究认为是夹带剂的加入改变了溶剂密度或内部分子之间的相互作用所致。
1.4 亚临界萃取技术的特点
1.4.1 节能，运行成本低
亚临界萃取技术使用的溶剂损耗低，每吨原料消耗溶剂小于8 kg；萃取过程不需要蒸汽，仅90 ℃热水即可，相对6号溶剂，可节约热能70%；相对于超临界CO2萃取技术所使用的设备等投资，亚临界萃取技术投资小、生产成本低。
1.4.2 良好的萃取选择性
亚临界萃取技术在使用过程中，通过改变萃取参数，对萃取溶媒的极性进行微调，可以选择性地萃取出不同极性的化合物，有机溶剂的参与将大大增加溶媒的萃取范围。
1.4.3 保留提取物的活性成分
萃取和脱溶过程不用过度加热，不会对物料中的热敏性成分造成损害，保留了提取物的活性成分，使其不会被破坏、氧化。
1.4.4 适合大规模生产
亚临界流体来源广，价格低；设备工作压力低（工作压力0.3～0.7 MPa），安全性高；生产规模大，成套萃取设备一条生产线可处理0.1～200 t/d的量。
2 亚临界萃取技术在天然产物提取中的应用
亚临界萃取技术相比其他分离技术具有许多优势：无毒、无害；环保、无污染、非热加工，不破坏、氧化提取物的活性成分；产能大，可进行工业化大规模生产；节能、运行成本低；易于和目标产物分离。因此，亚临界萃取技术在天然动植物有效成分的提取、中药活性成分的提取与有害脂溶性成分的分离等领域具有广阔的应用市场。
2.1 在挥发油方面的应用
挥发油是天然产物中的一类具有芳香气味、可随水蒸气蒸馏出来且不溶于水的挥发性油状成分的总称。目前，挥发油的提取方法主要有传统的水蒸气蒸馏法、有机溶剂提取法及超临界CO2提取法等。但是，传统提取方法有诸多局限，为了克服这些缺点，人们开始使用亚临界萃取技术提取挥发油。亚临界萃取技术现已成功应用于小茴香、柴苏叶、桉树叶、穗状牛至叶、丁香、墨角兰叶、香菜籽、月桂、洋葱、芫荽籽和花椒等植物挥发油的提取中。
张丽娟等[9]采用亚临界CO2萃取法提取川芎挥发油，其收率是传统水蒸气蒸馏法的10倍，且提取时间短，油质更好、抗氧化活性更强。
2.2 在植物色素萃取生产方面的应用
传统的植物脂溶性色素用己烷溶剂提取，水溶性色素用水或乙醇提取，都有加热脱溶的工艺过程，影响产品质量。而用丙烷、丁烷、二甲醚以及它们的混合溶剂进行亚临界萃取，有很大的技术优势。在河北、山东、云南、新疆、甘肃、吉林已有十余家企业建立了亚临界流体萃取生产线，主要用于辣椒红色素、万寿菊黄色素、番茄红色素、姜黄色素、蚕米绿色素的生产。
吴昊等[10]利用亚临界水萃取紫甘薯红色素。他们以花色苷提取率为考察指标，通过单因素试验及正交试验，确定紫甘薯色素的最佳萃取工艺：提取温度110 ℃、提取时间6 min、液料比40:1（mL/g）、乙醇浓度40%、pH值2.5，此时花色苷提取率为（1.897±0.049）mg/g。与超声波提取法和溶剂浸提法相比，亚临界萃取技术缩短了提取时间，并且减少了有机溶剂的使用量。
2.3 在多酚类物质提取中的应用
植物多酚类具有很好的天然抗氧化功能，但萃取产物一直受有机溶剂污染、萃取耗时等问题困扰，因此需要开发环保、洁净的萃取技术。近年来，亚临界萃取技术已被应用于植物多酚类物质的萃取中，并不断对其进行了深入研究。
亚临界萃取技术用于提取多酚类物质时主要具有两大优势，一是具有较高的产品得率，二是所得多酚可以保持较强的抗氧化活性。P.Rangsriwong等人[11]用亚临界水提取诃子果实中没食子酸、鞣花酸、柯里拉京等化合物，结果表明，在温度120～180 ℃、压力4 MPa、流速4 mL/min条件下，提取物中的没食子酸和鞣花酸含量随温度提高而增加，柯里拉京含量在120℃时达到最高。与热水提取和索氏提取（分别用水和乙醇作溶剂）等常规方法相比，亚临界萃取技术的时间最短，所得提取物总多酚含量和抗氧化活性也最高。
P.Budrat等人[12]用亚临界水提取苦瓜中的多酚化合物，结果表明，在温度150～200 ℃、压力10 MPa、流速2 mL/min条件下，提取物中总多酚的质量分数为52.63 mg/g，大大高于甲醇超声波提取的总多酚质量分数6.00 mg/g和沸水回流提取的总多酚质量分数6.68 mg/g。
另外，亚临界萃取技术还应用于茶叶、松树皮、葡萄渣、迷迭香和牛至等植物多酚的提取[13-17]。
2.4 在黄酮和花青素类成分提取中的应用
黄酮类化合物是色原酮或色原烷的衍生物，即以黄酮（2-苯基色原酮）为母核而衍生出的一类黄色色素。花青素是一种天然色素，具有明显的抗氧化作用，而且具有保护心血管、抗肿瘤、抗炎等作用，在食品营养、医药保健等领域越来越受到人们的青睐。近年来，亚临界萃取技术在黄酮和花青素类成分的提取中也有广泛应用。
与传统的有机溶剂提取法相比，采用亚临界萃取技术提取得到的黄酮和花青素成分的产量更高、成本更低。胡凯等人[18]对亚临界流体1，1，1，2-四氟乙烷（R134a）萃取天然产物中原花青素的适宜工艺条件进行了研究，在以山楂为实验原料、萃取压力10MPa、萃取温度50 ℃、萃取时间80 min的工艺条件下，花青素萃取率为2.50%，而用有机溶剂萃取技术得到的山楂花青素萃取率为2.10%，且亚临界流体萃取工艺流程简单，萃取物中没有溶剂残留，是提取附加值高的天然产物花青素的一种新型绿色环保的方法。
2.5 在其他有效成分提取中的应用
亚临界萃取技术除了用于挥发油、多酚、黄酮和花青素类物质的提取外，还可用于天然产物中蛋白质、氨基酸、多糖、蒽醌类、醇类、果胶及生物碱等有效成分的提取。如用丁烷对大豆胚片进行萃取，分离出油脂后，再以液氨为溶剂进行第二次萃取，分离出低聚糖等成分后，可以直接得到浓缩蛋白，克服了醇法提取生产蛋白容易变性的问题，也大大节省了投资[19]。
目前，关于使用亚临界萃取技术从天然产物中提取木质素、纤维素等成分的研究也有一些报道，如H.Chl等人[20]采用亚临界水从脱脂亚麻籽粉中提取木脂素、蛋白质和碳水化合物；M.Tanaka等[21]采用亚临界萃取技术从香橙皮中提取食用纤维素。
3 结语
目前，亚临界萃取技术在天然产物有效成分提取中的应用广泛，如提取挥发油、多酚类物质、黄酮和花青素等有效成分。亚临界萃取技术具有无毒、无害、环保、无污染、可在非热条件下加工、节能、运行成本低及易于和产物分离等优点，是一种具有潜力的绿色提取技术。虽然实验室萃取工艺成本昂贵，但在工业规模生产时，它与其他商业提取方法相比具有较强的竞争力。因此，亚临界萃取技术在提取食品、药材、废弃物中的有效成分，实现工业化生产方面具有很好的发展前景。
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基金项目：
华东理工大学本科教育教学改革项目“重视个性，激发潜能，努力提升大学生创新实践能力”（2016年）
作者简介：
杨志空（1996—），女，湖南邵阳人
研究方向：
制药工程与技术
通讯作者：
韩伟（1968—），男，江苏扬州人，博士，教授，从事中药制药工程、药物分离工程的研究工作。
