超临界流体萃取的基本原理及其在中药有效成分提取方面的优点,并从中药有效成分提取和中草药除杂两方面介绍了超临界流体萃取技术在中药开发中的应用。指出超临界流体萃取技术是一种新型高效分离技术,也是中药现代化的关键技术之一。

一种流体(气体或液体),当其温度和压力均超过其相应临界点值,则称该状态下的流体为超临界流体。流体与常规溶剂相比,优势在于其密度近似于液体,黏度近似于气体(低黏度)。表现为对溶质的溶解度高,似气体、易扩散,传质效率高等特点。萃取兼具精馏和液-液萃取的特点,操作参数易于控制,溶剂可循环使用,尤其适合于中药热敏物质的分离,能实现无溶剂残留的特点。

超临界萃取常使用的萃取剂为CO2。由于单一组分流体对溶质的溶解度和选择性有较大局限性,如CO2在萃取极性溶质时,溶解度较小,萃取量低,因此在超临界萃取过程中为提高萃取能力,常加入适当的非极性或极性溶剂,即夹带剂(亦称改性剂),增强溶质在其中的溶解度和选择性。

大量的调研结果表明,中药有效成分提取分离过程是制约中药发展的瓶颈,是中药生产过程的关键环节。作为一种新型提取分离技术,超临界萃取技术已成为中药现代化的关键技术之一。在整个中药提取分离领域,我国的工程技术研究相当薄弱;一些新的提取分离技术虽然已引入该领域的研究开发,但是成果转化不多。这些都成为影响中药产业发展进程的因素。一种溶剂对固体或液体的萃取能力在其超临界状态下较之在常温常压条件下可获得几十倍甚至几百倍的提高。这种超临界流体现象自被发现以来,已引起世人极大关注。尤其是近30年来,超临界流体萃取技术取得迅速发展,我国已将其列为中药现代化高效提取分离的一项新技术。国家实施中药现代化或现代中药产业化以来,超临界萃取技术已被大量应用于中药的研究开发,有相当部分已投入生产,并呈现良好的发展势头。

与传统提取方法相比,利用超临界流体萃取技术提取中药有效成分具有许多独特的优点。超临界流体萃取兼有精馏和液液萃取的某些特点。溶质的蒸气压、极性及分子量的大小均能影响溶质在超临界流体中的溶解度,组分间的分离程度由组分间的挥发度和分子间的亲和力共同决定。一般情况下,组分是按沸点高低的顺序先后被萃取出来;非极性的超临界CO2流体仅对非极性和弱极性物质具有较高的萃取能力;超临界流体萃取在临界点附近操作,因而特别有利于传热和节能。这是因为当流体接近临界点时,气化潜热将急剧下降。在临界点处,可实现气液两相的连续过渡。此时,气化潜热将急剧下降。在临界点处,可实现气液两相的连续过渡。此时,气液两相界面消失,气化潜热为零;超临界流体的萃取能力取决于流体的密度,因而可方便地通过调节温度和压力来加以控制,这对保证提取物的质量稳定是非常有利的;超临界萃取所用的萃取剂可循环使用,其分离与回收方法远比精馏和液液萃取简单,且耗能较低。实际操作中,常采用等温减压或等压升温的方法,将溶质与萃取剂分离开来;当用煎煮、浓缩、干燥等传统方法提取中药有效成分时,一些活性组分可能会因高温作用而破坏。而超临界流体萃取过程可在较低的温度下进行,如以CO2为萃取剂(临界温度为31.1℃)的超临界萃取过程可在接近于室温的条件下进行,因而特别适合于热敏性组分的提取,且无溶剂残留。

萜类和挥发油的提取

萜类化合物是一类具有广泛生物活性的天然药物有效成分,而植物中的挥发油大多富含萜和倍半萜类化合物。挥发油的沸点较低,其传统提取工艺是水蒸气蒸馏法,但该法存在提取温度高、提取时间长、易破坏有效成分的缺陷,导致提取收率较低。由于挥发油的分子量不大,且在超临界CO2流体中具有良好的溶解性能,因而多数可用超临界CO2流体直接萃取而得。李桂生等比较了超临界CO2萃取法和水蒸气蒸馏法提取当归挥发油的收率,结果表明前者的收率约为后者的2倍。翟万云等比较了超临界CO2萃取法和水蒸气蒸馏法提取苕叶细辛挥发油的收率,结果表明前者的收率约为后者的7倍。曾虹燕等比较了超临界CO2萃取法和水蒸气蒸馏法提取荷叶挥发油的收率,结果表明前者的收率约为后者的2.6倍。钱国平等利用超临界CO2流体从黄花蒿中萃取青蒿素,结果表明萃取率可达95%以上,优于传统的溶剂提取法。

黄酮类化合物的提取

黄酮类化合物具有降压、降血脂和抑制血小板聚集等功能,在大部分中药中均存在。黄酮类化合物的传统提取方法主要有水煎煮法、浸泡法或碱提酸沉法,缺点是费时、费工,且收率较低。应用超临界流体萃取技术提取中药中的黄酮类化合物,具有速度快、收率高等优点。丹参是常用的活血化瘀药,已知的活性成分是以丹参酮ⅡA为代表的丹参酮类脂溶性物质以及丹参素、母酚酸、原儿茶酚为代表的水溶性物质,其常规提取方法主要有水提法和乙醇热回流法,但提取效果均不理想。萧效良等利用超临界CO2萃取技术提取丹参中的活性成分,结果表明一次提取物中的丹参酮ⅡA的含量大于20%,水溶性有效成分的含量大于35%,收率是常规提取法的2倍以上。

生物碱的提取

生物碱是生物体内一类含氮有机物的总称,多数生物碱具有较复杂的含氮杂环结构和特殊而显著的生理作用,是中草药中的重要成分之一。近年来,有关超临界流体萃取技术提取中药中的生物碱的报道很多。葛发欢等利用超临界CO2萃取技术提取益母草中的总生物碱,提取率可达常规法的10倍。姜继祖等以76%的乙醇为夹带剂,利用超临界CO2萃取技术从光茹子中提取抗肿瘤药秋水仙碱,提取率为回流提取法的1.25倍。

苷类和糖类化合物的提取

由于苷类和糖类化合物的分子量较大、羟基较多、极性较大,因而难溶于低极性溶剂,故用超临界CO2萃取时常需提高操作压力或加入夹带剂以提高收率。王俊等以3%的乙醇为夹带剂,在压力为35MPa、温度为40℃的条件下,用超临界CO2萃取穿山龙中的薯蓣皂苷元,结果表明该法具有速度快、收率高、提取完全等优点。王化田等将超临界CO2萃取法与乙醇常温浸提法相结合,实现了红景天苷与苷元酪醇之间的有效分离。葛发欢等对超临界CO2萃取薯蓣皂素的工艺条件进行了研究,并进行了中试放大,结果表明该工艺具有收率高、生产周期短等优点。

醌类化合物的提取

醌类化合物是一类分子中具有不饱和环二酮结构的有机化合物,具有抗菌、抗氧化、抗肿瘤等多种生物活性。研究表明,超临界流体萃取技术可用于中药中醌类化合物的提取。由于多数醌及其衍生物的极性较大,因而提取时常需加入适当的夹带剂。袁海龙等以甲醇为夹带剂,利用超临界CO2萃取技术提取何首乌中的醌类活性成分,结果表明超临界CO2萃取法具有速度快、收率高、后处理简单等优点。

苯丙素类化合物的提取

苯丙素类化合物是一类含有一个或多个C6-C8单位的天然成分,包括香豆素、木脂素等。苯丙素类化合物广泛存在于植物中,其中的许多化合物具有生物活性。苯丙素类化合物通常为亲脂性成分,可直接用超临界CO2流体进行提取。但对于分子量较大或极性较强的组分,则需提高萃取压力或加入适当的夹带剂以改善提取效果。黄芳等在压力为38.5MPa、温度为70℃的条件下,利用超临界CO2流体从补骨脂中提取分离出补骨脂素和异补骨脂素,表明用超临界CO2提取分离补骨脂素的工艺是可行的。杨苏蓓利用超临界CO2萃取技术提取五味子中的木脂素等成分,结果表明在最佳工艺条件下,萃取物的得率可达12.87%。

超临界流体萃取技术已成为实现中药现代化的关键技术之一。从中药现代化的角度,今后的研究方向主要有以下几个方面。

超临界流体萃取的工艺研究

有关超临界流体萃取技术在中药提取中的应用主要局限于单味中药有效成分的提取,这显然与传统中药以复方为主的事实极不相称。因此,加强中药复方超临界提取工艺的研究将是今后有待解决的重要课题。此外,将超临界流体技术与结晶、超细粉碎等过程结合起来用于中药新剂型的开发,以推动中药制剂的现代化,也是今后的一个重点研究方向。

超临界流体萃取过程的基础理论研究

迄今为止,有关超临界流体萃取过程的热力学及传质理论的研究还很不充分,其主要原因是高压条件下实验数据的测定比较困难。因此,应对现有的实验测试技术进行改进,以丰富和完善各种中药体系在超临界条件下的相平衡及传热、传质数据,并建立描述超临界流体萃取过程的热力学和动力学模型,从而为超临界流体萃取过程的设计和优化提供理论依据。

超临界流体萃取过程的强化研究

就机理而言,超临界流体萃取过程是一类传质分离过程。因此,一些传统分离技术的某些强化措施有可能用于超临界流体萃取过程。例如,一些研究者利用超声波、微波和电场等来强化超临界流体萃取过程的研究已取得一定的进展。有关超临界流体萃取过程的强化研究少有报道,这方面尚有许多工作要做。

与其他分离技术的藕合研究

由于中药成分极其复杂,近似化合物往往很多,因此采用单一的超临界流体萃取技术往往不能满足产品的纯度要求,此时可将超临界流体萃取技术与其他分离技术(如精馏、膜分离等)耦合起来,以形成更为高效的复合分离技术。

结语

超临界流体萃取具有萃取时间短、有效成分含量高等优点,从而可替换传统的中草药提取法。为了使超临界二氧化碳萃取技术应用更科学、更为有效和更为有利可图,世界许多国家正在开发研究,以便完善和拓宽这一技术,使它真正应用于工业生产,造福人类,造福于社会。