靳 杰

（神威藥業(yè)集團(tuán)有限公司，河北石家莊051430）

0 引言

超臨界流體萃取技術(shù)（Supercritical Fluid Extraction，SFE）是近30年發(fā)展起來的一種新型分離技術(shù)，由于其具有操作方便、能耗低、無污染、分散能力高、制品純度高、無溶劑殘留等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“綠色分離技術(shù)”。采取現(xiàn)代化的提取分離技術(shù)和制劑工藝等是中藥現(xiàn)代化的一個(gè)重要方面。目前，中藥提取的常規(guī)方法有煎煮法、水蒸餾法和溶劑浸提法等，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超臨界流體萃取的理論和技術(shù)日漸完善。超臨界流體萃取技術(shù)成熟于20世紀(jì)80年代，并逐漸從實(shí)驗(yàn)室研究走向工業(yè)化生產(chǎn)。由于其選擇分離效果好、提取率高、產(chǎn)物沒有有機(jī)溶劑殘留，有利于熱敏性物質(zhì)和易氧化物質(zhì)的萃取，20世紀(jì)80年代中期以來超臨界流體萃取技術(shù)逐步應(yīng)用到中草藥有效成分的提取分離及分析中。

1 超臨界流體萃取技術(shù)概述

1.1 超臨界流體萃取技術(shù)的概念

超臨界流體（Supercritical Fluid，SCF或SF）是指超臨界溫度（Tc）和臨界壓力（Pc）狀態(tài)下的高密度流體，例如二氧化碳、氨氣、乙烯、丙烷、丙烯、水等。與常溫常壓下的氣體和液體比較，超臨界流體具有2個(gè)特性：（1）密度接近于液體，具有類似液體的高密度；（2）黏度接近于氣體，具有類似氣體的低黏度。因此，擴(kuò)散系數(shù)約比普通液體大100倍。由于同時(shí)具有類似液體的高密度和類似氣體的低黏度，故超臨界流體既具有液體對溶質(zhì)溶解度較大的特點(diǎn)，又具有氣體易于擴(kuò)散和運(yùn)動的特性，其傳質(zhì)速率大大高于液相過程。

物質(zhì)有其固有的臨界溫度（Tc）和臨界壓力（Pc）。圖1為臨界點(diǎn)附近的P-T相圖。若某物的熱力學(xué)狀態(tài)處于臨界點(diǎn)（Tc，Pc）之上時(shí)，物質(zhì)便處于超臨界狀態(tài)。在該狀態(tài)下，它既非氣體又非液體，稱為超臨界流體（SCF）。SCF黏度小，擴(kuò)散系數(shù)大，具有良好的溶解特性和傳質(zhì)特征，兼有氣體和液體的優(yōu)點(diǎn)。SCF既有與氣體相當(dāng)?shù)母邼B透力和低黏度，又兼有與液體相近的密度和對物質(zhì)優(yōu)良的溶解能力，還具有比液體分子大得多的能量和作用力。超臨界流體能溶解于液相，從而降低與之相平衡的液體的黏度和表面張力，并提高整個(gè)平衡液體相的擴(kuò)散系數(shù)，因而可以方便于調(diào)節(jié)溫度、壓力，使超臨界流體的密度連續(xù)變化，使溶解能力在很大范圍內(nèi)得到調(diào)節(jié)。SCF對溶質(zhì)的溶解度取決于其密度。密度越高，溶解度越大。當(dāng)改變壓力時(shí)，其密度即發(fā)生改變，從而導(dǎo)致溶解度發(fā)生變化。中藥中的許多成分都能被其溶解，并且隨著壓力的增大，溶解度增加。

超臨界流體（SCF）的特性如表1所示。

表1 超臨界流體（SCF）的特性

由以上特性可以看出，超臨界流體兼有液體和氣體的雙重特性，擴(kuò)散系數(shù)大、黏度小、滲透性好，與液體溶劑相比，可以更快地完成傳質(zhì)，達(dá)到平衡，促進(jìn)高效分離過程的實(shí)現(xiàn)。

超臨界流體萃?。⊿FE）是利用超臨界狀態(tài)下的流體作為萃取溶劑，從液體或固體物料中萃取出某種或某些組分的一種新型分離技術(shù)。從原料中萃取溶質(zhì)，然后升高溫度或降低壓力，使溶質(zhì)和溶劑分離，從而達(dá)到萃取的目的。超臨界流體可以是單一的，也可以是復(fù)合的。添加適量的夾帶劑可以大大增加其溶解性和選擇性。由于它能同時(shí)完成萃取和蒸餾操作，因此與傳統(tǒng)的分離方法相比，具有分離效率高、操作周期短、傳質(zhì)速率快、滲透能力強(qiáng)、蒸發(fā)潛熱低、選擇性易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。可作為超臨界萃取的溶劑種類有很多，例如二氧化碳、一氧化氮、六氟化硫、己烷、庚烷、氨、二氯二氟甲烷等，但目前研究最多的是CO2。由于CO2具有無色無毒、無腐蝕、化學(xué)惰性、使用安全、對大多數(shù)物質(zhì)不反應(yīng)、易制成高純度的氣體、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，且臨界壓力（7.37 MPa）較低、臨界溫度（31.7℃）接近于常溫，因此實(shí)用價(jià)值最大，是目前首選的清潔型工業(yè)萃取劑。

1.2 超臨界流體萃取技術(shù)的原理

在一定的溫度（Tc＝31.3℃）和壓強(qiáng)（Pc＝7.158 MPa）以上時(shí)，CO2將處于超臨界狀態(tài)，這時(shí)CO2的物理性質(zhì)既不完全與液態(tài)相似，也不完全與氣態(tài)相似，表現(xiàn)為：（1）具有與氣態(tài)時(shí)相當(dāng)?shù)臐B透力和低黏度；（2）具有與液態(tài)相近的密度和優(yōu)良的溶解能力；（3）對溶質(zhì)的溶解能力取決于密度的大小，壓強(qiáng)或溫度的微小改變會引起密度發(fā)生明顯變化，從而導(dǎo)致溶解度發(fā)生變化。

圖2為加有等密度線的CO2相平衡圖。超臨界CO2流體萃?。⊿FE）分離過程的原理是利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關(guān)系，即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進(jìn)行的。在超臨界狀態(tài)下，將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸，使其有選擇性地把極性大小、沸點(diǎn)高低和分子量大小的成分依次萃取出來。當(dāng)然，對應(yīng)各壓力范圍所得到的萃取物不可能是單一的，但可以通過控制條件得到最佳比例的混合成分，然后借助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體，使被萃取物質(zhì)完全或基本析出，從而達(dá)到分離提純的目的，所以超臨界CO2流體萃取過程是由萃取和分離過程組合而成的。

圖2 加有等密度線的CO2相平衡

1.3 超臨界CO2萃取裝置介紹及工作原理

超臨界CO2流體兼具氣體和液體的特性，溶解能力強(qiáng)，傳質(zhì)性能好，加之其無毒、惰性、無殘留等一系列優(yōu)點(diǎn)，以CO2為工作介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于食品、香料、醫(yī)藥等行業(yè)。

萃取裝置的組成設(shè)備為二萃二分，是帶尾氣循環(huán)利用的中型生產(chǎn)設(shè)備，采用不銹鋼制造容器及管道。萃取裝置主要有萃取罐、預(yù)熱器、一級分離器、一級蒸發(fā)器、二級分離器、二級蒸發(fā)器、過濾器、預(yù)冷器、中間儲罐、過冷器、二氧化碳加壓泵、尾氣儲罐、冷熱水循環(huán)系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、快開提升裝置、起吊裝置、電控系統(tǒng)、操作平臺、管道等組成。萃取裝置工作原理如圖3所示。二氧化碳?xì)馄績Σ氐腃O2經(jīng)進(jìn)氣管道進(jìn)入預(yù)冷器，在預(yù)冷器內(nèi)換熱冷凝成液態(tài)CO2流入CO2中間儲罐。中間儲罐設(shè)有液位計(jì)，可現(xiàn)場觀察儲罐內(nèi)CO2的貯量，同時(shí)也可通過控制室的顯示屏觀察儲罐內(nèi)CO2的貯量。中間儲罐是內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)，外層為冷卻保溫夾套，內(nèi)層為容器主體，內(nèi)置溫度傳感器，頂部設(shè)置壓力傳感器和現(xiàn)場壓力表，儲罐內(nèi)的壓力可分為現(xiàn)場顯示和控制室顯示。通過控制預(yù)冷器冷凍液流量，控制CO2為液態(tài)進(jìn)入CO2中間儲罐。通過控制儲罐外層水夾套內(nèi)冷凍液流量，也能確保儲罐內(nèi)CO2始終為液態(tài)。為充分發(fā)揮二氧化碳加壓泵的效率，儲罐內(nèi)的CO2在進(jìn)入加壓泵前，由過冷器再次冷卻，實(shí)現(xiàn)過冷后流入加壓泵打出，進(jìn)入預(yù)熱器，液態(tài)的CO2經(jīng)預(yù)熱器加熱至32℃左右（按用戶工藝要求執(zhí)行）轉(zhuǎn)化為超臨界狀態(tài)進(jìn)入萃取罐。超臨界狀態(tài)的CO2在萃取罐內(nèi)對物料進(jìn)行萃取，達(dá)到設(shè)定的工藝參數(shù)后攜帶萃取物的CO2由調(diào)節(jié)閥控制流量進(jìn)入一級分離器進(jìn)行分離。在一級分離器內(nèi)達(dá)到設(shè)定的工藝參數(shù)后，分離出需要的產(chǎn)品。根據(jù)需要將部分?jǐn)y帶萃取物的超臨界CO2由調(diào)節(jié)閥控制流量大小進(jìn)入二級分離器進(jìn)行二次分離。在二級分離器內(nèi)達(dá)到設(shè)定的工藝參數(shù)后，氣體CO2進(jìn)入循環(huán)管路，進(jìn)行循環(huán)萃取。

圖3 萃取裝置工作原理圖

該套設(shè)備高壓容器較多，使用過程中必須嚴(yán)格控制與其接觸的介質(zhì)的氯離子含量，氯離子含量不大于25 mg/L，否則會發(fā)生危險(xiǎn)。而且，設(shè)備使用過程中必須按壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求使用，并經(jīng)行業(yè)主管部門的定期檢驗(yàn)。

2 超臨界CO2萃取技術(shù)提取中藥有效成分的特點(diǎn)與應(yīng)用

2.1 超臨界CO2萃取技術(shù)提取中藥有效成分的特點(diǎn)

（1）低溫條件下萃取。超臨界CO2萃取在較低溫度（35～40℃）及CO2氣體籠罩下進(jìn)行提取，可以有效地防止熱敏性成分的氧化和逸散，能較完好地保存中藥有效成分不被破壞，不發(fā)生次生化。因此，特別適合于對熱敏感性強(qiáng)、容易氧化分解破壞的成分的提取。

（2）使用SFE是最干凈的提取方法。CO2是一種不活潑的氣體，萃取過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且屬于不燃性氣體，無味、無臭、無毒，而且全過程不用有機(jī)溶劑。因此，萃取物絕無殘留溶媒，同時(shí)也防止了提取過程中對人體的毒害和對環(huán)境的污染。

（3）超臨界CO2還具有抗氧化、滅菌等作用，有利于保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

（4）提取時(shí)間快，生產(chǎn)周期短。超臨界CO2提取循環(huán)一開始，分離便開始進(jìn)行。一般提取10 min就有成分分離析出，2～4 h左右便可完全提取。同時(shí)，它不需濃縮等步驟，即使加入夾帶劑，也可通過分離功能除去，或只需簡單濃縮。

（5）萃取和分離合二為一，當(dāng)飽含溶解物流經(jīng)分離器時(shí)，由于壓力下降使得CO2與萃取物迅速成為兩相（氣液分離）而立即分開，不僅萃取效率高，而且能耗較少，節(jié)約成本。

（6）萃取能力強(qiáng)，提取率高。用超臨界CO2提取中藥有效成分，在最佳工藝條件下，能將所需提取的成分幾乎完全提取，從而大大提高了產(chǎn)品收率及資源的利用率。

（7）超臨界CO2提取工藝流程簡單，操作參數(shù)容易控制，操作方便，能保證有效成分及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，節(jié)省大量的勞動力和有機(jī)溶劑，減少三廢污染，這無疑為中藥現(xiàn)代化提供了一種高效的提取、分離、制備及濃縮的新方法。

（8）CO2價(jià)格便宜，純度高，容易取得，且可在生產(chǎn)過程中循環(huán)使用，從而降低了成本。

（9）超臨界CO2還可直接從單方或復(fù)方中藥中提取不同的部位或直接提取浸膏進(jìn)行藥理篩選，開發(fā)新藥，大大提高了新藥的篩選速度。此外，該方法可以提取許多傳統(tǒng)方法提不出來的物質(zhì)，且較易從中藥中發(fā)現(xiàn)新成分，從而發(fā)現(xiàn)新的藥理藥性，開發(fā)新藥。

（10）超臨界CO2萃取應(yīng)用于分析或與GC、IR、MS、LC等聯(lián)用成為一種高效的分析手段，將其用于中藥質(zhì)量分析，能客觀地反映中藥中有效成分的真實(shí)含量。

（11）經(jīng)藥理、臨床證明，超臨界CO2提取中藥，不僅工藝上優(yōu)越，質(zhì)量穩(wěn)定，且標(biāo)準(zhǔn)容易控制，其藥理、臨床效果能夠得到保證。

2.2 超臨界流體萃取技術(shù)的使用范圍

其使用范圍有：（1）萃取速度高于液體萃取，特別適合于固態(tài)物質(zhì)的分離提取；（2）在接近常溫的條件下操作，能耗低于一般精餾蒸發(fā)，適合于熱敏性物質(zhì)和易氧化物質(zhì)的分離；（3）適合于揮發(fā)性物質(zhì)的分離。

2.3 超臨界流體萃取技術(shù)在中藥提取中的應(yīng)用

近年來，超臨界流體萃取研究開發(fā)仍主要集中于單味藥，而復(fù)方的研究與開發(fā)僅有少量報(bào)道。

2.3.1 在單味藥提取分離中的應(yīng)用

西德Saarland大學(xué)的Stahl教授對許多藥用植物采用SFE法對其有效成分（如各種生物堿、芳香性及油性組分）實(shí)現(xiàn)了滿意的分離。日本學(xué)者宮地洋等從藥用植物蛇床子、桑白皮、甘草根、紫草、紅花、月見草中提取了有效成分。目前，為實(shí)現(xiàn)對中藥的生物堿、黃酮、皂苷類等極性大的有效成分的提取，通過添加夾帶劑及增加壓力而改善流體溶解性質(zhì)的研究亦受到重視。

2.3.2 在復(fù)方提取分離中的應(yīng)用

傳統(tǒng)中醫(yī)藥理論是以整體觀念為指導(dǎo)思想，中藥在臨床上的應(yīng)用主要以復(fù)方形式給藥，復(fù)方應(yīng)混合提取。復(fù)方中有效成分或有效部位組成復(fù)雜，提取難度較大，鑒別困難，如何將超臨界流體萃取應(yīng)用到中藥復(fù)方的提取過程中還有一系列問題待進(jìn)一步研究和探討。葛發(fā)歡等研究了復(fù)方丹參、降香的超臨界CO2萃取方法。郁威等研究了在不同工藝條件下用超臨界CO2萃取法分別對單味當(dāng)歸、單味川芎和復(fù)方當(dāng)歸、川芎進(jìn)行萃取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)方產(chǎn)物的提取率明顯高于單味產(chǎn)物的提取率之和。

3 提高萃取效率的方法

提高萃取效率的方法除了適當(dāng)提高萃取壓力、選取合適的萃取溫度和增大超臨界流體流量之外，還可以采用加入適量的夾帶劑、利用高壓電場和超聲波等措施。此外，還有一些強(qiáng)化措施，包括攪拌、增加流量或采用移動床等，都是為了達(dá)到減少萃取中外擴(kuò)散阻力的目的。

3.1 超臨界流體的輔助溶劑效應(yīng)

在超臨界液體的萃取加工過程中，如果使用單一組分的純氣體，比如CO2、二氧化硫、氯氟烴等，往往會遇到物料在超臨界態(tài)流體中溶解度太低、選擇性不高、溶解度對溫度、壓力變化不敏感等問題，從而使分離操作的能耗增加，時(shí)間延長，產(chǎn)品純度不高。因此，單一組分作為超臨界流體，在實(shí)踐中表現(xiàn)出很大的局限性。所以，在實(shí)際操作中，往往在超臨界流體中添加輔助溶劑（entrainer，又稱助溶劑或夾帶劑）以提高溶解度，增加物質(zhì)溶解度的選擇性。一般情況下，少量輔助溶劑對溶劑密度的影響不大，但是加入輔助溶劑對臨界參數(shù)的改變則非常顯著。

表2為幾個(gè)超臨界流體萃取輔助劑的實(shí)例。

在選擇萃取劑時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）在萃取階段，夾帶劑與溶質(zhì)的相互作用是首要的，即夾帶劑的加入能使溶質(zhì)的溶解度較大幅度提高。（2）在溶質(zhì)再生（分離）階段，夾帶劑應(yīng)易于與溶質(zhì)分離。（3）在分離涉及人體健康的產(chǎn)品時(shí)，如藥品、食品等，還需注意夾帶劑的毒性問題。

表2 常見的超臨界流體萃取輔助劑

3.2 利用高壓電場

高壓脈沖電場可顯著改善萃取溶質(zhì)與膜脂等成分的互溶速率及通過細(xì)胞壁物質(zhì)的傳質(zhì)能力，從而提高萃取效率。寧正祥等用高壓脈沖電場強(qiáng)化超臨界CO2萃取荔枝種仁精油，在300 MPa以下時(shí)，高壓脈沖處理可明顯改善超臨界萃取效率，尤其是在萃取率低于80%時(shí)，高壓脈沖電場效果顯著。

3.3 利用超聲波

在超臨界流體萃取天然生物資源活性有效成分的過程中，采用強(qiáng)化措施減少萃取的外擴(kuò)散阻力往往能取得很好的萃取效果。方瑞斌等用超聲波強(qiáng)化超臨界CO2萃取紫杉醇。

4 超臨界流體萃取技術(shù)存在的問題

超臨界CO2萃取技術(shù)并非是完美的，也存在著自身不可克服的問題，具體表現(xiàn)為：

（1）對極性大、分子量超過500的物質(zhì)，需要夾帶劑或在很高的壓力下進(jìn)行萃取，這就需要選擇合適的夾帶劑或增加高壓設(shè)備。

（2）對于成分復(fù)雜的原料，單獨(dú)采用SPE-CO2技術(shù)往往滿足不了純度的要求，需要與其他分離手段聯(lián)用。

（3）從設(shè)備上講，SFE裝置需要高壓設(shè)備，從安裝到投入使用，再到使用過程中的維護(hù)，整個(gè)過程對工程技術(shù)的要求較高，安全問題十分突出，且價(jià)格較昂貴。

（4）盡管目前實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的研究，積累了一些經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，但是有關(guān)SFE技術(shù)的工業(yè)化研究還比較薄弱。要想應(yīng)用到工業(yè)化大生產(chǎn)中，還有大量的基礎(chǔ)研究和化學(xué)工程方面的問題需要解決。

（5）SC-CO2萃取裝置在更換產(chǎn)品時(shí)清洗比較困難，萃取產(chǎn)物的收集必須在無菌箱中進(jìn)行，存在裝卸料的連續(xù)化問題及設(shè)備一次性投資較大的問題等。

（6）超臨界萃取技術(shù)是近幾十年才發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，技術(shù)理論尚不成熟，尤其是還沒有公認(rèn)的萃取過程的熱力學(xué)模型。而且工藝技術(shù)要求較高，相關(guān)的技術(shù)人員還有待培養(yǎng)，經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)資料都有待積累。

5 超臨界流體萃取技術(shù)的發(fā)展方向

超臨界流體萃取技術(shù)是近20年來國際上迅速發(fā)展的化工分離高新技術(shù)，雖然其在許多方面已得到應(yīng)用，但還遠(yuǎn)沒有發(fā)揮其應(yīng)有的作用。這主要是因?yàn)槟壳皩ΤR界流體性質(zhì)的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。隨著人們認(rèn)識的深入，SFE技術(shù)在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用正日益受到重視，從理論和應(yīng)用上都已經(jīng)證明了其在中藥領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用前景。

近些年來，出現(xiàn)了一些SFE技術(shù)與其他技術(shù)的在線耦合方法，如超臨界CO2流體萃取—?dú)庀嗌V聯(lián)用、超臨界CO2流體萃取—液相色譜聯(lián)用，這些聯(lián)用技術(shù)使得萃取物萃取后不用轉(zhuǎn)移即可進(jìn)行直接分析，將氣相色譜或液相色譜用作檢測手段，可以充分發(fā)揮這些現(xiàn)代分析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對萃取效率、萃取物組分、有效成分含量以及萃取物純度等進(jìn)行深入研究，進(jìn)而進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，并以直觀的色譜圖反映出來。除此之外，還出現(xiàn)了超臨界CO2流體萃取—紅外聯(lián)用、超臨界CO2流體萃取—質(zhì)譜聯(lián)用等技術(shù)，SFE法還可以與各種分離手段聯(lián)用，出現(xiàn)了超聲強(qiáng)化SFE技術(shù)。這些聯(lián)用技術(shù)可以解決單獨(dú)采用SFE法萃取中藥時(shí)，由于中藥成分復(fù)雜、近似化合物多、萃取物純度不高等問題。這些新技術(shù)對于促進(jìn)超臨界CO2萃取技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展具有重要意義，也是今后研究中草藥分析的發(fā)展方向之一。

超臨界CO2萃取分離技術(shù)是一項(xiàng)獲得健康、安全、高品質(zhì)產(chǎn)品和對環(huán)境友好的高新技術(shù)。隨著人們對自身健康的重視和環(huán)境保護(hù)意識的日益加強(qiáng)，以及世界各地對藥品、食品管理衛(wèi)生越來越嚴(yán)格，預(yù)計(jì)超臨界CO2萃取分離技術(shù)在今后將得到廣泛的應(yīng)用，超臨界CO2萃取產(chǎn)品也將成為人們首選的健康產(chǎn)品。

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