姚 眾，董晨晨，張貴云，張麗萍，劉 珍，范巧蘭，呂貝貝

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西運(yùn)城044000）

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)藥殘留和土壤重金屬超標(biāo)等問(wèn)題日益受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以散戶種植為主，由于操作不規(guī)范，且化學(xué)農(nóng)藥使用次數(shù)和用量超過(guò)限量標(biāo)準(zhǔn)，極易造成環(huán)境污染、3R 問(wèn)題（Residue，Resistance，Resurgence）等。因此，對(duì)環(huán)境友好、對(duì)非靶標(biāo)生物安全、不易產(chǎn)生抗藥性、促進(jìn)作物生長(zhǎng)并提高抗病性的植物源農(nóng)藥日益受到重視[1]。

植物源農(nóng)藥是指利用從植物中提取的活性成分或其次生代謝產(chǎn)物加工而成的制劑[2]。中國(guó)地大物博，植物資源豐富，研究植物源農(nóng)藥具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。目前，我國(guó)有很多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在進(jìn)行植物源農(nóng)藥相關(guān)的研究，篩選出多種具有高效殺蟲、殺菌、除草活性的植物，同時(shí)更加注重對(duì)植物源物質(zhì)特殊生物活性的發(fā)現(xiàn)[3]。而且，市面上已有多種植物源活性成分的農(nóng)藥取得登記并成功應(yīng)用，如苦參堿、印楝素等。傳統(tǒng)的植物源農(nóng)藥提取方法（如溶劑提取法、水蒸氣蒸餾法[4]等）提取率不高、工序復(fù)雜、周期長(zhǎng)。超臨界CO2流體（SCF-CO2）萃取技術(shù)作為一種新型的萃取分離技術(shù)具有保持生物活性、提取率高、操作簡(jiǎn)便、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于提取植物源農(nóng)藥，尤其適于穩(wěn)定性差的活性物質(zhì)。葛發(fā)歡等[5]用超臨界萃取法研究了從黃山藥中萃取薯蕷皂素的最佳條件，與傳統(tǒng)的汽油法相比，不僅提取率提高了1.5倍，而且避免了使用汽油這種危險(xiǎn)化學(xué)品易燃易爆的危險(xiǎn)。郭清泉等[6]利用降香植物的根和莖，采用超臨界萃取法進(jìn)行提取，并與水蒸餾法對(duì)照，超臨界萃取法較水蒸餾法大大提高了樣品的提取率。

1 SCF-CO2萃取技術(shù)概述

超臨界流體（Supercritical Fluid，SCF）是一種溫度和壓力均高于其臨界狀態(tài)，介于氣體與液體之間的流體。超臨界流體兼具氣體和液體的雙重特性，其密度與液體相近，黏度和氣體相近，但其擴(kuò)散系數(shù)約比液體大100倍?；谌芙膺^(guò)程中發(fā)生的分子間相互作用、擴(kuò)散作用等因素，使得SCF對(duì)許多物質(zhì)都有很強(qiáng)的溶解能力。超臨界流體萃?。⊿upercritical Fluid Extraction，SFE）就是基于SCF的理化特性，將其作為萃取劑，從液體或固體物質(zhì)中分離出特定成分的一種新型分離技術(shù)[7]。CO2以無(wú)毒、無(wú)害、易于分離、臨界溫度（31.4℃）接近室溫、臨界壓力也不高（7.38 MPa）等優(yōu)勢(shì)，成為應(yīng)用最廣、最多的一種超臨界流體[8]。超臨界CO2流體萃?。⊿FECO2）利用SCF的強(qiáng)溶解能力特性，可以從植物中提取多種有效成分，再通過(guò)減壓、升溫等步驟將萃取物分離出來(lái)，從而獲得目標(biāo)物質(zhì)。

1.1 SCF-CO2萃取原理

SCF-CO2對(duì)溶質(zhì)的溶解度受其密度影響。當(dāng)其處于臨界點(diǎn)附近時(shí)，壓力和溫度的細(xì)微變化使得其密度隨即發(fā)生變化，從而導(dǎo)致溶解度的改變。因此，可通過(guò)對(duì)溫度或壓力的調(diào)節(jié)來(lái)改變SCF-CO2的溶解能力[9]，使其溶解度在較大范圍（100～1 000倍）內(nèi)得到提高，選擇性地萃取不同沸點(diǎn)、極性、相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)。一般情況下，SCF-CO2的溶解能力隨其密度的增大而升高。恒壓狀態(tài)下，溫度升高，溶質(zhì)的溶解度減?。缓銣貭顟B(tài)下，壓力升高，溶質(zhì)的溶解度增大[10]。

1.2 SCF-CO2萃取植物源農(nóng)藥的優(yōu)越性

SCF-CO2萃取技術(shù)在植物源農(nóng)藥的提取中與傳統(tǒng)方法相比，具有一系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：首先，CO2的超臨界溫度較低（31.4℃），方便在接近室溫且有CO2氣體籠罩的環(huán)境下進(jìn)行萃取，實(shí)驗(yàn)條件溫和，不會(huì)破壞溶質(zhì)中的生物活性物質(zhì)，在防止熱敏性物質(zhì)氧化和逸散上效果良好，所以，特別適用于一些低揮發(fā)度和熱敏性物質(zhì)的分離和精制[11]；其次，CO2簡(jiǎn)單易得、經(jīng)濟(jì)適用，無(wú)毒、無(wú)害，不產(chǎn)生殘留物，萃取過(guò)程對(duì)人體無(wú)害，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是純天然萃取技術(shù)[12]；第三，SCF-CO2萃取選擇性好，通過(guò)對(duì)壓力和溫度的控制可以改變超臨界CO2的密度，進(jìn)而影響其對(duì)物質(zhì)的溶解能力，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性地萃取植物中目標(biāo)物質(zhì)，萃取過(guò)程中，通常無(wú)相變的過(guò)程，只涉及顯熱，且SCF-CO2在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中溫差小，便于實(shí)現(xiàn)熱量回收，節(jié)省能源[13]；第四，萃取和分離可一步完成，萃取產(chǎn)品的純度較高。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膲毫?、溫度和夾帶劑，可提取出高純度的目標(biāo)產(chǎn)品，尤其適用于植物源農(nóng)藥中活性物質(zhì)的精制[14]。

2 SFE-CO2在植物源農(nóng)藥提取中的應(yīng)用

由于超臨界CO2流體萃取技術(shù)具有如上諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)其在植物源農(nóng)藥提取中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 萜類化合物的提取

萜類化合物是異戊二烯的整數(shù)倍的烴類化合物及其含氧衍生物，是一種天然化合物，廣泛存在于植物體內(nèi)，特別是針葉樹(shù)中。作為植物源農(nóng)藥的有效成分之一，其具有破壞害蟲信息傳遞和交配、內(nèi)吸、拒食、麻醉、抑制生長(zhǎng)發(fā)育、觸殺和胃毒作用。萜類化合物熱穩(wěn)定性較差，傳統(tǒng)的提取方法不但提取率低，且易引起有效成分的分解、變質(zhì)和揮發(fā)。SFE-CO2可利用CO2臨界溫度接近室溫的特性，高效萃取出萜類化合物，既省時(shí)又省力。印楝素是世界上公認(rèn)的活性最強(qiáng)的植物源殺蟲劑[15]，美國(guó)農(nóng)業(yè)部稱其為“可解決全球問(wèn)題之樹(shù)”[16]，屬于四降三萜類化合物，在光照、高溫、水分等條件下極易分解失活。徐勇等[17]研究表明，SFE-CO2與傳統(tǒng)的溶劑萃取法相比，設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、不會(huì)破壞印楝素的生物活性組分、無(wú)有機(jī)溶劑污染，適合工業(yè)化大量連續(xù)生產(chǎn)。趙淑英等[18]從印楝中提取印楝素，以甲醇為夾帶劑，在2.3 MPa，32℃，CO2流量為10 m3/h條件下萃取2 h得到印楝素粗提物，其室內(nèi)殺甜菜夜蛾的活性比利用微波輔助提取等其他萃取方法得到的高，且提取速度快、效率高、易分離。呂兆林等[19]用SFE-CO2從油松針葉中萃取以α-蒎烯和β-石竹烯為代表的萜烯類化合物，在萃取壓力15 MPa、萃取溫度40℃、萃取時(shí)間20 min時(shí)，萃取率較高，比水蒸氣蒸餾省時(shí)且樣品回收率高。

2.2 黃酮類化合物的提取

黃酮類化合物廣泛存在于自然界，是一類具有2-苯基色原酮結(jié)構(gòu)的化合物，通常能與植物體中的糖結(jié)合成苷類，也有一些以游離態(tài)（苷元）形式存在。絕大多數(shù)植物都含有黃酮類化合物，該物質(zhì)在植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、生殖生長(zhǎng)和抑菌防病等方面有重要作用。通過(guò)SFE-CO2萃取植物源農(nóng)藥中的黃酮類化合物，此方法較傳統(tǒng)方法操作簡(jiǎn)單，萃取分離可一步完成，產(chǎn)品純度高。MARIA等[20]通過(guò)傳統(tǒng)的壓榨、超臨界流體萃取和微波萃取等不同方法萃取黃連堿，結(jié)果表明，超臨界萃取法萃取出的黃連堿含量最高。SFE-CO2萃取苦蕎中黃酮類化合物，當(dāng)苦蕎顆粒0.3 mm，添加無(wú)水乙醇3%為夾帶劑，50℃，30 MPa條件下萃取120 min，萃取率（1.2%左右）達(dá)到最大[21]。韓鳳麟[22]用SFE-CO2萃取墨旱蓮中黃酮類化合物的最佳工藝條件為：萃取溫度40℃，萃取時(shí)間2 h，夾帶劑80%乙醇，乙醇流量為0.4 mL/min。在提取紅薯葉黃酮中，當(dāng)萃取溫度50℃，萃取壓力30 MPa，夾帶劑80%乙醇，CO2流量15 L/h時(shí)，黃酮得率6.25%[23]。由文穎等[24]提取山楂核黃酮的研究中，每50 g原料加入75%乙醇75 mL，萃取時(shí)間為90 min，萃取溫度40℃，萃取壓力25 MPa，黃酮提取率為3.308%。甘蔗葉中黃酮類化合物的最佳提取工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%，料液比1∶40（g/mL），浸取時(shí)間為3.0h，浸取溫度為70℃，在此條件下甘蔗葉黃酮類化合物提取率可達(dá)5.81%[25]。

2.3 精油類化合物的提取

植物精油是植物組織中隨水蒸氣蒸餾而出的成分,包括酚、酸、醛、醇以及芳香族化合物類等[26]，具有植物特征性氣味，常溫下為易揮發(fā)的油狀液體，帶有芳香氣味，幾乎不溶于水，但可溶于多數(shù)有機(jī)溶劑和高濃度乙醇中。此類物質(zhì)具有毒殺、拒食、抑制生長(zhǎng)發(fā)育和昆蟲性外激素的引誘作用。李兵[27]在提取土荊芥精油時(shí)，得出粒度0.25～0.42 mm，萃取參數(shù)分別為，壓力20 MPa，溫度55℃，分離壓6 MPa，分離溫度60℃，萃取時(shí)長(zhǎng)65 min，CO2流量為34～36 L/h，此條件下萃取率為7.92%。SFE-CO2萃取較傳統(tǒng)方法提取率較高，且避免了提取中油脂成分氧化、酸敗和有機(jī)溶劑殘留等問(wèn)題。賈秀艷[28]研究表明，SC-CO2萃取薄荷精油的最佳工藝條件為CO2流量為35 kg/h、萃取溫度40℃，萃取壓力35 MPa、萃取時(shí)間2.5 h，此條件下薄荷精油提取率為3.32%。強(qiáng)磊[29]分別利用單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，將超臨界CO2流體萃取野胡蘿卜籽精油的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，確定其最佳工藝條件：萃取壓力13.46 MPa、萃取溫度40.16℃、夾帶劑添加量為3.25%，野胡蘿卜籽精油得率預(yù)測(cè)值為17.68%。江志利[30]研究表明，樣品量為1 g時(shí)，SC-CO2萃取木姜子植物揮發(fā)油的較佳工藝條件為：采用先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)的萃取方式。靜態(tài)萃取壓力27.58 MPa，時(shí)間10 min；動(dòng)態(tài)萃取壓力27.58 MPa，萃取溫度55℃，CO2體積40 mL，揮發(fā)油最佳得率為7.85%。徐敬東[31]采用水蒸氣蒸餾提取和CO2超臨界流體萃取2種方法，進(jìn)行紫藤種子揮發(fā)油的提取。結(jié)果表明，SC-CO2萃取溫度40℃、萃取壓力25 MPa，乙醇含量5%，提取時(shí)間2.5 h，此條件下精油提取率為10.50%，水蒸氣蒸餾提取的提取率為0.011%。超臨界提取的提取率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水蒸氣蒸餾提取，存在明顯差異。通過(guò)GC-MS分析發(fā)現(xiàn)，2種提取方法得到的精油成分具有較大的差異，超臨界提取精油對(duì)3種真菌的抑制活性均優(yōu)于水提精油。

2.4 生物堿的提取

生物堿是存在于自然界中的一類含氮的堿性有機(jī)化合物，有類似堿的性質(zhì)，大多有復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，是植物源農(nóng)藥中重要的有效成分之一。生物堿是植物次生代謝產(chǎn)物中較大的一類，目前從植物中分離出來(lái)的生物堿有5 000～7 000種[32]。通常生物堿類在植物源農(nóng)藥中殺蟲毒力最強(qiáng)，一般通過(guò)毒殺、拒食、麻醉和抑制生長(zhǎng)發(fā)育等方式作用于昆蟲?？鄥A、氧化苦參堿作為廣譜殺蟲劑，用于防治黏蟲、菜青蟲、蚜蟲等，主要來(lái)源于苦參、山豆根等。劉修樹(shù)等[33]運(yùn)用正交試驗(yàn)法探討SC-CO2萃取苦參中苦參堿的最佳工藝：將苦參藥材粉碎后過(guò)0.25 mm篩，加0.5 mL/L氨水浸潤(rùn)過(guò)夜，4倍量75%乙醇（V∶V）作為夾帶劑，在 25 MPa，60℃，萃取 3 h，CO2流量40 kg/h時(shí)，萃取物中苦參堿含量最高，為22.97～24.23 mg/g。蔡智慧等[34]研究表明，通過(guò)正交試驗(yàn)確定了披針葉黃華總生物堿SC-CO2流體萃取的最佳工藝為：萃取溫度45℃，萃取壓力20 MPa，CO2流量20 kg/h、萃取時(shí)間80 min，此條件下總生物堿得率為3.12%。佟若菲等[35]研究發(fā)現(xiàn)，黃連生物堿最佳萃取工藝條件為：萃取溫度60℃，萃取壓力30 MPa，物料粒度 0.25～0.42 mm，萃取時(shí)間 1.5 h，此條件下黃連中生物堿萃取率為14.24%。ARVIND等[36]測(cè)定，長(zhǎng)春花生物堿最適宜萃取條件：25 MPa，40 min，80℃，夾帶劑為甲醇，提取率4.1%。盛桂華等[37]通過(guò)4因素3水平的響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究分步SFE-CO2萃取山豆根中苦參堿的最佳工藝：山豆根干燥粉碎后，按料液比2∶1加入0.1 mol/L氨水浸泡過(guò)夜后過(guò)濾，濾渣投入萃取釜，每隔1.5 h取樣1次，共取2次，第1步萃取溫度80℃，萃取壓力45 MPa，以100%乙醇（V∶V）為夾帶劑，用量80 mL/100 g；第2步萃取溫度30℃，萃取壓力25 MPa，夾帶劑不變，該條件下萃取苦參堿萃取率達(dá)96%。大多生物堿以鹽的形式存在于植物組織中，在SFE-CO2萃取時(shí)，提前用堿化劑（如氨水、Na2CO3和Ca（OH）2溶液等）處理原料，使原來(lái)與酸結(jié)合的生物堿鹽轉(zhuǎn)變成游離態(tài)，增加其在SFE-CO2中的溶解度，以提高萃取效率。

3 展望

超臨界CO2萃取技術(shù)因?yàn)槠洵h(huán)保、生產(chǎn)安全、不會(huì)損害產(chǎn)品活性、提取效率高等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為植物源農(nóng)藥提取中一種非常具有發(fā)展?jié)摿Φ母咝绿崛》蛛x技術(shù)。但是在植物源農(nóng)藥的提取中依然有其自身的局限性，對(duì)于許多極性較強(qiáng)的物質(zhì)尤其是生物堿類物質(zhì)很難進(jìn)行有效的萃取分離，需要加入適合的夾帶劑，提高萃取率。何雁等[38]探討SFE-CO2萃取丹參酮的最佳工藝條件，采用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)影響萃取結(jié)果的因素進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)夾帶劑用量影響萃取結(jié)果最為顯著，當(dāng)夾帶劑用量10%時(shí)，萃取效率最高。所以，今后應(yīng)在夾帶劑方面進(jìn)行重點(diǎn)研究，可以在夾帶劑類型、用量和濃度等不同條件下對(duì)比萃取率，得出不同成分的最佳萃取工藝。

超臨界CO2萃取技術(shù)因其設(shè)備投資大，未能普遍應(yīng)用，并在萃取時(shí)常需要加入夾帶劑，影響溶劑的溶解度和選擇性，因此，需要依據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇合適的夾帶劑和用量[39]。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依托于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。目前，國(guó)內(nèi)研究常用的方法有正交設(shè)計(jì)、星點(diǎn)設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)以及響應(yīng)面設(shè)計(jì)法，這些方法在優(yōu)化植物源農(nóng)藥的提取中得到廣泛應(yīng)用[40]。不同的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法各有自身的優(yōu)勢(shì)和局限，因此，我們應(yīng)根據(jù)不同需要選擇適宜的萃取方式和優(yōu)化方法，這樣能極大地提高工藝優(yōu)化的效率和準(zhǔn)確性。另外，可以將超臨界CO2萃取技術(shù)與傳統(tǒng)方法有效結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，大大提高萃取效率，對(duì)于促進(jìn)超臨界CO2萃取技術(shù)的發(fā)展有重要意義，也將推動(dòng)植物源農(nóng)藥的研究向更高層次發(fā)展。