超臨界萃取的技術(shù)原理及應(yīng)用
一、超臨界萃取的技術(shù)原理
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，被萃取物質(zhì)則完全或基本析出，從而達到分離提純的目的，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。
超臨界CO2是指處于臨界溫度與臨界壓力（稱為臨界點）以上狀態(tài)的一種可壓縮的高密度流體，是通常所說的氣、液、固三態(tài)以外的第四態(tài)，其分子間力很小，類似于氣體，而密度卻很大，接近于液體，因此具有介于氣體和液體之間的氣液兩重性質(zhì)，同時具有液體較高的溶解性和氣體較高的流動性，比普通液體溶劑傳質(zhì)速率高，并且擴散系數(shù)介于液體和氣體之間，具有較好的滲透性，而且沒有相際效應(yīng)，因此有助于提高萃取效率，并可大幅度節(jié)能。
超臨界CO2的物理化學(xué)性質(zhì)與在非臨界狀態(tài)的液體和氣體有很大的不同。由于密度是溶解能力、粘度是流體阻力、擴散系數(shù)是傳質(zhì)速率高低的主要參數(shù)，因此超臨界CO2的特殊性質(zhì)決定了超臨界CO2萃取技術(shù)具有一系列的重要特點。超臨界CO2的粘度是液體的百分之一，自擴散系數(shù)是液體的100倍，因而具有良好的傳質(zhì)特性，可大大縮短相平衡所需時間，是高效傳質(zhì)的理想介質(zhì)；具有比液體快得多的溶解溶質(zhì)的速率，有比氣體大得多的對固體物質(zhì)的溶解和攜帶能力；具有不同尋常的巨大壓縮性，在臨界點附件，壓力和溫度的微小變化會引起CO2的密度發(fā)生很大的變化，所以可通過簡單的變化體系的溫度或壓力來調(diào)節(jié)CO2的溶解能力，提高萃取的選擇性；通過降低體系的壓力來分離CO2和所溶解的產(chǎn)品，省去消除溶劑的工序。
在傳統(tǒng)的分離方法中，溶劑萃取是利用溶劑和各溶質(zhì)間的親和性（表現(xiàn)在溶解度）的差異來實現(xiàn)分離的；蒸餾是利用溶液中各組分的揮發(fā)度（蒸汽壓）的不同來實現(xiàn)分離的。而超臨界CO2萃取則是通過調(diào)節(jié)CO2的壓力和溫度來控制溶解度和蒸汽壓這2個參數(shù)進行分離的，故超臨界CO2萃取綜合了溶劑萃取和蒸餾的2種功能和特點，進而決定了超臨界CO2萃取具有傳統(tǒng)普通流體萃取方法所不具有的優(yōu)勢：通過調(diào)節(jié)壓力和溫度而方便地改變?nèi)軇┑男再|(zhì)，控制其選擇性；適當(dāng)?shù)剡x擇提取條件和溶劑，能在接近常溫下操作，對熱敏性物質(zhì)可適用；因粘度小、擴散系數(shù)大，提取速度較快；溶質(zhì)和溶劑的分離徹底而且容易。從它的特性和完整性來看，相當(dāng)于一個新的單元操作，因此引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。
二、超臨界萃取的特點
1、超臨界萃取可以在接近室溫(35～40℃)及CO2氣體籠罩下進行提取，有效地防止了熱敏性物質(zhì)的氧化和逸散。因此，在萃取物中保持著藥用植物的有效成分，而且能把高沸點、低揮發(fā)性、易熱解的物質(zhì)在遠低于其沸點溫度下萃取出來；
2、使用SFE是最干凈的提取方法，由于全過程不用有機溶劑，因此萃取物絕無殘留的溶劑物質(zhì)，從而防止了提取過程中對人體有害物的存在和對環(huán)境的污染，保證了100%的純天然性；
3、萃取和分離合二為一，當(dāng)飽和的溶解物的CO2流體進入分離器時，由于壓力的下降或溫度的變化，使得CO2與萃取物迅速成為兩相（氣液分離）而立即分開，不僅萃取的效率高而且能耗較少，提高了生產(chǎn)效率也降低了費用成本；
4、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、安全性非常好；
5、CO2氣體價格便宜，純度高，容易制取，且在生產(chǎn)中可以重復(fù)循環(huán)使用，從而有效地降低了成本；
6、壓力和溫度都可以成為調(diào)節(jié)萃取過程的參數(shù)，通過改變溫度和壓力達到萃取的目的，壓力固定通過改變溫度也同樣可以將物質(zhì)分離開來；反之，將溫度固定，通過降低壓力使萃取物分離，因此工藝簡單容易掌握，而且萃取的速度快。
三、超臨界CO2萃取技術(shù)在中藥現(xiàn)代化中應(yīng)用的優(yōu)越性
1、萃取能力強，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，從而大大提高產(chǎn)品收率及資源的利用率。同時，隨著超臨界CO2萃取技術(shù)的不斷進步，把超臨界CO2萃取擴展到水溶液體系，使得難以提取的強極性化合物如蛋白質(zhì)等的超臨界CO2提取已成為可能；
2、萃取能力的大小取決于流體的密度，最終取決于操作過程的溫度和壓力。改變其中之一或同時改變，都可改變?nèi)芙舛�，可以有選擇地進行中藥中多種物質(zhì)的分離，從而可減小雜質(zhì)，使中藥有效成分高度富集，便于減小劑量和控制質(zhì)量，使產(chǎn)品外觀大為改善；
3、超臨界CO2萃取的操作溫度低，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，特別適合于那些對熱敏感性強、容易氧化分解破壞的成分的提�。�
4、提取時間快，生產(chǎn)周期短。超臨界CO2提取循環(huán)一開始，分離便開始進行。一般提取10分鐘就有成分分離析出，2~4小時左右便可完全提取，同時，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、超臨界CO2提取，操作參數(shù)容易控制，因此能保證有效成分及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性；
6、超臨界CO2還可直接從單方或復(fù)方中藥中提取不同部位或直接提取浸膏進行藥理篩選，開發(fā)新藥，大大提高新藥的篩選速度。同時可以提取許多傳統(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；
7、超臨界CO2還具有抗氧化、滅菌作用，有利于保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量；
8、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含量；
9、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、臨床效果能夠保證或更好；
10、超臨界CO2萃取工藝流程簡單，操作方便，節(jié)省勞動力和大量有機溶劑，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。
四、超臨界CO2萃取技術(shù)的應(yīng)用
1、在醫(yī)藥工業(yè)中，可用于中草藥有效成份的提取，熱敏性生物制品藥物的精制，及脂質(zhì)類混合物的分離，可防止中藥有效組分的逸散和氧化，過程沒有有機溶劑殘留，可獲得高質(zhì)量的提取物并提高藥用資源的利用率，可大大簡化提取分離步驟，能提取分離到一些用傳統(tǒng)溶劑法得不到的成分，節(jié)約大量的有機溶劑。
（1）紅豆杉中的紫杉醇具有抗癌作用。對于紅豆杉中紫杉烷類成分的提取分離，傳統(tǒng)的植物化學(xué)分離要得到單體純品難度較大，步驟較為繁瑣，原料經(jīng)多次浸提濃縮后，還需用有機溶劑多次萃取，再進行多次柱層析。此過程要用多種有毒的有機溶劑。采用超臨界CO2萃取技術(shù)進行紅豆杉的化學(xué)成分的研究，所得粗浸膏含雜質(zhì)少，較易分離得到單體。
（2）螺旋藻含豐富的蛋白質(zhì)和多種生物活性成分，采用傳統(tǒng)的有機溶劑法會污染產(chǎn)品，且分離工藝復(fù)雜。超臨界二氧化碳萃取技術(shù)可將螺旋藻中所含的具有生物活性和熱不穩(wěn)定性的物質(zhì)提取出來并保持其天然特性，可提高螺旋藻產(chǎn)品的附加值，并可顯著提高螺旋藻產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟和社會效益。
（3）丹參酮類是從唇形科植物丹參中提取的總酮類及其它成分的總稱，是制備各種丹參制劑如復(fù)方丹參片、丹參酮磺酸鈉注射液（主要用于心腦血管疾�。┖偷�參酮膠囊（主要用于抗菌消炎）原料的主要成分。傳統(tǒng)的提取方法主要是乙醇熱回流提取，然后濃縮成浸膏，用于各種制劑。由于提取能力差和長時間加熱提取或濃縮，有效成分損失嚴(yán)重，難以達到標(biāo)準(zhǔn)。采用超臨界CO2萃取技術(shù)進行工藝改革，收率高，生產(chǎn)周期縮短，有效成分可大大提高。
（4）采用超臨界CO2提取紫蘇子油的工藝，與傳統(tǒng)的工藝（石油醚法）相比較，收率高，提取時間短，有效成分濃縮。毒性實驗表明，超臨界提取的紫蘇子油具有較好的降血脂作用，且毒性較低，藥理效果較好，有效成分高度濃縮，雜質(zhì)少，質(zhì)量容易控制，制劑的外觀顏色好。
（5）蛇床子為傘形科植物蛇床的果實，傳統(tǒng)的中醫(yī)主要用于婦科炎癥的治療。采用超臨界CO2萃取法提取蛇床子的有效部位，工藝上表現(xiàn)出有效成分收率高，提取時間短及有效成分高度濃縮等優(yōu)越性，臨床實驗證明，蛇床子采用超臨界CO2工藝提取有效部位進行新藥開發(fā)，不僅工藝優(yōu)越，質(zhì)量穩(wěn)定且容易控制，而且還能保持傳統(tǒng)中醫(yī)的治療效果。
（6）青蒿素是來自菊科植物黃花蒿的一種半萜內(nèi)酯類成分，是我國唯一得到國際承認(rèn)的抗瘧新藥。傳統(tǒng)的汽油法存在收率低、成本高、易燃易爆等危險。采用超臨界CO2萃取工藝用于青蒿素的生產(chǎn)，青蒿素產(chǎn)品符合中國藥品標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的提取工藝相比，超臨界CO2萃取工藝具有產(chǎn)品收率高、生產(chǎn)周期短、成本低等優(yōu)點，可節(jié)省大量的有機溶劑汽油，避免易燃易爆等危險，減少了三廢污染，大大簡化了生產(chǎn)工藝。
（7）中藥復(fù)方是傳統(tǒng)中藥的最主要部分，也是中藥與國際接軌難度最大的部分，用超臨界CO2萃取技術(shù)對中藥復(fù)方進行提取工藝的研究及新藥開發(fā)還是一個空白。在對單方中藥超臨界CO2萃取研究的基礎(chǔ)上結(jié)合傳統(tǒng)中醫(yī)理論對中藥復(fù)方進行了研究，證明復(fù)方提取時，中藥成分的提取由于互溶作用，促進了其它中藥成分的提取。采用超臨界CO2萃取技術(shù)，復(fù)方的有效成分高度濃縮，雜質(zhì)少，外觀顏色較好，批間重復(fù)性較好，有效部分具有傳統(tǒng)中醫(yī)要求的藥效，且復(fù)方后具有協(xié)同補充效果。
（8）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是影響中藥進入國際市場的又一因素。采用先進、準(zhǔn)確的分析方法進行中藥質(zhì)量控制有利于中藥現(xiàn)代化。分析型超臨界CO2萃取技術(shù)用于藥物分析具有省時、樣品用量少、條件易于控制、不分解也不污染產(chǎn)品等優(yōu)點，特別適用于從復(fù)雜基體中分離、鑒定痕量組分，因此，對成分復(fù)雜的中藥特別是復(fù)方中藥的分析就特別適用。
2、在食品工業(yè)中，啤酒花的提取，色素的提取等。對各種天然抗菌或抗氧化萃取物的加工，如羅勒、串紅、百里香、蒜、洋蔥、春黃菊、辣椒粉、甘草和茴香子等。 大蒜注射液為臨床上廣泛應(yīng)用的中藥制劑，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝是水蒸汽蒸餾配制而成。采用超臨界CO2萃取法對其進行工藝改革并用于臨床證明，不僅工藝優(yōu)越，而且還能提高療效。單味中藥制劑是傳統(tǒng)中藥制劑的一部分。采用超臨界CO2萃取技術(shù)對單味中藥進行提取工藝、藥理毒理的研究及新藥的開發(fā)過程，既需考慮有效部位的提取效率，還要考慮藥理毒理效果。β-胡蘿卜素在增強人體的免疫能力等方面具有明顯的作用，采用超臨界CO2萃取技術(shù)用于β-胡蘿卜素的生產(chǎn)，具有萃取效率高，速度快，無污染，工藝簡單，萃取物色味純正等優(yōu)點。
3、在香料工業(yè)中，天然及合成香料的精制。
4、在化學(xué)工業(yè)中，混合物的分離。 許多碳氫高分子化合物不溶于CO2，只能采用非均相聚合（如分散聚合、沉淀聚合、乳化聚合等）；而無定型的碳氟高聚物和硅酮高聚物能溶解于CO2，則可采用均相聚合。在液體或超臨界CO2體系中進行高分子材料的合成與加工，其優(yōu)點在于：不使用有機溶劑避免了對環(huán)境的污染；省去了脫溶及回收溶劑的工藝；可改進高分子材料的機械性能及加工性能；可按分子量的大小對產(chǎn)品進行分離；可回收未進行反應(yīng)的單體并可去除次反應(yīng)物及過反應(yīng)物雜質(zhì)；可通過超臨界多元流體對高分子材料進行染色、加香及改性。
5、在生物技術(shù)開發(fā)中，（1）固定化酶的催化反應(yīng)：超臨界CO2是一種非極性反應(yīng)溶劑，可代替脂溶性的有機溶劑，進行酶催化反應(yīng)，脂溶性的反應(yīng)物可溶于超臨界CO2中，而酶則不溶解,并且有些酶的生物活性反而會有所提高,從而可提高反應(yīng)速率,有利于產(chǎn)品的分離及精制。國內(nèi)已在試驗室研究開發(fā)了月桂酸丁酯、油酸香茅酯、油酸乙酯、油酸辛酯、油酸油酯、乙酸異戍酯等酯化反應(yīng)技術(shù)。（2）淀粉及纖維素的水解：淀粉及纖維素是地球上太陽光合作用的可再生生物資源，可用于生產(chǎn)能源、化學(xué)品、食品和藥品，傳統(tǒng)的工藝是發(fā)酵及水解，存在著轉(zhuǎn)化率低、三廢難治理、纖維素的水解腐蝕性強等難以克服的缺點，采用超臨界水進行非催化轉(zhuǎn)化則可徹底克服這些缺點。