超臨界流體萃取

1、超臨界流體萃取第1頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三引子隨著色譜和光譜技術(shù)的發(fā)展，天然產(chǎn)物化學(xué)在過去的機身年里得到較好的發(fā)展。隨著天然產(chǎn)物的重要性日益劇增，大量感興趣的研究人員投身其中，像食物添加劑、天然殺蟲劑。關(guān)于天然產(chǎn)物在藥學(xué)方面的應(yīng)用研究是最感興趣的領(lǐng)域之一。臨床測試表明，有的植物中的藥理活性成分對于治療一些困難的疾病很有效。例如：紫杉醇，對于一些癌癥的治療有很好的效果。但在發(fā)現(xiàn)紫杉醇的植物中，其含量很低。因此就需要一種理想的萃取技術(shù)，既要有較好的選擇性，又要有很好的萃取效率。SFE能很好的完成以上兩點。第2頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三內(nèi)

2、容基本概念發(fā)展優(yōu)勢SFE系統(tǒng)流體材料夾帶劑第3頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三基本概念超臨界狀態(tài)：物質(zhì)的壓力和溫度同時超過它的臨界壓力(pc)和臨界溫度(Tc)的狀態(tài)，或者說，物質(zhì)的對比壓力(p/pc)和對比溫度(T/Tc)同時大于1的狀態(tài)稱為該物質(zhì)的超臨界狀態(tài)。超臨界流體是處于超臨界狀態(tài)的一種特殊流體。在臨界點附近，它有很大的可壓縮性，適當(dāng)增加壓力，可使它的密度接近一般液體的密度，因而有很好的溶解其他物質(zhì)的性能。同時有著氣體一般的粘度和擴散系數(shù)。超臨界流體萃?。杭蠢贸R界流體（Supercritical fliud，SCF）作為萃取劑，從固體或液體中萃取出某種低沸點

3、或熱敏性成分，以達到分離和純化目的第4頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三超臨界狀態(tài)超臨界狀態(tài)：Natural product isolation Natural Product Reports 2008, Volume 25, Issue 3, 517-554三相點臨界點第5頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三三種狀態(tài)對比 BRUNNER, G., Gas Extraction. 1994, New York: Steinkopff. SCF有接近液體的密度（density）、與氣體相近的粘度（viscosity）第6頁，共34頁，2022年，5月20

4、日，9點58分，星期三發(fā)展過程自從Baron Cagniard發(fā)現(xiàn)超臨界狀態(tài)，壓縮氣體就已經(jīng)用于溶解一些低揮發(fā)性的物質(zhì)。1879年，Hannay and Hogarth研究了超臨界乙醇對金屬氯化物的溶解性。但是，高壓氣體的工業(yè)化使用一直推遲到了在20世紀30年代中期。1969年，由Max planck研究所的Zosel首次向世人示范了超臨界流體萃?。⊿FE）技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用。19世紀70年代開始，人們將SFE技術(shù)應(yīng)用于提取植物基質(zhì)的興趣大增。最開始的時候，現(xiàn)在的通用萃取劑（溶劑）CO2應(yīng)用于去除咖啡豆中的咖啡因以及大規(guī)模地從蛇麻花（hop）和香料（spice）中提取化合物。第7頁，共34頁，

5、2022年，5月20日，9點58分，星期三發(fā)展過程在過去的20年間，建立了許多不同規(guī)模的使用SCF萃取固體材料的產(chǎn)業(yè)化工廠。隨著，SFE的廣泛應(yīng)用，在2004年工業(yè)化容量以達到約64,000L?，F(xiàn)在，逐漸形成了一個趨勢：將SFE作為一種分析萃取方法應(yīng)用于樣品的制備之前的色譜系統(tǒng)，例如：超臨界液相色譜（SFC）、氣相色譜（GC）第8頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三發(fā)展現(xiàn)狀超臨界流體技術(shù)分為制備和分析兩種分析型SFE主要應(yīng)用于優(yōu)化提取參數(shù)；制備型SFE可使提取物擴大100倍?，F(xiàn)在SFE技術(shù)應(yīng)用于許多領(lǐng)域的萃取工作。從植物原料中提取有活性的天然產(chǎn)物是其中最重要的幾個應(yīng)用領(lǐng)域之

6、一。近幾年，隨著人們對植物藥以及天然產(chǎn)物關(guān)注的提高，眾多的關(guān)于SFE在植物或天然產(chǎn)物研究領(lǐng)域應(yīng)用的文章出現(xiàn)。SFE技術(shù)也越發(fā)成熟。另外，有本期刊JOURNAL OF SUPERCRITICAL FLIUDS，有興趣的可以去看下第9頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三發(fā)展趨勢DASFAF（Developments and Applications in Supercritical Fluids in Agriculture and Fisheries）網(wǎng)絡(luò)對高壓過程的實際應(yīng)用和未來發(fā)展趨勢做了總體概述，其主題包括一些潛在的超臨界流體的應(yīng)用：超臨界相平衡測量和建模、吸附過程、微

7、型和納米粒子的生成、土壤和廢物處理凈化、膜，氣凝膠，印染工藝提取物的分離、聚合物在超臨界介質(zhì)的發(fā)展、回收拋光稀土和天然產(chǎn)物等。很多人將目光集中在了超臨界流體萃取、固體的分餾和液體的天然產(chǎn)物，以及工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟所涉及的問題。 第10頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三制備型SFE應(yīng)用Natural product isolation Natural Product Reports 2008, Volume 25, Issue 3, 517-554第11頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三產(chǎn)業(yè)化GARCA-REVERTER, J., BLASCO, M.,

8、and SUBIRATS, S., Revision onsupercritical extraction industrial plants trends, in State of the Art Book on Supercritical Fluids, ainia. 2004: Valencia. p. 255-266. 中試規(guī)模（pilot scale）工業(yè)規(guī)模（industrial scale）第12頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三SFE系統(tǒng)機理：從固體材料中萃取天然產(chǎn)物實際上是固體基質(zhì)與流動的溶劑之間的相互作用。在整個過程當(dāng)中，流體中的溶質(zhì)的濃度升高，而固相

9、中的目標(biāo)成分的含量降低。由于固體顆粒內(nèi)部成分減少的速度低于表面的，所以在萃取過程中呈現(xiàn)的是一種梯度。通常有一個用于將流體鼓進裝有臨界溫度以上的流體的的泵，在此過程，流體利用反壓力調(diào)節(jié)器或限流器流經(jīng)樣品并進入收集裝置。通常會有閥門控制操作，當(dāng)關(guān)閉時，會收集提取物待測；打開時，通常是與氣相聯(lián)用（GC、SFC、HPLC）第13頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三SFE系統(tǒng)脫機SFE系統(tǒng)的基本組成的原理圖第14頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三SFE系統(tǒng)BRUNNER, G., Gas Extraction. 1994, New York: Steinkopf

10、f. 簡化逆流多級萃取裝置的工藝方案 第15頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三SFE系統(tǒng)BRUNNER, G., Gas Extraction. 1994, New York: Steinkopff. 固體材料的超臨界萃取流程第16頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三優(yōu)勢1、超臨界流體（SF）有相對較低的粘度（viscosity）和相對較高的擴散率（diffusivity），因此超臨界流體（SF）可以穿透多孔的固體材料，并且致使傳質(zhì)過程加快以加快提取過程。例如：使用SFE會得到更好的回收率、提取時間等參數(shù)。本來使用液固（L-S）系統(tǒng)要提取幾小時甚至是幾

11、天的過程，改用超臨界流體萃取技術(shù)（SFE）可縮短至幾十分鐘。2、在進行超臨界流體萃取的過程中，使用新的流體可持續(xù)反復(fù)的流經(jīng)樣品。因此，超臨界流體技術(shù)可以用來進行定量或全提取。第17頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三優(yōu)勢3、SFE技術(shù)中，流體的溶解能力可以通過改變壓強或溫度調(diào)節(jié)；因此，此項技術(shù)擁有較高的選擇性，這種可調(diào)節(jié)的溶解能力對于復(fù)雜的樣品（如植物材料）提取尤其有效。例如：溫多林（vindoline）是從長春花（CatharanthusRoseus）葉子中含有多達100種以上的生物堿中分離得到的。在此過程中要經(jīng)過復(fù)雜的歷程才能完成萃取。4、溶解于超臨界CO2中的溶質(zhì)可通

12、過降低壓力而輕松分離得到，因此使用超臨界流體萃取技術(shù)可以省去樣品的濃集過程。而濃集過程一般是耗時長，且容易造成揮發(fā)性成分的損失。所以使用SFE不僅節(jié)約了時間，也減少了成分的損失。第18頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三優(yōu)勢5、SFE通常是在低溫條件下進行的，所以SFE技術(shù)是研究熱不穩(wěn)定物質(zhì)的理想方法。而且可能會借此發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)物質(zhì)。例子：使用SFE技術(shù)提取姜（ginger），可避免一些預(yù)料不到的反應(yīng)，例如：水解（hydrolysis）、氧化（oxidation）、降解（degradation）和重排（rearrangement）。所以使用傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾不能解決的質(zhì)量評估

13、問題都可使用SFE解決。6、與液固（L-S）需要樣品不同，SFE只需的樣品就可完成檢測。曾報道，使用GC-MS從1.5g的新鮮植物樣品中提取并檢測到100種以上的揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)，其中超過80種可以進行準確的量化。第19頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三優(yōu)勢7、SFE技術(shù)使用的是對環(huán)境無或低害的有機溶劑，且SFE操作時不或僅需幾毫升的有機溶劑，而液-固提取使用幾十幾百毫升不等。8、超臨界流體萃取可允許用氣相色譜直接耦合，它用于提取和直接量化高度揮發(fā)性化合物很有效。 9、在大型的SFE過程中，流體（通常是CO2）可以回收或重復(fù)使用，較少浪費的發(fā)生。10、超臨界流體萃取可

14、以被應(yīng)用不同規(guī)模的系統(tǒng)，例如，從分析規(guī)模（不少于一克-幾克本），制備規(guī)模（數(shù)百克樣品），中試規(guī)模（幾千克樣品）和大型工業(yè)規(guī)模（萬噸的原料，如咖啡豆超臨界流體萃?。?第20頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三優(yōu)勢11、SFE可提供關(guān)于萃取過程和機制的信息，而這些信息可以應(yīng)用于定量評估、萃取效率評估以及優(yōu)化相關(guān)過程。12、由于SCF的可壓縮性，壓力升高會是的密度增加，因此溶質(zhì)-溶劑之間的作用力增加。也就是說，混合以及溶劑穿透固體基質(zhì)的小孔將更有效率。第21頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三流體材料流體材料中最為常見的應(yīng)用于SFE的是CO2 。主要是因為它具

15、有較低的臨界參數(shù)(Tc31.1C; Pc72.8 atm)、無毒、不易燃并且得到純度較高的花費小。超臨界狀態(tài)下的CO2對萃取非極性化合物（eg 烴類化合物）表現(xiàn)出良好的溶劑性能。而其極大的四級矩保證其可以溶解一些較溫和的極性成分，如：醇、酯、醛、酮。流體的溶解能力的強度受其極性的影響。在非極性溶劑中化學(xué)物質(zhì)的溶解性會隨著分子量、極性、分子中極性基團數(shù)目的增大而降低。 CO2是一種非極性試劑，所以為了提高溶解能力以及萃取過程的效率，要添加其他物質(zhì)，modifier（夾帶劑）。第22頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三流體材料在接近臨界狀態(tài)下的條件下，一點小的變化會引起較大的反

16、映。不同條件下純CO2的密度第23頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三流體材料為了萃取極性物質(zhì)，在SFE技術(shù)中使用較廣泛的兩種極性試劑是Freon-22（氟利昂）和N2O。前者主要應(yīng)用于游離的羧酸和類固醇化合物，后者可用于萃取紫杉醇。但因為兩者的安全性和環(huán)境危害的問題而受到了限制。 N2O會引起爆炸，氟利昂則是因為會破壞上層大氣的臭氧層。我們生活中最常見的水也是可以作為流體材料。主要是作為反應(yīng)介質(zhì)。用于萃取技術(shù)的水通常是過熱水（superheated water 100T374）。它具有較高的萃取能力，但卻不適用于熱不穩(wěn)定物質(zhì)。而且在使用水作為流體時，要嚴格去氧，否則高溫下

17、的水具有腐蝕性會破壞萃取管第24頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三流體材料BRUNNER, G., Gas Extraction. 1994, New York: Steinkopff. 第25頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三夾帶劑的作用1、簡單、有效地獲得所需極性的超臨界CO2；2、選擇一種夾帶劑或改變其摩爾比率就可以做到調(diào)整流體本身的特性。3、通常少許流體夾帶劑的加入就可以提高萃取效率，即縮短了萃取過程所需的時間。例如：從芳香植物中提取揮發(fā)油。在一個2.5-ml的SFE單元中，向500mg加入0.5ml的CH2Cl2會把萃取時間有90min縮減

18、至30min，而其萃取效率可以與水蒸氣蒸餾4h相比。第26頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三夾帶劑的研究情況現(xiàn)在，至少有17種已經(jīng)用于天然產(chǎn)物SFE的研究。在所有的夾帶劑當(dāng)中甲醇最常使用：甲醇是十分有效的的極性夾帶劑，可與CO2以20%的比例混溶；甚至，高含量的甲醇可以干擾溶質(zhì)與植物基質(zhì)之間的鍵合作用。乙醇：雖然極性低于甲醇，但由于其低毒?？赡苁怯糜谔烊划a(chǎn)物SFE研究的更好的選擇。一些報道宣稱已成功地將乙醇應(yīng)用于SFE領(lǐng)域，從植物中萃取出有機化合物。有趣的是：乙醇適用于利谷隆（linuroon）的超臨界流體萃取，而甲醇則更適用于從植物材料中萃取敵草?。╠iuron）。第2

19、7頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三夾帶劑的選擇夾帶劑的選擇決定于樣品的性質(zhì)和期望得到的化學(xué)成分。通常最佳的夾帶劑是在建立在預(yù)先得到的實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上。例如：提取酚酸（phenolic acid）中應(yīng)用的夾帶劑中，甲醇比乙腈、丙酮、水或CH2Cl2更有效；在乙酸乙酯、甲醇、 CH2Cl2、乙醚中， CH2Cl2是最適用于紫杉醇的SFE過程，而乙醚則更適用于巴卡亭 （baccatin ）。4%的甲醇或氯仿對提升山道年（santonin）的回收率無任何幫助，而乙腈可將回收率從38%增至85%，甚至水飽和的CO2可將回收率提高到92%。第28頁，共34頁，2022年，5月20日

20、，9點58分，星期三夾帶劑的研究通過調(diào)整夾帶劑的的類型與比率，可以得到不同的萃取結(jié)果。例如：應(yīng)用于檸檬草的SFE的一種分段過程。首先，由10或30%的己烷進行萃?。蝗缓?，使用10或20%的丙酮；最后，使用10%的甲醇。其中，使用10%己烷作為夾帶劑的所得的結(jié)果與使用蒸餾的到的結(jié)果是類似的。而若使用30%的己烷，那么所得的結(jié)果與使用己烷作為萃取劑的索氏提取法類似。另外，用丙酮作為夾帶劑可以萃取額外的化學(xué)成分，而使用甲醇則沒有選擇性。第29頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三夾帶劑的研究那么對與一些容易被氧化的化學(xué)成分，由于SFE技術(shù)可以使萃取的成分避免暴露于光和空氣，可以做到

21、較好的抗氧化作用。在原材料中存在的水分有時可能會造成阻塞。但在某些情況下，水分可以作為夾帶劑存在于SFE系統(tǒng)。例如：從甘草或其他草藥中萃取殺蟲劑，Ling等研究者發(fā)現(xiàn)10%的水分足以將混合的流體的溶解能力提高到最大值。另外，Miyachi等研究者使用水作為夾帶劑從Fraxinus japonica（梣屬山茶）和其他梣屬種類中萃取得到了木聚糖（lignan）。第30頁，共34頁，2022年，5月20日，9點58分，星期三夾帶劑的研究水和甲醇的混合物同樣可以作為夾帶劑使用。并且Lin等研究者從Scutellaria radix（黃芩根）萃取黃酮類化合物（flavonoid）時發(fā)現(xiàn)使用70%的甲醇（水：甲醇=30:70）所得到的結(jié)果比使用純的甲醇的效果好。因為30%的水增加了夾帶劑的極性，故對于極性成分的萃取效果較好。將液體夾帶劑加入SFE系統(tǒng)，通常有三種常見的方法：使用第二個泵（second pump）、使用預(yù)先在圓筒混好的流體、直接摻加。其中直接摻加是最簡單、最經(jīng)濟的方法，也沒有操作、重現(xiàn)性的問題。但在使用此方法是要保證由兩部分組成的流體確實是處于超臨界狀態(tài)。這種方法最大的麻煩是：大部分的夾帶劑會流失在最初的動態(tài)提取過程，這樣會引起實驗結(jié)果的不一致性，須重復(fù)萃取步驟。第31頁，共34頁，2022年，5月20日，