超臨界流體在天然藥物提取中的應(yīng)用

超臨界流體在天然藥物提取中的應(yīng)用

1超臨界流體技術(shù)1869年，w獲得了二氧化碳（co）的臨界數(shù)據(jù)。臨界壓力pc.7.2mpa和臨界溫度tc.304.065k，接近當(dāng)前的7.185mpa和304.265k。1882年,CagniarddelaTour將液體封于炮筒中加熱,發(fā)現(xiàn)敲擊音響有不連續(xù)性,以后他在玻璃管中直接觀察,首次在世界上作了有關(guān)超臨界的報道。20世紀(jì)40年代已有學(xué)者專門從事超臨界流體(supercriticalfluid,SCF)的學(xué)術(shù)研究。研究發(fā)現(xiàn)處于超臨界狀態(tài)的流體對有機(jī)化合物有著非常驚人的溶解度,有的甚至能增加幾個數(shù)量級。聯(lián)邦德國在1978年已建成從咖啡豆脫出咖啡因的超臨界萃取工業(yè)化裝置,隨后美國、日本等國也投入大量人力物力對超臨界流體萃取技術(shù)進(jìn)行研究,其研究范圍涉及食品、香料、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域,并取得一系列進(jìn)展[2~3]。2超臨界萃取溶劑物質(zhì)的氣液平衡線并不隨溫度和壓力的增加而無限延伸,當(dāng)系統(tǒng)處于高于臨界壓力和臨界溫度時,氣相和液相的界面消失,這時稱為超臨界狀態(tài)。相圖中高于臨界壓力和臨界溫度的區(qū)域稱為超臨界流體區(qū)。氣體、液體和超臨界流體的性質(zhì)對比示于表1。從表1數(shù)據(jù)可知,超臨界流體具有密度大、黏度小、擴(kuò)散系數(shù)居中的特點。超臨界流體既具有液體對溶質(zhì)有較大溶解度的特點,又具有氣體易于擴(kuò)散和運(yùn)動的特性,傳質(zhì)速率大大高于液相過程。也就是說超臨界流體兼具氣體和液體的性質(zhì)。更重要的是在臨界點附近,壓力和溫度微小的變化都可以引起流體密度很大的變化,并相應(yīng)地表現(xiàn)為溶解度的變化。超臨界萃取和分離就是利用壓力、溫度的變化來實現(xiàn)的。雖然超臨界流體的溶劑效應(yīng)普遍存在,但實際上還要考慮溶解度、選擇性、臨界點數(shù)據(jù)及化學(xué)反應(yīng)等諸多因素,常采用的超臨界流體并不太多。表2列出了文獻(xiàn)中介紹可作為超臨界萃取的溶劑及其臨界性質(zhì)。表2中各化合物均可用于超臨界萃取,但以CO2最受關(guān)注。超臨界CO2作為萃取劑有以下特點:(1)CO2密度大,溶解性能強(qiáng),傳質(zhì)速率高;(2)臨界壓適中,臨界溫度31.6℃,分離過程可在接近室溫條件下進(jìn)行;(3)便宜易得,無毒,惰性以及極易從萃取產(chǎn)物中分離出來等。當(dāng)前絕大部分超臨界流體萃取都以CO2為溶劑,文中也將主要以CO2為例討論超臨界流體的性質(zhì)。3乙烯在溶液有機(jī)物中的溶解度在超臨界流體技術(shù)中,三元物相圖較為常見。一個三元的單相體系應(yīng)具有4個自由度,所以三元相圖通常用等溫下的三棱柱來表示,三棱柱的高表示壓力軸,三角形的頂點分別表示3個純組分。在等溫、等壓條件下,則可用平面三角形來表示。選用一種有機(jī)物(S)的水溶液與乙烯所組成的液-液-氣體三元體系作代表,等溫相圖如圖1所示。設(shè)有機(jī)物S與水可以任意比例互溶,而乙烯與水可認(rèn)為完全不互溶。當(dāng)壓力p1很低時(如在常壓下),等溫等壓的相圖如圖1a所示,純水端和純有機(jī)物端以及點E所圍成的區(qū)域為單相區(qū)(液相區(qū),L區(qū))。點E表示乙烯在液態(tài)有機(jī)物中的溶解度,而純水端和純乙烯端及點E所圍成的區(qū)域為兩相區(qū)(液氣共存區(qū),LV區(qū)),圖1a中所畫虛線是連結(jié)互呈平衡的氣相和液相的結(jié)線,結(jié)線的氣相一端是純乙烯,表示有機(jī)物S和水都不溶于氣相中。當(dāng)壓力升高到比圖中乙烯的臨界壓力略低的p2時,乙烯在液態(tài)有機(jī)物中的溶解度明顯增大(圖1b)。當(dāng)壓力增大到比乙烯和有機(jī)物的雙元混合物的臨界壓力還高的p3時,乙烯與有機(jī)物互溶,雙節(jié)點曲線不再與乙烯-有機(jī)物邊有交點,然而水在乙烯中的溶解度仍非常小,因此呈現(xiàn)出圖1c的相圖,圖1c中的LF區(qū)為液體-超臨界流體共存區(qū),表示物系點落于此區(qū)域時系統(tǒng)處于液體-超臨界流體共存狀態(tài),其中用虛線所表示的結(jié)線說明了呈相平衡時,虛線右端點表示的富含乙烯的流體相中的有機(jī)物/水比值較結(jié)線另一端點的液相中的有機(jī)物/水比值要大得多,超臨界萃取就是利用這種性質(zhì)來分離有機(jī)物的。4超臨界萃取過程的條件和粒度SC-CO2溶解性能受多種因素的影響,包括被萃取物質(zhì)的性質(zhì)和SC-CO2所處的狀態(tài)等。被萃取物的極性、物理形態(tài)、粒度等會影響其在萃取過程中的表現(xiàn),而萃取系統(tǒng)中超臨界SC-CO2所處的狀態(tài)對萃取過程也有很大影響。二氧化碳壓力在8~200MPa范圍內(nèi),溶質(zhì)在二氧化碳中的溶解度與二氧化碳的密度成一定比例關(guān)系,而密度又與溫度、壓力有關(guān)。①萃取壓力的影響壓力是SC-CO2萃取過程最重要的參數(shù)之一。萃取溫度一定時,壓力增加,液體的密度增大。臨界壓力附近,壓力的微小變化會引起密度的急劇改變,而密度的增加將引起溶解度的提高,通過調(diào)節(jié)壓力和溫度可控制超臨界流體的溶解能力,這是超臨界萃取具有的獨特優(yōu)點。②萃取溫度的影響萃取溫度是SC-CO2萃取過程的另一個重要因素。溫度對提高超臨界流體溶解度的影響存在有利和不利2種趨勢:一方面,溫度升高,超臨界流體密度降低,其溶解能力相應(yīng)下降,導(dǎo)致萃取數(shù)量的減少;但另一方面,溫度升高使被萃取溶質(zhì)的揮發(fā)性增加,這就增加了被萃取物在超臨界氣相中的濃度,從而使萃取數(shù)量增大。因此溶解度-溫度曲線通常有最低點。③夾帶劑的選擇根據(jù)“相似相容”原理,CO2對非極性物質(zhì)的溶解度較大,對于含-OH,-COOH等強(qiáng)極性基團(tuán)的物質(zhì)溶解度較小。在SC-CO2中加入一定量的極性成分(即夾帶劑)可顯著改變超臨界體系的極性,較好地解決這一問題。如Baysal等人利用SC-CO2從西紅柿中萃取胡蘿卜素和番茄紅素,當(dāng)夾帶劑乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,提取量最高。Andrew等人通過計算,在用SC-CO2提取稠環(huán)芳香族化合物如蒽、菲等時,加入適量水可有效提高其在超臨界體系中的溶解度,并得到Sewram等人的實驗證實。但使用夾帶劑在帶來好處的同時也帶來了萃取質(zhì)中夾帶劑的分離與回收問題。④物理形態(tài)的影響被萃取原料可能是固體、液體或氣體。氣體原料一般要用固體吸附劑吸附后再進(jìn)行萃取。少數(shù)液體原料能直接進(jìn)行超臨界二氧化碳萃取,大多數(shù)仍需首先用固體吸附劑吸附。⑤粒度的影響原料的粒度對萃取效率也有重要影響。一般來講,原料顆粒越小,溶質(zhì)從原料向超臨界流體傳輸?shù)穆窂皆蕉?與超臨界流體的接觸表面積越大,萃取進(jìn)行得越快越完全。但粒度也不宜太小,過細(xì)的粉碎容易造成萃取器出口的過濾網(wǎng)堵塞,產(chǎn)生巨大的壓差而破壞設(shè)備。5分離顆粒的制備SC-CO2萃取的一般過程為:在萃取階段,調(diào)節(jié)溫度、壓力使SC-CO2對原料中的待萃取物(溶質(zhì))有高溶解度,在SC-CO2通過原料時將其迅速地溶解;而在分離階段,對溶解有溶質(zhì)的流體進(jìn)行節(jié)流減壓,然后在熱交換器中調(diào)節(jié)溫度使之變?yōu)闅怏w,令其對待萃取物的溶解度大大降低,達(dá)到過飽和狀態(tài),溶質(zhì)析出,當(dāng)析出的溶質(zhì)和氣體一同進(jìn)入分離釜后,溶質(zhì)就與氣體分離而沉降于分離釜底部?；旧喜缓苜|(zhì)的SC-CO2可循環(huán)使用,猶如傳送帶一般不斷從萃取釜里“裝貨”(溶解溶質(zhì)),在分離釜里“卸貨”(析出溶質(zhì)),直至萃取完畢。6植物提取物的萃取在醫(yī)藥工業(yè)中,由于SC-CO2萃取技術(shù)具有獨特的優(yōu)越性而受到廣泛關(guān)注。當(dāng)用于天然藥用植物有效成分提取時,主要具有如下優(yōu)越性:①萃取能力強(qiáng)選擇最佳的萃取條件,可將待提取物萃取完全。通過改變溫度和壓力還可有選擇地分離天然植物中多種物質(zhì)。②萃取速度快SC-CO2萃取一般10~20min可使產(chǎn)品分離析出,2~4h左右便可完全提取。同時,免去了蒸發(fā)濃縮等工序。③萃取污染少SC-CO2萃取操作方便,無須使用大量有機(jī)溶劑,對環(huán)境友好,符合綠色化學(xué)要求,成為天然植物有效成分提取和分離行之有效的新方法,并已成功應(yīng)用于揮發(fā)油、萜類、生物堿、丙素酚類、醌類及蒽衍生物、糖及苷類等各種天然藥物成分的提取。6.1提取高效低速率qp和超臨界耦合萃取法提取總黃酮新疆雪蓮為菊科風(fēng)毛菊屬多年生草本植物,主要用于治療肺寒咳嗽、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、宮寒腹痛、閉經(jīng)等癥。其主要藥效成分黃酮類物質(zhì)的提取技術(shù)主要有溶劑提取法、超聲輔助溶劑提取法、微波輔助溶劑提取法、固相萃取法等。張富昌等人利用超臨界耦合萃取法對雪蓮黃酮提取工藝進(jìn)行研究,取得了很好的實驗結(jié)果。他們運(yùn)用正交設(shè)計法考察了乙醇溶劑的提取溫度、時間、液料比、乙醇濃度等因素對總萃取率的影響。以總黃酮提取率為指標(biāo),超臨界耦合萃取法雪蓮總黃酮提取率比常規(guī)溶劑法高25.9%,比超聲輔助溶劑法高35.21%,并減少了有機(jī)溶劑用量。經(jīng)高效液相色譜法(HPLC)指紋圖譜驗證提取組分基本一致。實驗證明,此法提取效率高,可降低提取溫度,縮短浸出時間,減少有效成分破壞,并能對植物成分實現(xiàn)初級分離,從而擴(kuò)展了超臨界技術(shù)在天然產(chǎn)物領(lǐng)域中的應(yīng)用。根據(jù)實驗結(jié)果和有關(guān)文獻(xiàn),張富昌等人認(rèn)為超臨界耦合萃取法提取率較高的原理可能為:超臨界萃取后的減壓放氣過程存在著氣爆破壁作用,大大降低了第二步提取時的傳質(zhì)阻力;低極性揮發(fā)性組分的脫除有利于第二步乙醇水溶液與植物組分的相互滲透過程。超臨界耦合萃取對于雪蓮有效成分的提取方法可望推廣到其他植物藥的研究。6.2流體萃取法紫杉醇是存在于短葉紅豆杉樹皮中的具有抗癌活性的二萜類化合物,對卵巢癌、乳腺癌等具有較好的效果,是近20年較為熱點的抗癌藥物之一。李青松等人采用SC-CO2流體萃取法萃取300.1687g粒徑為0.25~0.45mm的紅豆杉枝葉樣品。在276MPa、31℃進(jìn)行SC-CO2流體萃取,加入少量甲醇作為夾帶劑。用HPLC測定萃取物,結(jié)果表明在2h內(nèi)可使紫杉醇萃取完全,萃取率達(dá)96.5%,萃取物中紫杉醇純度可達(dá)1%,選用貝克曼ODS色譜柱(4.6mm×250mm),以乙腈-甲醇為流動物,流速1.0mL/min,紫杉醇濃度在10~25μg/mL范圍內(nèi)