超临界流体萃取技术应用进展及前景展望

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概述?
  超临界流体萃取(Superitical Fluid Extraction，以下简称SFE)是一项发展很快、应
用很广的实用性新技术。它具有低温下提取，没有溶剂残留和可以选择性分离等特点，正为
越来越多的科技工作者所重视，有关研究方兴未艾，新的研究成果不断问世。超临界流体
(Superitical Fluid，以下简称SCF)具有溶解其它物质的现象，早在100年前已为Hannay
和Hogarth所发现，但由于技术、装备等原因，时至20世纪30年代，Pilat和Gadlewicz
才有了用液化气体提取“大分子化合物”的设想。1954年Zosol用实验的方法证实了二氧
化碳超临界萃取(以下简称SFE-CO2)可以萃取油料中的油脂。直到70年代的后期，德国的
Stahl等人首先在高压实验装置的研究取得了突破性进展之后，SFE这一新的提取、分离技
术的研究及应用，才有了可喜的实质性进展。?

   超临界流体萃取技术近30多年来引起人们的极大兴趣，这项化工新技术在化学反应和
分离提纯领域开展了广泛深入的研究，取得了很大进展，在医药、化工、食品、轻工及环保
领域成果累累。1988年在法国尼斯召开了第一届“国际超临界流体技术会议”以后，国际
上每3年召开一次会议，进行国际间的学术交流。?

   1996年10月，我国召开了“第一届全国超临界流体技术学术及应用研讨会”。作为新
一代化工分离技术，SFE-CO2萃取已列入“八五”国家科技攻关计划。近期国家计委和科技
部联合公布的《生物及医药产业近期产业化的重点》(2001年)中将SFE-CO2列入优先发展的
18个领域之一的“中药制剂先进生产工艺及成套设备”中近期产业化重点。2002年9月18
日科技部、国家经贸委和国家中医药管理局联合发布的我国《医药科学技术政策(2002～2010
年)》中亦将SFE-CO2作为有利于中药生产工艺提升、技术更新、产品升级的重点推广应用的
新技术之一。加强对SFE技术的研究和推广，对我国丰富的天然资源进行深度加工，生产高
档次、高附加值的新产品，既有利于医药、化工、食品等行业的进步，也有利于种植等行业
的发展。通过10多年的努力，我国在SFE技术的应用方面已取得了令人瞩目的成绩：内蒙
古科迪高技术产业有限公司1996年建成了当时国内最大的SFE-CO2萃取工业化装置(萃取釜
为500L)，并对沙棘油、薏苡仁油、红花油、肉桂油、厚朴酚、青蒿素、丹参酮等有效成分
进行了提取、分离，均取得了较好的效果。广州医药工业研究所运用SFE技术对中药复方制
剂进行深入研究后发现：运用SFE-CO2技术按处方比例混合中药粉碎后提取的有效成分与单
味中药提取效果无明显差异，而复方提取时有效部位(浸膏)收率均高于单味提取；中药复方
在SFE-CO2与传统提取方法比较中显示，SFE-CO2提取的有效部位收率虽较传统提取的有效部
位收率低34%，但其中的有效成份却高出近40倍。这一研究说明，SFE技术的应用将给中药
复方提取方法带来革命性的改进，并使中药复方的量化研究向前迈进了一大步。据介绍，应
用SFE技术对中药复方提取，其提取物具有杂质少、外观色泽好、有效成份高度浓缩、批间
重现性好等特点，是改进中药复方生产工艺的有效途径。目前SFE技术已被美国环保局确定
为替代溶剂萃取的标准方法。因此运用SFE-CO2技术是实现中药产业现代化，与国际接轨的
重要新技术。?


2 超临界流体萃取的基本原理?
2.1超临界流体的性质?
超临界流体(SCF)是指处于临界温度(Tc)和临界压力(Pc)以上，其物理性质介于气体与液
体之间的流体，见表1。?

表1相的物理性质

相 密度(g/ml) 扩散系数(cm2/s) 粘度(g/cm.s)
气体(G) 10-3 10-1 10-4
超临界流(SCF) 0.3～0.9 10-3～10-4 10-4～10-3
液体(L) 1 10-5 10-2







   

这种流体(SCF)兼有气液两重性的特点，它既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又
兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力。?
  溶质在某溶剂中的溶解度与溶剂的密度呈正相关，SCF也与此类似。因此，通过改变压力
和温度，改变SCF的密度，便能溶解许多不同类型的物质，达到选择性地提取各种类型化合物
的目的。可作为SCF的物质很多，如二氧化碳、一氧化亚氮、六氟化硫、乙烷、甲醇、氨和水
等。其中二氧化碳因其临界温度低(Tc=31.3℃),接近室温；临界压力小(Pc=7.15MPa)，且无色、
无味、无毒、不易燃、化学惰性、低膨胀性、价廉、易制得高纯气体等特点，现在应用最为广
泛。?

2.2 二氧化碳超临界萃取?
  在SFE中，某些场合下，目的是获得萃取物；而在另一些场合下，是为获得萃取后的遗留
物质，萃取物则为其次。SFE-CO2则适合于上述两种情况。?

2.2.1 二氧化碳超临界萃取的溶解作用?
  在超临界状态下，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性、沸点和分子量
密切相关，一般来说有以下规律：?亲脂性、低沸点成分可在104KPa以下萃取，如挥发油、烃、酯、内酯、醚、 环氧化合物等，像天然植物和果实中的香气成分，如桉树脑、麝香草酚、酒花中的低沸点酯类等；化合物的极性基团( 如-OH、-COOH等)愈多，则愈难萃取。强极性物质如糖、氨基酸的萃取压力则要在4×104KPa以上；化合物的分子量愈大， 愈难萃取。分子量在200～400范围内的组分容易萃取，有些低分子量、易挥发成分甚至可直接用CO2液体提取；高分子量 物质(如蛋白质、树胶和蜡等)则很难萃取。?

2.2.2 二氧化碳超临界萃取的特点?
  CO2的Tc为31.3℃可在接近室温的环境下进行萃取，不会破坏生物活性物质，并能有效
地防止热敏性物质的氧化和逸散，所以特别适合于分离、精制低挥发性和热敏性的物质;蒸；
馏和萃取合二为一，可以同时完成蒸馏和萃取两个过程，尤其适用于分离难分离的物质，如
有机混合物、同系物的分离精制等；具有良好的选择性，可通过改变温度和压力来改变密度，达到提取分离的目的， 操作方便，过程调节灵活；超临界流体CO2具有极高的扩散系数和较强
的溶解能力，有利于快速萃取和分离；SFE-CO2萃取的产品纯度高，适当的温度、压力或夹带
剂，可提取高纯度产品，尤其适用于中草药和生理活性物质的提取浓缩；溶剂和溶质分离方便，只通过改变温度和压力 就可达到溶质和溶剂的分离，操作简便；节省能源，在SFE-CO2萃取工
艺中一般没有相变的过程，从而节省能源；没有残留溶剂，SFE是“最干净”的提取方法，全
过程不使用有机溶媒，因而无有机溶剂残留之虞，同时也不会对操作者造成毒害和对环境造成
污染。?

2.2.3 影响超临界萃取的主要因素?
   密度：溶剂强度与SCF的密度有关。温度一定时，密度(压力)增加，可使溶剂强度增加， 溶质的溶解度增加。?
   夹带剂：适用于SFE的大多数溶剂是极性小的溶剂，这有利于选择性的提取，但限制了其
对极性较大溶质的应用。因此可在这些SCF中加入少量夹带剂，以改变溶剂的极性。最常用的
SCF为CO2，其极性大约在正已烷和氯仿之间，通过加入夹带剂可适用于极性较大的化合物。
有人在10MPa压力下，用不同浓度的乙醇作夹带剂，研究了以藏药雪灵芝中萃取总皂甙粗品及
多糖的3种工艺。其中，加不同极性夹带剂的递度SFE-CO2与传统溶剂萃取工艺相比，总皂甙
粗品和多糖收率可分别提高18.9倍和1.62倍。加一定夹带剂的SFE-CO2可以创造一般溶剂达
不到的萃取条件，大幅度提高收率。这对于贵重药材成份的提取，工业化开发价值极高。SFE
夹带剂的应用实例见表2。?
  粒度：溶质从样品颗粒中的扩散，可用Fick第二定律加以描述。粒子的大小可影响萃取
的收率。一般来说，粒度小有利于 SFE-CO2萃取。?
  流体体积：提取物的分子结构与所需的SCF的体积有关。Favati用SFE-CO2在68.8MPa、
40℃下提取50克叶子中的叶黄素和胡萝卜素。要得到叶黄素50%的回收率，需要2.1L超临界
的CO2；如要得到95%的回收率，由此推算，则需要33.6L的超临界的CO2。而胡萝卜素在CO2
中的溶解度大，仅需要1.4L，即可达到95%的回收率。?

表2 部分SFE夹带剂应用实例
被萃取物      超临界流体  夹带剂
丹参(丹参酮)     CO2      乙醇
厚朴(厚朴酚)     CO2      甲醇
雪灵芝(总皂甙及多糖)  CO2      乙醇
紫根         CO2      乙醇
甘草         CO2      乙醇
留行子        CO2      甲醇
香豆素        CO2      乙醇、水
胡萝卜素       CO2      乙醇、丙酮、己烷
罗汉果甙       CO2      乙醇
EPA         CO2、N2O    尿素
DHA         CO2、N2O    尿素
沙丁鱼(油脂)     CO2      甲醇、乙醇、丙酮
大豆(油脂)      CO2      乙醇、己烷
菜籽(油脂)      CO2      丙烷(混合流体)
γ-亚油酸       CO2     乙醇、己烷
棕榈油        CO2      乙醇

  获取提取物的方法：在进行SFE时，获得提取物的方法包括：提高温度；降低压力；在
适当的固定相上吸附溶质。其中最容易的方法是降低流体的压力，让提取物沉淀。如果提取
物有较大的挥发性，获得它较困难，可采用降低温度的方法增加挥发性物质的回收率。?

3 超临界萃取技术的应用?
  如上所述，SFE是一种发展很快、应用面很广的实用新技术，从20世纪50年代起已开始
进入实验阶段，70年代以来在食品工业中应用日趋广泛，80年代更广泛应用于香料的提取，90年代后则开始运用于 从药用植物中提取药用有效成分的提取等。?
3．1 SFE-CO2技术的主要应用范围?
3．1．1 食品工业?
  植物油脂(大豆油、蓖麻油、棕油、可可脂、玉米油、米糠油、小麦胚芽油等)的提取；动
物油脂(鱼油、肝油、各种水产油)的提取；食品原料(米、面、禽蛋)的脱脂；脂质混合物(甘
油酯、脂肪酸、卵磷脂等)的分离与精制；油脂的脱色和脱臭；超临界状态下借助酶进行交换；
植物色素和天然香味成分的提取；咖啡、红茶脱除咖啡因；啤酒花的提取；软饮料的制造；发
酵酒精的浓缩。?
3．1．2 医药、化妆品?
  鱼油中的高级脂肪酸(EPA、DHA、脱氢抗坏血酸等)的提取；植物或菌体中高级脂肪酸(γ-
亚麻酸等)的提取，药效成分(生物碱、黄酮、脂溶性维生素、甙等)的提取；香料成分(动物香
料、植物香料等)的提取；化妆品原料(美肤效果剂、表面活性剂、脂肪酸酯等)的提取；烟草
脱除尼古丁。?
3．1．3 化学工业?
  石油残渣油的脱沥；原油的回收、润滑油的再生；烃的分离、煤液化油的提取；含有难分
解物质的废液的处理；用超临界流体色谱仪进行分析和分离。?
3．2 SFE-CO2技术在医药工业中的应用?
医药行业是SFE技术应用最广泛和最活跃的领域，下面分4个方面重点介绍国内外的应用
情况。?
3．2．1 SFE-CO2技术在生物活性物质和天然药物提取中的应用?
   EPA和DHA。Lucien等报道，采用SFE-CO2技术提取、浓缩沙丁鱼油中的EPA和DHA，可使EPA和 DHA分别从原先的17%、12%提高到58%和67%。宋启煌等研究了SFE-CO2从扁藻中提取EPA和DHA，得出最佳萃取工艺： 萃取压力为30MPa、萃取温度为40℃、CO2耗量250ml/g，乙酸乙酯的添加量为扁藻重的70%，EPA和DHA的萃取率分别 为91.3%、87.4%，为综合利用海藻资源开辟了新的途径。? 磷脂：Emanuele和Maria用SFE-CO2从干蛋黄中提取蛋黄磷酯，在CO2流量为1.06g/ml，压力为517bar，温度在40℃下，100克样品中可提取67克蛋黄磷脂。与传统溶剂法相比，纯度和提取率提高，产品色泽好。吕维忠等用SFE-CO2萃取大豆磷脂的研究表明：温度是主要影响因素，并得出最佳萃取工艺：压力为340MPa，温度在50℃，时间为6h，萃取率为40.56%，磷脂丙酮不 溶物含量大 于98%。Luigi等发现，以乙醇为夹带剂，在70℃、68.9MPa和流量0.97g/ml的条件下，用SFE-CO2提取大豆磷脂，每克样品可得10.77mg大豆磷脂。?

  沙棘油：内蒙古科迪高技术产业有限公司和广州市轻工研究所共同研制的工业化装置，已
在呼和浩特市试车成功，年产沙棘油可达20吨。武练增等在温度35～55℃，压力20.0～30.0MP
a范围内，取得了较好的实验效果，并申请了国家专利，并于1993年在北京实现工业化，建
成250L×2年工业装置，填补了我国SFE-CO2技术工业化的空白。?

   γ-亚麻酸：尹卓容等用SFE-CO2从月见草种子和丝状真菌中提取GLA。在压力为30～35M
Pa，温度35℃，CO?2流量为100～200L/min的条件下，萃取90min，月见草种子水分为2.4%
时，回收率为86%；丝状真菌水分为3.1%时，回收率为95.7%。?

   β-胡萝卜素：Baysal等从西红柿糜烂废弃物中提取β-胡萝卜素，以5%的乙醇为夹带剂，
在300bar，65℃和CO2流量为4Kg/h下提取率为50%。李新等分别用石油醚和SFE-CO2技术萃
取螺旋藻中的β-胡萝卜素，结果表明：SFE-CO2技术具有效率高、速度快、工艺简单、产品色
味纯正等优点。在温度为50℃、压力30MPa下萃取2h，β-胡萝卜素收率为94%。Vega等以胡
萝卜压饼为原料，用10%乙醇为夹带剂，在压力为7.6MPa，温度为70℃下得出提取率为99.51%
的好成绩。?

   厚朴酚及和厚朴酚：杨素荣等在1000L×2 SFE-CO2萃取装置上进行工业化试验研究，这
是见诸报刊的国内目前最大的工业化装置。获得的最佳萃取条件为：萃取压力5MPa，萃取温
度35～40℃，物料粒度40目，萃取时间6h。在此条件下从厚朴中萃取厚朴酚及和厚朴酚，萃
取率达90%以上，萃取物中厚朴酚及和厚朴酚总含量达60%左右，品质好，无溶剂残留。银杏
黄酮和银杏内酯。邓启焕等在500ml及10L萃取釜中，以一种特殊的醇类物质为夹带剂，在压
力20MPa，温度40℃，银杏叶粒度为5目，萃取时间90min，CO2流量15L为最佳萃取条件。此法的萃取率达3.4%， 比溶剂法的1%高出2倍；流程短，萃取批操作时间为2h，比溶剂法(24h)
缩短11倍，提高了工作效率；银杏叶有效成分的质量(银杏黄酮含量为28%，银杏内酯的含量
为7.2%)，均高于国际现行公认的质量标准；不存在有机溶剂残留和重金属残留。?

  青蒿素：葛发欢等以0.1L、5L及25L、200L的萃取装置上进行从黄花蒿中提取青蒿素的
工艺研究，最终确定最佳萃取条件为：萃取压力18MPa、分离Ⅰ压力14MPa、分离Ⅱ压力为6MPa；
萃取温度40℃，分离Ⅰ温度为60℃、分离Ⅱ温度为50℃；萃取时间为5h；CO2流量为10～2
0Kg/h。Kg，平均提取率较旧工艺(汽油法)提高了1.9倍，总制造成本每Kg青蒿素降低447元
，全流程提取时间由120h缩短为20h。?
3．2．2 超临界流体技术在手性药物合成中的应用?
  酶的稳定性和活性是影响酶催化反应的重要因素。Nakanurak等发现酶在SFE-CO2中处理24h后，催化活性基本 保持不变。固定化的脂肪酶的稳定性与己烷中相似，活力损失很小。刘
艳等将超临界酶催化反应用于手性化合物合成和拆分。如用米赫毛霉脂肪酶作催化剂，以布洛
芬和丙醇为底物进行合成和拆分，得到S-型异丁苯丙酸丙酯占90%以上。通过操纵超临界条件
可以控制产物的立体选择性。?
3．2．3 超临界流体技术在药剂学中的应用?
   超临界流体结晶技术是根据物质在超临界流体中的溶解度对温度和压力敏感的特性制备超
细颗粒，其中气体抗溶剂过程(GAS)常用于生物活性物质的加工。GAS过程是指在高压条件下溶解的CO2使有机 溶剂膨胀，内聚能显著降低、溶解能力减小，使已溶解的物质形成结晶或无
定型沉淀的过程。例如将CO2和胰岛素二甲亚砜溶液经一特制喷嘴，从顶部进入沉淀器，二者
在高压下混合后流出沉淀器，胰岛素结晶就聚集在底部的过滤器上。控制温度(25～35℃)，压
力(8.62MPa)，料液浓度(5～15mg/ml)，CO2流速(94ml/min)，进料速度(0.3ml/min)，1h内可
得到2～4μm胰岛素微细颗粒25mg。GAS过程还可制备β-胡萝卜素和乙酰苯胺结晶(10μm以下的占90%)。?
   利用SFE-CO2技术制备微粒正成为人们日益感兴趣的课题。特别在制药业，这一技术在各
方面得到了应用。如提高溶解性差的分子的生物利用度，设计缓释剂型，开发对人体的损害较
少的非肠道给药方式(如肺部给药和透皮吸收系统)。其中，最复杂的挑战涉及那些有治疗作用
的蛋白质。传输这些生物大分子是相当困难的，因为它们不溶，且体内的半衰期很短。超临界
流体的快速膨胀(RESS)是将产品的超临界流体溶液喷雾到一个低压容器内，这一过程只有当产
品在SCF(首选CO2)中的溶解度不太低(≥10-3Kg/kg)的情况下才有商业应用的可能。这使得这
一过程只限用于非极性或低极性的化合物，如洛伐他汀。超临界抗溶(SAS)技术适用于多数能
在强有机溶剂中溶解的分子。近来，该技术在制备用于肺部给药的极细药物微粒方面的进展为
新型材料的工程化带来了美好的前景。纳米级微粒或微米级微粒，或者是由纳米级微粒构成的
空心球室，极大的提高了水溶性差的药物的生物利用度，且使嵌在辅料中的药物微球具有缓释
的物性。由超临界溶液或混悬液产生微粒(PGSS)是将预处理产品内的压缩气体或超临界流体溶
液(可以是液体，也可以是固体浆)减压至一低压容器内，从而得到极细的微粒。SCF技术在微
囊化方面的应用是非常有希望的。蛋白质在温和条件下就可以被微囊化，既不变性也不失活。
乳糖酶就是一例。不过，还有待于用其它的蛋白质和生物大分子进行验证。利用超临界溶液的
快速膨胀、超临界抗溶、由超临界溶液或混悬液产生微粒也可进行微囊化，改变温度、压力等
条件后可获得脂质体或将载体沉积。?
3．2．4 超临界流体技术在药物分析中的应用?
  将SCF用于色谱技术称超临界流体色谱(SFC)，兼有GC高速度、高效和HPLC强选择性、高分离效能，且省时、用量少、成本低、条件易于控制、不污染样品等，适用于难挥发、易热解高分子物质的快速分析。SFC与MS等联用，为分析热不稳定及高分子化合物提供了重要手段。马熙中等用超临界毛细管色谱成功地分离了可的松和氢化可的松、地塞米松和培他米松、番木鳖碱和辛可宁、阿司匹林和非那西汀；崔兆杰等用超临界薄层色谱分析了咖啡、姜粉、胡椒粉、蛇麻草、大麻等；原永芳等用超临界傅立叶变换红外光谱分析了脂肪酸酯和抗氧化剂， 用超界核磁共振谱分析了咖啡豆中的咖啡因等。?
  总之，SCF技术在制药业除了用于从植物中提取活性物质外，应用越来越广泛，许多有前途的应用正在开发之中。?
4 SFE技术前景展望?
4．1 目前国际上SFE技术的研究和应用正方兴未艾，德国、日本和美国已处于领先地位，在
医药、化工、食品、轻工、环保等方面研究成果不断问世，工业化的大型SFE设备有5000L～10000L的规模， 日本已成功研制出超临界色谱分析仪。目前国际上超临界流体萃取的研究重点已有所转移，为得到纯度较高 的高附加值产品，对超临界流体逆流萃取和分馏萃取的研究越来越多；超临界条件下的反应的研究成为重点， 特别是超临界水和超临界二氧化碳条件下的各类反应，更为人们所重视；超临界流体技术应用的领域更为广泛。 除了天然产物的提取、有机合成外还有环境保护、材料加工、油漆印染、生物技术和医学等；有关超临界流体 技术的基础理论研究得到加强。国际上的这些动向值得我们关注。?
4．2 我国从20世纪70年代末80年代初即开展了对超临界流体技术的研究，国家对此项技术的研究给予 了较大的支持。初步统计，到1999年国家自然科学基金委员会已资助20多项基础研究课题，资助金额达100多万元。“八五”期间国家科技攻关又专门立项支持超临界流体萃取的应用与工程研究，总经费达数百万元，加上各部委、各省市的配套资金，估计达数千万元。据不完全统计， 目前我国已建成100L以上的超临界萃取装置10多台套，规模最大的达到1000L，生产的产品已有沙棘油、小麦胚芽油、 卵磷脂、辣椒红色素、青蒿素等。25L以下的中小型装置有120台套左右，几乎每个省区市都有。毋庸置疑，我国在SFE 技术的基础和应用研究方面已取得了令人鼓舞的成果。但与世界先进水平相比，我们的研究数量和设备数量不算少， 但设备质量不高，测量手段较为落后，研究的深度和广度都有相当大的差距，低水平重复现象较为严重。?
可持续发展是人类社会发展的新模式，也是世界各国的基本国策之一。为实现社会的可持续发展，不对环境造成污染， 不对后代造成危害，21世纪的化学工业、医药工业等必须通过调整自身的产业结构和产品结构，研究开发清洁化生产和 绿色工业的新工艺和新技术。SFE技术就是近30年来迅速发展起来的这样一种新技术。我们应当从这个战略高度来认识SFE技术研究和推广应用的重要性，制定研究规划，加大投入，加强对该技术的基础和应用研究，使它真正用于工业化生产， 造福于人类，造福于社会。?
4．3 SFE技术对于中药现代化至关重要。要从单纯的中间原料提取转向兼顾复方中药新药的开发利用，或对现行生产的名优中成药工艺改进或二次开发上；加强分析型超临界流体萃取或超临界色谱在中药分析中的应用，不断改革传统的分析方法；超临界流体结晶技术及其超细颗粒的制备可用于中药新剂型的开发，应加强在中药制剂中的应用，以推动中药制剂的现代化。