超临界萃取技术的应用.docx
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超临界萃取技术的应用.docx
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超临界萃取技术的应用
超临界流体萃取技术的应用
1.原理:
超临界流体萃取分离过程的原理是超临界流体对脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油酯等具有特殊溶解作用,利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系,即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。
在超临界状态下,将超临界流体与待分离的物质接触,使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。
当然,对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的,但可以控制条件得到最佳比例的混合成分,然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体,被萃取物质则完全或基本析出,从而达到分离提纯的目的,所以超临界流体萃取过程是由萃取和分离组合而成的。
2、农药残留分析
农药的广泛大量使用,不仅提高了农作物的产量,而且减轻了人们的劳动量。
但是农药的大量使用也使害虫天敌受到摧残,使害虫的危害加大,从而增加了农业生产对农药的依赖,并由此引起了一系列的农产品和食品安全问题¨J,食品中的农药残留对人类健康造成的负面影响也日益显露出来。
人类食用被农药污染的粮食、水果和蔬菜后,残留的农药会在人体内累积或富集,当富集到一定浓度时,会造成人体急性或慢性中毒。
因此,研究快速、可靠、灵敏的农药残留分析方法,无疑是控制农药残留,保证食用安全的基础。
超临界流体萃取(SupercriticalFluidExtraction,SFE)技术作为一门新兴的化工分离新技术,在食品、香料、医药、化工等领域得到了广泛应用,并取得了一系列成果。
近年来,该技术在农药残留分析上的研究日益广泛,并显示了其独特的优势。
农药残留分析属于复杂混合物中痕量组分的分析技术。
在农药残留分析中,萃取和分离净化是最关键的技术。
目前常用的萃取方法有:
溶剂萃取法、索氏提取法、组织捣碎、震荡提取等方法。
这些方法需要经过萃取、净化、浓缩等过程,耗时费力,提取过程还要消耗大量有机溶剂,不仅造成环境污染,而且萃取过程繁杂,样品回收率低,重现性较差,严重影响测定结果的准确性…J。
超临界流体萃取具有样品前处理简单、萃取时间短、提取效率高、结果准确、重现性好等优点,极大程度地推动其在农药残留分析中的应用。
2.1在食品中农药残留分析上的应用
由于食品组成成分复杂,农药残留水平较低,一般在mg/kg~gg/kg之间,因此要求灵敏度高、特异性强的提取及分析方法。
超临界流体具有特殊的溶解性,特别适合于微量成分的提取分离。
邱明月等用超临界流体萃取和气相色谱联用(sFE—GC)测定粮谷和茶叶中17种有机氯农药的残留量,并与传统方法进行了比较,认为超临界流体萃取技术是一种快速高效的方法。
李新社用超临界二氧化碳流体萃取蔬菜中的残留农药,萃取效率较高,而且不影响样本分析的准确性。
王建华等建立了用超临界流体萃取、气相色谱测定韭菜中百菌清、艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂残留量的方法,取得了令人满意的效果。
应用超临界流体测定其它蔬菜、水果中有机农药残留量也有较多的报道。
2.2中药材中农药残留的脱除
目前用于脱除中药材残留农药的方法主要有水洗法、炮制法等。
水洗法适用于污染植株表面及鲜品中药材的水溶性农药,而对于生物附集系数大、具有较强穿透性易进入植株内部的绝大多数脂溶性农药则效果较差。
炮制法适用于脱除药材中分解温度或降解温度低的农药。
超临界流体对脂溶性农药溶解度大,使得该技术既能脱除中药材中残留农药,又不会对中药材的有效成分损失过多,特别适合于中药材中残留农药的脱除。
万绍晖等用超If6i界C02萃取法去除当归中有机氯农药,使药材净化。
采用正交试验获得最佳萃取条件为:
萃取压力15MPa,萃取温度60℃,萃取时间20min,流速1.5mL/min,当归中残留农药去除率达95.1%,相关组分含量没有显著性变化,表明超临界C02萃取法去除当归中残留有机氯农药效果明显。
李欢欣等采用超临界C02流体萃取法去除黄芪中残留的有机氯农药,用毛细管气相色谱法测定除毒前后黄芪中农药残留量,评价除毒率。
试验结果表明,黄芪中残留农药去除率达87.6%,黄芪甲苷的相对含量为94.5%,相关组分含量没有显著性变化,说明方法可行。
2.3在土壤中农药残留分析上的应用
有机农药或其代谢产物在进入土壤之后,可以与土壤有机质或矿质形成结合残留物。
处于结合残留态的农药难以用常规方法提取。
超临界流体以其独特的优势成为目前研究土壤和植物中结合残留最理想的技术。
最早应用超临界流体萃取进行结合态农药残留分析的溶剂是甲醇,1986年Peterc.首次应用超临界甲醇法提取样品中的结合残留农药,测得2,4-D的结合残留占施用量的27%t23J。
Shahamatu.K.等用超临界C02萃取土壤中的2,4-D的回收率为78.3%。
Celi,L.等测得土壤中结合态三氟羧草醚(Ac)占施药量的0.8%,而其降解产物(AAC)的结合态占施药量的15%。
苏允兰等采用超临界C02流体研究2甲4氯(MCPA)、2,4-D、除草醚三种除草剂在土壤中的结合残留状况,认为超临界C02流体萃取可以有效地应用于土壤中结合态农药的提取,温度、压力和改性剂的改变均能够影响超临界流体的提取效率。
对于苯氧羧酸类除草剂,本身极性较大,要提取其结合态比较困难,需要加入一定量的改性剂甲醇才能提取出来。
3、食品方面的应用
伴随着人类社会的进步,饮食文化的内涵不断丰富,人们对食品提出了营养性、方便性功能性等更多的要求,同时还越来越强调其安全性。
我国食品工业
应用超临界萃取技术已逐步由实验室研究走向产业化,集中用在脱咖啡因、啤花有效成分萃取、植物油脂的萃取、色素的分离等方面。
3.1脱咖啡因
超临界流体萃取技术得到较早大规模的工业化应用的是天然咖啡豆的脱咖啡因。
咖啡因是一种较强的中枢神经系统兴奋剂,富含于咖啡豆和茶叶中,许多人饮用咖啡或茶时,不喜欢咖啡因含量过高,而且从植物中脱下的咖啡因可做药用。
它常作为药物中的掺合剂,因此咖啡豆和茶叶脱咖啡因的研究应运而生。
韩佳宾、江和源等通过正交实验确定了超临界流体脱除茶叶中咖啡因的最佳工艺参数。
结果表明,茶样形态对咖啡因脱除影响极大,60目磨碎茶样的咖啡因脱除率可达85.63%,咖啡因含量≤0.5%;含水率对茶叶中咖啡因的脱除率影响也较大,含水率为35%~50%时较适宜。
正交实验中,咖啡因脱除率的影响因子主次顺序为压力>温度>动态循环时间>夹带剂用量,而对儿茶素来说,夹带剂的影响较为明显。
3.2啤酒花有效成分萃取
啤酒花中对酿酒有用的部分是挥发油和软树脂中的律草酮又称α─酸。
挥发油赋予啤酒特有的香气,而α─酸在麦芽汁煮沸过程中将异构化为异α─酸,这是造成啤酒苦味的重要物质。
用超临界二氧化碳萃取啤酒花,α─酸的萃取率可达95%以上。
萃取物为黄绿色的带芳香味的膏状物。
张侃
、黄亚东等对啤酒花的超临界CO2萃取物的组分进行了分析,气相色谱图表明了超临界CO2和液态CO2萃取物的异同;并对超临界CO2萃取物进行酿酒试验,结果表明超临界CO2萃取物不仅增加啤酒香味,还能改善口味。
3.3植物油脂的萃取
超临界二氧化碳萃取对植物油脂的应用比较广泛成熟,吕维忠等研究了大豆粗磷脂的超临界CO2提纯工艺,探讨萃取压力、萃取温度、萃取时间对萃取率的影响。
通过正交试验得到优化工艺条件为:
萃取压20MPa,萃取温度50℃,萃取时间5h。
银建中等建立了一套超临界流体萃取实验装置,就大豆和花生两种植物油超临界流体萃取进行了较为详细的实验研究。
在探讨了压力、温度、颗粒度、空隙率以及时间等对萃取率的影响之后,获得了指导实际生产的最佳工艺参数条件。
3.4色素的分离
超临界CO2还可以分离天然色素,随着合成色素的不安全性日益受到人们的重视,世界各国使用合成色素的种类日趋减少。
天然色素不仅使用安全,而且常有一定的营养价值,深受消费者喜爱。
孙庆杰等采用超临界CO2萃取技术从番茄加工副产品番茄皮中提取出番茄红素。
研究了不同的压力、温度、流量和萃取时间对萃取率的影响。
当萃取压力在15~25MPa,温度40~50℃,流量20kg/h,萃取1~2h,既可将番茄皮中90%以上的番茄红素萃取出来。
姜炜介绍超临界二氧化碳萃取技术提纯辣椒红色素的工作原理及工艺流程。
工艺流程通过改变萃取压力、萃取温度、萃取时间和流速等参数确定了最佳工艺条件,在此条件下,得到的辣椒红色素的色价达150以上,且杂质含量符合国家标准。
4.药物分析
1 . 1 在中药提取物( 有效部位)研究中的应用
超临界流体萃取有效部位相关成果较多,往往提取物本身就是产品(标准提取物),只要达到标准,便可进入市场。
1.2 在中药化学成分( 组分) 研究中的应用
超临界CO2 萃取(SFE-CO2)技术进行中草药化学成分的研究,与传统溶剂法比较,可在简化提取分离工艺的同时得到一些传统方法得不到的组分,而对有效成分的萃取率大大高于传统提取法,对中药化学成分(组分)的研究有着积极的意义。
在红豆杉紫杉烷类化学成分的研究中,进行红豆杉中紫杉烷类成分的提取分离,传统的植物化学分离要得到单体难度大、步骤繁琐。
此过程中,要用多种有毒有机溶剂。
而用SFE-CO2 对云南红豆杉(Taxusyunnensis)的化学成分进行3 h 提取所得粗浸膏,只需进行一次硅胶柱层析就能得到6个紫杉烷类单体和2 个其它单体,UV、IR、1H-NMR 和13C-NMR、MS等光谱分析和化学鉴定为紫杉醇(taxol),taxuchin A,taxinineE,taxinine J,baccatin,1-hydroxybaccatin 及β - 谷甾醇和硬脂酸-1- 甘油酯。
在姜黄(Curcuma longa)油化学成分的研究中采用SFE-CO2 技术,对所得的姜黄油进行GC / MS分离鉴定,确定了包括姜黄酮在内的26 个成分。
在进行中药挥发油或脂肪油化学成分的研究中,采用SFE-CO2技术得到总成分后,直接进行GCMS-计算机联用技术分析,即可分析鉴定油中化学成分。
采用SFECO2 技术提取黄花蒿、当归等挥发油,能提取分离出水蒸汽蒸馏法提取不出的成分。
1 . 3 联用技术的应用
单独采用SFE技术往往满足不了高纯度的要求。
为此,人们进行了工艺改造,开发了SFE 技术与其他分离手段的联用。
美国Schaeffer 等人用SFE技术从豆科植物美丽猪屎豆种子中萃取得到纯度为50% 单猪屎豆碱,然后结合阳离子交换树脂进行分离纯化,可将纯度提高到95%。
意大利的Fabio 等人采用浓缩富集、离心分离、冷冻干燥等工艺从苜蓿中分离得到富含胡萝卜素和叶黄素的浓缩物,而后联用SFE 工艺,分别得到胡萝卜素和叶黄素。
采用国产10L × 2SFE-CO2 装置及平板超滤器等联合生产工艺设备,以含量为10%~14% 的银杏黄酮粗品为原料,经联合工艺处理,得到黄酮含量大于30%、内酯为6%~8% 的产品。
经检测,产品各指标均能达到国际质量标准。
从银杏中提取银杏黄酮的方法中,单一溶剂法产物有残留,纯度难以提高,纯化工艺复杂,成本高;而单一SFE-CO2 法提取率低。
如联合应用溶剂法和SFE-CO2法,则可避免和克服二者存在的问题和困难,省时省料,大大降低了生产成本。
从获取蒜油的得率和品质上讲,SFE-CO2 法是最有效的,但就工业化而言,操作技术上有难点,大蒜头在高压萃取釜中难以实现连续加料,浆状蒜泥粘度大,且蒜头规模化打浆属放热过程,蒜素损失严重。
臧志清等提出,由溶剂浸出与SFE-CO2 提纯结合提取的工艺。
先用乙醇浸出,获取大蒜浸出液,再经SFE-CO2连续萃取分离大蒜精油,实现连续稳定的高压萃取操作。
1 . 4 在复方中药新药研发中的应用
中药复方是传统中药的最主要的、也是中药与国际接轨难度最大的部分。
迄今大量的研发工作几乎都集中在单味药物的提取方面,而中药复方由于其成分多而复杂,且各成分之间可能存在协同或拮抗作用,药理作用复杂。
因此,利用SFE 技术研究复方难度较大,国内的研究报道也很少。
但可以预计采用种分离技术能为中草药应用开辟出为广阔的新领域。
在对几味单方中药SFE 技术研究( 包括药效学) 的基础上,用SFE 技术对结合传统中医理论组成的复方新药研发过程中,葛发欢等人首次用SFE-CO2 技术对中药复方进行研究,并发现在合适的SFE-CO2 参数条件下,按处方比例混合四味中药一起提取,四味中药中的有效成分均被提出,有效部位( 浸膏) 收率比单味提取有所增加,复方浸膏收率比单味浸膏收率高。
这有可能是因为复方提取时,一些中药成分的提取由于互溶作用, 促进其它中药成分的提取。
按照此类中药复方的传统用药和提取方法,进行了该复方的传统提取,发现此复方浸膏的收率比SFE 高0.34 倍,然而其中有效成分,比SFE 低近40倍。
这说明传统复方提取杂质多, 有效成分少, 外观颜色差, 且批与批间重复性较差,而复方的SFE,有效成分高度浓缩, 杂质少, 外观颜色较好,各批次之间重复性较好;药效学证明该复方的SFE 有效部位,具有传统中医所要求的药效,且复方后具有协同补充效果。
研究证明,中药复方的研究与开发可以应用SFE 新技术,是改进中药复方生产工艺的有效途径,其工业化应用将有可能对中药复方的提取带来革命性的进展。
1 . 5 在中药质量标准化研究中的应用
质量标准是影响中药进入国际市场的又一重要因素。
采用先进、准确的分析方法进行中药质量控制有利于中药现代化。
曾有报道,分析型SFE-CO2 或超临界色谱用于药物分析具有省时、样品用量少、条件易于控制、不分解、不污染样品等优点,特别是能从复杂组分中分离、鉴定痕量组分。
因此,对成分复杂的中药特别是复方中药的分析尤为适用。
特别是它应用于分析更能为准确客观评价所要分析的有效成分的含量。
2 SFE 技术在中药新药研发过程中的应用局限性及应注意的问题
2 . 1 在中药新药研发过程中的应用局限性
当然SFE 技术对中药的活性成分提取也不是万能的,它同样具有自身固有的局限性:
1.1 SFE 技术的普适性不好。
由于CO2的非极性和低分子量的特点,SFE-CO2 主要适合那些非极性或弱极性、分子量小的物质(如油脂、挥发油等) 的萃取。
对于极性强、分子量较大的物质(如多糖类、皂苷类、黄酮类等) 的萃取,则有难度,要加提携剂或较高压力下分段进行萃取。
不过国外已有报道应用全氟聚醚碳酸铵(PEPE)使SFE技术扩展到水溶性体系,使难以提取的强极性化合物如蛋白等由SFE 萃取。
1.2 萃取过程中的装卸料未实现
连续化生产。
中草药原料多为固体(切制成片状或捣碎成粒状等),装卸料多采用间歇式。
同时萃取产物的收集必须在无菌箱中进行,为防止交叉污染,更换产品时,装置的清洗尤为重要,也较为困难,故存在萃取装置的转产问题。
所以,在萃取过程中,装卸料的连续化生产成为有待解决的问题;1.3 设备造价昂贵,一次性投资大。
建一套500L× 3的国外进口超临界装置大约4 000 多万~5 000 万元,建一套1500L × 3 的超临界装置大约8 000 多万~1 亿元,实际投资还要更高。
这导致产品成本较高,工业化普及困难。
2 . 2 在中药新药研发过程中应用应注意的问题
SFE 技术是一个非常新的、受到国内外高度重视的分离提取技术,但不是一项万能技术。
这是所有从事这项技术研究开发的科技术工作者必须面对的现实。
鉴于该技术还存在以上缺陷,在中药新药研发应用过程中应注意以下几方面的问题:
2.1 对癌症和心脑血管等疾病有显着疗效的多糖类、皂苷类、黄酮类等的提取,SFE-CO2 技术几乎无能为力,这种尴尬局面促使人们大胆地将SFE-CO2技术的长处与其它方法有机结合,从而取得了各种联用技术的成功。
因此进一步开发和完善SFE-CO2和各种分离手段的联用技术,对于促进SFECO2 技术应用的发展具有重要意义。
2.2 在中药新药研发过程中,中药超临界萃取对象的多种多样,选择应视情况而定。
从学术或科技立项的角度,应该是没人做过或有人做过但有创新的品种。
从经济角度考虑,要有市场,要考虑成本,要符合药政要求。
目前,搞中药标准提取物、中间体,用于出口,或注册后于国内销售;对现有品种进行二次开发,改革工艺;从头到尾采用该技术进行新药研发,根据新药的特点,这是难度最大,也最有竞争力的选择。
这都是较好的研究方向。
2.3 虽然很多中药的超临界CO2萃取物可直接应用于中药制剂,也确实能解决质量、剂量、疗效等问题,但是在中药新药研发过程中,还是应以药理活性和药物疗效为核心。
不能将所有的萃取产物均视为有效成分。
如有研究发现,超临界CO2 容易萃取出的地肤子油抗菌效果不明显,而有效成分是在萃取出油之后加入乙醇作提携剂提出的部分。
2.4 迄今为止,可以说大量的工作都是集中在单味药物的提取方面,这显然与传统中药以复方为主的事是极不相称的。
中药或中药复方是一个复杂体系,很多时候是多成分、多靶点起作用,而进行中药的超临界萃取时,不能将其中的一个部位代表该中药的全部有效部位。
今后在复方提取或分组提取方面的工作,将是一个很有意义的方向。
2.5 在应用SFE技术进行中药新药研发过程中,无论是简单实验,或是单因素实验、正交实验,都要有考查指标,不能仅以指标性成分的得率或含量作为提取效果的判断指标,还要兼顾指标性成分与药理疗效的相关性。
判断中药SFE 效果最好的方法是药理临床效果,药理的配合是超临界CO2萃取中药新药研发最好的方法。
如:
丹参酮类,当用作抗肝炎时,丹参酮ⅡA 就不是有效成分。
2.6 提携剂使用范围越来越宽,装置腐蚀问题应引起重视。
不锈钢设备的腐蚀常为局部腐蚀,当处于钝态和活态边缘,在含有卤素离子的提携剂中可能产生孔蚀,在含有对应力腐蚀敏感离子(如Cl-、OH-等)的提携剂中,受应力的部分(如焊缝附板)则可能产生应力腐蚀。
2.7 由于天然药物种类很多,分子结构颇为复杂,其蒸汽压、粘度、表面张力等物系参数积累甚少,物系的溶解度曲线、状态方程与高压下的相平衡图等均需建立,所以超临界CO2 萃取的基础研究应予以加强。
2.8 在工业化方面,尽管目前在实验室已取得了大量的研究成果,然而要将这些初步成果转化为现实的生产力,还有许多问题需要解决。
如将实验室的新的超临界CO2萃取物让中药学家进行必要的药理药效实验,并建立与之相应的质量标准体系,这就需要两类科学工作者之间建立良好而密切的联系;对于基础研究和化学工程方面,要力求能对获取目标成分的可能性进行良好的预测,能设计出最经济、最高效的工艺流程,能找到与其他方法最佳搭配的结合点。
3 SFE-CO2技术在中药新药研发过程中的应用前景和趋势
SFE-CO2 技术是一项有生命力的技术,将会为种类繁多、组成复杂、性质差异很大的中药有效成分的提取提供一条新的途径,随着入世的深入,国际市场对中药标准提取物、中间体的需求越来越广泛,可以预计,将给超临界CO2 萃取进行的中药标准提取物或中间体带来更广阔的市场空间。
就中草药原料而言,SFE 能用于各种植物固体原料和常规提取后的固体及液体粗品原料;就提取对象而言,可用于挥发油、各种含氧化合物[ 如醇、醛、酚、酮、酸、( 内) 酯等] 、色素及生物碱等的提取、各种常规提取粗品的纯化及去除有机溶剂和有害杂质。
SFE所具备的这些优点是其他现有各种方法无法比拟的,其萃取中药的优势及中药现代化的客观需求决定了该技术在中药研究开发及产业化中具有的广阔前景。
在国外,特别是在日本,经过20 世纪80 年代的大量应用后,目前这一技术已在中草药研究和生产的许多方面得到了应用。
近年来在我国,继其成功用于食品和香料的提取之后,SFE具备的良好设备和技术背景,利用SFE 技术对中草药的研究和开发也取得了很大进步,发展迅速。
这一新技术在中药学领域正受到前所未有的普遍重视,早期萃取科学工作者与中药科学家正紧密地走到一起,已对近百种中药原料进行了实验室小试研究和近20 个品种的中间放大实验,有些产品已经走向工业化应用。
国产SFE-CO2 设备已研制成功,具备生产分析型和生产型两档SFECO2 设备的能力。
研究和开发出的成熟的SFE-CO2工艺技术(软件)的中草药有:
银杏叶、金银花、紫草、紫杉、沙棘油、牛膝、乳香、没药、月见草、黄花蒿、白芍、生姜、当归、珊瑚姜、石菖蒲、飞龙掌血、长春藤、茵陈、光菇子、大蒜、木香等近30 种。
同时国家的产业政策推进了该技术的的研究,如鼓励采用该技术进行新药的研究或二次开发、对一些提取物或中间体将采用简化注册的方式等。
这将更加有利于该技术在中药中的产业化。
就国产设备研发与工业化应用而言,应加强基础理论和化学工程方面的研究,完善和丰富超临界条件下各种物系的相平衡、物理化学和传热传质等数据,预测和建立起有关超临界萃取过程的热力学和动力学模型。
在计划产业化之前,针对被开发对象的特点,深入做好应用基础研究和全面的优化设计,综合评估产品质量、环境影响、生产成本等各方面优势,兼顾该技术的适用性、安全性、节能性以及是否符合GMP 要求,将SFE 技术与其它分离技术集成。
随着基础研究与应用研究的不断深入,国产化设备质量的进一步提高,中医药界与相关工程技术领域的专家强强联手、协同攻关,超临界萃取技术必将大量服务于中药的产业化、中药的现代化、中药的国际化。
典型的超临界萃取流程
利用SCF的溶解能力随温度或压力改变而连续变化的特点,可将SFE过程大致分为两类,即等温变压流程和等压变温流程。
前者是使萃取相经过等温减压,后者是使萃取相经过等压升(降)温,结果都能使SCF有很高的扩散系数,故传质过程很快就到达平衡。
此过程维持压力恒定,则温度自然下降,密度必定增加,到状态点2,然后萃取物流进入分离器,进行等温减压分离过程,到状态点3,这时SCF的溶解能力减弱,溶质从萃取相中析出,SCF再进入压缩机进行升温加压,回到状态点1,这样只需要不断补充少量溶剂,过程就可以周而复始。
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