超临界提取技术在中草药有效成分提取及质量检测上的应用
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摘要：综述了国内外超临界流体提取技术在中草药有效成分提取以及中草药质量检测、分析中的应用。
关键词：超临界提取；二氧化碳；中草药；提取；质量检测
中图分类号：Q658.2文献标识码：A文章编号：1672-979X(2007)01-0029-04
Applications of Supercritical Fluid Extraction in Separation and Quality Control of Effective Component from Chinese Herbal Medicine
YING An-guo, WANG Li-min, PAN Han-min
(Xinchang Pharmaceutical Factory, Zhejiang Medicine Co., Ltd., Shaoxing312500, China)
Abstract：This paper mainly reviews the applications of supercritical fluid extraction in the separation and quality control of effective component from Chinese herbal medicine.
Key words：supercritical fluid extraction; CO2; Chinese herbal medicine; extraction; quality control
中草药是中国医药学的一个重要组成部分，中草药治病具有作用缓和持久、疗效稳定、副作用小等优点。但是中草药中所含物质成分复杂，为了提高中草药的治疗效果，必须利用各种提取方法，从药材中提取有效成分。从提取和精制的角度出发，以亲脂性（极性）的大小可分为几大类：强亲脂性（无极性）物质，亲脂性（弱极性）物质，弱亲脂性（中等极性）物质，亲水性（强极性）物质等4大类。过去中草药的提取和精制是根据物质极性“相似相容”的原理，以不同极性的溶剂提取极性与其相似的成分，如表1。
表1中草药不同有效成分的极性分类
表1中所列几种提取方法有明显的缺点：（1）提取效率低许多有效成分只能提取出很少一部分，造成中草药资源的浪费；（2）药品质量和档次较低提取的亲脂性有效成分含有机溶剂残留；（3）选择性差许多无效的杂质随着有效成分提取出来，降低了有效物质的浓度，药效较差；（4）有效成分受到破环有时提取温度过高，使药物中热敏性物质受到破环；（5）生产效率较低 提取一罐药物一般需要4~10 h到几天。由此可见，采用先进的提取方法替代传统的溶剂提取法势在必行，其中超临界提取（supercritical fluid extraction，SFE）就是一种最好的替代方法。
1SFE基本原理
一种流体（气体或液体），当温度和压力均超过相应临界点值时，则称该状态下的流体为超临界流体。超临界流体具有以下特性：（1）超临界流体的密度接近液体，由于溶质在溶剂中的溶解度一般与溶剂的密度成正比，使超临界流体与液体溶剂有相近的提取能力；（2）流体在临界点附近的压力或温度的微小变化都会导致流体密度相当大的变化，从而使溶质在流体中的溶解度也产生相当大的变化；（3）超临界流体的扩散系数介于气态与液态之间，其黏度也接近气体，因此总体上超临界流体的传递性质更类似于气体；（4）当流体状态接近于临界区时，蒸发热会急剧下降，至临界点时，气-液相界面消失，蒸发焓为零，比热也变为无限大。因此，在临界点附近进行分离比在气液平衡区进行分离更有益于节能。
SFE操作时，将欲进行提取分离的原料装入提取器，排出所有杂质气体后，注入超临界流体，在压缩机驱动下，使其在提取剂和分离剂之间循环。溶有提取质的高压气体自提取器顶部离开，经节流阀节流，降压析出溶质，进入分离器，溶质自分离器底部排出，超临界流体则进入压缩机经压缩后进入提取器循环使用。
在SFE操作中，提取器内的溶质溶解于超临界流体的过程是自发的，不耗能；节流阀上的节流膨胀属于等焓过程，不消耗能量，如用膨胀机代替节流阀，还能回收部分能量；分离器则仅系机械分离操作，也不消耗能量。在流程中主要的能耗是压缩机，压缩机的功率决定于压缩比与流体的循环量。常用的压缩比一般不会很大，而流体的循环量则取决于超临界流体对溶质的溶解能力，溶解度越大，所需超临界流体的循环量就越小，能耗越低。若有溶剂气体在临界点附近液化，对原料做近临界流体提取（near critical fluid extraction），这时需要将提取相的溶剂蒸出供循环使用，并提取提取质。在这种情况下，因临界点附近流体的气化潜热很小，所以蒸发所需的热量就很少，且溶剂与溶质间的挥发度差异很大，分离十分方便，操作所需的能量也低。
2SFE在中草药有效成分分离中的应用
2.1强亲脂性有效成分提取
强亲脂性有效成分（A类中药）主要是由萜类和芳香族化合物及衍生物组成。CO2的超临界温度为31.3 ℃，接近于室温，超临界压力为7.15 MPa。其极性类似于正己烷，因而超临界CO2提取更适合于强亲脂性、高沸点、热敏性物质的提取和分离。宋应华等[1]用SFE对川芎挥发油提取进行了研究，分析了温度、压力和流量等因素对提取过程的影响，与传统提取方法比较，该法具有耗时少、效率高的优点。钱国平等[2]对黄花蒿进行超临界CO2提取青蒿素研究，优化后最佳工艺条件：提取压力20 MPa，提取温度50 ℃，CO2流量1 kg/(h・kg原料)，提取4 h，提取率达95%，青蒿素纯度10%以上。用SFE技术从甘蔗渣中提取二十八烷醇，在提取压力30 MPa，提取温度50 ℃，提取时间4 h时得到二十八烷醇含量为24.8的产物[3]。李伟东等[4]比较了常压水蒸气蒸馏、减压水蒸气蒸馏和超临界流体从当归中提取挥发油的成分和含量，得出超临界CO2提取技术得率高，提取成份较完全，是提取当归挥发油的理想方法。赵怡等[5]用此技术从草果中提取草果挥发油，用气质联用技术分析挥发油成分，与传统方法相比得率大大提高。郑尚珍等[6]用SFE技术研究了石香薷挥发油的化学成分，首次分离鉴定出肉桂酸异丁脂、d香芹酮等27种化合物。孙彬等[7]用SFE技术提取中药珠光香青挥发油，鉴定出44和53个化合物，主要包括百里酚、谷甾醇、豆甾醇及木栓酮等成分。刘华[8]以SCF-CO2提取A珊瑚姜，提取压力4 MPa，温度40 ℃，提取时间缩短为2 h，其提取物含有较高的含氧衍生物及较低的单萜化合物，完整地保存了珊瑚姜的纯天然香味。Lemberkovics等[9]用SFE研究了药用植物及其制剂中香精油（薄荷油、迷迭香、熏衣草、鼠尾草、百里香油等）的多组分分离。与传统的水蒸气蒸馏相比，油的质量比同级油高，提取率也提高。用SFE技术从银杏叶中提取得到总黄酮和总内酯，其含量高于欧洲（Egb761）的质量标准，最佳工艺条件是提取压力20 MPa，温度50 ℃，夹带剂含量15%的条件下提取40 min[10]。李凤林等[11]用SFE技术从大蒜中提取大蒜油，分离压力10 Mpa，分离温度45 ℃，提取时间4 h，提取压力15 MPa，温度45 ℃，CO2流量 2 L/min，大蒜油收率为3.64 mg/g。张忠义等[12]用同样的方法提取厚朴药材中的厚朴酚，提取物经二次重结晶后，可得纯度较高的厚朴酚，得率为1.8%。此法具有一定的选择性，提取的杂质较少，是传统的溶剂提取所无法比拟的。刘娜等[13]用SFE技术提取小茴香中精油的主要成分为大茴香脑和脂肪酸，而水蒸气蒸馏和索氏法提取物主要成分为大茴香脑。孙爱东等[14]用SFE提取月见草油，在35 ℃、30 MPa下，脱色、脱蜡在提取器内一次完成，其收率达到88.2%，克服了溶剂提取法在分离过程中需蒸馏加热，油脂易氧化、酸败，存在溶剂残留的缺陷，也克服了压榨法产率低、精制工艺繁琐、油品色泽不理想的缺点。
2.2亲脂性和中等极性有效成分的提取
有效成分为亲脂性的物质包括萜类、色素、生物碱、内脂、黄酮、有机酸、苷类等，在中药中涉及面极广。由于具有一定的极性，因此加入一定量的夹带剂会产生更好功效。姜继祖等[15]用SFE从光菇子中提取抗肿瘤药秋水仙碱，用76%乙醇做夹带剂，提取率为回流提取法的1.25倍，减少提取时间0.45倍。马礼金等[16]用SFE从野生红芝子实体中提取灵芝三萜化合物，通过加入夹带剂10%的甲醇，大大降低了提取的密度和压力，仅10 min就可完全提取。李先春等[17]用超临界-CO2提取技术，以乙醇为夹带剂，可得收率为2.32%的浸膏，避免了由于水煮温度较高、时间长，有许多成分发生分解、氧化或水解等，以及煮出液浓缩的过程中浸膏颜色变成棕黑色等，从而影响产品质量。袁海龙[18]等用超临界-CO2提取技术，以甲醇为夹带剂提取何首乌中的有效成分大黄酸、大黄素、大黄素甲醚，确立了最佳条件为压力42 MPa、温度70 ℃，并用RP-HPLC进行分离测定，与超声波提取法比较无显著性差异，但SFE时间短，效率高，后处理简单。 Choi等[19]研究了SFE提取台湾三尖杉中三尖杉碱时甲醇、水、二乙胺-甲醇（10%）、二乙胺-水（10%）在不同浓度条件下对提取效果的影响，结果表明二乙胺-甲醇（10%）的效果最好。孙海燕等[20]用SFE技术从黄芪中提取黄芪皂苷，结果证实此方法工艺稳定，提取效率高，适于工业化生产。
2.3较大极性有效成分的提取
大多数中药采用水提取，说明其有效成分大多是极性大的水溶性成分（D、E类），用CO2 和加夹带剂的 CO2提取较难。研究表明，使用极性更强的特殊夹带剂，是超临界CO2提取中提高对极性物质溶解能力的有效方法。Johnston等[21]报道了在夹带剂中添加全氟聚醚碳酸铵（PFPE），使CO2与水形成散性很好的微乳液，提取强极性化合物（多糖、蛋白质等）的研究。该研究为超临界CO2提取中药有效成分的应用开拓了广阔的前景，但目前还处于实验室研究阶段，且在国内尚未见有关的报道。
3超临界提取技术在中药质量检测方面的应用
质量标准和质量检测分析是影响中药进入国际市场的一个重要因素，因此采用先进、准确的方法分析中药有效成分对中药现代化非常重要。
常用的中药质量分析手段有气相色谱法（GC）、高效液相色谱法（HPLC）和薄层层析法（TLC）等。但是，色谱分析的前处理，即样品的提取和净化存在一些困难，处理的时间过长。因此把SCF原理用于仪器分析的超临界色谱（supercritical fluid chromatography, SFC），近年获得很大发展，被认为是一种理想的分析分离方法。这是由于超临界流体的性质介于气体和液体之间，它有接近于气体的低黏度、高扩散系数，又有接近于液体的高密度和强溶解能力。超临界色谱以超临界流体为流动相，使其具有GC的分离效率和HPLC的溶剂强度；SFC与 GC和HPLC相比兼有两者的优点：高分析速度，高分离效率，高选择性，能与多种检测器联用，可从复杂的基体中有效分离与检测天然产物的待测组分，有些样品甚至不需要进一步纯化。目前最常用的流体是CO2，由于它临界温度比较低，更适合于热不稳定化合物和手性药物的分离和制备，应用范围更广。现在最常用的方法是毛细管SFC／MS联用，超临界流体提取技术与GC/MS联用，成功地对中草药有效成分进行分离鉴定，是采用传统方法所不能比的[22]。
综上所述，SFE提取中草药有效成分的优点是其他现有提取方法所无法比拟的。但SCF技术用于中草药的提取还存在一些问题需要研究解决。如SFE一般都需在高压的条件下进行，设备投资大，生产成本高。在超临界色谱中的柱出口（高压流体）与检测器匹配的接口工艺上，仍存在着一些技术问题。此外，制备型SFC装置的自动控制、稳定性、精密度要求高，色谱固定相价格昂贵，设备一次性投资大，在实际应用中受到一定的影响。但是，由于SFE技术的优越性和对环境的友好性，伴随着高压技术的不断发展和提高，设备成本将会大大降低，SFE必将在中草药提纯分离和质量检测方面得到更加广泛的推广应用。
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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”