超臨界萃取的技術原理及應用
一、超臨界萃取的技術原理
利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關系，即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進行的。在超臨界狀態下，將超臨界流體與待分離的物質接觸，使其有選擇性地把極性大小、沸點高低和分子量大小的成分依次萃取出來。當然，對應各壓力范圍所得到的萃取物不可能是單一的，但可以控制條件得到最佳比例的混合成分，然后借助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體，被萃取物質則完全或基本析出，從而達到分離提純的目的，所以超臨界CO2流體萃取過程是由萃取和分離過程組合而成的。
超臨界CO2是指處于臨界溫度與臨界壓力（稱為臨界點）以上狀態的一種可壓縮的高密度流體，是通常所說的氣、液、固三態以外的第四態，其分子間力很小，類似于氣體，而密度卻很大，接近于液體，因此具有介于氣體和液體之間的氣液兩重性質，同時具有液體較高的溶解性和氣體較高的流動性，比普通液體溶劑傳質速率高，并且擴散系數介于液體和氣體之間，具有較好的滲透性，而且沒有相際效應，因此有助于提高萃取效率，并可大幅度節能。
超臨界CO2的物理化學性質與在非臨界狀態的液體和氣體有很大的不同。由于密度是溶解能力、粘度是流體阻力、擴散系數是傳質速率高低的主要參數，因此超臨界CO2的特殊性質決定了超臨界CO2萃取技術具有一系列的重要特點。超臨界CO2的粘度是液體的百分之一，自擴散系數是液體的100倍，因而具有良好的傳質特性，可大大縮短相平衡所需時間，是高效傳質的理想介質；具有比液體快得多的溶解溶質的速率，有比氣體大得多的對固體物質的溶解和攜帶能力；具有不同尋常的巨大壓縮性，在臨界點附件，壓力和溫度的微小變化會引起CO2的密度發生很大的變化，所以可通過簡單的變化體系的溫度或壓力來調節CO2的溶解能力，提高萃取的選擇性；通過降低體系的壓力來分離CO2和所溶解的產品，省去消除溶劑的工序。
在傳統的分離方法中，溶劑萃取是利用溶劑和各溶質間的親和性（表現在溶解度）的差異來實現分離的；蒸餾是利用溶液中各組分的揮發度（蒸汽壓）的不同來實現分離的。而超臨界CO2萃取則是通過調節CO2的壓力和溫度來控制溶解度和蒸汽壓這2個參數進行分離的，故超臨界CO2萃取綜合了溶劑萃取和蒸餾的2種功能和特點，進而決定了超臨界CO2萃取具有傳統普通流體萃取方法所不具有的優勢：通過調節壓力和溫度而方便地改變溶劑的性質，控制其選擇性；適當地選擇提取條件和溶劑，能在接近常溫下操作，對熱敏性物質可適用；因粘度小、擴散系數大，提取速度較快；溶質和溶劑的分離徹底而且容易。從它的特性和完整性來看，相當于一個新的單元操作，因此引起了國內外的廣泛關注。
二、超臨界萃取的特點
1、超臨界萃取可以在接近室溫(35～40℃)及CO2氣體籠罩下進行提取，有效地防止了熱敏性物質的氧化和逸散。因此，在萃取物中保持著藥用植物的有效成分，而且能把高沸點、低揮發性、易熱解的物質在遠低于其沸點溫度下萃取出來；
2、使用SFE是最干凈的提取方法，由于全過程不用有機溶劑，因此萃取物絕無殘留的溶劑物質，從而防止了提取過程中對人體有害物的存在和對環境的污染，保證了100%的純天然性；
3、萃取和分離合二為一，當飽和的溶解物的CO2流體進入分離器時，由于壓力的下降或溫度的變化，使得CO2與萃取物迅速成為兩相（氣液分離）而立即分開，不僅萃取的效率高而且能耗較少，提高了生產效率也降低了費用成本；
4、CO2是一種不活潑的氣體，萃取過程中不發生化學反應，且屬于不燃性氣體，無味、無臭、無毒、安全性非常好；
5、CO2氣體價格便宜，純度高，容易制取，且在生產中可以重復循環使用，從而有效地降低了成本；
6、壓力和溫度都可以成為調節萃取過程的參數，通過改變溫度和壓力達到萃取的目的，壓力固定通過改變溫度也同樣可以將物質分離開來；反之，將溫度固定，通過降低壓力使萃取物分離，因此工藝簡單容易掌握，而且萃取的速度快。
三、超臨界CO2萃取技術在中藥現代化中應用的優越性
1、萃取能力強，提取率高。用超臨界CO2提取中藥有效成分，在最佳工藝條件下，能將所需提取的成分幾乎完全提取，從而大大提高產品收率及資源的利用率。同時，隨著超臨界CO2萃取技術的不斷進步，把超臨界CO2萃取擴展到水溶液體系，使得難以提取的強極性化合物如蛋白質等的超臨界CO2提取已成為可能；
2、萃取能力的大小取決于流體的密度，最終取決于操作過程的溫度和壓力。改變其中之一或同時改變，都可改變溶解度，可以有選擇地進行中藥中多種物質的分離，從而可減小雜質，使中藥有效成分高度富集，便于減小劑量和控制質量，使產品外觀大為改善；
3、超臨界CO2萃取的操作溫度低，能較完好地保存中藥有效成分不被破壞，不發生次生化，因此，特別適合于那些對熱敏感性強、容易氧化分解破壞的成分的提�。�
4、提取時間快，生產周期短。超臨界CO2提取循環一開始，分離便開始進行。一般提取10分鐘就有成分分離析出，2~4小時左右便可完全提取，同時，它不需濃縮等步驟，即使加入夾帶劑，也可通過分離功能除去或只需簡單濃縮；
5、超臨界CO2提取，操作參數容易控制，因此能保證有效成分及產品質量的穩定性；
6、超臨界CO2還可直接從單方或復方中藥中提取不同部位或直接提取浸膏進行藥理篩選，開發新藥，大大提高新藥的篩選速度。同時可以提取許多傳統方法提不出來的物質，且較易從中藥中發現新成分，從而發現新的藥理藥性，開發新藥；
7、超臨界CO2還具有抗氧化、滅菌作用，有利于保證和提高產品的質量；
8、超臨界CO2萃取應用于分析或與GC、IR、MS、LC等聯用成為一種高效的分析手段，將其用于中藥質量分析，能客觀地反映中藥中有效成分的真實含量；
9、經藥理、臨床證明，超臨界CO2提取中藥，不僅工藝上優越，質量穩定，且標準容易控制，其藥理、臨床效果能夠保證或更好；
10、超臨界CO2萃取工藝流程簡單，操作方便，節省勞動力和大量有機溶劑，減少三廢污染，這無疑為中藥現代化提供了一種高效的提取、分離、制備及濃縮的新方法。
四、超臨界CO2萃取技術的應用
1、在醫藥工業中，可用于中草藥有效成份的提取，熱敏性生物制品藥物的精制，及脂質類混合物的分離，可防止中藥有效組分的逸散和氧化，過程沒有有機溶劑殘留，可獲得高質量的提取物并提高藥用資源的利用率，可大大簡化提取分離步驟，能提取分離到一些用傳統溶劑法得不到的成分，節約大量的有機溶劑。
（1）紅豆杉中的紫杉醇具有抗癌作用。對于紅豆杉中紫杉烷類成分的提取分離，傳統的植物化學分離要得到單體純品難度較大，步驟較為繁瑣，原料經多次浸提濃縮后，還需用有機溶劑多次萃取，再進行多次柱層析。此過程要用多種有毒的有機溶劑。采用超臨界CO2萃取技術進行紅豆杉的化學成分的研究，所得粗浸膏含雜質少，較易分離得到單體。
（2）螺旋藻含豐富的蛋白質和多種生物活性成分，采用傳統的有機溶劑法會污染產品，且分離工藝復雜。超臨界二氧化碳萃取技術可將螺旋藻中所含的具有生物活性和熱不穩定性的物質提取出來并保持其天然特性，可提高螺旋藻產品的附加值，并可顯著提高螺旋藻產業的經濟和社會效益。
（3）丹參酮類是從唇形科植物丹參中提取的總酮類及其它成分的總稱，是制備各種丹參制劑如復方丹參片、丹參酮磺酸鈉注射液（主要用于心腦血管疾�。┖偷�參酮膠囊（主要用于抗菌消炎）原料的主要成分。傳統的提取方法主要是乙醇熱回流提取，然后濃縮成浸膏，用于各種制劑。由于提取能力差和長時間加熱提取或濃縮，有效成分損失嚴重，難以達到標準。采用超臨界CO2萃取技術進行工藝改革，收率高，生產周期縮短，有效成分可大大提高。
（4）采用超臨界CO2提取紫蘇子油的工藝，與傳統的工藝（石油醚法）相比較，收率高，提取時間短，有效成分濃縮。毒性實驗表明，超臨界提取的紫蘇子油具有較好的降血脂作用，且毒性較低，藥理效果較好，有效成分高度濃縮，雜質少，質量容易控制，制劑的外觀顏色好。
（5）蛇床子為傘形科植物蛇床的果實，傳統的中醫主要用于婦科炎癥的治療。采用超臨界CO2萃取法提取蛇床子的有效部位，工藝上表現出有效成分收率高，提取時間短及有效成分高度濃縮等優越性，臨床實驗證明，蛇床子采用超臨界CO2工藝提取有效部位進行新藥開發，不僅工藝優越，質量穩定且容易控制，而且還能保持傳統中醫的治療效果。
（6）青蒿素是來自菊科植物黃花蒿的一種半萜內酯類成分，是我國唯一得到國際承認的抗瘧新藥。傳統的汽油法存在收率低、成本高、易燃易爆等危險。采用超臨界CO2萃取工藝用于青蒿素的生產，青蒿素產品符合中國藥品標準。與傳統的提取工藝相比，超臨界CO2萃取工藝具有產品收率高、生產周期短、成本低等優點，可節省大量的有機溶劑汽油，避免易燃易爆等危險，減少了三廢污染，大大簡化了生產工藝。
（7）中藥復方是傳統中藥的最主要部分，也是中藥與國際接軌難度最大的部分，用超臨界CO2萃取技術對中藥復方進行提取工藝的研究及新藥開發還是一個空白。在對單方中藥超臨界CO2萃取研究的基礎上結合傳統中醫理論對中藥復方進行了研究，證明復方提取時，中藥成分的提取由于互溶作用，促進了其它中藥成分的提取。采用超臨界CO2萃取技術，復方的有效成分高度濃縮，雜質少，外觀顏色較好，批間重復性較好，有效部分具有傳統中醫要求的藥效，且復方后具有協同補充效果。
（8）質量標準是影響中藥進入國際市場的又一因素。采用先進、準確的分析方法進行中藥質量控制有利于中藥現代化。分析型超臨界CO2萃取技術用于藥物分析具有省時、樣品用量少、條件易于控制、不分解也不污染產品等優點，特別適用于從復雜基體中分離、鑒定痕量組分，因此，對成分復雜的中藥特別是復方中藥的分析就特別適用。
2、在食品工業中，啤酒花的提取，色素的提取等。對各種天然抗菌或抗氧化萃取物的加工，如羅勒、串紅、百里香、蒜、洋蔥、春黃菊、辣椒粉、甘草和茴香子等。 大蒜注射液為臨床上廣泛應用的中藥制劑，傳統的生產工藝是水蒸汽蒸餾配制而成。采用超臨界CO2萃取法對其進行工藝改革并用于臨床證明，不僅工藝優越，而且還能提高療效。單味中藥制劑是傳統中藥制劑的一部分。采用超臨界CO2萃取技術對單味中藥進行提取工藝、藥理毒理的研究及新藥的開發過程，既需考慮有效部位的提取效率，還要考慮藥理毒理效果。β-胡蘿卜素在增強人體的免疫能力等方面具有明顯的作用，采用超臨界CO2萃取技術用于β-胡蘿卜素的生產，具有萃取效率高，速度快，無污染，工藝簡單，萃取物色味純正等優點。
3、在香料工業中，天然及合成香料的精制。
4、在化學工業中，混合物的分離。 許多碳氫高分子化合物不溶于CO2，只能采用非均相聚合（如分散聚合、沉淀聚合、乳化聚合等）；而無定型的碳氟高聚物和硅酮高聚物能溶解于CO2，則可采用均相聚合。在液體或超臨界CO2體系中進行高分子材料的合成與加工，其優點在于：不使用有機溶劑避免了對環境的污染；省去了脫溶及回收溶劑的工藝；可改進高分子材料的機械性能及加工性能；可按分子量的大小對產品進行分離；可回收未進行反應的單體并可去除次反應物及過反應物雜質；可通過超臨界多元流體對高分子材料進行染色、加香及改性。
5、在生物技術開發中，（1）固定化酶的催化反應：超臨界CO2是一種非極性反應溶劑，可代替脂溶性的有機溶劑，進行酶催化反應，脂溶性的反應物可溶于超臨界CO2中，而酶則不溶解,并且有些酶的生物活性反而會有所提高,從而可提高反應速率,有利于產品的分離及精制。國內已在試驗室研究開發了月桂酸丁酯、油酸香茅酯、油酸乙酯、油酸辛酯、油酸油酯、乙酸異戍酯等酯化反應技術。（2）淀粉及纖維素的水解：淀粉及纖維素是地球上太陽光合作用的可再生生物資源，可用于生產能源、化學品、食品和藥品，傳統的工藝是發酵及水解，存在著轉化率低、三廢難治理、纖維素的水解腐蝕性強等難以克服的缺點，采用超臨界水進行非催化轉化則可徹底克服這些缺點。