白 亮，陶永清 *，肖传作，赵 辉，王素英，石 洋

（1.天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津 300134；2.青岛利和萃取科技有限公司，山东 青岛 266111）

天然产物是从动、植物中提取的具有良好生物活性功能的物质，主要包括萜类、酚类、醌类、生物碱等，这些物质具有抗炎、抗氧化、抗病毒、抗菌等多种功能[1-3]，被广泛应用于食品、药品、化妆品等行业。目前，大多数的天然活性物质依靠传统溶剂法来提取，不仅工艺繁琐、所获得的产品纯度较低，而且会对环境造成一定的影响。

超临界CO2（supercritical dioxide，SC-CO2）萃取技术是利用处于临界压力和临界温度以上的流体具有的特殊功能，使萃取过程中萃取物和萃取剂得到有效的分离，更加有利于萃取的进行。超临界CO2萃取技术是一种发展迅速的萃取、分离、精制技术，具有传统提取方法所不具备的优点，如高效、无溶剂残留、选择性强、操作条件温和等[4-5]，可以有效的保留萃取物中的易挥发性和热敏性成分。随着人们对超临界流体萃取技术的不断研究和认识，该技术逐渐应用于越来越多的天然活性物质的提取[6]，相关技术的进一步发展和成熟，使超临界流体萃取的巨大应用潜力得以实现，成为可能取代传统溶剂法的绿色工艺之一。该文综述了超临界CO2萃取技术的基本原理及其在天然活性物质提取中的应用，展望了该技术的应用前景。

1 超临界CO2萃取技术的基本原理

超临界CO2萃取技术是利用超临界流体的特殊溶解性来提取原料中的活性物质。物质之间的溶解能力主要取决于物质分子之间的相似性，这种相似性主要体现在分子结构相似和分子间作用力的相似，而分子结构的相似性也可以归结为作用能的相似。增大压力CO2溶剂密度增加，对溶质的作用能增强及分子间作用力增大，使溶质的溶解度增大；温度升高则加强了物质的挥发性，有利于萃取过程的进行。因此通过调节压力和温度，改变CO2溶剂的密度，进而增强CO2溶剂的溶解能力，提取目标物质，之后再通过减压、升温等操作实现萃取剂与目标物质的分离。临界点附近及超临界区域的压力和温度调控是获取高纯度目标物质的关键，萃取效率与被萃取物质的极性、分子质量大小、沸点等存在着密切的关系[7-8]。超临界流体与气体、液体的物理性质比较见表1。从表1可知，超临界流体兼有液体和气体的双重特性，扩散系数大，黏度小，渗透性好，与液体溶剂相比，可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现，CO2作为超临界流体更适合天然活性物质的提取。

表1 超临界流体与液体、气体性质的比较[9]Table 1 Comparison of the properties of the supercritical fluid,liquid and gas

2 超临界CO2萃取技术的应用

目前，CO2已经成为最主要的超临界流体，无污染、无有机溶剂残留、高效、成本低等优点使超临界CO2流体萃取技术成为了一种高效的“绿色技术”，在天然活性物质的提取方面得到了广泛的研究和应用[10-12]。

2.1 提取植物精油

植物精油含有酚类、萜类等多种天然活性物质[13]，具有良好的挥发性，易被人体吸收，同时具有抗氧化、抗菌等多种生物活性功能[14]，还可以实现平衡体内机能、美容护肤等功效，因此成为一些化妆品、保健品、药物的重要组成或添加成分。随着人们对天然产品的青睐，对天然植物精油的研究和产品开发得到了越来越多的关注[15-16]。目前，传统的提取方法，如水蒸气蒸馏（hydro-distillation，HD）、索氏提取（Soxhlet extraction，SE）、有机溶剂提取（organic solvent extraction，OSE）等存在提取率低、提取物质量差、溶剂残留、工艺时间长等问题。SC-CO2萃取技术作为一种高效的提取技术，克服了上述方法的缺点，温和的操作条件避免了提取物中热敏性有效成分的破坏；不会出现溶剂残留；而且萃取时间也明显缩短。因此，超临界CO2萃取工艺在植物精油的提取中得到了越来越多的应用[17-22]。

SHAO Q S等[23]采用SC-CO2技术从金线莲中提取精油，得到的最佳提取条件为萃取压力35 MPa，萃取温度37.6 ℃，CO2流量8 L/h，萃取时间150 min；并且将SC-CO2与水蒸气蒸馏、索氏提取作了对比，发现3种方法提取的精油中主要成分为羧酸类物质，超临界CO2萃取所得到的精油组分与SE法相似，并且提取物抗氧化能力强于其他两种提取方法。通过对比3种方法的提取物成分发现，温度高是引起抗氧化能力降低的主要原因。RUTTARATTANAMONGKOL K等[24]研究表明，从辣木种子中提取精油时，SC-CO2、SE、物理压榨3种方法所获得辣木种子精油成分并没有太大的区别，采用SC-CO2方法时，低压（15 MPa）萃取阶段，升高温度，流体密度降低，溶质的蒸汽压升高，而萃取率下降，表明流体密度对萃取率的影响要大于溶质蒸汽压；随着压力的逐渐升高，流体密度增大，萃取率提高。目前，国内外对不同植物中提取精油的实例见表2，表明SC-CO2萃取技术可以较好地应用于植物精油分离提取。

表2 SC-CO2工艺提取植物精油实例Table 2 Examples of extraction of essential oils with supercritical CO2technology

不同的提取工艺，对精油的提取效果产生不同的影响[23]。在保证提取率的前提下，工艺消耗是主要因素，同时也是天然物质实现工业化提取的关键。DE MELO M M R等[25]研究表明，在利用咖啡渣提取咖啡因方面，超临界流体萃取（supercritical fluid extration，SFE）比传统的SE具有更大的优势，其工艺消耗要低于SE，保持萃取压力19 MPa，温度为40 ℃和55 ℃两个水平，萃取时间为2 h。通过气相色谱分析提取物中的成分，发现SC-CO2与SE所得到的精油提取物中主要成分亚油酸和棕榈酸含量差别不大。之后通过以制造成本（cost of manufacturing，COM）和净收入计算为主，进行不同的操作条件变更和单元安排，通过敏感性分析表明了SC-CO2在咖啡渣利用上的经济可行性要优于SE。

2.2 提取天然色素

天然色素是具有良好生理活性的染色物质，根据其来源不同可以将其划分为植物色素、动物色素和微生物色素。天然色素因具备抗氧化、抗癌等多种生物活性功能[26-30]，在化妆品、保健品等方面得到了良好的应用[31]，而且已经有部分天然色素作为食品级色素在食品行业中发挥着重要的作用，如焦糖色素、胡萝卜素、姜黄色素等。

植物是天然色素的主要来源，绝大多数的植物色素为花青素类、类胡萝卜素类、黄酮化合物等。随着天然色素市场需求的不断提升，采用SC-CO2萃取技术提取天然色素得到了越来越多的关注和研究[32-36]。目前，国内外对不同植物中提取天然色素的实例见表3，表明SC-CO2萃取技术可以较好地应用于植物色素分离提取。

表3 超临界CO2提取植物色素实例Table 3 Examples of extraction of natural pigments from plants with supercritical CO2extraction technology

为了进一步提高天然色素的提取率，SFE的相关工艺也在进一步改进。LIAU B C等[37]采用超临界CO2流体-洗脱色谱技术从眼点拟微绿球藻中提取玉米黄素，在开始阶段索氏提取法的萃取率要稍高于SFE的萃取率，之后，添加乙醇作为夹带剂，超临界流体萃取在洗脱阶段的产率增加了近20倍，高于索氏提取，为眼点拟微绿球藻中玉米黄素资源的开发提供了新的方法。MACHADO F R S等[38]采用超临界强制分散溶液技术（solution enhanced dispersion by supercritical fluids，SEDS）制备虾青素结晶，以超临界CO2流体为抗溶剂，当超临界CO2流体向雨生红球藻的二氯甲烷提取液中扩散时，造成溶液的过饱和从而使溶质沉淀析出形成细小的颗粒，而析出的小颗粒会在新型高分子3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物（copolyer poly hydroxybutirate-co-hydrovalerate，PHBV）聚集被包封，从而获得虾青素的提取物。研究发现，抗溶剂压力（沉淀压力）和提取剂比是影响包封效率的重要因素。当压力增加时，结晶颗粒的粒径缩小，结晶颗粒的粒径可以在一定程度上反映出溶液中虾青素提取物的含量；二氯甲烷溶剂比也会对结晶颗粒产生影响，比值的升高会就减小粒径，但二者与粒径并非正相关的线性关系，进一步研究得到了最佳的包封率为48.25%，其条件为二氯甲烷溶液比为10 mg/mL（在开始提取虾青素阶段），沉淀压力为8 MPa。为其他天然物质的获取提供了新的方法。

2.3 提取生物碱

生物碱是一类含氮的碱性有机物，大多数具有复杂的环状结构，具有显著生物活性[39]，是中药重要的有效成分之一。目前有机溶剂提取法是植物生物碱提取的主要方法，而溶剂残留是传统溶剂法提取生物碱所面临的一个难题。在使用有机溶剂提取植物生物碱时不可避免地会残留提取剂，从而影响提取物的质量，甚至带有毒性，增加了相关天然产品的潜在危害性。传统有机溶剂提取法提取率低、提取时间长、废液处理等问题限制了生物碱的获取。近年来，超临界流体萃取技术在中药提取中的应用越来越来广泛，为生物碱的有效提取提供了新的方法。

生物碱大多数难溶于水，易溶于氯仿、丙酮、乙醇等有机溶剂，因此一般都需要使用少量夹带剂来提取。张玉红等[40]研究了超临界CO2提取喜树种子中喜树碱的工艺，保持CO2流量为20 L/h，探讨了萃取压力、萃取温度、夹带剂和萃取时间对喜树种子中喜树碱提取率的影响。通过正交试验设计确定SC-CO2提取喜树种子中喜树碱的最佳工艺条件为萃取压力25 MPa，萃取温度50 ℃，萃取时间129 min，夹带剂为体积分数为90%的乙醇，在该条件下，喜树碱的平均提取率为76.98%，所得到的萃取物中喜树碱的质量分数达43.68%。李新德等[41]采用SC-CO2提取伊贝母中的总生物碱，以萃取压力、萃取温度、萃取时间，夹带剂流量为考察因素，通过单因素试验考察了各因素对伊贝母中的总生物碱提取率的影响，压力对其影响最为明显，再进一步通过正交试验设计确定了最佳工艺条件为压力20 MPa，温度45 ℃，时间2 h，夹带剂流速为2.5 mL/min，该条件下总生物碱萃取率达到0.209%。

3 结论与展望

植物精油、天然色素、生物碱等天然活性物质因具备良好的生物功能而称为研究开发热点，具有巨大的市场需求。采用传统的提取法如索氏提取、有机溶剂提取等方法获取这些物质时存在溶剂残留、提取率低、提取工艺时间长等缺点，同时也不符合绿色工艺的生产理念，会对环境造成一定的影响。

SC-CO2萃取工艺作为一种高效的提取、分离技术，具有试剂成本低、无溶剂残留、操作条件温和、工艺时间短等优点，已经在天然产物的提取中得到了广泛的研究和应用。而SC-CO2萃取技术需要提供一定的压力环境，所以其设备的成本较高；缺少从实验到产业化过渡的数据支持和工艺理论基础也同样限制了超临界工艺的发展。这些问题会随着人们对萃取技术的不断研究、相关萃取模型的完善和提取工艺的改进而得到解决[42-43]。目前，SC-CO2技术已经在咖啡因脱出、啤酒花提取等工艺中取得了成功并且实现了其工业化。此外，SC-CO2萃取工艺与精馏、高效液相色谱、气相色谱等技术的联用，更进一步提高了萃取效果及分离、检测的效率，对实现目标物质的充分提取提供了保障。随着科学技术发展，SC-CO2技术将在天然活性物质的提取中得到更为广阔的应用前景。

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