◎ 张晓菲

（天津大成前瞻生物科技研发有限公司，天津 300380）

1 亚临界水

水因其高度的氢键结构而被认为是一种独一无二的溶剂。室温下，它具有与质量不成比例的高沸点、高介电常数及强极性。亚临界水是指温度介于100～374 ℃（临界温度），控制压力使之保持为液体状态的水，也被称为高温水、超热水、高压热水、热液态水。亚临界水与常温常压下水的性质有较大差别，主要表现在较低的介电常数。通常情况下，水是极性化合物，只能溶解基质中的极性成分，而对中极性和弱极性的成分溶解度小。在505 kPa压力下，随温度升高，其介电常数由70减小至1，即其性质由强极性渐变为非极性，可将溶质按极性由高到低萃取出来[1]。表1列出了几种有机溶剂在常温常压下的介电常数和水在不同温度下的介电常数[2]。

表1 水和有机溶剂的介电常数表

在250 ℃时，水的介电常数为27，介于常温常压下乙醇和甲醇之间，说明亚临界水对中极性和非极性有机物有一定的溶解能力[3]，可将其作为有机溶剂广泛应用，这为亚临界水作为高效萃取溶剂提供了有利的理论根据。亚临界水在食品中的应用已成为研究热点，它能节省分析处理的时间和费用，并具有少或无溶剂残留、对环境无污染的优点。

2 天然活性成分萃取

水作为一种绿色的萃取剂，在常温常压下具有很强的极性，根据相似相溶原理，其只能将基质中极性大的化合物萃取出来，而对中极性或弱极性的化合物萃取能力弱。亚临界水在高温下具有较低的介电常数，极性类似于有机溶剂，因此可将基质中的化合物按照极性的高低逐步萃取出来，这一方法具有耗时短、费用低、无有机溶剂残留、无污染等优点。影响萃取效率的因素有温度、压力、时间、夹带剂等。

2.1 萃取温度

在亚临界水萃取过程中，温度是对目标萃取物萃取效率影响最大的因素。水在常温常压下沸点高、极性强。然而，一旦被加热，热运动的加剧就会导致水分子氢键晶格的破坏将使水的性质发生显著变化。随着温度升高，水的介电常数、黏度、表面张力明显下降，分子的扩散速率有所增加[4]，如图1所示[5]。因此，可通过对温度的控制，达到对不同极性化合物萃取的目的。Guo等[6]对从干花椒中提取精油就萃取时间对萃取得率的影响作了研究，结果表明，随着时间的延长，精油的萃取得率逐渐增加，40 min时达到最大值。而后，随着时间的延长，精油的得率呈现下降的趋势，可能是其中的热不稳定成分发生降解所致。

2.2 萃取压力

在使水维持在液体状态的情况下，压力对水的性质影响有限，当压力由0.1 MPa增长到10 MPa后，水的介电常数仅增加了0.37。因此，改变压力不会对目标萃取物的萃取效率有显著的提高。但是，升高压力可以避免高温条件下水蒸气的形成。水蒸气具有腐蚀性，会对设备造成一定的损害，也会使物料中的热不稳定物质发生降解[7]。文献报道中，萃取压力一般在5 MPa左右。

2.3 萃取时间

萃取时间对萃取效率有一定的影响，但影响不大，一般小于1 h。时间过短会导致溶解不充分，物料与介质的接触时间短，影响传质效率；时间过长，由萃取的动力学曲线可知，不仅会发生一些副反应（如褐变、焦糖化、降解、聚合等），还会产生不必要的能耗。

2.4 夹带剂

亚临界水萃取溶剂主要是纯水，根据萃取对象不同，在纯水里加入一些改良试剂，可以改变提取效果。常用的夹带剂有甲醇、乙醇、硝酸、氯化钾等[8]。

Kim[9]采用亚临界水对从皇冠果籽中提取药物活性成分——芒果苷进行研究，得到最佳的提取工艺，同时与甲醇、水、乙醇的传统浸提方法就提取产量进行对比。结果表明：温度对提取物的产量有较大的影响，而压力对其影响较小。最佳的提取工艺条件为100 ℃、4.0 MPa、5 h，可获得21.7 mg/g的芒果苷。采用此法在最佳提取工艺条件下获得的芒果苷的得率接近于甲醇浸提法，高于水和乙醇浸提法。徐志宏[10]通过亚临界水提取丹参药材中的丹参酮ⅡA，建立了中药材中脂溶性成分的亚临界水提取条件，并与有机溶剂提取法进行比较。结果表明：当两者具有相同的提取效率时，亚临界水提取法的提取时间及提取溶剂的消耗大大减少，并避免了因使用有机溶剂而造成的污染。同时指出该技术有望成为从中药材中提取热稳定的脂溶性成分的有效方法。Guo等[6]采用亚临界水从干花椒中提取花椒精油。考察了原料的颗粒度、提取时间、提取温度等因素对花椒精油提取得率的影响，确定了亚临界水提取花椒精油的最佳工艺：100～150 ℃、0.50 mm、40 min、5 MPa。在此条件下，精油的萃取得率为5.42%。同时，还对亚临界水提取所得的花椒精油进行了抗氧化评价，并与常用抗氧化剂BHT和BHA进行对比。结果表明，亚临界水提取所得的花椒精油具有较好的抗氧化性，在浓度2～12 mg/mL时，提取精油具有最强的自由基清除能力，其抗氧化能力可达59%～79%。Jose等[11]采用亚临界乙醇-水混合体系对葡萄树嫩枝中的多酚类物质进行提取。通过与传统固-液提取法比较，证明亚临界乙醇-水萃取法优于固-液提取法。Mohammad等[12]采用亚临界水从香菜籽中提取精油，考察了提取温度、平均粒径及水的流速对提取效率的影响，并确定了最佳的提取工艺，采用气相色谱法（GC-FID）与气质联用技术（GC-MS）对提取物进行分离鉴定。同时，与其他的提取方法（水蒸气蒸馏、索氏提取）就提取效率及提取物的组成进行了对比研究。结果表明，传统的提取方法与亚临界水提取相比具有较高的提取效率，但是亚临界水提取的精油含有较高浓度的更具价值的含氧组分。

3 食品中有害成分的检测

硝酸盐与亚硝酸盐是食品加工工业中常用的发色剂和防腐剂，火腿、香肠、腊肉等肉类食品在亚硝酸盐作用下能使肉品保持鲜艳的亮红色，具有独特风味，同时还具有较强的抑菌作用，使用量必须符合国家的相关标准，食入过多可引起中毒甚至死亡。王耀等[13]采用亚临界水萃取作为对肉制品中亚硝酸盐含量检测的前处理技术，研究了不同因素对萃取效率的影响，优化得到最佳萃取工艺。与国标中的处理方法进行相比，亚临界水萃取具有试剂用量小、萃取效率高等特点，并将其成功应用于实际样品的测定。

4 食品工业残渣附加值提升

随着人类活动及食品工业生产的发展，食品工业废渣的数量日益增加。它们中的许多如经过适当的工艺处理，可成为工业原料或能源，实现对资源的充分利用。豆渣是豆制品加工中剩余的残渣。娄冠群等[14]采用亚临界水萃取技术对豆渣中的可溶性大豆多糖进行了提取工艺的研究，得到了最佳的提取工艺。在最佳提取工艺条件下，可溶性大豆多糖的萃取得率为22.8%，与传统提取方法相比，此法可明显缩短提取时间，提高萃取得率，有效地利用了豆制品副产物豆渣，实现了对资源的合理利用，为增加产品的附加值提供参考。

5 亚临界水反应

作为自然界最常用的绿色介质，水在化学反应中已经得到广泛应用。亚临界水的性质不同于常态水，对于有机化学反应，不仅是很独特的反应介质，还可以作为反应物参与反应。通常情况下，反应一般发生在亚临界区或超临界区，主要反应类型为水解反应与氧化反应。

在超临界水解反应中，水电离出H+和OH-起催化作用，促进反应进行；同时，水还可以提供氢原子，参与反应[15]。Lu等[16]采用间歇式和半流式加压热水对日本山毛榉中的木质纤维素生物质的水解进行了研究，同时对残留物中化学物质的结构进行了分析。结果表明：总糖的含量随着温度的升高而升高。间歇式与半流式加压热水均可以水解半纤维素，而对于纤维素的水解，半流式加压热水比间歇式加压热水的效果好。

在超临界水氧化反应中，水作为反应中的碰撞基团，一方面促进反应活性高的自由基产生，另一方面参与了分子间能量传递过程[15]。

6 结语

亚临界水应用于分离提取、分析等现代制备、检测技术中，因其快速、无毒无害、回收率高、选择性好、灵敏度高等优点引起了国内外不同领域的研究者的注意，应用范围正在逐步扩大，但目前国内对其各个方面的应用研究还相对较少。主要还是集中在环境废弃物及一些生物活性成分的萃取、萃取设备的设计及改进和与其他技术的联用上。其中，对萃取设备的改进和与其他技术联用这两个方向具有很有很大的发展潜力。目前，国外采用的萃取装置大多采用较短的萃取时间，较小的萃取釜，因此物料处理能力有限，很难将其工业化生产，仅适用于实验室的研究。所以，将设备改进为适合工业化大规模生产是亟待解决的问题。另外，国外已有相关的研究将其与固相微萃取、高效液相色谱及气相色谱等技术进行联用。但是，研究还处于初期阶段，有较多的技术需要突破。此外，近年来，国外利用亚临界水进行反应的研究也较多，而国内在这方面的研究尚处于起步阶段，研究较少。可对采用传统方法不能利用的原料加以应用，增加产品的附加值，实现对生物资源的综合利用。随着“绿色低碳”理念深入人心，亚临界水技术将会在食品、医药、化工等领域发挥优势，是一种应用前景广阔的样品预处理技术。

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