超临界二氧化碳在萃取中的应用(许嘉骏)

1、LULIANG UNIVERSITY分类号： 密 级： 毕业论文（设计）题 目: 超临界二氧化碳在萃取中 的应用 系 别: 化学化工系 专业年级: 化学工程与工艺2012届 姓 名: 许嘉骏 学 号: 20120707330 指导教师: 康艳珍 教授 2016年05月23日背白 原 创 性 声 明本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标

2、明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日 期： 关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属吕梁学院。本人完全了解吕梁学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权吕梁学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为吕梁学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名

3、单位仍然为吕梁学院。论文作者签名： 日 期： 指导老师签名： 日 期： 吕梁学院本科毕业论文（设计）摘 要二氧化碳在温度高于临界温度Tc=31.26，压力高于临界压力Pc=72.9atm的状态下，性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力.用它可溶解多种物质，然后提取其中的有效成分，具有广泛的应用前景.超临界二氧化碳是目前研究最广泛的流体之一，因为它具有以下几个特点：(1)CO2临界温度为31.26，临界压力为72.9atm，临界条件容易达到.(2)CO2化学性质不活泼，无色无味无毒，安全性好.(3)价格便宜，纯度高，容易获得.在超临界状态下

4、，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性，沸点和分子量密切相关，一般来说有以下规律：亲脂性，低沸点成分可在104KPa(约1大气压)以下萃取，如挥发油，烃，酯，醚，环氧化合物， 以及天然植物和果实中的香气成分，如桉树脑，麝香草酚，酒花中的低沸点酯类等；化合物的极性基团( 如-OH，-COOH等)愈多，则愈难萃取.强极性物质如糖，氨基酸的萃取压力则要在4×104KPa以上.另外化合物的分子量愈大，愈难萃取；分子量在 200400范围内的成分容易萃取，有些低分子量，易挥发成分甚至可直接用CO2液体提取；高分子量物质(如蛋白质，树胶和蜡等)则很难以二氧化碳萃取. 本文旨在研究中

5、药材有效成分的萃取，侧重于药材中稀少皂苷的分离，分析超临界二氧化碳在萃取中药材中的优势及降低成本的方法。关键词： 超临界二氧化碳；中药材；优势；降低成本；皂苷。目 录第1章 绪 论- 1 -1.1 适用超临界二氧化碳萃取的中药材有效成分- 1 -1.1.1 挥发油- 1 - 1.1.2 生物碱类. - 1 - 1.1.3黄酮类 . - 1 -1.1.4皂苷类. - 2 -1.1.5醌类及其衍生物. - 2 -1.2 影响萃取的因素- 2 -1.3 传统的溶剂提取- 3 -第2章 超临界二氧化碳萃取皂甙类. - 5 -2.1 皂甙类的来源. - 5 -2.2 皂苷类的物化性质. - 5 -2.2

6、.1 物理性质. - 5 - 2.2.2 化学性质- 6 -2.3 皂苷类常用分离方法. - 5 - 2.3.1分段沉淀法 . - 6-2.3.2铅盐沉淀法 . - 6 -2.3.3传统皂苷分离方法的不足- 7 -2.4超临界二氧化碳萃取皂苷类 . - 7 -2.4.1以无水乙醇为夹带剂 . - 8 -2.4.2 以含水乙醇为夹带剂. - 8 - 2.4.3、夹带剂中加入表面活性剂 . - 9 -2.4.4、其他夹带剂- 9 -第3章 结 论- 10 -参考文献.- 11-致 谢- 12 -背白吕梁学院本科毕业论文（设计）第1章 绪 论超临界流体萃取(supercritical fluid e

7、xtraction，缩写SFE)是20世纪70年代发展起来的一项提取分离技术。超临界流体应用较多的是CO2 ，因为其临界条件容易达到。在超临界状态下， CO2流体的密度对温度和压力的变化十分敏感，可以通过改变体系的温度和压力来使被提取物的溶解度发生变化，使其分离出来达到提取的目的。由于SFECO2是一种对环境友好的“绿色”化工技术，因此它已成为药用植物有效成分提取技术的发展趋势。系统的体系化分析和设计。1.1适用超临界二氧化碳萃取的中药材有效成分在超临界状态下，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性，沸点和分子量密切相关，一般来说有以下规律：亲脂性，低沸点成分可在104KPa(约1

8、大气压)以下萃取，如挥发油，烃，酯，醚，环氧化合物， 以及天然植物和果实中的香气成分，如桉树脑，麝香草酚，酒花中的低沸点酯类等；化合物的极性基团( 如-OH，-COOH等)愈多，则愈难萃取.强极性物质如糖，氨基酸的萃取压力则要在4×104KPa以上.另外化合物的分子量愈大，愈难萃取；分子量在 200400范围内的成分容易萃取，有些低分子量，易挥发成分甚至可直接用CO2液体提取；高分子量物质(如蛋白质，树胶和蜡等)则很难以二氧化碳萃取。1.1.1挥发油挥发油由于其沸点较低，相对分子质量和极性较小，因而在SFECO2中有良好的溶解性，它们大多数不需要加夹带剂而直接可通过萃取得到。又由于萃

9、取过程的操作温度低，避免了挥发油中有效成分的氧化分解，因此挥发油是一类最适于用SFECO2提取的成分。 采用该法提取挥发油，其收率明显提高，且提取时间大大缩短了。1.1.2黄酮类黄酮类化合物广泛存在于植物中，它是一类低相对分子质量的天然药物成分。传统的提取方法存在排污量大、提取效率低、成本高等缺点。研究显示，采用SFE-CO2萃取甘草中的黄酮，其提取率比常规溶剂法要高出2倍。采用SFE-CO2法萃取茶叶中的茶多酚，可得到质量分数为95.45的茶多酚，如果加入乙醇作夹带剂，则其萃取率可提高10倍左右。 SFE-CO2提取黄酮类化合物，其流程短，萃取分离一步完成，且萃取得率高，而操作时间比传统方法

10、却大大缩短了。1.1.3皂苷类皂苷类的相对分子质量较大，羟基多，极性大，用纯CO2提取时其产率低，但加入夹带剂或加大压力则可提高产率。采用不同梯度的极性夹带剂进行SFE-CO2萃取，结果其收率比传统溶剂法的收率高18.9倍；从人参叶中超临界流体萃取人参皂苷，所得的萃取物中人参皂苷的含量可达30 。 这些结果初步显示：采用夹带剂的SFE-CO2技术具有良好的应用前景。1.1.4醌类及其衍生物醌类化合物是分子中具有不饱和环二酮结构的一类天然色素，以游离态或苷的形式存在于大黄、何首乌等药材中，传统提取法为溶剂法。由于极性较大，故采用SFE-CO2法萃取时，除了需要较高的压力外，还要加入合适的夹带剂。

11、采用SFE-CO2和胶束电动毛细管色谱法分离并定量测定大黄中蒽醌类成分的含量，此法快速、简便和准确，能为控制大黄质量提供新的更为理想的检测方法。1.2 影响萃取的因素A.密度溶剂强度与超临界流体的密度有关.温度一定时，密度(压力)增加，可使溶剂强度增加，溶质的溶解度增加.B.夹带剂适用于萃取的超临界流体的大多数溶剂是极性小的溶剂，这有利于选择性的提取，但限制了其对极性较大溶质的应用.因此可在这些流体中加入少量夹带剂，以改变溶剂的极性.最常用来萃取的超临界流体为二氧化碳，通过加入夹带剂可适用于极性较大的化合物.有人在10MPa压力下(约等于100大气压)，用不同浓度的乙醇作夹带剂，研究了以藏药雪

12、灵芝中萃取其中的3种成分.加一定夹带剂的超临界二氧化碳可以创造一般溶剂达不到的萃取条件，大幅度提高收率.这对于贵重药材成份的提取，工业化开发价值极高.常用的夹带剂有乙醇，尿素，丙酮，己烷以及水等等.由于CO2的非极性和低分子质量特点，使得超临界CO2萃取本身具有先天的局限性。夹带剂能大大拓宽CO2在超临界萃取上的极性范围，夹带剂的正确选择和应用对萃取效果影响甚大。皂苷类成分极性较大，其超临界萃取对夹带剂具有明显的依赖性。但目前夹带剂的使用尚缺乏足够的理论指导，对于夹带剂的加入量和加入方式等在实际使用中还主要靠试验摸索。此外，萃取中引入夹带剂可能会有一些不良后果，如整个生产工艺增加了夹带剂回收过

13、程以及有可能会造成产品的污染。C.粒度粒子的大小可影响萃取的收率.一般来说，粒度小有利于超临界二氧化碳的萃取.D.流体体积提取物的分子结构与所需的超临界流体的体积有关.有科学家将加压加温到68.8atm，40后提取50克叶子中的叶黄素和胡萝卜素.要得到叶黄素50%的回收率，需要2.1L超临界二氧化碳；如要得到95%的回收率，由此推算，则需要33.6L的超临界二氧化碳.而胡萝卜素在二氧化碳中的溶解度大，仅需要1.4L，即可达到95%的回收率.1.3传统的溶剂提取1.压榨工艺这种方法不涉及添加化学物质，保留了油料内丰富营养，无化学溶剂污染，不含任何化学防腐抗氧化剂。缺点是出油率低，浪费原材料资源！

14、并且现代的植物原料，含有很多农药，压榨法无法提取农药残留。2.溶剂浸出法食用油浸出是采用溶剂油（六号轻汽油）将油脂原料经过充分浸泡后进行高温提取，经过“六脱”工艺（脱脂、脱胶、脱水、脱色、脱臭、脱酸）加工而成，最大的特点是出油率高、生产成本低。第2章 超临界二氧化碳萃取皂苷类皂苷（saponin）别称：碱皂体;皂素；皂甙皂角苷；或皂草苷。“皂苷”一词由英文名 Saponin 意译而来，英文名则源于拉丁语的 Sapo，意为肥皂。皂苷（Saponin）是苷元为三萜或螺旋甾烷类化合物的一类糖苷，主要分布于陆地高等植物中，也少量存在于海星和海参等海洋生物中。 许多中草药如人参、远志、桔梗、甘草、知母和

15、柴胡等的主要有效成分都含有皂苷。有些皂苷还具有抗菌的活性或解热、镇静、抗癌等有价值的生物活性。皂苷的化学结构中，由于苷元具有不同程度的亲脂性，糖链具有较强的亲水性，使皂苷成为一种表面活性剂，水溶液振摇后能产生持久性的肥皂样泡沫。一些富含皂苷的植物提取物被用于制造乳化剂、洗洁剂和发泡剂等皂苷由皂苷元与糖构成。组成皂苷的糖常见的有葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸等。2.1皂苷类的来源含有皂苷的植物油豆科、蔷薇科、葫芦科、苋科等，动物有海参和海星。人参皂苷是人参成分中最有效的药用成分，人参皂苷种类有近30中，每一种人参皂苷都有其特定的药理功能。大豆皂苷对人体不仅无毒害作

16、用,而且具有许多有益的生理功能。近20年来 研究结果表明,大豆皂苷具有多种生理活性和良好药理作用，具有抗癌、调节免疫功能、降低血清中胆固醇含量、防治心血管疾病、抗菌、抗病毒,护肝、减肥等多 重生理功效，除用作药物外，大豆皂苷还可以作为高级化妆品、食品添加剂和表面活性剂应用于化学工业。2.2 皂苷类的物化性质2.2.1物理性质苷类的一种。能形成水溶液或胶体溶液并能形成肥皂状泡沫的植物糖苷统称。是由皂苷元和糖、糖醛酸或其他有机酸组成的。根据已知皂苷元的分子结构，可以将皂苷分为两大类，一类为甾体皂苷，另一类为三萜皂苷。皂苷多为白色或乳白色无定形粉末，少数为晶体，味苦而辛辣，对黏膜有刺激性。皂苷一般可

17、溶于水、甲醇和稀乙醇，易溶于热水、热甲醇及热乙醇，不溶于乙醚、氯仿及苯。皂苷是很强的表面活性剂，即使高度稀释也能形成皂液。皂苷对心脏有刺激作用；又是很强的溶血剂。2.2.2化学性质一类较复杂的苷类化合物，与水混合振摇时可生成持久性的似肥皂泡沫状物。在植物界分布很广，许多中药例如人参、三七、知母、远志、甘草、桔梗、柴胡等都含有皂苷；中国从前用皂荚洗衣服，就是由于其中含有皂苷类化合物。皂苷由皂苷配基与糖、糖醛酸或其他有机酸组成。组成皂苷的糖常见的有D-葡萄糖、L-鼠李糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖、L-木糖。常见的糖醛酸有葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸，这些糖或糖醛酸往往先结合成低聚糖糖链，然后与皂苷配基分

18、子中C3OH 相缩合，或由两个糖链分别与皂苷配基分子中两个不同位置上的OH相缩合，皂苷配基分子中的COOH也可能与糖连接，形成酯苷键。2.3皂苷类常用分离方法2.3.1分段沉淀法将皂苷溶于少量甲醇或乙醇，然后分步加入乙醚、丙酮或乙醚-丙酮混合溶剂，将皂苷分步沉淀出来。甾体皂苷与胆甾醇可生成难溶性分子复合物，据此分离。凡有3-OH，A/B环反式稠合（5-H）或的平展结构的甾醇，如-谷甾醇、豆甾醇、胆甾醇和麦角甾醇等，与甾体皂苷形成的分子复合物的溶度积最小。凡有3-OH，或3-OH经酯化或成苷的甾醇，不能与甾体皂苷生成难溶性的分子复合物。三萜皂苷不能与甾醇形成稳定的分子复合物，据此可实现甾体皂苷和

19、三萜皂苷的分离。2.3.2铅盐沉淀法可用以分离酸性皂苷和中性皂苷。色谱分离法吸附色谱法：常用的吸附剂是硅胶、氧化铝和反相硅胶，洗脱剂一般采用混合溶剂。例如分离混合甾体皂苷元的方法，先将样品溶于含2%氯仿的苯中，上柱后用此溶剂洗出单羟基皂苷元，再用含20%氯仿的苯洗出单羟基且具酮基的皂苷元，最后用含10%甲醇的苯洗出双羟基的皂苷元。分配色谱法：由于皂苷极性较大，可采用分配色谱法进行分离。一般用低活性的氧化铝或硅胶作吸附剂，用不同比例的氯仿-甲醇-水或其他极性较大的有机溶剂进行梯度洗脱。高效液相色谱法：一般使用反相色谱法，以乙腈-水或甲醇-水为流动相分离和纯化皂苷可得到良好的效果。也可将极性较大的

20、皂苷做成衍生物后用正相柱进行分离。液滴逆流色谱法2.3.3传统皂苷分离方法的不足传统溶剂提取皂苷经多次溶解，吸附，清洗，不可避免的存在存在周期长、溶剂残留、环境污染、不适合大规模生产等缺点。造成的后果是无法大量生产，成本过高，及由于残留物影响皂苷纯度降低，并在人参等提取稀少皂苷上存在极大浪费。2.4超临界二氧化碳萃取皂苷类超临界流体萃取具有低温操作、快速、无溶剂残留、无污染等特点。并可大规模生产，分离效率高，产品纯度高，因此在柴胡、人参等名贵中药材的有效成分分离上有很大优势。对比项超临界二氧化碳萃取传统化学萃取萃取剂使用二氧化碳流体萃取物理方式萃取精油和原液，不会发生化学反应有机溶酶化学方式萃

21、取精油和原液，易发生化学反应萃取原液活性对比在接近室温及二氧化碳气体笼罩下进行萃取，有效的防止了热敏性物质的氧化和逸散，最大限度的保持了原液和精油的精纯和活性成分；萃取的精油及原液挥发快，开启后不利于存放。所以伊皙雅等采用这种技术萃取的精油，效果好，但主要在美容院销售不能防止热敏性物质的氧化和逸散，使萃取的原液和精油活性成分不能完全保留，但萃取的精油及原液相对利于存放萃取原液纯度对比将萃取和分离合二为一，当饱含溶解物的二氧化碳流体流经分离器时，由于压力下降使得二氧化碳与萃取的精油、原液迅速产生气液分离而立即分开，不仅萃取效率高，而且萃取出的精油及原液纯度高； 使用有机溶酶萃取后再分离，一旦萃取

22、过程发生化学反应，就难以保证萃取出的精油与原液的纯度萃取原液安全性对比二氧化碳属于不燃性气体，无味、无臭、无毒，安全性能好；且萃取后的精油与原液不可能含有残留酶，不含硝酸盐及有害的重金量等有害溶剂的残留；萃取过程容易因发生化学反应而留下硝酸盐及有害的重金量，导致出来的精油、原液不合格，甚至会损害皮肤 2.4.1以无水乙醇为夹带剂（1）以无水乙醇为夹带剂，苦瓜皂苷的最佳二氧化碳超临界萃取条件为：压力25.5MPa，温度42.5，夹带剂用量180mL，萃取时间为3h，采用一级分离，分离温度为35。（2）超临界流体CO2萃取巴西人参，无水乙醇中夹带剂加入量为10%时，萃取效果最佳，如再增加夹带剂用量

23、，萃取效率下降。由于无水乙醇成本高，且样品本身所含有的水分也相当于夹带剂，因此在实际生产中多使用含水乙醇作为夹带剂2.4.2 以含水乙醇为夹带剂（1）人参稀有皂苷有极性较小的特点，采用超临界CO2萃取技术的最佳条件为压力35Mpa，温度50，夹带剂为70%乙醇，夹带剂用量为1.7ml/g。采用高效液相色谱-电喷雾质谱联用法分析其萃取产物，发现其提取效率与超声法接近。（2）柴胡皂苷在传统提取工艺下，其含量会降低或损失而应用超临界CO2萃取法提取，柴胡皂苷损失减少。夹带剂是柴胡皂苷超临界CO2萃取最重要的影响因素，加入乙醇等夹带剂，并升高压力和温度，才能提取出柴胡皂苷。通过比较不同浓度的乙醇、乙酸

24、乙酯和甲醇，发现95乙醇作为夹带剂时总提取物收率最高，但薄层色谱检测出它只能提出柴胡皂苷a、d，提取不出柴胡皂苷c。而60或70乙醇能提取出柴胡皂苷a、c、d，因此从收率和皂苷种类等方面考虑，采取60%乙醇作为夹带剂。2.4.3、夹带剂中加入表面活性剂表面活性剂和助表面活性剂的加入均可显著提高超临界CO2萃取人参中皂苷的萃取率，其改善效果与它们的种类和加入量有关。在司盘80、吐温80、聚乙二醇辛基苯基醚（TX-10）和二辛酯琥珀酸磺酸钠（AOT）4种表面活性剂中，以AOT的改善效果最好，其次是TX-10和吐温80，司盘80最差。2.4.4、其他夹带剂以甲醇和二甲基亚砜为夹带剂，采用超临界CO2萃取西洋参中的皂苷可提高萃取率；与甲醇萃取法比较，超CO2萃取可提取出90的总皂苷。第3章 结 论皂苷类成分作为众多常用中药的物质基础，是中药复方中不可忽略的重要组成部分。因此，进一步加强其有关基础研究和应用研究，灵活运用预萃取和分级萃取等方式，兼顾单味、复方中药和低、中、高各极性有效成分，对于促进超临界萃取技术中药的应用和发展具有重要意义，并相比于传统分离方法有以下优势。(1) 活性更好超临界二氧化碳萃取技术，是在接近室温及二氧化碳气体笼罩下进行萃取，有效的防止了热敏性物质的氧化和逸散，最大限度的保持了原液和精油的精纯