第七章超临界流体萃取技术

超临界流体概念什么是超临界流体在密闭的体系中，对如水、二氧化碳、甲醇等物质加压，当它们的气—液两相密度因高温膨胀与因高压压缩到正好相同时，液体和气体便完全融在一起，由一般状态成为一种新的呈现高压高温状态的“超临界流体”。在P—T图上，上述使气/液交融的压力和温度被称作“临界点”。温度和压力均超过临界点状态的流体，就成为超临界流体。如水的临界点为374℃和220个大气压；CO2的临界点为31℃和73个大气压；甲醇的临界点239℃和79个大气压。二氧化碳的相图

从图中可以看出，其蒸汽压曲线1g始于固、液、气三相交会点Tp(在三相点，三相呈平衡状态共存)，此时温度为—56．6℃，压力为0．518MPa；1g终于二氧化碳的临界点Cp，此时温度为31．4℃，压力为7．38MPa。

超临界流体的特性超临界流体的性质十分特别。它既可以象气体那样粘度小，容易扩散，渗透到其他的物体，又可以象液体那样有很好的溶解性。超临界流体还能够与油脂等物质结合，并有着特殊的结合力，因而可用其来脱脂、分离油分、祛除杂质等。在临界点附近，压力和温度的微小变化，会显著地影响流体的溶剂特性，如密度、扩散系数、界面张力、粘度、汽化热、溶剂度参数、介电常数、水离子积等。因而可通过控制体系的温度和压力来控制体系的平衡特性(相平衡和溶解度)、传递特性(传热系数、传质系数)和反应特性(反应速度、选择性、转化率)，因而使分离、反应或材料加工过程实现可控。超临界流体萃取SupercriticalFluidExtration（SFE）SFE是利用超临界流体密度大、粘度低、扩散系数大、兼有气体的渗透性和液体的溶解性作用的性质将样品中的待测物质溶解并从基体中分离出来。它能同时完成萃取和分离两步操作，具有分离效率高，操作周期短，传质速度快，溶解能力强，选择性高，无环境污染等优点。。SCF的应用研究SCF的应用研究开始比较缓慢，直到20世纪70年代后期和80年代初期，SCF工业化才在西方发达国家得到迅速发展.如德国Bermen城建立的从咖啡豆中提取咖啡因的工厂.法国和英国也相继建立起超临界流体二氧化碳萃取啤酒花工厂等。在食品方面的应用

美国采用超临界二氧化碳萃取法(SCFE)提取豆油获得成功．产品质量大幅度提高，井解决了污染问题。目前．已采用该技术从葵花籽、红花籽、花生。小麦胚芽、棕榈、可可豆中提取油脂，提出的油脂中含中性脂质，酸含量低，色度低，无臭味。咖啡中含有的咖啡因对人体有害。西德Max—Plank煤炭研究所的Zesst博士中开发了用该技术从咖啡豆提取咖啡因的专利技术，已由西德的Hag公司实现了工业化生产．并被世界各国普遍采用。咖啡因的含量巳从原米的1％左右降至0．02％．并可保留咖啡中的芳香物质。美国ADL公司用此技术开发出提取酒精的方法．还开发了从油腻的快餐食品中除去过多的油脂．而不失其原有色香味及保有其外观和内部组织结构的专利技术。在医药保僵品方面的应用西德Saarland大学的Stahl教授对许多药用植物采用该法对其有效成分(如各种生物碱，芳香性物质等性组分)实现了满意的分离。在抗生素药品生产中，传统方法要将所用溶剂完全除去，又不使药物变质非常困难。若采用SCFE法则完全可以符合要求*美国ADL公司从7种植物中萃取出有治疗癌症的有效成分。J．K．Polak等人从藻类中萃取脂类物质获得成功，且叶绿素不会被萃出。另外，用该法还可从银杏叶中提取银杏黄酮，从鱼的内脏、骨头等提取多烯不饱和脂肪酸(DHA，EPA)．从沙棘杆提取沙辣油，从蛋黄中提取卯磷脂．从药用植物蛇床子；桑白皮。甘草根、紫草、红花、月见草中提取有效成分。3．天然香精香料的提取

用SCFE法萃取香料不仅可以有效地提取芳香组分。而且还可以提高产品纯度．能保持其天然香味；从桂花、茉莉花、菊花、梅花、米兰花．玫瑰花中提取花香精。从胡椒、肉桂、薄荷中提取香辛科，从芹菜籽、生姜，莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取香油。天然色素的提取

超临界萃取技术克服了原有技术的缺点，我国用SCFE法提取天然色素(辣椒红色素)的技术已经达到国际光进水平。

在化工方面的应用在美国，超临界技术还用米制备液体燃料。最近美国还研制成功用超临界二氧化碳既作反应剂又作萃取剂的新型乙酸制造工艺。俄罗斯、德国还把SCFE法用于油料脱沥青技术；生物工程方面的应用

近年来的研究发现超临界条件下的酶催化反应可用于手性化台物的合成和拆分。另外在超临界或亚临界条件下的水可作为一种酸催化刑，对纤维素的转化起催化作用．使其迅速转化为葡萄糖。超临界色谱(SFC)

SFC是SFE与色谱技术相结合．其可兼容GC及HPLC．目前，SFC正朝着GC和HPLC分析法难于分析的领域扩展。超临界流体萃取残留农药1986年Capriel等开始将SFE技术应用于农药残留分析，20世纪90年代，众多研究者分别就植物样品、动物组织、果实、土壤、水等样品中多种杀虫剂、杀菌剂和除草剂进行萃取，得到了较为理想的结果。Seidel等研究认为可以将SFE和Soxhlet萃取法并列为分析的首要方法。用于萃取的超临界流体

用于萃取过程的流体通常有二氧化碳、二氧化氮、乙烷、乙烯、三氟甲烷、丙烷、丁烷、戊烷、环己烷、六氟化硫、氮气、氩气、氨、水、异丙醇、苯、二甲苯、对二甲苯等。其中二氧化氮气、乙烯、三氟甲烷、环己烷、六氟化硫、氨气等费用较高；六氟化硫、氨、异丙醇、苯、二甲苯、对二甲苯等对环境会造成污染，因而不常使用；二氧化碳是一种无毒、廉价的有机溶剂，临界温度和压力低、操作条件温和，因而对热敏性物质的破坏少，使用过程中稳定，具有不易燃烧、安全、对环境友好、易于从提取物中分离等优点，因此是目前最常用的萃取剂。超临界C02流体萃取超临界C02流体萃取能在接近室温(35—40cC)及C02气体笼罩下进行提取，有效地防止了热敏性物质的氧化分解和逸散。因此在萃取物中保持着天然产物的全部成分和生理活性，而且能把高沸点、低挥发度、易热解的物质在其沸点温度以下革取出来。超临界流体萃取技术是最干净的提取方法，萃取物绝对没有残留溶媒，防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，是100％的纯天然。C02气体价廉易得、无毒、惰性、安全性好、运行成本低、分离容易、萃取速度快、工艺简单等优点都奠定了超临界C0z萃取技术在动植物类天然药物、香料、调味品和化妆用品的提取及食品工业上的独有地位和广阔的应用前景。超临界CO2萃取原理超临界流体(一般常用CO2)萃取用于中草药有效成分的提取是一项较新的技术。其依据温度和压力对物质挥发度和对流体密度等物性的影响，改变流体对溶质的溶解性能。通过改变过程的温度和压力实现溶质的提取和分离。其过程为(1)原料吸收CO2；(2)原料吸收CO2的同时发生溶剂化过程；(3)超临界流体(CO2)萃取溶质；(4)被溶解的物质迁移到固体外部表面；(5)被溶解物通过外部界面并有可能发生相变；(6)被溶解物进入超临界流体主相并随流体一起离开固体物料主体而被萃取出。超临界CO2特点1)提取温度低，能最大限度地避免对有效成分的破坏；(2)对难挥发性物质溶解度大，传质速率高，萃取速度快；(3)可通过改变操作温度和压力来调节可选择性；(4)流程简单，操作方便；(5)C02惰性无毒，产品中无溶剂残留，对人和环境无害。

首先，在室温条件下二氧化碳流体的弥漫下进行提取，这样就防止了“热敏性”物质的氧化和逸散，因此，对于容易挥发的和易热解的杀虫剂，该技术发挥了独特的优势。如在对楝树种仁中的杀虫活性成分楝素A（azadirachtinA）的提取过程中，使用常规溶剂往往会导致其氧化分解，SFE提取则可避免活性成分的分解。其次是对环境安全，由于不用有机溶剂，提取的全过程对人和环境无污染，并且提取效率高，节约能耗，省工省时。但二氧化碳的极性较低，对极性较大的物质萃取能力差。研究表明混合使用两种或多种超临界流体可以使农药萃取达到较高的回收率。Spack等将水和二氧化碳混合使用后，对除草剂二甲戊灵(pendimethalin)的回收率有明显提高；有学者认为将一定比例的氮气和二氧化碳混合使用后，明显地提高了对有机磷杀虫剂的萃取。样品前处理

在分析过程中，样品的种类、粒度、含水量、pH值、脂肪含量、色素等不仅直接影响对农药的提取率，而且在提取过程中容易堵塞超临界流体萃取仪的收集毛细管。Lehotay在研究SFE萃取中认为样品的前处理很重要，其中水分和盐等物质对提取率有明显影响，他建议应该对样品进行必要的均质化过程(homogenization)和适当的干燥处理，干燥剂通常有硅藻土(HMX)、干冰、无水硫酸钠、无水硫酸镁、无水硫酸铜等。pH值会影响改变pH值会影响对农药的提取。Rochette等研究发现将样品的pH值从1．8调整到8．3时(加入苯甲酸)，对土壤样品中2，4—D的萃取率可由41％提高到76％；Simon研究后认为在角鳖鱼(dogfish)样品基质中加入CaCl2(CaCl2：水＝5：2，质量比)来调节样品的酸性。可以提高对甲基汞(methylmercury)的提取率。水分含量对农药提取率的影响样品中水分含量对农药提取有明显影响。在对有机磷农药进行残留提取时，食品中水分含量多少不仅影响到萃取率，而且由于水分含量大常造成仪器毛细管的堵塞，同时水分含量低又不利于流体的渗透，因此有学者认为保持样品含水质量分数在20％左右可以显著提高提取效果。Obana等认为萃取前在样品中加入两种干燥剂HMX和多分子聚合体物质后，对35种杀虫剂农药进行提取试验，其中3／4的农药品种可以达到好的回收率和较高的灵敏度。水分的改性作用水作为改性剂可以提高流体在土样中的渗透率，从而更好地达到对高水溶性除草剂二甲戊乐灵的提取。研究者在梨、柑橘、番茄中农药多残留分析研究中，发现，在样品中加入硅藻土和干冰后可以提高提取率，同时还能提高粉碎样本的流动性，降低残留农药的继续降解速度。有关样品中水分含量过高的处理方法报道很多。萃取条件

在SFE萃取过程中，主要有5个因素影响到对农药的萃取，即萃取压力、萃取温度、方式(静态或动态)、流体体积及改性剂的使用。Furton研究了影响SFE效力的各种因素，认为不仅温度、压力(密度)，而且不同样品种类、萃取容器以及接收体积的变化都明显地影响萃取效力。

改性剂作用加入适当改性剂可以提高对残留农药的萃取。根据相似相溶原理，二氧化碳属于非极性溶剂，对于极性较高物质的提取不太理想，所以改性剂(也有人称夹带剂)的加入就很必要。通常使用的改性剂有甲醇、丙酮、乙酸乙酯、庚烷、水、己烷等。Taylor等研究认为酸性除草剂的回收率与加入丙酮量呈明显正相关。2，4—D的回收率添加丙酮后可以从63％提高到88％。2—甲基—4—氯—苯氧丙酸的回收率添加丙酮后却仅由31％提高到35％。Garde等分别采用己烷和甲醇作为改性剂，对多种杀虫剂实现了合理的提取。Kersting等发现在提取极性较高的乙酰甲胺磷时加入少量的甲醇作为改性剂可使回收率提高到70％以上。在新疆杨Populusalbavarbolleana、富士苹果malluspumilla和国槐

Sophorajaponica

各部位粉碎样中对氧乐果进行添加回收实验，当甲醇的加入量从50μl／g(甲醇体积／样品质量)提高到750μl／g时，回收率从9．40％增加到80．55％。Breglof等采用14C标记的除草剂甲磺隆(metsulfuron—methyl)、甲嘧磺隆隆（sulfometuron—methyl)和烟嘧磺隆(nicosulfuron)对SFE提取进行跟踪研究。以土壤为基质，甲醇为改性剂．当加入甲醇的质量分数为2％时。添加回收试验结果表明，除了烟嘧磺隆的回收率仅为1％一4％外．对其它两种除草剂的回收率可以达到75％一89％，证实最佳的苹取条件并不一定适用于所有结构相似的化合物。萃取压力、温度、方式及流体的体积对萃取率影响萃取压力、温度、方式及流体的体积对萃取率影响也很大。Pearce等对草梅中18种有机磷、有机氯农药和3种杀菌剂进行SFE(CO2)法苹取，研究发现最佳萃取条件为：27．58MPa、50℃、CO2体积为20一30mL，结果除了异菌脲(iprodione)外，其它农药的回收率范围在74％一l26％(添加量为0.08—3.7mg/kg)，精确度为3％一l8%。King等研究认为当压力为34.48—68．95MPa、60、CO2体积为5一l0mL、lmin静态，l4min动态等条件下，对8种有机氯杀虫剂的回收率可以达到87％一118％。同样条件下，对家禽组织中异狄氏剂(endrin)、环氧七氯(heptachlorepoxide)和狄氏dieldrin(添加剂量为l一3μg／g)等的回收率为96％：。Valverde博土对番茄和胡椒(pepper)中的7种杀虫剂：吡虫灵(imidacloprid)，methiocarb，毒死蜱(chlorpyrifos)，百菌清(chlorothalonil)，赛丹I、Ⅱ(endosulpllanI，endosulphan

Ⅱ)和赛丹硫酸盐(endosulphansulphate)等的提取条件为：压力30.40MPa、50℃、200μl的甲醇作为静态改性剂、CO2体积15mL、lmin静态后动态收集，收集液为乙酸乙酯，结果表明除了吡虫灵的回收率低于预计标准外，其它杀虫剂均高于80％。以超临界流体作为色谱流动相的SFC，可以使用各种类型的色谱柱；超临界流体既具有液体的强溶解性能，适合于分离挥发性差和热不稳定的物质；又具有气体的低粘度和高扩散性能，传质速度快，使得分折速度提高。SFC可以在较低温度下分析分子量较大、对热不稳定的化合物和极性较强的化合物，与各种GC或HPLC检测器匹配以及红外、质谱联用：SFC还可通过调节压力、温度、流动相组成多重梯度，选择最佳色谱条件，综合利用了GC和HPLC的优点，克服了各自的缺点，成为一种强有力的分离和检测手段。

Wheeler等用超临界C02提取土壤中C标记的利谷隆和敌草隆的时间大大缩短，只需3min，回收率达99％。对于含水量高