【资料】超临界CO2萃取中草药活性成分溶剂特性研究

1.2 SCF-CO₂
表2中所列是可用作超临界流体的溶剂：氨、二氧化碳、氧化氮、乙烯和苯。由于N₂O易爆炸，NH₃不仅临界温度高，而且具有腐蚀性并对人体有害；乙烯在高压下易爆聚，只有二氧化碳具有比较适宜的临界条件(Tc=304.1K, Pc=7.374Mpa)和溶解度参数(d=10.7)，而且无溶剂残留，对健康无害、不燃烧、不腐蚀、价格便宜且易于处理，是最常用的超临界流体。

	图1 纯物质的温度压力相图

1.3 溶解度参数
溶解度参数(d)由Hildebrand和Scoff^[7]首先提出的，是表征简单液体相互作用强度特征的有用数值。根据定义： (1)
式中：c-内聚能密度，Vm-摩尔体积，u-摩尔蒸发能
溶解度参数δ在数值上等于内聚能密度的开方，此数值的大小反映了分子内聚力即分子间作用力的大小。
Gidding^[8]给出具体的表达式： (2)
式中：超临界流体的对比密度，Pc-超临界流体的临界压力。
对SCF-CO₂流体而言，Pc值是确定的， (3)则
在超临界区域，是对比压力和对比温度的函数。
2 中药成分和SCF-CO₂的d
2.1 中药成分的d
地球上约有40万种植物，其中大部分植物具有药用成分；中草药中活性成分大体可以分类如下：黄酮类、生物碱类、皂甙类、木脂素类、萜类、酸类、醇类、蛋白质、蒽醌类、酚类、糖类、氨基酸和微量元素。每一类中的化合物又千差万别。由此可以看出，中草药中活性成分的复杂性和多样性，且大多数活性成分都是一些极性较强的物质，溶解度参数d>30(J·m^-3)^1/2。
2.2 SCF-CO₂的d
研究结果表明，SCF-CO₂对低分子量的脂肪烃、低极性的亲脂化合物表现出很大的溶解度，例如精油的SCF萃取几乎可以定量^[3]。这也可以从表3和图2[9]的数据得到证明。SCF-CO₂的δ值可通过温度和压力的调节达到液态烷烃及芳烃、苯和甲苯的δ值，但仍然远低于甲醇、乙醇、丙酮和甲酸等极性溶剂的d。由此可见，单纯大幅度地提高压力和温度并不能达到明显提高CO₂溶解度参数d的目的，也就无法实现萃取中草药中活性有效成分的目标。实际上，在SCF-CO₂中添加少量极性改性剂(Co-solved或Modifier)可以改善溶质的溶解度和选择性。

	图2 CO2的溶解度参数随压力的变化
	30°C； ○：31°C； △：70°C

3 改性剂和混合溶剂的d
3.1 改性剂的选择原则
一般地，极性大的被萃取物质溶于极性大的溶剂，极性小的被萃取物溶于极性小的溶剂，这就是极性相近原则，例如，一些脂肪烃类化合物能很好地溶于SCF-CO₂中。当萃取物分子结构含有亲电子基团或亲核基团时，就要求相应的改性剂分子结构上含有亲核基团或亲电子基团，两者相互作用发生溶解，这就是所谓溶剂化规则。
除极性相近原则和溶剂化规则之外，被萃取物与改性剂的溶解度参数相近规则非常重要。
3.2 混合溶剂的d
当SCF-CO₂作为一种萃取剂来萃取或提纯被称为溶质的某些化合物时，从热力学的观点看，萃取过程实际上可看作是溶剂和溶质的混合过程，混合焓与溶剂和溶质的溶解度参数与体积分数有关：
式中：f₁--溶剂的体积分数； f₂--溶质的体积分数；V_m--溶液的摩尔体积；d₁--溶剂的溶解度参数；d₂--溶质的溶解度参数。
从式(4)可以看出，对于非极性体系而言，溶质和溶剂的溶解度参数越接近，越小，越能满足自发溶解的条件。事实上，(d₁-d₂)差值小于3.5(J·cm^-3)^1/2时，即可发生溶解。如果差别大，则不能溶解。式(4)同时也表明，总可以找到与溶质溶解度参数d₂相近的溶剂的溶解度参数d₁。
SCF-CO₂能与表3所列的大部分溶剂形成均相的混溶态，这就为选择改性剂提供了方便，特别是溶解度参数高于CO₂的极性溶剂(如：甲醇、乙醇和丙醇等)，当它们作为改性剂加入CO₂时，不仅能保持流体溶解度参数的连续可调， (3)而且也提高了混合流体的d_m值。
式中：d_m^-混合流体的溶解度参数值；d₁₁^- CO₂的溶解度参数值；d₁₂^-改性剂的溶解度参数值；f₁₁--CO₂的体积分数；f₁₂^-改性剂的体积分数。由式(5)的加和性可知，在d₁₁f₁₁一定的条件下，d_m与d₁₂成正比，即选择具有溶解度参数值大的改性剂对组成的混合溶剂有利，但表3中的水是一例外。水的廉价和安全性，应该是首先的改性剂。但由于水与CO₂的性质差异大，在CO₂中溶解度小，难混溶，所以中草药活性成分萃取中一般不能用水作为改性剂。萃取压力和温度一定时，混合溶剂的溶解度参数值随着改性剂浓度的变化而变化。SCF-CO₂在压力70MPa温度90°C时，选用甲醇(d=29.7)作为改性剂，改变甲醇浓度，混合溶剂的溶解度参数变化结果如表4所示。在改性剂的种类和浓度确定时，萃取压力和温度影响被萃取物的溶解度即混合溶剂的溶解度参数，如图3^[9] 所示。

4 改性剂应用实例
图3是用甲醇作为改性剂，SCF-CO₂萃取可可碱的结果。在压力(15MPa)与温度(60～90°C)范围内，可可碱在纯CO₂中的溶解度只有10^-4%~10^-3%(质量分数)。但随着乙醇浓度的提高，极性的可可碱在CO₂中的溶解度显著增大几十倍。图3还表明，与增大改性剂的用量相比，增加萃取压力对萃取率影响不显著，因而使用改性剂不仅可以提高萃取率，而且明显降低萃取压力。

	图3 SCF-CO2可可碱溶解度与压力、温度及乙醇溶度的关系

在压力34.47MPa和温度110°C的条件下，采用几种不同的改性剂，SFE-CO₂萃取马钱子中的士宁的结果见表6^[10]。分析表中的收率数据可知，所用的几种改性剂都能提高的士宁的收率，但差别是显著的，这说明提取物的士宁的选择性溶解，在丙酮和氯仿中可获得最大的溶解度。