簡介

亞臨界流體萃取與分離技術在天然動植物有效成分的提取、中藥（含復方）活性成分的提取與有害脂溶性成分的分離、昆蟲提取物、動物提取物、天然色素、特種油脂的提取 、各種植物粉的脫脂等領域，具有廣闊的應用實踐。亞臨界萃取屬于一種物理萃取技術。

定義

亞臨界流體是指某些化合物在溫度高于其沸點但低于臨界溫度，且壓力低于其臨界壓力的條件下，以流體形式存在的該物質(zhì)。當溫度不超過某一數(shù)值，對氣體進行加壓，可以使氣體液化，而在該溫度以上，無論加多大壓力都不能使氣體液化，這個溫度叫該氣體的臨界溫度。在臨界溫度下，使氣體液化所必須的壓力叫臨界壓力。當丙烷、丁烷、 高純度異丁烷（R600a）、1，1，1，2-四氟乙烷（R134a）、二甲醚（DME）、液化石油氣（LPG）和六氟化硫等以亞臨界流體狀態(tài)存在時，分子的擴散性能增強，傳質(zhì)速度加快，對天然產(chǎn)物中弱極性以及非極性物質(zhì)的滲透性和溶解能力顯著提高。

原理

亞臨界流體萃取技術就是利用上述亞臨界流體的特殊性質(zhì), 物料在萃取罐內(nèi)注入亞臨界流體浸泡，在一定的料溶比、萃取溫度、萃取時間、萃取壓力，萃取劑及夾帶劑及攪拌、超聲波的輔助下進行的萃取過程。萃取混合液經(jīng)過固液分離后進入蒸發(fā)系統(tǒng)，壓縮機和真空泵的作用下，根據(jù)減壓蒸發(fā)的原理將萃取劑由液態(tài)轉為氣態(tài)從而得到目標提取物。

提取精華

我國地域遼闊，復雜的地理環(huán)境與多變的氣候條件造就了我國物種的多樣性，尤其是具有醫(yī)療保健作用的特種油脂、香精香料、色素等天然資源相當豐富，如銀杏、丁香、生姜、大蒜、洋蔥、枸杞籽、沙棘、紅辣椒、花椒、桂花、玫瑰花和茉莉花等。

天然產(chǎn)物的提取物可被廣泛地用于醫(yī)藥、食品、化妝品、保健品及生物制品等產(chǎn)品中。受到特別的重視和青睞，尤其是植物藥在國際市場上發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計全球的植物藥市場產(chǎn)值已經(jīng)接近400億美元，市場前景看好。作為中醫(yī)藥發(fā)源地的中國，生產(chǎn)的天然植物藥產(chǎn)品只占國際市場3%，而在這極為有限的出口額中，絕大多數(shù)還是原料初級品，其主要原因是在我國存在生產(chǎn)工藝技術落后，工程化水平低，裝備現(xiàn)代化程度低等問題。

天然產(chǎn)物有效成分萃取技術研究、開發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)天然產(chǎn)物原料中各種組分的化合物在不同溶劑中的溶解性質(zhì)，按照"相似相溶"的原理，選用對所需活性成分溶解度大，對不需要溶出成分溶解度小的溶劑，將有效成分從原料組織內(nèi)溶解出來，然后蒸餾回收萃取溶劑，以完成提取、分離加工過程。傳統(tǒng)的提取溶劑有強極性溶劑水以及極性有機溶劑乙醇、甲醇、丙酮等，以乙醇常用;親脂性的有機溶劑，如石油醚、苯、氯仿、乙酸乙酯、二氯乙烷，丙烷、丁烷流體以及超臨界CO2流體。

天然產(chǎn)物有效成分的傳統(tǒng)提取方法

傳統(tǒng)的提取方法系將原料裝入適當?shù)娜萜髦校尤脒m宜的溶劑，如乙醇、水或CO2流體等，通過控制原料粒度、提取時間、提取溫度、提取壓力等工藝條件，以溶出其中有效成分。普遍使用的方法有:

A.浸出提取法:浸漬法、滲漉法、煎煮法、回流提取法及連續(xù)回流提取法等;

B.水蒸氣蒸餾法:將原料與水在一起加熱，當其蒸氣壓和水的蒸氣壓總和為一個大氣壓時，液體開始沸騰，水蒸氣將揮發(fā)性物質(zhì)一并帶出。例如揮發(fā)油，某些小分子生物堿，以及某些小分子的酚類物質(zhì);

C.升華法:固體物質(zhì)加熱直接氣化，冷凝后凝固為固體化合物，利用升華原理直接自原料中提取目標成分。例如樟木中升華的樟腦，茶葉中的咖啡堿等。

浸漬法、滲漉法、煎煮法、回流提取法及連續(xù)回流提取法等傳統(tǒng)工藝方法，萃取能力強，選擇性強，但在萃取、分離過程中，工藝溫度均需超過50℃ 以上，易造成"熱敏性"有效成分不同程度的分解或變性，使得產(chǎn)品發(fā)生次生化;親脂性的有機溶劑萃取所生產(chǎn)的產(chǎn)品中的溶劑殘留高，降低了產(chǎn)品的品質(zhì)，并且可選取的有機溶劑多屬易燃品，生產(chǎn)過程的安全隱患難以消除。水汽蒸餾法、升華法由于其針對性過強，影響了該方法的應用領域。

天然產(chǎn)物有效成分提取新方法

近幾年，國內(nèi)外也廣泛采用超聲波、微波輔助提取法和超臨界二氧化碳流體萃取法。超聲波提取法，即利用超聲波的"空化"作用，以達到激化提取溶媒滲透、溶解、擴散活性的提取工藝。超臨界二氧化碳流體萃取法，需控制CO2處于臨界溫度（31.05℃ ）和臨界壓力（ 7.38MPa）以上，使得CO2處于超臨界溫度和超臨界壓力狀態(tài)并具有氣體和液體的雙重特性，以其為溶劑，通過分子間的相互作用和擴散作用溶解原料的目標成分，形成超臨界CO2負載相，然后降低載氣的壓力或升高溫度，使超臨界CO2的溶解度降低，從而達到提取分離的目的。

超聲波提取法對傳統(tǒng)工藝方法有較大改進，具有較好的經(jīng)濟性和廣泛的適應性，但只是一種輔助手段，需要與其它萃取技術結合才能發(fā)揮作用。超臨界CO2萃取法具有萃取能力強，提取率高，選擇性強，產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)勢。但是，CO2必須在25MPa 以上的超高壓狀態(tài)下才能夠進行萃取加工，高的壓力限制了設備有效容積的放大，也制約了該技術在天然產(chǎn)物生產(chǎn)中的工業(yè)化應用。

理論發(fā)展

亞臨界流體萃取技術發(fā)展的歷史

亞臨界流體萃取是以亞臨界狀態(tài)的流體或亞臨界流體的混合溶液為溶媒，與溶質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)相繼經(jīng)過浸提、蒸發(fā)脫溶、壓縮、冷凝回收等過程，從天然產(chǎn)物中提取目標組分的一種新技術。當LPG、丙烷、丁烷、 R600a、DME、R134a和六氟化硫等以亞臨界流體狀態(tài)存在時，分子的擴散性能增強，傳質(zhì)速度加快，對天然產(chǎn)物中弱極性以及非極性物質(zhì)的滲透性和溶解能力顯著提高。亞臨界環(huán)境下萃取，不破壞熱敏性成分、目的物wan全，被視為綠色環(huán)保、前景廣闊的一項變革性技術。

天然產(chǎn)物有效成分亞臨界萃取裝備研究開發(fā)

提取是天然產(chǎn)物深加工的重要工序，它是通過提取設備來完成的。提取設備對提取物的質(zhì)量、得率和生產(chǎn)效率都有較大的影響。現(xiàn)代天然產(chǎn)物提取設備呈現(xiàn)如下發(fā)展特點:

A. 提取速度快，效率高，有效成分提取充分，減少物料資源的浪費;

B. 溶媒耗量少，出液系數(shù)小，浸出液濃度高，節(jié)省溶劑，節(jié)省后道工序的生產(chǎn)成本;

C. 提取溫度不能太高，特別是熱敏性物料的提取，要減少對有效成分的破壞;

D. 適應性好，能適于不同物料的提取;

E. 生產(chǎn)連續(xù)性好，應能適于現(xiàn)代化大規(guī)模連續(xù)性生產(chǎn);

F. 節(jié)約能源，安全可靠;結構簡單，操作方便。

除此以外，隨著中藥、植物提取物、農(nóng)產(chǎn)品深加工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化進程的加快，萃取工藝技術更加依賴于自動化控制，其主要原因有:

A. 人為的控制往往造成工藝參數(shù)的波動，工藝參數(shù)的波動會嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，大規(guī)模的生產(chǎn)應排除人為造成指標的變化;

B. 大規(guī)模的生產(chǎn)，人為的調(diào)節(jié)無能為力，應借助電動或機械的力來完成大幅度的動作;

C. 大規(guī)模的生產(chǎn)穩(wěn)定是至高無上的，只有通過自動控制才能穩(wěn)定生產(chǎn)。

國外的自動化生產(chǎn)已非常普及，國產(chǎn)自動化元件及軟件設施也能滿足萃取的工業(yè)化生產(chǎn)，自動計量、自動監(jiān)控、自動顯示、自動報警已被不同廠家所選用?？梢灶A見，萃取技術的自動化進程將在國內(nèi)快速發(fā)展。

亞臨界流體萃取是繼超臨界流體萃取技術之后誕生的新技術，主要解決了超臨界萃取設備容積小、造價高、耗能大、不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的缺陷。該技術在美國、日本等國雖早有實驗室的研究報道，但成功應用于工業(yè)化生產(chǎn)還是我國以祁鯤為代表的研究人員實現(xiàn)的。上世紀90年代，溶劑浸出技術"在我國成功轉化應用，開發(fā)出低溫大豆蛋白粉。其后四號溶劑萃取技術在天然產(chǎn)物萃取方面也取得了成功，先后為國內(nèi)10多家企業(yè)建成20多條生產(chǎn)線，為我國貴重油脂、萬壽菊葉黃素和辣椒紅色素等產(chǎn)品開發(fā)提供了關鍵裝備。此項技術在國際上處于水平。

國內(nèi)也有其它個別亞臨界相關提取裝置的報道，2006.10.11公開的的實用新型（ZL200620135969.0）提供了一種適用于多種溶劑進行極性非極性中間體萃取的裝置。通過改變萃取溶劑以及系統(tǒng)內(nèi)閥門、管道、設備的動作程序，滿足不同溶劑對萃取溫度、壓力、時間和流向的要求，完成對動植物原料中有效成分的萃取。該裝置雖然兼顧了非極性、極性有效成分的提取工藝要求，但工藝路線復雜，設備制造成本高。

上述亞臨界流體萃取的相關裝置，由于采用的萃取劑性質(zhì)差別大，因此結構各不相同。但普遍存在結構復雜、制造成本高、且局限于某一種亞臨界流體的缺陷。

應用實例

天然產(chǎn)物活性成分的亞臨界流體保質(zhì)萃取裝備

基于天然產(chǎn)物萃取裝備的最新發(fā)展趨勢，以及研究所、高等院校以及相關企業(yè)開展亞臨界流體萃取試驗研究或生產(chǎn)需求，充分利用亞臨界流體萃取技術和超聲技術的優(yōu)點，將超聲引入到亞臨界流體萃取過程中，根據(jù)各自的技術原理及優(yōu)點，我國設計了一套結構簡單、使用方便、自動化程度高、且適于多種亞臨界流體萃取的裝備，并利用該裝置系統(tǒng)研究天然產(chǎn)物功效成分的提取技術。

亞臨界萃取與天然產(chǎn)物熱敏性成分

天然產(chǎn)物中高附加值的生理活性物質(zhì)因其熱敏性，用常規(guī)熱回流提取法和有機溶劑萃取法不僅提取率低，而且功能成分受到破壞。超臨界CO2萃取雖是較為理想的方法，具有萃取能力強、提取率高、產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)勢，但必須在25MPa 以上的超高壓狀態(tài)下才能進行。高的壓力限制了設備有效容積的放大，同時，較高的設備制造和運行成本制約了該技術在天然產(chǎn)物有效成分生產(chǎn)領域的應用。項目利用亞臨界流體沸點較低的特性，常溫提取、低溫脫溶，通過提高工藝過程的真空度，使萃取溶劑在10~50℃的溫度下快速蒸發(fā)，且萃取是在密閉條件下進行，因而"熱敏性"成份不變性、不氧化，是天然產(chǎn)物活性成分"高效、保質(zhì)"萃取的理想技術。

操作方法

亞臨界流體萃取相比其它分離方法具有許多優(yōu)點: 無毒、無害，環(huán)保、無污染、非熱加工、保留提取物的活性成分不破壞、不氧化，產(chǎn)能大、可進行工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，節(jié)能、運行成本低，易于和產(chǎn)物分離。

提高萃取效率的方法

提高萃取效率的方法以溶料比、攪拌、萃取溫度、萃取時間、萃取壓力、萃取次數(shù)、萃取劑及夾帶劑的選型、超聲波的輔助萃取等因素有關。

溶料比

從理論上說，溶料比越大，萃取效率越高，在工業(yè)化的生產(chǎn)過程由于成本的優(yōu)化，一般控制在 1:1~1.5:1 之間。

攪拌

萃取的過程是分子相對擴散的過程，適度的攪拌可以增加溶劑和物料之間的充分混合，減少萃取中外擴散阻力，使萃取體系的濃度朝有利于固體物料中的脂溶性成分向液體的溶劑中擴散。

萃取溫度與壓力

提高萃取溫度能增加分子的運動速度，從而提高擴散的速度，但是，過高的溫度又會造成活性成分的滅活。因此，將溫度控制在一定溫度以內(nèi)，并在生產(chǎn)過程中任意控制。壓力與溫度呈正相關關系，萃取溫度的上升，萃取壓力相應提高。壓力升高，有助于提高萃取速度。

萃取時間與次數(shù)

針對不同的物料，先通過正交試驗得出合理的萃取時間和次數(shù)，在實際生產(chǎn)過程中通過罐組間的逆流萃取工藝得以提高萃取效率。

萃取劑及夾帶劑的選型

加入適量合適的夾帶劑可明顯提高亞臨界流體對某些被萃取組分的選擇性和溶解度。比如，在辣椒紅色素的萃取中，經(jīng)過對特定夾帶劑的加入對亞臨界流體的溶解能力和萃取選擇性研究, 結果表明這一特定夾帶劑的加入可以顯著增加流體的溶解能力,受此鼓舞，我們試驗配置了多種溶劑混合的復合溶劑，針對性的提取不同的動植物原料中脂溶性成分。表面活性劑也可以作為夾帶劑提高亞臨界流體萃取效率, 提高的程度與其分子結構有關, 分子的脂溶性部分越大, 其對亞臨界流體的萃取效率提高越多。關于夾帶劑的作用原理,有研究認為是夾帶劑的加入改變了溶劑密度或內(nèi)部分子間的相互作用所致。

利用超聲波

在亞臨界流體萃取天然動植物活性成分的過程中, 通過超聲波的"空化"作用，以達到激化提取溶媒滲透、溶解、擴散活性，減少萃取的外擴散阻力，能縮短萃取時間，從而大大提高了萃取的效率，相應產(chǎn)量提高，成本降低。實踐表明在亞臨界萃取過程中引入超聲波輔助技術有很大的優(yōu)勢。

應用

在天然產(chǎn)物提取中的應用

由于亞臨界流體常溫常壓條件下是氣體狀態(tài), 因此亞臨界流體極易氣化，由此可以在常溫或者較低溫度的狀態(tài)下對熱敏性物料做到萃取和分離。經(jīng)過實踐，亞臨界流體萃取技術已應用于眾多的天然產(chǎn)物脂溶性成分的提取。如欒樹籽、無患子果、青刺果、沙棘、黃連木果、虎堅果、玫瑰花、薰衣草、銀杏葉、青蒿等。

在食品工業(yè)中的應用

亞臨界流體萃取技術在食品工業(yè)的應用，主要集中在食用植物粉的脫脂環(huán)節(jié)及副產(chǎn)物油脂方面的應用，由于某些植物果實本身富含油脂，而高含油食品極易酸敗，保質(zhì)期很短，因此，植物粉的脫脂成為制約植物粉生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)。用亞臨界流體萃取技術脫除大豆、花生、核桃、杏仁、小麥胚芽、咖啡豆、南瓜籽等幾十種物料的脫脂生產(chǎn)，同時萃取得到相應的植物油。從萃取效果看，在低溫狀態(tài)下所得的植物粉活性成分得到了最大限度的保護，以植物蛋白為例，水溶性蛋白指標NSI在86%以上，小麥胚芽油的VE成分95%以上得以保持。 與其他方法相比具有明顯優(yōu)勢: 處理物料量一般在30-100噸/日，萃取時間短、成本低。隨著天然產(chǎn)物的開發(fā)范圍越來越廣，亞臨界流體萃取技術在食品工業(yè)具有更加廣闊的應用前景。

另外，亞臨界流體對全脂奶粉中奶油的提取呈現(xiàn)出很好的效果，提取率在20%以上，所提取奶油味道純正，是奶粉（含過期奶粉）中提取奶油的最佳生產(chǎn)工藝。

在中藥（包括復方中藥）行業(yè)中的應用

亞臨界流體萃取在中藥行業(yè)的應用已經(jīng)涉及中藥及復方中藥的有效成分的提取，并已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。如從五味子、紅花、川芎、靈芝孢子、水飛薊、栝樓籽、當歸、刺五加亞臨界萃取比石油醚抽提*, 比超臨界日處理量大、具有收率高、提取周期短及無溶劑殘留等優(yōu)點, 特別適合于中藥脂溶性活性成分的提取。

另外，由于許多中藥中的脂溶性成分在中成藥的生產(chǎn)過程中起著不同程度的副作用，因此亞臨界流體萃取在中藥加工前的脫脂處理具有很大的發(fā)展空間。

在動物油脂提取中的應用

在動物油脂的提取方面，先已做到從林蛙卵中提取出林蛙卵油，從黃粉蟲中提取黃粉蟲油，從蠶蛹中提取蠶蛹油，從蝎子中提取蝎子油，從羊蹄子中提取羊蹄子油。

在天然色素行業(yè)中的應用

近幾年來，亞臨界流體萃取技術在色素的提取方面有著很大的發(fā)展，在河北，山東、云南、新疆、甘肅、吉林建有十余家亞臨界流體萃取生產(chǎn)線，主要從事辣椒紅色素、萬壽菊黃色素、番茄紅色素、姜黃色素、蠶米綠色素的生產(chǎn)。

在天然香料行業(yè)中的應用

在天然香料行業(yè)，已提取出玫瑰浸膏，十香菜浸膏、薄荷浸膏、桂花浸膏、茉莉浸膏、可可脂等產(chǎn)品。

在特種油脂方面的應用

在特種油生產(chǎn)方面，已經(jīng)涉及小麥胚芽油、葡萄籽油、杏仁油、南瓜籽油、亞麻子油、石榴籽油、橘子籽油、櫻桃籽油、沙棘油、花椒油、葵花籽油、胡麻油、青刺果仁油、松子油、大蒜油、洋蔥油、生姜油等幾十種特種油脂。

獲獎情況

亞臨界萃取技術已獲得多年的成功，應用單位遍及江蘇、云南、四川、河南、河北、山東、山西、遼寧、內(nèi)蒙、新疆、甘肅、湖北等地后，用戶反應該技術日處理原料量大、效率高、效果好，天然產(chǎn)物活性不破壞，運行成本低，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，該技術獲得國家原內(nèi)貿(mào)部科技進步一等獎，河南省發(fā)明一等獎，國家發(fā)明銀質(zhì)獎，2014年國家技術發(fā)明二等獎 ，享有自有知識產(chǎn)權。

設備

亞臨界萃取設備

亞臨界萃取設備盡20年的發(fā)展，不僅使亞臨界萃取技術有了較大的提高和發(fā)展，而且較CO2超臨界萃取技術在溶劑的使用上擴大了選擇的范圍，既可單獨萃取，也可夾帶其他溶劑或混合溶劑進行萃取，萃取壓力屬于低壓，萃取裝置單罐可以設計為大容積壓力容器，單批及日處理原料可達到80噸。該技術在國內(nèi)外首先實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，技術優(yōu)勢明顯，在世界范圍內(nèi)處于水平。本工藝及裝備已經(jīng)編入河南工業(yè)大學等大學的【油脂工藝學】教材，祁鯤出版多部著作對本技術進行了深入的研究。

亞臨界萃取實驗室設備

CBE-5/10L亞臨界萃取實驗室裝備設計更加精細，比如，引入PLC電腦控制技術，物料萃取設備改為快開結構，用程序自動控制料溶比、萃取時間、溫度、壓力次數(shù)等參數(shù)，使操作非常簡便，數(shù)據(jù)更加科學。受到眾多大學和科研機構的使用。

技術展望

亞臨界流體萃取與其他萃取方法相比, 不僅克服了傳統(tǒng)工藝的不足,保留了超臨界流體萃取的優(yōu)點, 溶劑選擇面大，而且涉及物料廣泛，日處理量可以達100噸物料，無任何污染，運行成本低，這是其他低溫萃取技術無法做到的。 因此亞臨界流體萃取技術相比其它萃取與分離方法具有強大的優(yōu)勢。亞臨界流體萃取技術在許多領域有著廣泛的運用。今后，通過國內(nèi)外萃取專家及相關行業(yè)的交流與合作, 該技術在不同領域的應用必將更加深入, 推動天然產(chǎn)物有效成分的萃取與分離事業(yè)達到一個新的高度。