亚临界溶剂生物萃取技术的在中药开发中的应用及前景

1 亚临界 生物萃取技术 在 中 药 开发 中 的应用及前景 祁鲲，杨倩 ，王金顺，朱新亮 河南省亚临界生物技术有限公司，河南安阳 455000 o., 55000） 摘要：亚临界溶剂萃取技术是在溶剂的沸点 至临界温度之间，在一定压力下进行的生物萃取工艺 。 丁烷、丙烷作为亚临界流体具有沸点低、廉价、无色、残留溶剂少等优点，很适合作为中草药的萃取介质。亚临界丁烷低温萃取工艺经过 25 年的发展，已日臻成熟，并已经建立了 70 多条生产线。此外，国际组织和发达国家都普遍认可了丁烷、丙烷在食品中应用的安全性 ,中国已于 2008 年将丙烷、丁烷列为食品加工用助剂。 本文概述了以 亚临界 状态的溶剂萃取生物成份的原理和生产工艺，并简 述 了亚临界生物萃取技术的 在中药方面的应用 。 关键词：亚临界 丁烷 低温萃取 中药提取 安全 is a on of a at a at a to in a as it is a in it be a in 5 0 of in in as in 008 of of 概述 以亚临界状态的溶剂萃取生物原料中的有用成份 ，是近 25 年 发展起来的一项新的工艺方法， 目前已应用到植物 油、 植物 色素、 植物 精油、 生物碱、中 药材等几十种植物原料的 非极性和弱极 性成份 提取生产中， 目前 亚临界萃取生产线已建成 70 多条， 每年的总加工量 逾二十 万吨 。 亚临界萃取溶剂的定义： 溶剂在高于其沸点但低 于临界温度的温度区间内，在一 2 定压力下以液态存在的状态称为 溶剂的亚临界状态。 在此状态下利用其相似相溶的物理性质。 用做 生物成份 萃取的溶剂 为亚临界萃取溶剂 ，其萃取工艺称为亚临界萃取工艺。 适合 于亚临界萃取的溶剂沸点都低于 周围的环境温度，一般沸点在 0以下， 20时的液化压力在 下 。 亚临界萃取的工艺原理：在 一定压力下，以液化的亚临界溶剂对物料进行 逆流 萃取，萃取 液（液相） 中溶剂 经 蒸发 工序 ，使溶剂气化与萃取出的目标成份分离，得到产品； 被萃取 过 的物料 蒸发出 吸附的溶剂 ， 得到另一产品 （固相）。气化的溶剂被 液化后循环使用。整个萃取过程 在室温或更低的温度下 进行，所以不会对物料中的热敏性成份造成损害，这是亚临界萃取工艺的 最大特 点。 亚临界萃取工艺的优点： 1、 萃取和脱溶过程不用过度加热， 不会对物料中的热敏性成份造成损害； 2、 已使用和研究的几种溶剂的极性不同， 萃取目标物的极性范围大。 3、有一定的萃取选择性。 4、 节能，萃取液蒸发耗能少，脱溶过程不必对物料加热。 5、相对于超临界提取技术，投资少，生产成本低，容易实现大规模生产 。 2 适合亚临界萃取的溶剂 在常温下为气体，在 中低压 下可以液化 的 物质是适合用作萃取溶剂的。 在中低压区间，生产 设备投资少，生产成本低，溶剂运输方便。在 低压 以下较为合适的溶剂及其物理性质见下表： 丙烷 丁烷 二甲醚 四氟乙烷 液氨 分子式 4子量 44 58 102 17 沸点 0时蒸气压 界温度 29 界压力 5液体密度 5气体密度 kg/ 电常数 化潜热KJ/0 ) 329 358 410 216 1369 爆炸极限 27% 不燃 16 25 毒性 及 mg/微毒 微毒 680 308000 无毒 1390 性状 无色有味 无色有味 无色有 味 无色无味 无色有刺激性气味 丙烷、丁烷 丙烷、丁烷 都是非极性溶剂，用于萃取脂类物质，是应用最早、 最为广泛的亚临界萃取溶剂 。 经作者努力， 中国卫生部 2008 年第 13 号公告 已 将丙烷、丁烷列入食品加工助剂名单。 二甲醚 二甲醚能与许多极性或非极性溶剂互溶，单独使用即可萃取极性成份也可萃取非极性成份。 二甲醚的 价格低、 来源广， 而且 毒性极低。 但是 ， 由于 它尚未列入我国的食品助剂名录 ， 而 限制了它 合法的在食品上的应用 （我们正在全力做这项工作） 。 四氟乙烷 四氟乙烷即 一种氟利昂 制冷剂的替代物 。 用作亚临界萃取溶剂 3 主要用来萃取脂溶性成份，它不但无毒， 而且不燃，克服了 易燃易爆的致命缺点，这也是它 的最大 优势。目前 ， 四氟乙烷尚未列入中国食品助剂名单。 液氨 液氨用作 亚临界萃取溶剂， 是一种理想的极性溶剂 ，可用来萃取 低聚 糖、植物多酚、生物碱 、植物黄酮、生物甙、色素 等 各种水溶性的物质成份 ，是取代水和乙醇 等极性 溶剂的理想溶剂 。氨水 已列入国家的食品助剂名录。 3 亚临界生物 萃取 工艺 亚临界溶剂生物萃取工艺 流程如下 ： 装料。 将待 萃取的物料 送入压力容器结构的萃取器中，关闭进料器后，抽出萃取器中的大部分空气 ，一般达到 萃取。打入液化的萃取溶剂进行多次逆流萃取； 物料脱溶。 达到最佳萃取率工艺 时 ， 抽完萃取器中液体溶剂后，打开萃取器的出气阀，使物料中吸附的溶剂气化与 物料分离，排出萃取器 ，此过程为脱溶过程 。 脱溶完成后，被萃取后的物料即可排出萃取器，萃取器可进入下一生产循环。 萃取液蒸发。 萃取液打 入 蒸发系统，经过 蒸发，使溶剂与萃取物分离，得到萃取物产品，再经提纯，可得到目标产品。 溶剂回收。从物料中和萃取液中蒸发出的溶剂气体，经过压缩液化，液态的溶剂流回溶剂循环罐，循环使用。 热量的利用。萃取工艺中溶剂的气化吸热与液化放出的热量是相等的，通过使这些热量进行热交换， 可以最大限度地节能。 4 亚临界生物萃取 设备 亚临界萃取的设备目前已经系列化，从日处理原料 从 1 100 吨的成套设备已很成熟，位于河南省安阳市的 80 吨 /日设备是当年国家经贸委的重点示范厂， 已运转 15 年，加工原料 近十万吨。萃取设备主要由萃取罐、溶剂罐、混合油罐、蒸发罐、升膜蒸发器、冷凝器、压缩机、真空泵及辅助的缓冲、过滤罐等组成 ，容器类设备都是低压或中压二类压力容器。 5 亚临界生物萃取工艺的生产安全性 本文涉及的亚临界萃取溶剂中，除四氟乙烷外，均有爆炸燃烧的危险性，加之溶剂的亚临界状态都有一定的压力，更增加了生产过程的危险性。 中国油脂 2007 年第 7 期，“ 四号溶剂浸出油脂工艺的生产安全和食品安全 ” 一文 叙述了生产安全性问题。 与六号溶剂浸出车间相比，亚临界溶剂的萃取车间也 是甲类 一级 车间，电气设备也是一样的防爆级别。上述的几种溶剂虽然爆炸上下限区间比六号溶剂宽，但爆炸下限较高，加之气体比重较六号溶剂小，仅从这两点看其安全性是优于六号溶剂的。但亚临界溶剂是液化气体，有压力，泄漏时扩散极快，所以总体上对其生产安 全性的要求是更高的。 溶剂压缩液化 溶剂压缩液化 生物 物料 逆流萃取 萃取物 产品 萃取 器 萃取液蒸发 溶剂 溶剂罐 萃取后物 料 脱溶 萃取后物料产品 4 6 亚临界生物萃取产品的 安全性 亚临界 溶剂由于主要应用于 植物精油、 保健品、 中草药 的加工提取 ， 根据卫 生法 的有关条文 ，亚临界 溶剂属于食 品工业用加工助剂 ，对其食用安全性有着很高的要求。为此，我们对 丙烷、丁 烷 溶 剂萃取 产品的食用安全性进行了调查研究。 (1)联合国粮农组织食品法典中，丙烷、丁烷都可用于食品加工 ， 并且没有限残留量；美国食品化学品法典中，丙烷 、 丁烷名列其中 ； 美国食品与药品管理局 1983 年将丙烷、丁烷列为“一般认为安全 ” 条目，没有残留限量； 2000 年日本食品添加剂 规范标准第七版可用溶剂中 ,丙烷、丁烷名列其中，对其在食品中的残留没有限制； 1999 年 3 月 24 日欧洲食品科学委员会就认可丙烷用于食品 ， 也没有残留限量；另外，能查到的爱尔兰、新西兰等国家也都认可丙烷和丁烷用于食品加工中。 (2)通过 国家标准馆对用作食品助剂的 液 丙烷、液化丁烷的国外标准（ 美、英、 日、 德、法等 30 多个国家的国家标准和美国 400 多个行业标准 ） 查新 可知， 仅在美国食品与药品管理局中查到丙烷和丁烷可用于食品加工过程 ， 但没有用作食品助剂的 标准。 (3)查阅化学品毒性法规环境数据手册 ， 美国法规及德国建议值均为：在职业环境空气中容许接触限值为丙烷 1800 正己烷 180 见丙烷对人体的安全性高于己烷 10 倍 。 查阅油脂浸出工艺学，对人体健康极限浓度 (负载时间平均 值 )，正丁烷为800己烷为 50见丁烷对人体的毒性比己烷小 16 倍。 (4)经河南省卫生防疫站和山东省卫生防疫站分别对丙烷和丁烷 进行毒理试验 ,试验依据食品安全性毒理学评价程序和方法 行了 小鼠急性毒性试验、 验、骨髓微核试验、小鼠精子畸形试验、大鼠 30d 灌胃喂养试验 等 试验研究 ,其结论为无毒。 据此，经我们的多年努力，中国卫生部于 2008 年分别批准了丙烷和丁烷为食品添加剂。 二甲醚的食品安全工作我们正在进行中。 7 亚临界生物萃取技术的 中草药有效成分中的 应用 在植物挥发油 提取生产中的应用 。植物挥发油的成份一般为油状液体，芳香也带有辛辣味，具有生物活性，在临床上主要用于祛痰、发汗、平喘等。一般以水蒸馏提取居多。水蒸馏提取收率低，芳香性成分损失大，高温致使某些成分分解变化。而 以 亚临界丁烷、丙烷对植物的根或 茎叶进行亚临界萃取，可得到 产品。目前已进行工业化批量生产的有虎杖 、十香菜 、人参须 、花椒 、肉桂 等 。 生物碱 的提取上的应用。 生物碱 是存在于 自然界 中的一类含氮的碱性 有机化合物 ，有似碱的性质 。大多数有复杂的环状结构，氮素多包含在环内，有显著的 生物活性 ，是中草药中重要的有效成分之一。 传统提取中，除个别具有挥发性的 生物碱可用水蒸气蒸馏法进行提取外，一般情况下 生物碱的提取常用溶剂法。传统生物碱 提取方法的 主要缺陷是提取分离步骤多，排污 量大。相比起传统的提取方法，亚临界提取技术 可大大减少酸或碱性试剂的用量并 具有较高的提取效率 。 目前已进行工业化批量生产的有川穹、杜仲籽 等 。 在植物色素萃取生产中的应用。 植物色素类在中草药中分布很广，主要有 脂溶性色素与水溶性色素两类。脂溶性色素主要为 叶绿素 、 叶黄素 与 胡萝卜素 等。 此外尚有 藏红花素 、辣椒红素 等。除叶绿素外，多为四萜衍生物。这类色素不溶于水，难溶于甲醇，易溶于高浓度乙醇、乙醚、氯仿、苯等有机溶剂。 用丙烷、丁烷、二甲醚以及它们的混合溶剂进行亚临界萃取，有很大的技术优势。 在色素 方面已工业化生产的物料有：万寿菊叶黄素、辣椒红色素 、藏红花 等 ,最大的红色素生产线已达 100 吨 /日 。 在提取黄酮类化合物中的应用。 黄酮类 化合物 (一类存在于自然界的、具有 2构的化合物。它们分子中有一个酮式 羰基 ，第一位上的氧原子具碱性，能与强酸成盐，其 羟基 衍生物 多具黄色，故又称黄碱素或黄酮。黄酮类化合物在植物体中通常与糖结合成苷类，小部分以 游离态 (苷元 )的形式存在。绝大多数植物体内都含 5 有黄酮类化合物，它在植物的生长、发育、开花、结果以及 抗菌 防病等方面起着重要的作用。黄酮类化合物的传统提取方法中较常用的有 醇 提取 或碱醇提取、热水提取等。其粗产物的分离主要是根据其极性差异、酸性强弱、分子大小和特殊结构等性质而采用适宜的分离方法，如系统溶剂法、 度萃取法。这些传统的提取方法存在明显的排污量大、有效成分损失多、提取效率低、成本高等一系列缺点。 而 亚临界萃取 技术对于提取黄酮类化合物具有收率高、提取周期短等优点，已广泛应用于多个品种如：丹参、黄芪、红花、林蛙卵、红景天、向天果、 水飞蓟 等。 功能性健康食用油生产中的应用。应用丙烷和丁烷亚临界萃取工艺，不但确保了萃取出油中的热敏成份不损坏，也保证粕中植物蛋白等成份不变性，使产品的价值充分利用。在这方面已工业化生产的物料有：大豆、花生、核桃、小麦胚芽、葡萄籽、杏仁、茶籽、石榴籽等。 8 结束语 亚临界萃取技术经过了 多年的发展，已经显示出独特的工艺优点，它与传统的溶剂提取相比，具有适用范围广、对原料成分无破坏、对环境无污染、提取效率高和操作方便等优点。因此，随着物质生活水平的改善提高和对健康的日益重视，人们越来越崇尚“回归自然”，该技术必将在中 草药研究开发中得到广泛应用，从而大大拓宽中草药制药的创新范围和原料中间体的使用领域。 1食品安全性毒理学评价程序和方法 S。 2胡健华，赵国志油脂浸出工艺 M。 北京 ： 中国商业出版社 ， 1997。 3石 青， 化学品毒性法规环境数据手册 M。 北京 ： 中国环境