Study on Solvent Characteristics of Active Composition of Herbs in SCF-CO2 Extraction Cheng Xinfa, Feng Changgen, Wang Yun, Wang Liqiong, Wang Fulong# (School of Mechano-electronic Engineering, Beijing Institute of Technology 100081 #Developing Centre of Science and Technology of Beijing Chinese Medicine 100036) Abstract According to the limitations of SCF-CO2 and the particularity of active component of Chinese herbal medicine, SCF-CO2，the modifier and the solubility parameter are studied.The rules selecting the modifier are put forward.It is shown that extracting temperature and pressure are the main factors affecting SCF-CO2 and the solubility parameter of mixing solvent.The type and the concentration of the modifier have an effect on dissolving properties of the system extracted. Key words Super-critical fluid-CO2, Herbs, Active composition, Solubility parameter 摘要 针对超临界二氧化碳流体的局限性和中草药中活性成分的特殊性，研究了超临界二氧化碳流体、改性剂和混合溶液的溶解度参数，提出了改性剂的选择原则。结果表明：萃取温度和压力是影响超临界二氧化碳流体和混合溶剂溶解度参数的主要因素，改性剂的种类和浓度影响萃取体系的溶解特性。 关键词 SCF-CO2 中草药 活性成分 溶解度参数 超临界 CO2 萃取中草药活性成分溶剂特性研究 成新法 冯长根 王耘 王丽琼 王富龙# (北京理工大学 100081 #北京中医药科技开发中心 100036) 我国从本世纪 20 年代就开始了中药研究，使其从本草学阶段进入了药理学阶段。在中药提取分离有效成分方面有了更广泛、更深入的研究，提高了中药的利用率和治疗效果。目前中药提取的常规方法有煎煮法、水蒸馏法、溶剂浸提法。随着现代科学的发展，超临界流体技术正广泛得到应用。早在 60 年代 Zosel[1]就提出采用超临界流体萃取(SFE)技术脱除咖啡豆中咖啡因。国内外的研究表明，SFE 技术已广泛应用于从天然动植物中提取某些有价值的生物活性物质，如 b-葫萝卜素、生物碱、香精香料以及从鱼油中提取 EPA 和 DHA 等。超临界二氧化碳流体(SCF-CO2)技术应用于中草药有效成分的提取，近年来才被重视[2,4]。中药中的草本植物内成分繁多，结构复杂，且大多是极性化合物，SCF-CO2 的非极性决定了萃取效率低[5]、萃取范围小[6]。本文旨在从理论上分析 SCF-CO2 的溶解特性，研究提高 SCF-CO2 萃取能力的技术措施。 1 SCF-CO2 和溶解度参数 1.1 SCF 超临界流体是指其温度和压力都超过其临界点的流体，这种流体具有常温常压下气体的粘度，而其扩散系数介于气体和液体之间，如图 1 和表 1 所示。
表 1 气体、液体和超临界流体的性质
性质 | 单位 | 气体 0.1Mpa 25°C | 液体 0.1Mpa 25°C | 超临界流体 Pc Tc
密度 r | g·cm-3 | 0.6~2×10-3 | 0.6~1.6 | 0.4~0.9
扩散系数 | cm2·s-1 | 1~4×103 | 1.2~2×10-5 | 1.1~1×10-3
粘度 h | g·cm-1·s-1 | 1~3×10-4 | 0.2~3×10-2 | 3~9×10-4
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

表 2 作为超临界流体的气体的物理常数
气体 | 分子式 | 沸点/°C | 临界温度/°C | 临界压力 /Mpa | 溶解度参数 /(J·cm-3)1/2
氨 | NH3 | -33.3 | 132.33 | 11.5 | 13.2
二氧化碳 | CO2 | -78.0 | 31.3 | 7.4 | 10.7
氧化氮 | N2O | -89.0 | 36.5 | 7.2 | 10.6
乙烯 | CH2CH2 | -103.7 | 9.5 | 5.1 | -
苯 | C6H6 | 79.8 | 288.9 | 4.9 | 8.7
已烷 | C6H14 | 63.79 | 230.9 | 3.2 | 7.0

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

表 3 几类溶剂的溶解度参数(25°C)
Ⅰ烃类非极性溶剂 | Ⅱ醚醛酮酯酰胺及胺类 | Ⅲ醇腈羧酸类
环已烷 | 16.8 | 乙醚 | 15.1 | 乙腈 | 24.3
正已烷 | 16.8 | 乙酸乙酯 | 18.4 | 乙醇 | 26.0
四氯化碳 | 17.6 | 丁酮 | 19.0 | 乙酸 | 26.4
甲苯 | 18.2 | 乙 | 20.0 | 甲酸 | 27.6
苯 | 18.8 | 二甲基甲酰胺 | 24.6 | 苯酚 | 29.7
二硫化碳 | 20.5 | 水 | 47.9 | 甲醇 | 29.7
|  |  |  | 水 | 47.9

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：f 1--溶剂的体积分数； f 2--溶质的体积分数；Vm--溶液的摩尔体积；d 1--溶剂的溶解度参数；d 2--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，(d 1-d 2)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；d 11- CO2 的溶解度参数值；d 12-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 d 11 f11 一定的条件下，d m 与 d 12 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。

表 4 甲醇体积分数 f 对混合溶剂 d 的影响
f | 0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5
d | 14.5 | 15.8 | 17.4 | 18.9 | 20.5 | 22.0

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。

表 6 不同改性剂对 SFE 收率的影响
改性剂 | 内酮 | 氯仿 | 甲醇 | 乙酸乙酯 | 乙醚
收率% | 0.827 | 0.813 | 0.498 | 0.702 | 0.96

5 结语
SCF-CO2 萃取是在超临界状态所具有的高密度、低粘度流体条件下萃取有效成分，然后通过降压等方法，将溶剂与溶质相分开，因此具有萃取和蒸馏的双重作用。提取操作是制备现代中药制剂的重要环节。SCF-CO2 萃取可以在低温中进行且没有溶剂残留，特别适合于中草药中有效活性成分的提取。但由于中草药中化合物的多样性、复杂性和 SCF-CO2 的局限性，需要加入改性剂。改性剂可以实现高效且选择地提取已知结构特征的药用化合物。
由于中药复方不是单味的简单罗列，而是依据一定的理论，各味药相辅相成产生疗效。因此如何将 SCF-CO2 改性剂萃取技术应用于中药复方的有效多组分提取，值得重视，这无疑会提高中药制剂的提取水平和质量。
6 参考文献
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99-03-20 收稿