全 文 ：·专论与综述·
超临界萃取生物碱研究进展
肖观秀,吕惠生, 张敏华X
(天津大学石油化工技术开发中心　绿色化学合成与转化教育部重点实验室, 天津　300072)
摘　要:作为提取生物碱的新技术,超临界萃取是很有前景的。首先简要介绍了超临界流体的特点和超临界萃取的
优点, 然后在传质分析的基础上, 总结出决定萃取过程难易的关键因素,即生物碱在溶剂中的溶解度、待萃组份与
母体间的相互作用力, 进而提出了优化工艺条件、提高生物碱萃取率的方法, 如改变萃取压力和温度、使用夹带剂、
加入碱化剂进行预处理等。最后总结了超临界萃取生物碱的研究成果,并提出了今后的发展方向。
关键词:超临界萃取;生物碱;二氧化碳;萃取率
中图分类号: R284　　　文献标识码: A　　　文章编号: 0253 2670(2004)12 1421 03
Advances in extr action of alkaloids by super critical fluid extraction
XIAO Guan-xiu, LU
　¨ Hui-sheng, ZHANG Min-hua
(Key Laboratory of Green Chemical T echnology, Petrochemical Engineering Resear ch
and Development Cent er , Tianjin Univer sity, T ianjin 300072, China )
Key wor ds : super crit ical fluid extract ion ( SFE) ; alkaloids; carbon dioxide; ext raction efficiency
　　生物碱是自然界中广泛存在的一类天然含氮有机化合
物, 大多具有较复杂的氮杂环结构, 并有比较特殊而显著的
生理活性。生物碱是许多药用植物的有效成分,如从罂粟中
分得的吗啡具有强烈的镇痛作用, 罂粟碱具有松弛平滑肌作
用;麻黄中的麻黄碱具有平喘作用。传统的生物碱的提取方
法有冷浸法、索氏提取法和热回流法,这些提取方法步骤多、
排污量大, 并且消耗大量的酸或碱性溶剂。用超临界 CO2
( SF -CO2)提取生物碱不仅能够有效的提取含量低的成分,
而且能够选择性地提取目标产物, 对环境无污染, 是一个非
常环保的化学过程。利用超临界 CO2 从植物体中提取生物
碱开发新药, 有着潜在的应用前景。
1　超临界流体与超临界萃取
超临界流体 ( super crit ical fluid, SF )具有特殊的理化特
性:黏度为普通流体的 1%～10% ;扩散系数约为普通液体
的 10～100 倍;密度比常压气体大 100～1 000 倍[ 1]。因而超
临界流体既有液体溶解能力大的特点, 又有气体易于扩散和
运动的特性, 传质速率大大高于液相过程。
超临界流体的溶解能力与密度有着密切的关系[1]。在一
定的温度下, 超临界流体的溶解度随压力的增加而增加;但
溶解度随温度变化存在一“反相区”, 当压力增加到一定程度
时, 就会脱离反相区,此时溶解度随温度升高而增加。特别是
在临界点附近, 温度或压力的微小变化都有可能导致溶质溶
解度发生几个数量级的突变。因此将超临界流体与待分离的
物质接触, 控制体系的压力和温度变化使其选择萃取其中的
某些组份, 然后通过调节温度和压力变化,降低超临界流体
的密度,实现与所提取物质的分离。
超临界萃取( super critical fluid extr action, SFE)与传统
的萃取技术相比,具有以下优势[2] : ( 1)超临界流体的密度接
近液体,溶解能力强, 萃取率高; ( 2)通过调节温度和压力,可
以实现被萃取物质与溶剂的彻底分离, 产品中无溶剂残留,
适用于食品和药物的提取; ( 3)溶剂的溶解能力可以通过调
节温度和压力控制, 工艺简单、省时省力; ( 4)可以在低温下
进行,尤其适用于热敏物质的提取; ( 5) CO2 无毒、价廉、临界
温度低,是应用最为广泛的溶剂。
2　萃取传质过程分析
Pawliazyn 基于吸附—解吸机制描述了痕量待萃组份在
超临界萃取时的传质过程: ( 1)待萃组份从与母体的结合位
置脱附; ( 2)待萃组份经母体扩散到母体—超临界流体界面;
( 3)待萃组份溶解到超临界流体中; ( 4)溶解了的待萃组份经
多孔母体扩散到流动着的超临界流体主体中完成萃取。哪一
步为控制步骤取决于母体、待萃组份、超临界流体本身的特
性以及母体、待萃组份、超临界流体间作用力的类型和大小。
生物碱在 SF-CO2中的溶解度对其萃取过程有关键的
影响。Anne等[ 3]研究了从苦柯叶中用 SF-CO2 萃取可卡因,
在 20 MPa、40 ℃, CO2-MeOH-H2O(90∶99∶1)的条件下以
不同的流速、粒度做苦柯叶的萃取动力学,结果显示可卡因
的萃取主要由溶解步骤控制, 而不是脱附控制。Young 等[4]
进行的 SF-CO2 萃取天仙子胺的研究也发现从母体中萃取
·1421·中草药　Chinese T radit ional and Herbal Drugs　第 35 卷第 12 期 2004年 12 月
X 收稿日期: 2004-03-05作者简介:肖观秀( 1981—) ,女,江西崇义县人,在读硕士,主要从事超临界流体方面的研究。
T el: ( 022) 27406119　E-mail: twins tar08@eyou . com
天仙子胺与从游离态的化合物中萃取, 萃取率相差无几, 吻
合的很好。但对有些生物碱而言, SF -CO2( SF -CO2/夹带剂)
能否有效克服 SF-CO2 从母体中萃取生物碱——母体间作
用力比生物碱在 SF-CO2中的溶解度还要重要。为了成功地
利用 SF-CO2 萃取出生物碱, 除了考虑生物碱在 SF-CO2 中
的溶解度以外, 还需认真研究母体的物理化学性质以及生物
碱、母体间的作用力。Janet 等[ 5]进行了从人头发中用 SF-
CO2 萃取可卡因的研究,通过与 SF-CO2萃取游离态可卡因
比较, 发现可卡因从母体中的脱附是整个萃取过程的控制步
骤。Mchugh 用 SF-CO2 脱除咖啡豆中的咖啡因, 萃取出来的
咖啡因的浓度比其溶解度小几个数量级,几乎不可检测, 也
是一个脱附控制的过程。
3　提高萃取率的方法
基于传质分析, 可知从母体中萃取待萃组份, 需了解待
萃组份在溶剂中的溶解度、待萃组份与母体间的作用力、待
萃组份从母体进入溶剂的扩散速率。T ehrani用萃取三角形
(图 1)展示了待萃组份、母体和溶剂之间的关系。这些关系
共同控制 SFE 过程,要综合考虑影响萃取效率的各种因素,
寻找最优的工艺条件。
图 1　SFE 三角关系图
Fig. 1　Tr iangle r elationship of SFE
　　待萃组份在超临界流体中的可溶性 ,并不能保证该物质
可从某一特定基体中被有效地萃取出来 ,样品母体复杂的物
理化学特性, 可能对待萃组份的提取起到意想不到的阻碍作
用。在植物体内, 几乎所有的生物碱都有极性, 且绝大多数以
盐的形式存在, 母体对生物碱的束缚作用常常是萃取过程中
的首要障碍。为克服母体对生物碱的束缚作用,增强生物碱
在 SF-CO2中的溶解能力, 提高生物碱的萃取率,可以采用
以下措施。
3. 1　适当提高萃取压力:压力的变化能显著提高 SF 溶解能
力。根据萃取压力的大小, 可将SFE 分为3 类[ 6] : 1)高压区的全
萃取。在超临界流体中,压力越高,流体的密度越大, 萃取能力
也越强, 但对杂质的萃取量也随之增大。2)低压临界区仅能提
取易溶解的成分,或除去有害成分。3)中压区的选择萃取。在高
低压之间, 可根据待萃组份与杂质的性质差异,选择适宜的压
力进行有效萃取。单纯提高压力并不能保证获得高萃取率, 因
为当压力增加到一定程度后, 超临界流体密度随压力变化缓
慢,相应的溶解能力增加也缓慢。如CO2在37 ℃下,压力由 10
MPa增加到15 MPa, 其密度仅增加 15%左右。采用 SF-CO2
萃取生物碱, 单纯提高压力难以大幅度的提高萃取率, 并且高
压设备在工业上实现起来也相对困难。
3. 2　选取适当的萃取温度:温度对萃取效果的影响较为复
杂,温度通过影响生物碱的饱和蒸汽压、SF-CO2 的密度以及
流体相中分子间相互作用来影响生物碱在 SF-CO2中的溶
解度。当温度升高时,生物碱的饱和蒸汽压增加, SF -CO2的
密度降低,流体间的相互作用增强。在不同的压力范围,这几
个因素所起的作用不同。在低压区, 温度对 SF-CO2 密度的
影响起主要作用, 生物碱溶解度随温度升高而下降, 此阶段
称为“温度的负效应阶段”;在高压区, 温度对饱和蒸汽压和
分子间相互作用的影响居主导地位,温度上升, 生物碱溶解
度增大,此阶段称为“温度正效应阶段”。对于不同组份,温度
效应的范围是不同的。同时,生物碱是热敏性物质,过高的萃
取温度会降低其生理活性。因此在萃取生物碱的过程中要综
合考虑各种因素,选取最佳的萃取温度。
3. 3　增大 SF-CO2流量:在 SFE 中, SF -CO2流量一定时,萃
取时间越长,收率越高。萃取开始时,由于 SF-CO2与生物碱
尚未达到良好的接触,收率较低。随着萃取时间的延长,传质
速率达到一定程度,萃取速率逐渐增大。萃取速率达到最大
值后, 生物碱组份减少, 传质推动力降低, 萃取速率随之降
低。SF-CO2的流量主要影响萃取时间。收率一定时, SF-CO2
流量越大, SF-CO2 与生物碱间的热阻力越小, 萃取速度越
大,所需要的萃取时间越短。但增大 SF-CO2流量也会使回
收负荷增大,因此还要考虑经济因素的影响。Anne[3]研究了
从苦柯中萃取可卡因, 当粒度分布在 150～170 Lm时, 不同
SF-CO2流量对收率的影响, 结果发现,当体积流量为 1 mL/
m in 时, 可卡因萃取速率相当低,萃取 90%的可卡因约需 40
m in;当体积流量增至 2 mL /min 时, 可卡因的萃取速率明显
上升,萃取 90%的可卡因只需 5 min。
3. 4　加入合适的夹带剂: SF-CO2 能与众多极性溶剂混溶,
常见的有甲醇、乙醇、丙酮、苯、氯仿等。在 SF-CO2中加入合
适的夹带剂, 使生物碱与夹带剂间形成特定的 Lewis 酸-碱
作用力(如氢键、络合作用) , 降低解吸时的活化势能垒, 从而
克服母体对生物碱的束缚,增强 SF-CO2 对生物碱的溶解度
和选择性。夹带剂的加入方式有 2 种,当母体束缚效应是主
要影响因素时,加入夹带剂的目的是破坏生物碱和母体之间
的相互作用, 常采用静态法加入[ 7] ;当生物碱在 SF-CO2 中
的溶解度为主要影响因素时,加入夹带剂的目的是增加生物
碱在 SF-CO2中的溶解度, 常采用动态法加入[ 8]。对于不同
的生物碱, 结合其在超临界萃取中的主要影响因素, 采用不
同的夹带剂加入方法(静态法、动态法、静态法和动态法联合
使用)进行萃取。
3. 5　加入碱性剂进行预处理:由于生物碱易与酸结合成盐类,
使之在SF-CO2流体中的溶解度降低,从而降低萃取效率,延长
萃取时间,提高萃取成本。加入碱化剂碱化, 使之转化为游离态
生物碱, 更易于萃取。常用的碱化剂有氨水、氢氧化钙、二乙胺。
其中氨水和二乙胺碱性较强、呈液态, 易与 SF-CO2 流体混合,
碱化效果好。Young 等用纯的 SF-CO2 几乎萃取不出东莨菪
碱;当加入10%甲醇作夹带剂时, 萃取率为 0. 15 mg/ mL;再加
入二乙胺作碱化剂,萃取率升至1. 5 mg/ mL。
·1422· 中草药　Chinese T radit ional and Herbal Drugs　第 35 卷第 12 期 2004年 12 月
3. 6　增加母体表面积或提高母体孔度:母体的物理形态也
对萃取效率有着重要影响。母体的颗粒小, 生物碱分布在母
体表面, 到达 SF-CO2流体相要穿过的内扩散路径变短, 萃
取过程迅速、完全。但也应该注意避免小于 50 Lm的粒度, 因
为这可能在萃取池中形成紧密层, 导致 SF-CO2 的直接穿
过, 而不能充分与母体接触,而且太小的颗粒在加压过程中
可能从萃取池中机械喷出。研磨时, 有些物质会因发热而挥
发, 通常加入干冰或液氯抑制挥发。母体孔度的提高, 促进了
母体膨胀, 使提取更有效、更快速。当 SF-CO2 具有足够的溶
解能力时, 可通过研碎样品增加母体表面积或提高母体孔度
来提高萃取速率。
4　研究成果和发展方向
超临界萃取技术在生物碱的提取分离方面具有低温、快
速、收率高、产品质量好、成本低等特点, 特别是对一些资源
少、疗效好、剂量小及附加值高的产品极为适用。SF-CO2已
经成功的萃取了许多生物碱,如表 1所示。但 SFE 比较适合
萃取脂溶性、相对分子质量小的物质, 对极性大、相对分子质
量较大的生物碱要加入夹带剂和碱化剂,而夹带剂和碱化剂
的使用尚缺乏足够的理论指导, 其作用机制、动力学模型有
待进行深入的探讨, 需建立较为普遍的模型, 为工艺条件的
优化和过程的放大研究提供理论依据。另外, 为了加快有效
成分的提取、分离、分析、纯化, SFE 可与其他先进的分析技
术如 GC、IR、MS、HPLC 等进行在线或离线联用, 提高药物
分析的高效性和实用性,为中草药的质量控制提供较好的方
法和质量保证,从而拓宽超临界萃取技术在中药领域中的应
用范围,促进中药的现代化。
表 1　超临界萃取生物碱研究成果
Table 1　Result of alka loid extr action by SFE
萃取的生物碱 萃取体系　　 温度/℃ 压力/ MPa 检测方法 文献
马兰中的靛玉兰 SF-CO2+ 氯仿 100 34. 5 微孔 HPLC 9　
延胡索乙素 SF-CO2+ 苯(含氢氧化钙) 50. 0 42. 0 HPLC 10　
洋金花中的东莨菪碱 SF-CO2+ 甲醇(含氨水) 40. 0 34. 9 HPLC 11　
光姑子中的秋水仙碱 SF-CO2+ 乙醇 45. 0 10. 0 HPLC 12　
马钱子中的士的宁 SF-CO2+ 丙酮(含氨水) 110 34. 5 HPLC 13　
小檗碱和掌叶防己碱 SF-CO2+ 甲醇(含 DSS) 60. 0 20. 0 IP-SFE和 IP-SF 联用 14　
白屈菜中的白屈菜碱 SF-CO2+ 丙二醇+ 水 38. 0 25. 0 SFE和薄层色谱 15　
古柯叶中的可卡因 SF-CO2+ 甲醇+ 水 40. 0 20. 0 GC-FID,GC-MS 5　
人体头发中的可卡因 SF-CO2+ TEA+ 水 110 40. 5 GC-MS
天仙子胺和东莨菪碱 SF-CO2+ 甲醇+ 二乙基氨 60. 0 34. 0 GC-FID
单猪屎豆碱 SF-CO2+ 乙醇 35. 0 10. 3 SFE和离子交换柱联用 16　
辣椒碱 SF-CO2+ 乙醇+ 水 50. 0 15. 0 SFC 17　
紫杉醇 SF-CO2+ 乙醇 34. 3 33. 1 HPLC 18　
Refer ences:
[ 1]　Zhu Z Q . Sup er crit ical F luid Ex traction T echnology—Pr inci-
ple and App lication (超临界流体萃取技术—原理与应用)
[ M] . Beijing : Chemical Indus t ry Press , 2000.
[ 2]　Xiao J P, Fan C Z. Progres s in res earch of supercrit ical fluid
tech nology [ J] . P rog Chem (化工进展) , 2001, 13 ( 2) : 94-
101.
[ 3]　Anne B, Philippe C. Experimental design in super crit ical flu-
id ext raction of cocain e from coca leaves [J ] . Biochem Bio-
phys Methods, 2000, 43: 353-366.
[ 4]　Young H C, Young W C. St rategies for supercrit ical fluid ex-
tr act ion of h yoscyamine an d scopolamine salt s u sing b as ified
modifies [ J ] . J Chr omatog r A, 1999, 863: 47-55.
[ 5]　Morrison J F. Mat rix and modifier effect s in the su percrit ical
fluid ext ract ion of cacaine and b enzoylecgonine from human
hair [ J ] . Anal Chem , 1998, 70: 163-172.
[ 6]　Wei Y, Liu X W, Zhang X D, et al . Supercri tical fluid ex-
tr act ion and its appl icat ion in medicine indu st ry [ J] . Chem
Ind Eng (化学工业与工程) , 2002, 19( 5) : 401-404.
[ 7]　Collin s M B. Supercrit ical CO2 ext ract ion of caffeine from
guarana [ J] . J Sup ercr it F luid s, 1996, 9( 3) : 185-191.
[ 8]　Raynor M M. Appl icat ion of a dyn amic ext ract ion model to
the SFE of th e limonoid cedrelone from Ced rela toona [ J ] . J
Chromatog r Sci , 1996, 34( 7) : 320-325.
[ 9]　Li L, Ch en Z Q, Li X L. App licat ion of supercrit ical fluid ex-
tr act ion in qual ity cont rol of Ch inese med icinal material s [ J] .
Acta Phar m Sin (药学学报) , 1995, 30( 2) : 133-137.
[ 10]　Yuan Y F, Li X L. Analysis of d l-tet rahyd ropalmat ine in
Coryd ali s yanhu suo W. T. Wang by supercrit ical fluid ext rac-
tion and HPLC [ J ] . Acta P harm Sin ( 药学学报) , 1996, 31
( 4) : 282-286.
[ 11]　Bian J, Cai D G. Ext ract ing scopolamine from datura metel
by CO2 supercrit ical fluid ext ract ion [ J] . Chin P harm J (中国药学杂志) , 1996, 31( 10) : 588-590.
[ 12]　Jiang J Z, Ye K L. Studies on supercr itical CO2 flu id ext rac-
tion of colch icines from Guangguzi ( Iph igenia indica) [ J] .
Chin T radi t H erb Dr ugs (中草药) , 1997, 28(3) : 147-149.
[ 13]　Bian J, Cai D G. Study on ext ract ion of st rychnine from
Strychnos piersiana A. W. Hil l by SFE-CO2 [ J] . Chin J
Ph arm (中国医药工业杂志) , 1997, 28: 5-8.
[ 14]　Suto K, Kakinma S. Determinat ion of berberine and Phel -
lodend ri cortex using ion-pair supercri tical fluid ch romatogra-
phy on -line coupled with ion -pair supercrit ical fluid ext ract ion
by on-column tapping [ J ]. J Chr omatogr A, 1997, 786: 371-
376.
[ 15]　Then M , Szen tm ihalyi K. Effect of sample handing on alka-
loid and mineral content of aqueous ex tract s of greater
celandine [ J ] . J Chr omatog r A, 2000, 889: 69-74.
[ 16]　Schaeffer S T . Sup ercritical fluid isolat ion of moncrotaline
from crotalaria spectabi lis using ion-exchange resins [ J ] . Ind
Eng Chem Res, 1989, 28: 1017-1020.
[ 17]　Duarte C. Phase equilib rium for capsaicin/ water/ ethanol / s u-
percrit ical carbon oxid e [ J] . J Sup er Flu ids, 2002, 22: 87-
92.
[ 18]　Vandana V, T eja A S, Zalk ow L H. Supercri tical ext ract ion
an d HPLC analysis of taxol from T axus brevif ol ia using ni-
tr ou s ox ide and nit rous oxide/ ethanol mixture [ J ] . Fluid
Ph ase Equi libria , 1996, 116: 162-169.
·1423·中草药　Chinese T radit ional and Herbal Drugs　第 35 卷第 12 期 2004年 12 月