超臨界萃取裝置及其在農(nóng)業(yè)上的應用

超臨界萃取（SFE）是近年來發(fā)展很快、應用很廣的一種新的樣品前處理技術，它克服了傳統(tǒng)的索氏提取（液體溶劑提?。┵M時費力、回收率低、重現(xiàn)性差、污染嚴重等弊端，使樣品的提取過程更加快速簡便，特別是基本消除了有機溶劑對人體和環(huán)境的危害。本文闡述了分析型超臨界萃取的現(xiàn)代技術、原理、性能及其在農(nóng)業(yè)上的應用。

一、 超臨界萃取的基本原理

超臨界萃取裝置所用的萃取劑為超臨界流體，超臨界流體是介于氣液之間的一種既非氣態(tài)又非液態(tài)的物態(tài)，這種物質(zhì)只能在其溫度和壓力超過臨界點時才能存在。超臨界流體的密度較大，與液體相仿，而它的粘度又較接近于氣體。因此超臨界流體是一種十分理想的萃取劑。

超臨界流體的溶劑強度取決于萃取的溫度和壓力。利用這種特性，只需改變萃取劑流體的壓力和溫度，就可以把樣品中的不同組分按在流體中溶解度的大小，先后萃取出來，在低壓下弱極性的物質(zhì)先萃取，隨著壓力的增加，極性較大和大分子量的物質(zhì)與基本性質(zhì)，所以在程序升壓下進行超臨界萃取不同萃取組分，同時還可以起到分離的作用。 　　溫度的變化體現(xiàn)在影響萃取劑的密度與溶質(zhì)的蒸汽壓兩個因素，在低溫區(qū)（仍在臨界溫度以上），溫度升高降低流體密度，而溶質(zhì)蒸汽壓增加不多，因此，萃取劑的溶解能力時的升溫可以使溶質(zhì)從流體萃取劑中析出，溫度進一步升高到高溫區(qū)時，雖然萃取劑的密度進一步降低，但溶質(zhì)蒸汽壓增加，揮發(fā)度提高，萃取率不但不會減少反而有增大的趨勢。

除壓力與溫度外，在超臨界流體中加入少量其他溶劑也可改變它對溶質(zhì)的溶解能力。其作用機理至今尚未完全清楚。通常加入量不超過10％，且以極性溶劑甲醇、異丙醇等居多。加入少量的極性溶劑，可以使超臨界萃取技術的適用范圍進一步擴大到極性較大化合物。

二、 超臨界萃取的實驗裝置與萃取方式

2．1 超臨界萃取的實驗裝置

超臨界流體萃取的流程如附圖所示，它包括：

（1）超臨界流體發(fā)生源，由萃取劑儲瓶、高壓泵及其他附屬裝置組成，其功能是將萃取劑由常溫壓態(tài)轉(zhuǎn)化為超臨界流體；

（2）超臨界流體萃取部分，由樣品萃取管及附屬裝置組成，處于超臨界態(tài)的萃取劑在這里將被萃取的溶質(zhì)從樣品基質(zhì)中溶解出來，隨著流體的流動，使含被萃取溶質(zhì)的流體與樣品基體分開。

（3）溶質(zhì)減壓吸附分離部分，由噴口及吸收管組成，萃取出來的溶質(zhì)及流體，需要由超臨界態(tài)經(jīng)噴口減壓降溫轉(zhuǎn)化學常溫常壓態(tài)，此時流體揮發(fā)逸出，而溶質(zhì)在吸收管內(nèi)多孔填料表面，用合適溶劑洗吸收管，就可把溶質(zhì)洗脫收集備用。 高壓泵-- 萃取管-- 吸收管-- 收集器--超臨界流體鋼瓶--溶劑洗脫泵

2．2 超臨界萃取的方式

超臨界流體萃取的方式可分為動態(tài)和靜態(tài)兩種，動態(tài)法簡單、方便、快速，特別適合于萃取在超臨界流體萃取劑中溶解度很大的物質(zhì)，而且樣品基體又很容易被超臨界流體滲透的場合。靜態(tài)法適合于萃取與樣品基體較難分離或在萃取劑流體內(nèi)溶解度下大的物質(zhì)，也適合于樣品基體較為致密、超臨界流體不易滲透的場合，但萃取速度較慢。

三、 超臨界流體及萃取條件的選擇

3．1 超臨界流體的選擇

CO2是目前用得多的超臨界流體，用于萃取低極性和非極性的化合物，從溶劑強度考慮，超臨界氨氣是適合的選擇，但氨很易與其他物質(zhì)反應，對設備腐蝕嚴重，而且日常使用太危險。超臨界甲醇也是很好的溶劑，但由于它的臨界溫度很高，在室溫條件下是液體，提取后還需要復雜的濃縮步驟而無法采用，低烴類物質(zhì)因可燃易爆，也不如CO2那樣使用廣泛。

3．2 萃取條件的選擇

萃取條件的選擇有幾種情況：一是用同一種流體選擇不同的壓力來改變提取條件，從而提取出不同類型的化合物；二是根據(jù)提取物在不同條件下，在超臨界流體中的溶解性來選擇合適的提取條件；三是將分析物沉積在吸附劑上，用超臨界流體洗脫，以達到分類選擇提取的目的；四是對極性較大的組分，可直接將甲醇加入樣品中，用超臨界CO2提取，或者用另一個泵按一定比例泵入甲醇與超臨界CO2，來達到增加萃取劑強度的目的。

影響萃取效率的因素除了萃取劑流體的壓力、組成、萃取溫度外，萃取過程的時間及吸收管的溫度出會影響到萃取及收集的效率，萃取時間取決于兩個因素：一是被萃取物在流體中的溶解度，溶解度越大，萃取效率越高，速度也越快；二是被萃取物質(zhì)在基體中的傳質(zhì)速率越大，萃取越完全，效率也越高。收集器或吸收管的溫度也會影響到回收率，降低溫度有利于提高回收率。

超臨界流體減壓后，用于收集提取物的方法主要有兩類--離線SFE及在線SFE或聯(lián)機SFE，離線SFE本身操作簡單，只需要了解提取步驟，樣品提取物可用其他合適的方法分析。在線SFE不僅需要了解SFE，還要了解色譜條件，而且樣品提取物不適用于其他方法分析，其優(yōu)點主要是消除了提取和色譜分析之間的樣品處理過程，并且由于是直接將提取物轉(zhuǎn)移到色譜柱中而有可能達到更大的靈敏度。

四、 超臨界萃取技術在農(nóng)業(yè)的應用

超臨界萃取裝置以其效率高、快速、后處理簡單的特點，近年來已經(jīng)獲得了廣泛的應用，它既有從原料中提取和純化少量有效成分的功能，又能從粗制品中除去少量雜質(zhì)，達到深度純化的效果。由于農(nóng)業(yè)樣品涉及范圍廣，組成復雜，而且有些組分含量很低，從10－4到10－9級，甚至10－12級，特別是農(nóng)產(chǎn)品中微量農(nóng)藥殘留物和土壤中有害化學污染物的提取，常常需要采用多種有機溶劑和多個萃取步驟，才能獲得大體積的含有目標分析物的稀澤液，蒸發(fā)濃縮后方可進行定性定量分析，這一過程不僅費時，還消耗了大量的有機溶劑，有時還常常要使用含有鹵素的有機溶劑，即對人體健康產(chǎn)生一定的影響，還會造成環(huán)境污染。更重要的是由于提取步驟繁多，使樣品的回收率降低，重現(xiàn)性較差，影響了測定結果的準確性。自從超臨界萃取儀商品化以來，超臨界萃取技術在美國和其他一些西方國家獲得了快速的推廣，越來越多成熟的超臨界萃取樣品前處理方法被國家標準局采用作為標準方法。附表列出了超臨界流體在農(nóng)業(yè)上具有代表性的應用實例。這些實驗大多數(shù)在1小時內(nèi)完成，溶劑的用量僅幾毫升；而要達到同樣的提取效果，溶劑萃取至少需要8小時至幾天的時間、溶劑用量達幾百毫升。

在我國超臨界萃取技術才剛剛進入實用階段，商檢部門和公安部門已成功將超臨界萃取技術運用于糧食中農(nóng)藥殘留的提取和毒品中有效成分的提取，我們也對辣椒粉和銀杏葉的提取進行了嘗試，取得了較好的效果。雖然目前超臨界萃取儀價格比較昂貴，但從長遠考慮還是值得的。

五、 結束語

超臨界流體由于密度大、粘度低、擴散率高等固有的特點，使超臨界流體萃取作為樣品制備與前處理的技術具有其他經(jīng)典方法無法比擬的優(yōu)點，它可以縮短處理時間1－2個數(shù)量級，避免使用大量有毒溶劑，降低了產(chǎn)生污染的可能性。超臨界萃取與其他方法聯(lián)用，避免了樣品轉(zhuǎn)移的損失，對減少人為誤差，提高方法的靈敏度和準確性具有重要意義。

目前，超臨界流體萃取技術應用對象多數(shù)是非極性或低極性物質(zhì)，對極性較大的物質(zhì)仍有許多困難，雖然可在萃取劑中加入改性劑來提高萃取劑的強度，但應用范圍仍然有限。如何將其從弱極性物質(zhì)擴大到極性甚至離子性物質(zhì)將是超臨界萃取技術今后發(fā)展的方向之一。