Ekstrakcja ditlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym - lider wśród metod separacji związków bioaktywnych z materiałów roślinnych

• Strona główna
• Artykuły
• Ekstrakcja ditlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym - lider wśród metod separacji związków bioaktywnych z materiałów roślinnych

2026-08-13  / Autor: Olga Wrona, Dorota Kostrzewa, Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Nowych Syntez Chemicznych

W roślinach poszukuje się wsparcia prawidłowego funkcjonowania układu odpornościowego, krwionośnego, nerwowego czy hormonalnego, szczególnie w czasach, gdy stres stał się jedną z głównych chorób cywilizacyjnych XXI wieku. Za lecznicze właściwości roślin odpowiadają zawarte w nich różne grupy związków biologicznie aktywnych, określanych mianem fitoskładników, wśród których szczególne znaczenie przypisuje się polifenolom, kwasom tłuszczowym (kwasy Omega-3), flawonoidom oraz terpenoidom [1]. Skuteczność oddziaływania fitoskładników na organizm ludzki zależy w dużej mierze od techniki ich pozyskiwania z matrycy roślinnej, która determinuje zarówno stężenie, jak i czystość uzyskanego ekstraktu oraz zachowanie aktywności biologicznej związków [2].

Celem procesu jest uzyskanie takiego stężenia substancji aktywnych, które umożliwi wywołanie efektu zdrowotnego. Wykazano np., że korzyści dla układu sercowo-naczyniowego obserwuje się przy dziennym spożyciu ok. 1235 mg polifenoli ogółem, redukcja stanów zapalnych w chorobach stawów następuje przy spożyciu 2 - 4 g kwasów Omega – 3 dziennie. Przykładowo, spożycie 100 g świeżych malin dostarcza organizmowi około 300 mg polifenoli, podczas gdy 100 g czarnej porzeczki 560 mg [3]. Ponadto, 100 g orzechów włoskich dostarcza około 9 g kwasu a-linolenowego (ALA, omega-3) [4].

Wybierając rozpuszczalnik do separacji związków biologicznie aktywnych z roślin, należy uwzględnić wymogi prawne oraz przepisy ochrony środowiska. W 2025 roku w Polsce (zgodnie z najnowszym Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z sierpnia 2024 r. - Dz.U. 2024 poz. 1346) stosuje się podział rozpuszczalników na trzy grupy w zależności od stopnia bezpieczeństwa i dopuszczalnych pozostałości. Do pierwszej, najbardziej bezpiecznej grupy należą rozpuszczalniki, które mogą być stosowane zgodnie z dobrą praktyką produkcyjną GMP do wszystkich celów spożywczych, ponieważ ich śladowe ilości w produkcie końcowym nie stanowią zagrożenia. Do grupy tej zalicza się m.in. propan, butan, octan etylu, etanol, ditlenek węgla, aceton i podtlenek azotu. Drugą grupę stanowią rozpuszczalniki warunkowe z maksymalnymi limitami pozostałości, tj. heksan, metanol. Trzecią grupę tworzą rozpuszczalniki specjalistyczne, przeznaczone do określonych zastosowań, w tym m.in. dichlorometan, eter dietylowy.

Zgodnie z zasadami zielonej chemii promuje się używanie rozpuszczalników grupy I, co znalazło bezpośrednie odzwierciedlenie w trendach badawczych ostatnich lat. W efekcie obserwuje się rosnące zainteresowanie ekstrakcją ditlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym (scCO₂). Jest to selektywna i ekologiczna metoda, która eliminuje wady tradycyjnych procesów chemicznych przy jednoczesnym zachowaniu najwyższej czystości produktu. Technika ta stosowana jest zarówno do otrzymywania wybranych grup związków biologicznie aktywnych z roślin, jak i do oczyszczania surowców roślinnych, w tym usuwania niepożądanych składników oraz zanieczyszczeń. Wybór surowca do ekstrakcji determinowany jest obecnością pożądanych grup związków bioaktywnych oraz planowanym zastosowaniem produktu. Jednocześnie pogłębiany jest stan wiedzy dotyczący mechanizmu procesu oraz zależności fizyko-chemicznych decydujących o efektywności i selektywności procesu [5-6].

Ditlenek węgla jest stosunkowo niedrogim i łatwo dostępnym rozpuszczalnikiem. Jest on gazem chemicznie obojętnym, nietoksycznym, niepalnym, a także bez zapachu i smaku, dzięki czemu nie wpływa na właściwości sensoryczne końcowego ekstraktu. Po zakończeniu procesu ekstrakcji przechodzi on w stan gazowy i samoistnie opuszcza środowisko procesu, nie zanieczyszczając produktu końcowego. Ditlenek węgla osiąga swoje parametry krytyczne przy niskich wartościach temperatury 31,1°C oraz ciśnienia 73,8 bar. Jego niska temperatura krytyczna umożliwia ekstrakcję termolabilnych związków bez ich wcześniejszego rozkładu termicznego.

W obszarze nadkrytycznym rozpuszczalnik posiada właściwości pośrednie odpowiadające obu stanom: gazowemu i ciekłemu. Gęstość płynu w stanie nadkrytycznym jest zbliżona do gęstości cieczy, dzięki czemu ma on wysoką siłę rozpuszczania i wymywania związków z matrycy roślinnej. Natomiast jego lepkość i współczynnik dyfuzji są bliższe wartościom parametrów charakterystycznych dla gazów. Dzięki temu napięcie powierzchniowe jest bardzo małe, co z kolei umożliwia szybkie przenikanie płynu przez złoże i finalnie skutkuje większą wydajnością procesu osiągniętą w krótszym czasie ekstrakcji [5].

Jednym z wyzwań w ekstrakcji związków bioaktywnych z wybranej matrycy roślinnej jest przeprowadzenie procesu z jak największą efektywnością. W tym celu niezbędne jest poznanie przebiegu ekstrakcji oraz właściwy dobór warunków procesu. Badania prowadzone w tym zakresie ukierunkowane są na wyznaczenie optymalnego obszaru parametrów, w którym separacja pożądanych substancji bioaktywnych zachodzi z największą wydajnością [6].

Na efektywność ekstrakcji oraz maksymalny odzysk pożądanych składników z materiału roślinnego wpływa wiele zmiennych, zaczynając od samej rośliny - jej rodzaju, stopnia rozdrobienia oraz świeżości, po podstawowe parametry procesu, jak temperatura, ciśnienie, czas ekstrakcji, szybkość przepływu rozpuszczalnika oraz jego skład. Wpływają one bezpośrednio na właściwości rozpuszczalnika, a tym samym na rozpuszczalność ekstrahowanej substancji [5].

Dzięki odpowiedniemu doborowi parametrów możliwe jest selektywne pozyskiwanie określonych grup związków z surowca, przy jednoczesnym ograniczeniu ekstrakcji niepożądanych składników. Dotychczas wykazano, że ditlenek węgla w stanie nadkrytycznym umożliwia skuteczną ekstrakcję wielu grup związków, w tym lipidów,  kwasów tłuszczowych, tokoferoli, olejków eterycznych, karotenoidów, witamin, alkaloidów a także polifenoli oraz flawonoidów, szczególnie przy zastosowaniu odpowiednich współrozpuszczalników [6-7].

Dokładne zbadanie procesu technologicznego w warunkach laboratoryjnych nie zawsze jest łatwe i możliwe. Wiele instytucji prowadzi eksperymenty w bardzo małej skali, wykorzystując zaledwie kilka gramów surowca do wykonania ekstrakcji.

Takie podejście ma jednak pewne ograniczenia. W skali laboratoryjnej możliwe jest określenie podstawowych parametrów procesu, takich jak ciśnienie, temperatura czy czas ekstrakcji, a także ocena wydajności odzysku cennych substancji. Zwiększenie masy surowca i przejście do skali pilotowej pozwalają zweryfikować wyniki w warunkach bardziej zbliżonych do rzeczywistych oraz ocenić wpływ większej skali na przebieg procesu [8].

Przejście do skali pilotowej umożliwia obserwację zjawisk związanych z transportem masy i ciepła, spadkami ciśnienia oraz dynamiką przepływu rozpuszczalnika przez złoże. Na tym etapie mogą ujawniać się zjawiska niewidoczne w skali laboratoryjnej, takie jak nierównomierny przepływ rozpuszczalnika przez złoże, powstanie obszarów słabiej ekstrahowanych, agregacja cząstek czy problemy z separacją produktu. Dzięki prowadzeniu badań w różnych skalach możliwe jest ograniczenie ryzyka technologicznego, optymalizacja parametrów operacyjnych oraz uzyskanie wiarygodnych danych niezbędnych do projektowania, wdrażania i skutecznego transferu technologii z laboratorium do zastosowań przemysłowych [9].

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Nowych Syntez Chemicznych (Łukasiewicz – INS) w Puławach posiada specjalistyczną infrastrukturę obejmującą wszystkie etapy technologii ekstrakcji surowców roślinnych ditlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym – od instalacji laboratoryjnych, przez instalacje pilotowe, aż do demonstracyjnych i przemysłowych, gdzie prowadzone są kompleksowe badania i optymalizacja procesu.

To w Łukasiewicz – INS znajdują się największe i najbardziej zaawansowane instalacje przemysłowe do ekstrakcji ditlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym w kraju (z ekstraktorami o pojemności roboczej ok. 3 m³), Instalacje te pełnią funkcję badawczo-wdrożeniową oraz usługową dla przemysłu.  Ponadto, w Instytucie prowadzi się kontrole analityczne procesu ekstrakcji. Wykonywane są  badania zawartości związków biologicznie aktywnych w surowcach poddawanych ekstrakcji i ekstraktach oraz analizy właściwości otrzymanych ekstraktów.

Do tego celu stosuje się zarówno metody klasyczne, jak i zaawansowane techniki analityczne, w tym sprzężone metody chromatograficzne i spektroskopowe. Wieloletnie doświadczenie zespołów odpowiedzialnych za badania i optymalizację procesu ekstrakcji nadkrytycznym ditlenkiem węgla (Grupa Badawcza Ekstrakcja Nadkrytyczna) oraz analizę składu ekstraktów (Laboratorium Analityczne - Sekcja Surowców i Produktów Roślinnych) zapewnia wysoką efektywność procesu separacji cennych składników biologicznie aktywnych z materiału roślinnego.

Literatura

1. Wisnuwardani, R.W. (2025). Polyphenols and Cardiovascular Disease: Implications for Public Health Nutrition. In: Preedy, V.R., Patel, V.B. (eds) Handbook of Public Health Nutrition. Springer.
2. Sun S, Yu Y, Jo Y, Han JH, Xue Y, Cho M, Bae S-J, Ryu D, Park W, Ha K-T and Zhuang S (2025) Impact of extraction techniques on phytochemical composition and bioactivity of natural product mixtures. Front. Pharmacol. 16:1615338.
3. http://phenol-explorer.eu/- dostępne dnia 6.08.2026.
4. United States Department of Agriculture (USDA). FoodData Central – Walnuts, English. https://fdc.nal.usda.gov/.
5. Yıldırım M., Erşatır M., Poyraz S., Amangeldinova M., Kudrina N.O., Terletskaya N.V. (2024). Green Extraction of Plant Materials Using Supercritical CO₂: Insights into Methods, Analysis, and Bioactivity. Plants, 13(16), 2295.
6. Herzyk F., Piłakowska-Pietras D., Korzeniowska M. (2024). Supercritical Extraction Techniques for Obtaining Biologically Active Substances from a Variety of Plant Byproducts. Foods, 13(11), 1713.
7. Kang, X., Mao, L., Shi, J., Liu, Y., Zhai, B., Xu, J., Jiang, Y., Lichtfouse, E., Jin, H., Guo, L. (2024). Supercritical carbon dioxide systems for sustainable and efficient dissolution of solutes: a review. Environmental Chemistry Letters, 22, 815–839.
8. Rathod, S., Rai, A., Yadav, B., Vishwakarma, G. (2026). Pilot Plant: Bridging the Gap from Lab to Industrial Scale. International Journal of Scientific Research and Technology, 3(4), 333–349.
9. PardoCastaño, C., QuinteroVelez, A., VallejoRevelo, W.F. (2026). Supercritical CO₂ Extraction of Bioactive Compounds from Vitis labrusca Grape Marc: Effects of Operating Conditions and Pilot-Scale Validation. Molecules, 31, 2272.

Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Nowych Syntez Chemicznychbadania i rozwójdwutlenek węglatechnologia