大麻的CO2萃取:超臨界與亞臨界、壓力如何改變萃取物,以及為何不適合在家操作

CO2萃取是以二氧化碳當溶劑,從乾燥後的大麻或工業大麻中取出大麻素(例如 THC 和 CBD)與萜烯(帶來香氣的成分)。CO2 會被加壓到很高的壓力,直到它能像液體溶劑一樣溶解植物裡的成分。壓力一釋放,CO2 就變回氣體散去,萃取物則留在收集槽裡。

CO2萃取有兩種操作方式。超臨界萃取在約 31 °C、74 bar 以上進行,此時 CO2 會變成「超臨界流體」,下文會說明。亞臨界萃取則在這個條件以下進行,CO2 是受壓保存的低溫液體。操作人員會設定壓力、溫度和運轉時間,這些設定決定了哪些成分會被萃取出來。第一道產物是粗萃取物,業界稱為「crude」,和石油的原油無關。粗萃取物通常還要再經過純化,才會成為成品。

想先了解各種萃取方法的全貌,請參考〈大麻萃取全解析:溶劑法與無溶劑法比較〉。本文說明CO2萃取的原理、已發表的數據顯示了什麼,以及為何這不是能在家自行組裝的設備。

臨界點與具體數字

先認識幾個單位。bar 是壓力單位:1 bar 大約等於海平面的大氣壓力,所以 74 bar 約為大氣壓的 74 倍。克耳文(K) 是科學上使用的溫標,減去 273.15 就是攝氏溫度。MPa(百萬帕,megapascal)是另一種壓力單位,1 MPa 等於 10 bar。

每種物質都有一個臨界點,也就是一組特定的溫度與壓力。超過這個點後,液態和氣態不再分得開,物質會變成單一的「超臨界流體」。CO2 的參考數值已經相當確定:

  • NIST Chemistry WebBook(美國國家標準與技術研究院提供的線上數據資料庫)根據其中一組經過評估的數據,列出 304.18 K(約 31.03 °C)與 73.80 bar。
  • 一篇 2023 年探討大麻CO2萃取的回顧文獻,列出的數值約為 31.1 °C 與 7.4 MPa(74 bar)。

實務上,記住約 31 °C、74 bar 就夠了。

CO2 之所以被用來萃取,正是因為它的臨界溫度很低。水也能變成超臨界流體,但需要約 647 K(約 374 °C)和 22.1 MPa(221 bar)。這麼高的溫度會破壞植物中脆弱的成分。同一篇回顧文獻也列出 CO2 適合處理植物原料的其他原因:不可燃、無毒、便宜,而且壓力下降後會變成氣體離開產品。

譯者註:31 °C 在泰國只是平常的午後氣溫。CO2 鋼瓶如果放在悶熱的倉庫裡或直接曬太陽,溫度就已經超過 CO2 的臨界溫度,而且瓶內壓力會隨溫度升高。如果你或萃取服務商在現場存放 CO2 鋼瓶,請直立擺放、用鏈條固定、放在陰涼處,並遠離熱源。目的很簡單:鋼瓶保持涼爽,瓶內壓力就比較低,比較不會洩壓或損壞。

超臨界與亞臨界的比較

亞臨界 超臨界
條件 低於約 31 °C 及/或低於 74 bar 兩項都高於臨界值
CO2 的狀態 受壓保存的液體 超臨界流體
溶解能力 較低、較溫和 較高,而且可透過調整壓力來改變
常見用途 收集容易揮發的香氣成分;低溫萃取 萃取全譜成分,或鎖定特定成分群
取捨 溶劑能力較弱,每批萃取量較少 壓力高時,會有較多植物蠟質混入萃取物

賣家常說亞臨界萃取比較能保留萜烯。物理原理只支持其中一部分:CO2 溫度較低、溶解力較弱,所以過程比較溫和。但對某一批萃取物實際有多大差別,要看植物原料和確切的設定。遇到一概而論的說法要保持謹慎,最好直接要求看那批萃取物的檢驗報告。論壇指南〈如何解讀大麻檢測報告〉說明了報告上該看哪些項目。

為什麼調整CO2可以萃取出不同成分

在超臨界範圍內,CO2 同時具有兩個好用的特性:

  • 密度(流體分子擠得多緊密)會隨壓力升高,逐漸接近液體。
  • 黏度(流體有多稠、多容易流動)仍接近氣體,所以能輕鬆穿透植物原料。

流體能溶解多少東西,主要取決於密度。所以壓力越高,溶劑越強,能溶解的成分種類越多。壓力越低,溶劑越弱,萃取出的成分範圍也越窄。

一篇 2022 年發表在期刊 Pharmaceuticals 的工業大麻花序研究,用數字呈現了這一點。以下各項目標的最佳溫度都是 60 °C:

  • 單萜在相對較低的 131.2 bar 下萃取效果最好。單萜是較輕的香氣成分,包括月桂烯(myrcene)、檸檬烯(limonene)和 α-蒎烯(alpha-pinene)。
  • 在 319.7 bar 下,得到的萃取物含有較多倍半萜。倍半萜是較重的香氣成分,包括 β-石竹烯(beta-caryophyllene)。
  • CBD 的萃取量在 284.78 bar 時達到最高。
  • 各批次的產率(萃取物重量佔植物重量的比例)介於 0.75% 到 8.83%,依壓力和溫度而定。

所以「可調整」有實際意義:同一台機器,設定不同,萃取物的化學組成就不同。想進一步了解這些香氣成分,請參考〈大麻中的萜烯:是什麼、乾燥後還剩多少,以及哪些效果宣稱有證據支持〉。

有些製程還會在 CO2 中加入共溶劑,通常是乙醇(食用級酒精),以提高總產率。一篇 2023 年探討大麻CO2萃取的回顧文獻指出,加入共溶劑會讓萃取的選擇性變差,萃取物裡的蠟質和葉綠素(綠色色素)會變多,之後必須再用另一道步驟去除。

你可以這樣做:如果你把原料送去萃取服務商,請問他們打算用什麼壓力、溫度和共溶劑,以及主要想萃取什麼(香氣、CBD,還是全部成分)。他們的回答能讓你判斷,萃取物是否符合你想銷售或使用的用途。

冬化提純:讓乙醇重新進入流程的純化步驟

壓力較高的 CO2 萃取,除了大麻素之外,也會溶出植物的蠟質和脂肪。冬化提純(winterization)分四個步驟去除它們:

  1. 將粗萃取物溶解在乙醇中。
  2. 把混合液冷卻,讓蠟質和脂肪凝固並沉澱。
  3. 趁低溫時過濾。
  4. 將乙醇蒸發去除。

這一點在看標示時很重要。「CO2萃取物」常常指的是 CO2 粗萃取物再加上一道乙醇純化,而不是只用了 CO2。關於如何安全處理乙醇,請參考〈大麻的乙醇萃取:低溫或室溫乙醇、殘留溶劑與防火安全〉。

你可以這樣做:購買或委託製作CO2萃取物時,請問對方是否用乙醇做過冬化提純。如果有,請要求檢驗報告上附殘留溶劑的檢測結果,這樣你才知道產品裡還剩多少乙醇。

優點與缺點

優點:

  • 萃取槽內沒有易燃溶劑。壓力下降後,CO2 會以氣體形式離開產品。
  • 操作人員可以調整壓力和溫度,來控制萃取出哪些成分,上述工業大麻研究就是一個例子。
  • 和許多靠加熱的製程相比,操作溫度較低。

缺點:

  • 高壓設備的購買、送檢認證和維護費用都很高。
  • 產率隨設定變化很大,成果高度取決於操作人員的技術。
  • 粗萃取物通常還要用乙醇做冬化提純,等於在後段又把易燃溶劑帶回流程中。

譯者註:在泰國,有兩個在地條件會增加風險。停電可能讓幫浦和冷水機在高壓運轉途中停擺。室內悶熱會讓降溫更困難,而高溫又會使氣體壓力上升。如果你委託萃取服務商,請問他們的系統停電時如何安全停機,以及廠房怎麼降溫。從他們的回答,很快就能看出他們對壓力安全有多認真。

「家用CO2萃取機」

這是相關主題中最常被搜尋的關鍵字之一,所以這裡直接回答。超臨界CO2萃取機不是家電,機器做得再小也一樣。光是要進入超臨界範圍,系統就必須讓 CO2 維持在約 74 bar 以上。在已發表的大麻研究中,實際操作壓力還高得多:上述工業大麻研究約在 131 到 320 bar 之間。

英國健康與安全執行局(HSE,負責職場安全的英國政府機關)出版了一份壓力系統指南,列出這類設備故障時會發生的情況:

  • 壓縮氣體釋放時造成爆炸;
  • 零件損壞、碎片飛濺造成傷害;
  • 接觸到釋放出來的內容物。

同一份指南說明,大多數壓力系統都需要一份書面檢查計畫:由合格人員擬定或認證的文件,列明哪些部件需要檢查、多久檢查一次。只有非常小型的系統可以豁免。商用CO2萃取機都是在這類框架下製造、檢查和操作,這也是它們價格高昂的一大原因。

譯者註:HSE 指南適用於英國。泰國對壓力容器和氣體鋼瓶有自己的規定。安裝或操作任何壓力設備之前,請先詢問泰國相關主管機關或持有執照的工程師,了解需要哪些檢查和登記。

對家庭使用者來說,這筆帳也很少算得過來。機器本身,加上認證、維護、穩定的 CO2 供應,以及上述的純化步驟,都是為處理大量原料的生產者設計的。

泰國法律也設了限制。製造 THC 重量比超過 0.2% 的萃取物,受《佛曆2569年大麻或工業大麻萃取物部級條例》規範,該條例自2026年4月26日起生效。依此條例核發的執照只發給:

  • 泰國法人(已登記的公司及類似法律實體),且依《佛曆2542年外籍人經商法》(1999年)不屬於「外籍」者;
  • 政府機關;
  • 泰國紅十字會。

論壇指南〈泰國佛曆2569年(2026年)兩項部級條例〉有更詳細的說明。本文不推薦、也不比較任何機器或製造商。

譯者註:對泰國和東南亞大多數種植者來說,實際可行的做法不是買機器。如果你想把收成做成萃取物,請和持有正確泰國執照的萃取廠合作。交出任何原料之前,先要求查看對方的執照。這樣你的收成和你自己的執照都能維持合法。

常見錯誤

  • 以為「超臨界」代表產品比較強。這個詞描述的是萃取時溶劑的狀態,不是成品油的效力。效力要看檢驗報告。
  • 以為CO2萃取物從不接觸其他溶劑。很多萃取物都經過乙醇冬化提純。請主動詢問,並查看殘留溶劑的檢測結果。
  • 以為低溫就代表低風險。CO2萃取的危險來自儲存的壓力,而不是高溫。

依照本文內容採取任何行動之前,請先確認泰國現行法規,以及當地對壓力設備的要求。

參考資料

  • NIST Chemistry WebBook(美國國家標準與技術研究院),二氧化碳相變資料:臨界溫度 304.18 K,臨界壓力 73.80 bar。https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C124389&Mask=4

  • de Aguiar A.C., Vardanega R., Viganó J., Silva E.K. (2023). Supercritical Carbon Dioxide Technology for Recovering Valuable Phytochemicals from Cannabis sativa L. and Valorization of Its Biomass for Food Applications. Molecules 28(9): 3849. https://doi.org/10.3390/molecules28093849

  • Jokić S., Jerković I., Pavić V., Aladić K., Molnar M., Jakovljević Kovač M., Vladimir-Knežević S. (2022). Terpenes and Cannabinoids in Supercritical CO2 Extracts of Industrial Hemp Inflorescences: Optimization of Extraction, Antiradical and Antibacterial Activity. Pharmaceuticals 15(9): 1117. https://doi.org/10.3390/ph15091117

  • 英國健康與安全執行局(UK Health and Safety Executive),Pressure systems: A brief guide to safety (INDG261). https://www.hse.gov.uk/pubns/indg261.htm

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