(上)生物碱的分离与纯化

2007-11-27

    生物碱是很多药用植物的有效成分,有镇痛、解痉、抗菌、抗癌、抗心律失常等作尽,至今从自然界中分离出约数千种生物碱,近百种用于临床。

    1  新提取技术的研究进展

    目前使用的传统方法按照固液接触状态可分为静态方式(如煎煮、浸渍)和动态方式(如回流、渗漉)。祖传统提取过程中存在的能耗大、有效成分损耗大、杂质较多、效率较低等问题,一些新技术应用于生物碱提取工艺中,在传统方法的基础上利用新技术的强北作用或流体在超临界状态下进行萃取大大提高了提取效率,降低了过程能耗,因其显著优势而成为研究热点。这些新技术的概况见表1。

    表1  生物碱提取新技术

超临界萃取

超声辅助提取

微波萃取

过程或原理

 

 

超临界萃取技术是以超临界流体为萃取剂,从药材中萃取有效成分。因为流体在超临界状态下兼有气液两相的双重特点,既具有与气体相当的高扩散系数和低的黏度,又具有与液体相近的密度和对物质良好的溶解能力。流体的这种溶解能力对体系压力与温度的变化十分敏感,从而可以通过改变体系的压力和温度来调节组分的溶解度。CO2是中草药有效成分提取分离中最常用的一种超临界流体

超声波热学机理、超声波机械机制和空化作用是使用超声技术协助提取的3个理论依据。在超声场中,物料吸收声能温度升高,有效成分的溶解加速。超声空化产生的瞬间高压造成生物细胞壁及整个生物体破裂,同时超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散及溶解。被浸提的物质在被破碎瞬间,生物活性保持不变,同时提高破碎速度和提取率

在微波辅助提取过程中,一方面微波辐射过程使高频电磁波穿透溶剂到达物料内部。由于吸收微波能细胞内部温度迅速上升;使其细胞内部压力超过细胞壁的膨胀承受能力,导致细胞破裂,胞内有效成分自由流出,在较低的温度条件下被溶剂捕获并溶解。另一方面,微波所产生的电磁场加速了被提组分趋向溶剂界面的扩散速率,缩短了有效成分的分子由物料内部扩散到溶剂界面的时间,从而使浸提速率提高数倍,同时还降低了浸提温度,最大限度地保证浸提的质量

优点

 

 

用无毒、不残留的CO2代替有机溶剂作提取介质并在接近室温的条件下萃取,其物理化学基础源于超临界CO2的溶剂性质,在很宽的范围内可以调控,只要简单地改变温度或压力就可以使溶质在CO2中的溶解度发生很大改变,从而为高选择性提取和分离及高质量产品的获取提供了可能;其最大的优点在于可将萃取、分离精制和去除溶剂等多个单元过程合为一体,大大简化了工艺流程,提高了生产效率,是一种对环境友好的绿色化工技术,具有无毒、无害、无污染的优越性能

利用超声技术可以缩短提取时间、提高提取率,并且无需加热,提高了热敏性生物碱的提取率且对其生理活性基本没有影响,溶剂使用量相对较少,可以降低成本

微波萃取比浸渍、超声辅助提取等更为有效。相对于传统方法,微波萃取质量稳定、产量大,选择性高、节省时间且溶剂用量少、能耗较低

缺点

 

 

回收率受样品中基体的影响,萃取釜无法连续操作,萃取选择性不是很高,设备价格昂贵,一次性投资大且维修费用高等。此外,有关此技术的基础性理论研究还很薄弱,如生物碱在超临界流体(SCF)中的溶解度、相平衡、分子运动的动力学模型及作用机制等都有待进一步的研究

 

但微波萃取受萃取溶剂、萃取时间、萃取温度和压力的影响,选择不同的参数条件,往往得到不同的提取效果

    这些新技术的研究进展将在下面介绍。

    1.1  超临界萃取法

    超临界CO2萃取目前用于中草药提取方面的主要有:提取分离、提取分离浓缩、脱除有机溶剂、去除重金属和去毒灭菌等。提取的主要形式有:纯CO2提取(包括液体和超临界CO2提取)、SC-CO2并用提携剂的提取以及反向提取等。这些方法进一步与精馏、吸附等其它的物理分离手段结合,合为一体可以得到高选择性高纯度的产物。

    世界各国纷纷推出了各具特色的超临界流体萃取装置,其中德、美、日等国最为发达,尤其是在日本,有关中草药的超临界萃取开展的较早。在我国,开展中草药超临界萃取研究最早是在上世纪80年代后期,较为成功的例子是青蒿素和丹参酮的提取。

    海南大学热带生物资源教育部重点实验室的周雪晴、冯玉红等,将超临界CO2萃取技术与柱色谱分离技术结合,用于从海南催吐萝芙木中提取分离利血平生物碱,通过设计正交实验研究最佳萃取条件,柱色谱进一步分离纯制利血平。正交实验结果表明,超临界CO2萃取催吐萝芙木生物碱的最佳工艺条件为:萃取压力为35MPa,萃取温度为60℃,夹带剂为每100g样品用25mL乙醇,萃取时间2h。

    超临界CO2萃取虽然能在一定程度上将萃取所得产物中的有效成分分离出来,但所含杂质仍然较多。本研究通过进一步的柱色谱分离,可将不同成分依次分离出来,并可制备出质量分数为99.8%的利血平结晶,测试结果与对照品一致。

    利血平为单萜吲哚类生物碱,具有生物活性,见光或受热易分解,超临界CO2萃取可实现低温操作,且整个提取分离过程在暗场中进行,从而能够使其活性不被破坏,比传统的提取工艺更优越。结晶纯化过程中使用丙酮、甲醇为溶剂,取得了满意的结果。

    南京林业大学化学工程学院的蔡智慧等采用超临界CO2萃取方法对披针叶黄华中的总生物碱进行了萃取,通过改变萃取温度、萃取时间、萃取压力,确定了较适宜工艺条件:萃取温度45℃、萃取压力20MPa、萃取时间80min。在此工艺条件下总生物碱的得率为3.12%,远远高于索氏抽提和普通逆流浸提的得率(分别为:1.12%和0.86%),本实验为实现披针叶黄华总生物碱的SCDE分离的产业化提供了实验依据,有一定的理论知道意义和应用价值。

    1.2  超声波辅助提取法

    四川理工学院生物工程系的潘明采用超声波辅助提取法提取荠菜中总生物碱,考察了提取剂、料液比、提取时间、提取温度、超声波功率对生物碱提取率的影响。正交实验结果表明超声法的最佳提取条件为:乙醇体积分数为70%,料液比为1:10(质量体积比),提取时间10min,提取温度50℃,功率160 W。

    郭孝武对比研究了超声、回流和浸泡3种方式提取益母草中总生物碱的产率,超声可以使益母草茎组织形态结构发生变化,造成茎内组织细胞损伤,促使益母草总生物碱快速提取,缩短了提取时间。超声提取40min比回流提取2h产率高42.86%,而所得总生物碱无化学结构改变。

    仲恺农业技术学院化学与化工系的陈志慧、周家容采用索氏回流、常规浸提、超声波3种方法提取断肠草总碱,考察粗提物的提取率。实验结论:(1)用3种方法提取断肠草总生物碱,提取率以超声波法最高,为1.57%,浸提法最低,为0.42%,索氏回流法居中,为1.22%。超声提取主要通过空化作用实现,它可使细胞壁破裂,加速细胞中物质直接向溶剂中溶解,以便快速完全地提取。超声波法不仅提取率高,而且具有节约、简单、省时等特点,是中药提取的一个发展趋势。(2)从不同溶剂提取方法结果比较可知,3种溶剂的提取率差别不明显,以氯仿为溶剂的提取率最高,95%乙醇为溶剂的提取率稍低。如果单纯从提取率的高低来考虑,应选择以氯仿为溶剂,如果从安全、无毒、环保的角度考虑,则应选择以95%乙醇为溶剂。(3)由试验可知,断肠草总生物碱的超声波法最佳提取工艺为:以氯仿为溶剂,在频率50Hz、温度70℃条件下,于超声振荡器中振荡提取30ndn×3次,总碱粗提物提取率最高。

    国外对于超声提取生物碱也有研究,A.Djilani等利用超声技术在不同溶剂系统中提取阿托品(atropine),得到最有效的提取溶剂系统为CH3OH/CH3CN(80:20),提取率为1.01%。

    1.3  微波萃取

    中山大学化学与化学工程学院的范华均、栾伟和李攻科采用微波辅助堤取法提取石蒜中的石蒜碱、力可拉敏和加兰他敏生物碱,建立了微波辅助提取/HPLC测定石蒜中这3种生物碱的分析方法。用正交试验设计结合单因素试验优化了样品颗粒度、提取温度、提取时间、固液比等微波提取条件。采用三乙胺水藩液(pH 9.0)-乙腈-甲醇作为流动相对石蒜碱、力可拉敏和加兰他敏进行HPLC测定,方法的线性范围为75.0-400mg/L,检出限分别为5.0、5.1、10.2ng,RSD分别为2.2%、5.7%和4.4%。与传统的溶剂回流法比较,MAE提取法快速、高效。

    郭锦棠等对微波与索氏回流方法提取生物碱进行了研究,发现联合微波与索氏提取法对黄连中盐酸小檗碱的提取效果优于单独索氏提取。

    高姗利用微波萃取,采用正交实验优化了十大劫劳叶中小檗碱的提取条件。

    Fei Zhang等对比不同方法提取博落回中的血根碱和白屈菜赤碱,实验证明微波萃取比浸渍、超声辅助提取等更为有效。相对于传统方法,微波萃取质量稳定、产量大,选择性高、节省时间且溶剂用量少、能耗较低。但微波萃取受萃取溶剂、萃取时间、萃取温度和压力的影响,选择不同的参数条件,往往得到不同的提取效果。

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