天然有机物的提取与分离

2011-12-22

    来自于自然界的多数有机化合物是药物、食品添加剂和化妆品活性成分的重要来源。而这些有机化合物结构复杂,含量较低,并与许多其他化学成分共存,要很好利用这些天然有机物,则必须经过提取分离和纯化过程。天然有机化合物的提取和分离,过去主要使用溶剂法和蒸馏法等,耗时长需溶剂量大且对于微量成分结构性质相类似成分的提取和分离常常受到限制。而新的提取分离技术的应用与普及,促进了我国天然有机化合物研究工作的进展。随着新的天然有机化合物的不断发现,近代分离仪器飞跃发展,一些新的更为环保的提取技术得以开发应用,这些新的分离技术已成为天然有机化合物研究的热点。

    1 超临界流体萃取技术

    超临界流体萃取是一种新型的提取分离技术,它利用流体在临界点附近某区域内与待分离混合物中的溶质具有异常相平衡往为和传递性能,这种流体可以是单一的,也可以是复合的。超临界流体是一种介于液体与气体之间的流体,其密度接近普通液体,其粘度接近普通气体,具有低粘度、高扩散性、无污染和高选择性等良好溶剂的特性,且可以利用温度与压力的变化来调整流体的性质。在超临界萃取技术中,通常用的萃取剂为CO2,因为它是一种无毒、不燃和化学惰性的物质,价格便宜,纯度高,容易获得,且对环境无污染,其密度对温度和压力变化十分敏感,且与溶解能力在一定压力范围成正比例,可以通过控制温度和压力改变物质溶解度。因此,CO2特别适合天然产物有效成分的提取。

    超临界流体萃取特点:(1)萃取和分离合二为一;(2)萃取效率高,过程易控制;(3)萃取温度低,可较完好保存中药有效成分不被破坏,不发生衍生化,特别适宜于对热敏感、易氧化分解成分的提取;(4)萃取流体可循环使用。其缺点是:样品量受限,回收率受样品中基体的影响。要萃取极性物质需加入极性溶剂以继续在高压下操作,设备投资较高等。

    超临界流体萃取技术在中药提取分离中的应用前景广阔,特别对于一些资源少、疗效好、剂量小、附加值高的产品极为适用。近年来我国利用SEF技术对中草药的研究和开发也取得了很大的进步,研究开发出了成熟的CO2-SEF工艺技术的中草药有银杏叶、金银花、紫草、生姜、大蒜等近30种。此技术在其他方面也有广泛的应用,例如在食品方面的应用。目前已经可以用FC-CO2从葵花籽、红花籽、花生、小麦胚芽、可可豆中提取油脂,这种方法比传统的压榨法回收率高,而且不存在溶剂分离问题。

    2 超声波提取技术

    天然植物有效成分大多数为细胞内物质,在提取时往往需要将植物细胞破碎,现有的机械破碎法难以将细胞有效破碎。化学破碎法又容易造成被提取物的结构性质等变化而失去活性,因而难以取得理想的效果。超声波提取是集物理学、化学和工程学于一体的一门综合技术。将超声波应用于提取植物的有效成分,操作简便快捷,无需加热,提取率高,速度快,效果好,且结构未被破坏,显出明显的优势。

    药用植物的化学成分较为复杂,常规法提取效果常不理想,近年来用超声波提取收到了良好的效果,尤其是生物碱、苷类、挥发油等成分的提取。用超声波从曼陀罗、萝芙木、吐根、天麻、马钱、益母草等植物中提取生物碱均可得到同样的效果,用超声波提取苷类,取样量小,所用溶剂少,检验周期短。在绞股蓝、党参、人参根中应用超声波提取皂苷,与传统方法相比,也具有省时、节能、杂质少、提出率高等优点。于淑娟等对超声波协同纤维素酶和菠萝蛋白酶法提取灵芝多糖进行了研究,超声波高频振荡及其产生的空化效应可破坏细胞壁的维持力,提高酶解纤维素的效率,尽快地释放出细胞多糖物质。

    3 微波提取技术

    微波辅助萃取是利用微波能来提高萃取率的一种新技术,在提取过程中,微波辐射导致植物细胞内极性物质吸收微波能,产生热基,由于细胞内温度迅速上升,水汽化产生的压力会将细胞膜冲破,形成微小孔洞;若进一步加热,则导致细胞内部和细胞壁水分减少,细胞收缩,表面出现裂纹。空洞和裂纹的存在使胞外溶剂容易进入细胞内,溶解并释放出胞内产物。在微波的作用下,某些待测组分选择性地加热,使之与基体分离,进入微波吸收能力较差的萃取剂中,这是由于物质结构不同,吸收微波能的能力各异。

    近年来,国内外将微波技术应用于天然药物活性成分的浸提过程,有效提高了回收率,取得了可喜的进展,且迅速朝着工业化方向发展。目前,微波技术用于提取生物活性成分的报道不断出现,已涉及到几大类天然有机化合物如挥发油、苷类、多糖、生物碱及有机酸等。韩伟伟等用微波辅助提取法提取青蒿素,与传统提取法相比,提取率明显提高。郝守祝等用此法提取大黄游离蒽醌并与传统法相比较,此法的提取效率明显高于蒸煮法,且操作简单。MAE的特点为投资少、设备简单、适用范围广,选择性高,操作时间短,溶剂好量少,与传统煎煮法相比,克服了药材细粉易凝聚、易焦化的弊端。缺点是:(1)使用极性溶剂;(2)提取后要过滤,这就不利于与气相色谱等仪器联机而实现自动化。

    4 酶法提取技术

    酶提取技术是近几年来用于中药工业的一项生物工程技术。中草药成分复杂,既有有效成分,也有非需成分。传统的提取方法提取温度高,提取率低,成本高且不安全。而用适当的酶,可通过酶反应较温和地将植物组织分解,加速有效成分的释放和提取。酶技术在食品工业、饲料工业、精细化工等行业应用越来越多,在天然产物提取中的应用近年来也有所发展。如单一材料补骨脂、香菇、银杏叶、决明子等的有效成分提取和除去杂质。

    酶技术用于药材提取,反应温和,提取效果较好,收率好,节约能耗,所以应用前景广阔。高大维等人研究了冷冻预处理协同酶浸渍提取灵芝、木耳、螺旋藻多糖,取得了满意的结果。上海中药一厂首先应用酶法成功地制备了生脉饮口服液。在动物药材的提取中,酶法应用得更广泛。

    5 仿生提取技术

    仿生提取法综合运用医学仿生与化学仿生的原理,同时又将整体药物研究与分子药物研究法相结合,是将生物技术手段应用到中药研究中的一种尝试。仿生提取法主要是针对口服给药的提取。将原料药经模拟人体胃肠道环境,根据人体消化道的生理特点,消化管和血管之间的生物膜是类脂质膜,允许脂溶性物质通过,分子性药物更容易吸收。仿生提取法是中药口服药制备中的一项重大革新,具有较高的学术阶值和推广应用前景。

    6 固相微萃取技术

    固相微萃取是近年来出现的一种集萃取、浓缩、解吸于一体的样品前处理新方法。它主要与气相色谱和高效液相色谱联用,能快速有效地分析样品中的痕量有机物。SPME主要针对有机物进行分析,根据有机物与溶剂之间相似相溶的原则,利用石英纤维表面的色谱固定相对分析组分的吸附作用,将组分从试样基质中萃取出来。1990Pawliszyn等首次发表了关于SPME的论文并开始了深入研究.随着技术的发展.SPME已成功地运用于气体、液体甚至固体样品中有机化合物的前处理及痕量分析,在环境监测、食品检验、医药卫生、生物化学、天然产物等领域应用广泛。此技术在对中草药挥发性成分的分析中开始应用,如中药石菖蒲、新鲜紫苏、肉桂、冷杉叶以及蛇麻草中各种挥发性成分的鉴定等。

    7 大孔树脂吸附色谱技术

    大孔树脂吸附法是利用大孔吸附树脂对欲分离物质的吸附作用和筛选作用达到分离的目的。大孔树脂柱色谱是以大孔吸附树脂为固定相,使天然物提取液通过装有大孔树脂的柱子,其中的有效成分有选择性地吸附在树脂上,而杂质成分不被吸附,在经适当的溶剂洗脱,收集含有效成分的流出液,合并浓缩,回收溶剂,便可除掉天然提取液中的杂质成分,达到有效成分与提取液中糖类、色素等杂质分离的目的。这是一种纯化精制天然有机化合物的新工艺,具有快速、高效、方便、灵敏、重现性好等优点。

    由于大孔吸附树脂在水溶液中吸附力较强,具有良好的选择性,而在有机溶剂中吸附力极小,因此大孔树脂主要用于分离提纯中药皂苷类、生物碱、黄酮类、多肽类等水溶性成分或极性化合物。皂苷是广泛存在于自然界的一类化合物,也是许多中草药发挥疗效的主要活性成分,已应用于临床。皂苷本身的特性和大孔吸附树脂分离纯化的优势决定了大孔吸附树脂技术能够在皂苷的分离纯化中得以推广和发展。蔡雄等=D101大孔树脂富集纯化人参总皂苷,洗脱率达90%以上。制川乌、制草乌是中药处方中常用的对药,其主要成分是亲水性乌头原碱类的氨基醇类生物碱。杨桦等用正交设汁法优选大孔吸附树脂提取分离制川乌、制草乌饮片中乌头类总碱的工艺条件,可分离出样品液中85%以上的乌头类生物碱。在黄酮类化合物的分离中,麻秀平等比较了10种大孔吸附树脂对银杏时黄酮的吸附性能及动力学过程,筛选实验结果表明,弱极性树脂AB-8是一种对银杏叶黄酮吸附性能优良的吸附剂,吸附容量大,吸附、解吸容易。在用此法分离其他中药成分方面,萧伟祥等报道了用大孔吸附树脂柱色谱法从茶中分离纯化茶多酚,结果PA树脂对茶多酚,XDA大孔树脂对咖啡碱,具有较高的吸附量和选择性,用85V0乙醇洗脱,可分别用于茶多酚和咖啡碱的吸附分离。

    8 高速逆流色谱技术

    高速道流色谱技术是一种不用任何固态载体的液相色谱技术,其原理是基于组分在旋转螺旋管内的相对移动而互不混溶的两相溶剂间分布不同而获得分离,其分离效率和速度可以与HPLL相媲美。HPLL分离效率高,产品纯度高;不存在载体对样品的吸附和污染;制备量大,溶剂消耗少;操作简单,能从极复杂的混合物中分离出特定的组分。在中试规模和产业化中应用时,还需对逆流色谱的分离机理进行更深入的探讨,并需要解决现有仪器设备在放大过程中的一些关键技术问题。高速逆流色谱技术应用于天然产物的分离可实现:(1)制备高纯度的药用成分对照品和必须控制的杂质成分;(2)配合活性跟踪与人药部位的设计,主机分离制备活性部位或活性成分;(3)中药材和中药方剂指纹的建立,提供更丰富的信息和数据;(4)进行中试批量生产和工业生产。如中科院工程研究所探索了利用此技术制订中药指纹图谱的方法,以丹参原药材为模式植物,初步建立了丹参的高速逆流色谱指纹图谱。该技术有望成为中药有效成分质量标准研究的一种新方法及中药生产的一种新型分离技术。此外,高速逆流色谱技术还可与其它新型分离技术相结合分离中药有效成分。巢志茂等将高速逆流色谱与双水相萃取技术相结舍,以双水相系统作为高速逆流色谱技术的固定相和流动相,对牛漆多糖成分进行分离纯化,成功地分离出多糖部分和蛋白多糖部分。

    综合上述内容可得到的结论是,由于天然有机物的品种比较多,因而天然有机物的分离与提取存在技术多样化的趋势。正是为了提高天然有机物中有效产品的提取率,国内外研究和开发出这些新的提取工艺和方法。新技术的应用将给食品加工业和中药制药业带来新的飞跃。我国天然有机物的提取与分离技术与国外的技术相比还存在一定差距,但是新型的提取与分离技术对我国的食品加工和中药制药业的研究和新药的开发有着重要的意义。

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