超临界流体萃取技术在天然药物提取分离中的应用研究进展模板.doc

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[摘要] 中药产品现代化的重点可简单地用8个字来描述, 即"有效、 量小、 安全、 可控"。实际上, 它涉及范围十分广泛, 要解决的问题比较复杂, 但首先最关键的问题就是要提取分离工艺、 制剂工艺现代化, 质量控制标准化、 规范化。
  超临界流体萃取技术( SFE) 是当前国际上较新的提取分离技术、 采用SFE对中药进行提取分离纯化, 对实现中药现代化具有重要意义。

[正文]
1 前言
中国幅员辽阔、 资源丰富, 有很多具有巨大经济价值和应用价值的植物及天然产物资源, 如红豆杉、 黄莲、 冬虫夏草等, 随着人类对其需求的不断增加以及经济利益的驱使, 许多不可重复利用的宝贵资源遭到了破坏, 植物资源不断减少。且很多天然产物中的有效成分都具有热敏性, 用传统分离方法对其进行分离容易破坏其结构, 大大降低了产物质量和提取效率。如何对这些宝贵的资源进行合理利用? 在科学家们进行了大量实验研究后发现, 超临界流体萃取技术在天然产物提取中, 是一种十分理想的分离手段。与传统的提取分离方法相比, SFE可在近常温条件下提取分离不同极性、 不同沸点的化合物, 几乎保留产品中全部有效成分, 而且更利于热敏性成分的提取。SFE还具有传质速度快、 渗透能力强、 溶解萃取效率高、 提取温度低、 无溶剂残留、 无污染、 操作方便、 快速、 低廉的优点, 越来越受到普遍重视。可是SFE也存在一些缺点, 如常见的超临界流体极性小, 在提取时需加调节剂来改变极性, 从而会影响后续的分离分析[1]。
2 超临界流体及其特性
2.1 超临界流体
所谓超临界流体是指物质的温度和压力分别超过其临界温度( Tc) 和临界压力( Pc) 时的流体[2]。处于临界点状态的物质可实现液态到气态的连续过渡, 两相界面消失, 汽化热为零。超过临界点的物质, 无论压力多大都不会使其液化, 压力的变化只引起流体密度的变化。故超临界流体有别于液体和气体。一般超临界流体用SCF( Supercritical Fluid)表示。
具有代表性的超临界流体有: Xe、 C02、 H20、 CH4、 C2H6、 CH30H及CHF3等; 最常见的是C02, 因为它价廉、 无毒、 方便。
2.2 超临界流体的特性
超临界流体具有接近液体的密度和类似液体的溶解性能; 具有接近气体的粘度和扩散系数, 因此将有很高的传质速率和很快达到萃取平衡的能力[3]。超临界流体最重要的性质是具有很大的压缩性, 温度和压力较小的变化即可引起超临界流体体积发生很大的变化。进一步研究发现, 超临界流体的溶解能力主要取决于密度, 其溶解度的对数在一定范围内与流体密度的对数呈线性关系。
3 超临界萃取技术的原理及特点
3.1 超临界萃取的原理
超临界流体萃取技术( supercritical fluid extraction,SFE) 是利用流体在临界点附近所具有的特殊溶解性能进行萃取的一种化工分离技术[5]。任何物质都有3种相态, 它们随压力和温度的变化而变化。当气体超过一定的温度和压力时, 便进人临界状态, 此时的流体成为超临界流体。超临界流体具有与液体相近的密度, 故对物质有较强的溶解能力; 又具有气体的高扩散性和低粘度, 因而在提取样品时很容易渗透到样品体内, 缩短提取时间并提高提取效率, 正是这种双重性使得超临界流体对物料有良好的渗透性和较强的溶解能力。超临界流体萃取的分离过程正是利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而实现的。在超临界状态下, 超临界流体与待分离的物质接触, 经过控制压力和温度使其有选择性地把不同极性、 不同沸点和相对分子质量的成分萃取出来, 然后借助减压等方法使超超临界流体变成普通气体, 被萃取物质则自动析出, 从而达到分离提纯的目的[6]。
3.2 超临界萃取的原理
( 1) 萃取和分离合而为一。当饱含溶解物的超临界流体流经分离器时[7], 由于压力下降使其与萃取物迅速成为两相( 气液分离) 而立即分开, 不存在物料的相变过程, 不需回收溶剂, 操作方便。不但萃取效率高, 而且能耗较少, 节约成成本
( 2) 萃取效率高, 过程易于控制[7]。如临界点附近的CO2, 温度压力的微小变化, 都会引起其密度显著变化, 从而引起待萃物的溶解度发生变化, 可经过控制温度或压力的方法达到萃取的目的。压力固定, 改变温度可将物质分离; 反之温度固定, 降低压力使萃取物分离。因此工艺流程短、 耗时少。对环境无污染, 萃取流体可循环使用, 真正实现生产过程绿色化。
( 3) 萃取温度低, 能够有效地防止热敏性成分的氧化和逸散, 能较完好保存中药有效成分不被破坏, 不发生次生化, 而且能把高沸点、 低挥发性、 易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来。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, 防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染。如临界CO2流体常态下是气体, 无害, 与萃取成分分离后, 完全没有溶剂的残留, 有效地避免了传统提取条件下溶剂毒性的残留。
( 5) SCF的极性能够改变, 一定温度条件下, 只要改变压力或加入适宜的夹带剂即可提取不同极性的物质, 可选择范围广。在对极性物质的提取中, 经过改变工艺条件, 特别是各种夹带剂的添加使用, 大大拓宽了超临界流体技术的应用, 使得许多极性物质的提取成为可能。
SFE技术的缺点是: 样品量受限( <10克) , 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及需在高压下操作, 设备投资较高等。
4 超临界流体萃取的过程和流程
在被分离物质中加入一种惰性气体(不与被分离体系发生反应), 使其处于临界温度和压力以上, 这时的载气尽管处于很高的压力, 也不凝缩成液体, 始终保持气液不分的流体状态; 在这样的条件下, 尽管温度不高, 却有相当可观的难挥发性物质转入流体相, 其数量与该物质同温度下的蒸汽压相比要高出105倍～1010倍。倘若我们将这种富集了难挥发性物质的载气压力降低, 难挥发性物质便可从气相凝析出来, 从而实现分离[8]。
超临界流体萃取过程可分为萃取阶段和分离阶段。超临界流体从原料中提取所需组分为萃取阶段。经过变化某个参数(如压力、 温度)或其它方法, 使萃取组分从超临界流体中分离, 并使萃取剂循环使用为分离阶段。
5 SFE技术在天然产物提取中的应用
天然产物(natural product)主要指来源于微生物、 植物和海洋生物体内的次生代谢产物[9]。因此对天然产物的研究一直是植物学、 化学和药学的重要研究领域, 同时极大地促进了分析化学、 有机化学和现代药学的发展。天然产物中包含的成分复杂, 有的达到几十种甚至上百种, 可是每种成分含量极微。天然产物中的有效成分主要有黄酮类、 糖苷类化合物、 生物碱类、 萜类、 香豆素、 强心苷类、 挥发油等化学物质, 对它们的研究是从提取分离与分析工作开始。然而对天然产物中化学成分的提取、 分离一直是一项十分艰巨的工作, 提取分离方法不同, 其有效成分含量乃至功能也会相差很大, 甚至影响其在医疗、 保健作用中的功效。因此为了有效、 合理地利用天然资源, 对天然产物有效成分的提取分离就显得十分必要。SFE技术是近三十年发展起来的一项新型分离技术, 它克服了传统分离技术的耗能大、 萃取率低等弊端, 引起了世界上许多领域的重视。
本文主要讲述利用超临界流体萃取技术提取天然药物和天然香料中的有效成分。
5.1 SFE技术在天然药物提取中的应用
在医药工业中, 由于SFE 技术具有传统分离技术无法比拟的特点, 而倍受关注。从动植物产品中提取有效药物成分是当前SFE 在医药工业中应用的一个方面[11]。例如从黄芩根、 西番莲叶、 月见草种子等萃取贝加因、 类黄酮和月见草油等, 从鱼油中提取具有较高药用价值和营养价值的二十碳五烯酸( EPA) 及二十二碳六烯酸( DHA) 。
当前, 超临界流体萃取技术在天然药物提取分离上的应用主要表现为以下两个方面: 单味天然药物有效成分的提取分离和复方天然药物制剂中有效成分的提取分离。在实际操作中, 超临界流体萃取技术又可与其它提取分离方法相结合来获得所需活性成分。
5.1.1 几种主要的单味天然药物中有效成分的提取
( 1) 挥发油的提取
挥发油是芳香性药材药效的物质基础, 传统提取挥发油的方法多用水蒸气蒸馏法, 不但加热时问长, 耗能大, 而且很多挥发油含有热敏性成分, 易受热分解变质, 而二氧化碳超临界萃取法可在较低的温度下进行, 可保留植物原有的品质, 因此该方法用于挥发油的提取, 与水蒸气蒸馏法相比有着巨大的优势[10]。葛发欢等采用SFE—CO2法对黄花蒿挥发性成分进行超临界萃取, 则克服了上述缺点, 得到了一系列用水蒸汽蒸馏法所提取不到的挥发性成分。马熙中等采用分析型SFE技术提取中药乳香和没药的挥发性化学成分, 指出分析型SFE技术是提取、 研究中药化学成分的有效方法, 特别是在提取含氧等极性化合物方面弥补了当前常规方法的不足。现采用二氧化碳超临界萃取技术工业化取出的挥发油提取物有大蒜油、 姜油、 肉桂油、 砂仁油、 艾叶油、 广藿香油、 当归油等多种, 均能达到提高收率和品质, 缩短提取时间, 降低能耗的目的。
( 2) 黄酮类化合物的提取
黄酮类化合物分布范围广, 生物活性广泛, 毒性小, 是中草药成分研究的一个重要领域。传统的提取方法如热水提取、 碱水或碱醇提取以及醇提取等, 普遍存在污染大, 有效成分损失严重, 效率低等弊端。超临界CO2萃取技术对黄酮类化合物是一种非常有效的提取方法, 得到了广泛应用[12]。银杏叶提取物因其对心血管疾病的治疗和保健作用而成为国际研究热点。何扩等采用乙醇浸提与超临界C02萃取的方法从银杏叶中提取黄酮类化合物, 结果表明, 在较低的操作压力下, 可有效地提取出银杏叶中的黄酮类化合物, 银杏黄酮的提取率达到2．61％, 纯度达到27.7％, 其纯度是直接用乙醇提取的2.43倍。邓启焕等采用超临界CO2萃取技术在35—40℃进行萃取操作, 实现了萃取分离一步完成, 萃取效率比溶剂方法高出2倍多, 既保持了银杏叶有效成分的天然品质, 又不存在有机溶剂和重金属残留。吴向阳等探讨了超临界CO2萃取技术脱除银杏叶中有毒成分银杏酸的工艺条件, 结果表明, 超临界CO2取法能够有效地脱除银杏叶中的银杏酸, 30 MPa、 60℃下萃取, 总流量600 L, 银杏酸脱除率可达79．1％, 萃取后银杏叶中银杏酸含量0．25％, 为生产高品质银杏茶提供了新方法。陈从贵、 潘见等从理论与实践两方面着手, 研究探讨超临界C02提取分离银杏叶药用成分的适用性和可操作性, 提出溶剂浸提与超临界流体萃取相结合的生产工艺, 既可降低生产成本, 保证产品质量, 又可大幅度削减设备造价, 从银杏叶中萃取出黄酮类化合物, 为超临界流体萃取技术的实际应用创造条件。
( 3) 生物碱的提取
生物碱大多含有复杂的含氮杂环结构, 具有止痛、 镇静、 平喘、 抗癌、 抗肿瘤等生理活性, 是植物类药材中研究得最早最多的一类天然有机化合物[13]。当前已用于临床的有约数10种, 如利血平是常见的降压药, 长春新碱、 紫杉醇等是很好的抗癌药物等。生物碱的提取传统上多以水和有机溶剂为溶媒, 采用醇提水沉、 水提醇沉等方法, 但存在着工艺复杂、 污染产品、 有效成分损失较多且易受破坏等缺点。同时, 由于生物碱在中草药中的含量较低, 提取率低、 提取时间长等许多弊端。上世纪60年代末Zosel等人首次利用了SFE—CO2技术提取咖啡豆中的咖啡因。近年来随着SFE技术的不断发展, 在中药生物碱的提取中SFE技术也得到了广泛的研究, 从茶叶中萃取咖啡因, 从百合中萃取秋水仙碱, 提取长春花中的长春碱和长春新碱等。在用SFE技术萃取生物碱时, 由于大多数生物碱都具有一定的极性, 而所用的SCF的极性较小, 因此往往要在SCF中加入夹带剂以改进溶剂的溶解能力和选择性。在SFE—CO2生物碱的工艺中, 萃取压力、 温度、 时间、 流体的流速、 物料的状态、 夹带剂等均是影响萃取效率的因素。SFE—CO2技术能够有效地从植物中提取或分离出生物碱, 有着传统提取法不可比拟的优势。同时, 它与多种分析测试仪器如高效液相色谱仪等综合联用, 实现了自动化, 且可用于质量控制, 这也预示着它的广泛应用前景。
( 4) 香豆素和木脂素类化合物的提取
香豆素、 木脂素的传统提取方法多采用系统溶剂法、 碱溶酸沉法, 再以层析法、 多次萃取法等, 而 SFE-CO2萃取对香豆素和木脂素的提取是一种非常有效的方法[13]。经过采用多级分离、 或与超临界精确结合能够得到有效成分含量很高的提取物。对于游离态的只需用纯SFE-CO2即可。对于分子量较大或极性较强的成分有时需加入适当的提携剂。宫地洋等研究茵陈蒿、 日本白蜡树、 连翘等中药中有效成分认为, 茵陈蒿中的有效成分很容易被超临界CO2提取出来, 用乙醇作夹带剂。以上结果均表明, SFE技术优于传统提取法。
5.1.2 复方制剂中有效成分的提取
在实际诊治病患的过程中, 由于疾病的病程和性质复杂多变, 只凭单味药物难以照顾全面, 故多将多种药物适当配伍, 即为复方。当前关于复方当中有效成分的超临界萃取研究还处于起步阶段。复方提取时, 虽然有效成分均能被提取, 但它们之间存在较大的相互影响, 并共同影响整个复方提取的收率、 有效成分的萃取率及其含量等, 萃取条件不同, 其影响程度不同[14]。中药复方是传统中药的最主要的部分, 也是中药与国际接轨难度最大的部分。超临界流体技术被推荐为中药复杂体系中中药产业现代化的新技术之一。中药复方的研究与开发能够应用SFE新技术。
萃取能力强, 提取率高。随着SFE技术的不断进步, 夹带剂的应用, SFE技术已从中药化学成分中非极性、 中等极性的物质的提取扩展到强极性――水溶液体系中有效成分或部位的提取。

在SFE中, 萃取能力的大小取决于流体密度, 即只要改变温度或压力其中之一或同时改变, 或加入夹带剂, 都可改变溶解度, 能够选择性地进行中药中各种物质分离, 结合SFE色谱技术及相关技术, 更可进行中药各有效成分或有效部位的完整分离。SFE技术操作温度低, 能较完好保存中药有效成分不被破坏, 不发生次生化, 特别适宜于对热敏感, 易氧化分解成分的提取。提取时间快, 操作参数相对较少且易控制, 因此研究周期短, 有效成分及产品质量稳定, 对药理实验结果影响相对较小。
SFE技术可直接从单方或复方中药中取不同部位或直接提取浸膏进行药理筛选, 开发新药, 大提高筛速度。同时, 能够提取许多传统方法提不出物质, 且较易从中发现新成份, 从而发现新的药理药性。 SFE应用于分析或GC、 IR、 MS、 LC等联用成为一种高效的分析手段。 直观地反映出用二氧化碳在不同的状态进行萃取天然产物能够获得不同的萃取产物, 即具有很好的萃取能力及选择性。而在分离过程中, 因二氧化碳蒸发引起的挥发性物质损失能够忽略不计。
5.2 超临界萃取技术在天然香料萃取中的应用
用SFE法萃取香料不但能够有效地提取芳香组分, 而且还能够提高产品纯度, 能保持其天然香味[15], 如从桂花、 茉莉花、 菊花、 梅花、 米兰花、 玫瑰花中提取花香精, 从胡椒、 肉桂、 薄荷提取香辛料, 从芹菜籽、 生姜、 茴香、 砂仁、 八角等原料中提取精油, 不但能够用作调味香料, 而且一些精油还具有较高的药用价值。
香料植物中含有的非极性物质不但有挥发性精油, 还有游离脂肪酸、 油脂、 蜡、 树脂、 色素等。挥发性精油中一般含有大量的单倍萜烯、 含氧萜类化合物及其衍生物、 小分子的芳香化合物, 小分子的酚类物质以及含杂原子的化学成分等, 其中含氧萜类化合物对香气的贡献最大, 是天然香料香气的关键组分, 而单倍萜烯一般对香气的贡献较小。油树脂是影响天然香料风味的主要成分, 同时也是具有临床医疗作用的主要成分。部分香料植物中的油脂、 游离脂肪酸对香气和风味有一定的贡献, 而蜡质对香料植物的香气和风味贡献很小。
香料植物组成的复杂性决定了采用超临界萃取时必须选择合适的工艺条件, 根据目标要求, 综合考虑提取率、 产品质量等目标因素, 提取香气或风味最佳的香料产品。同时由于香料植物可利用部位的不同, 不同部位的油储藏形式也不同, 如一般香料植物叶的油囊位于表面, 体积也大, 而香料植物的木质部位的油细胞处于深层, 油细胞小而密。因此, 不同植物器官的超临界萃取特点也不同, 分类加以论述。
5.2.1香料植物根、 茎和皮的超临界萃取
很多香料植物的可利用部位为根、 茎(根茎)或皮, 这些部位一般结构致密, 纤维素、 木质素等木质成分含量高, 挥发油和油树脂含量都较高[15]。以其研究较多的肉桂和生姜的超临界萃取为例。肉桂精油是从肉桂干燥树皮提取的挥发油, 具有浓郁的芳香及辛辣气辣。最佳的萃取工艺条件为: 萃取压力15MPa, 温度40℃, 时间2h, 此条件下肉桂精油的产率为3．69％。用GC—MS测定SFE—CO2萃取的肉桂精油, 鉴定出43种成分, 主要有反式肉挂醛、 3一甲氧基肉桂醛、 a一咕巴烯、 乙酸肉桂酯等, 其中反式肉桂醛含量最高, 达到30.97％。
5.2.2 香料植物种子和果实的超临界萃取
香料植物的种子和果实中一般除了含有丰富的挥发油、 树脂外, 还含有较多的油脂成分。以其中研究较多的八角茴香的超临界萃取为例。以八角茴香的果实为原料提取得到的八角茴香精油是一种重要的辛香料[16]。最佳萃取工艺条件为: 压力16MPa, 温度35℃, 时间2h, CO2流量30L／h。在此条件下, 八角茴香萃取物得率为10．5％。采用水蒸气蒸馏提取精油, 得率为7．5％。对两种不同提取方法得到的精油的品质和得率进行了比较, SFE—CO2萃取法得到的八角茴香精油产品得率比水蒸气法高出40％, 而且香气更全面。采用水蒸气蒸馏、 有机溶剂萃取和SFE—CO2萃取三种方法提取八角茴香油, 利用GC—MS分析了不同方法提取的八角茴香油气相图谱和化学成分。三种方法萃取的八角茴香油的化学成分相似, 但水蒸气蒸馏明显比后两种方法萃取物的化学成分少, 有机溶剂和SFE—CO2萃取的八角茴香萃取物更具天然性, 黑褐色略带黏稠, 经分析其中化学成分更多, 特别是有各种饱和与不饱和脂肪酸, 且风味更为丰富。
5.2.3 香料植物花的超临界萃取
除了丁香等品种外, 香料植物的花一般挥发油含量较低[17]。以其中研究得较多的玫瑰的超临界萃取为例。
玫瑰精油是从玫瑰鲜花中提取的芳香精油。最佳萃取工艺为: 萃取压力20MPa, 分离压力7MPa, 萃取温度35℃, 分离温度40℃。用SFE—CO2萃取技术提取玫瑰精油, 然后用分子蒸馏对所得的萃取物进行精分离, 得到高质量的玫瑰精油。
5.2.4 香料植物叶、 全草的超临界萃取
以香料植物的叶和草本植物的全草为原料的天然香料品种多, 用量大, 用途也极为广泛[18]。以其中研究较多的紫苏的SFE—C02萃取为例。
紫苏为唇形科一年生草本植物, 含挥发油[19]。其最佳萃取条件为: 萃取压力20MPa, 温度450C, C02流量30kg／h, 时间100min, 萃取率为5．13％。水蒸气蒸馏萃取得率为0．415％。SFE—CO2萃取的收率高, 萃取时问短。采用SFE—CO2萃取紫苏挥发油, 对在不同条件下萃取的紫苏挥发油, 进行GC—MS分析, 并与水蒸气蒸馏法所得之挥发油化学组分相比较, 发现SFE—CO2萃取的挥发油香气、 品质和产率均优于蒸馏法所得。
6 结语
可持续发展是人类社会发展的新模式, 也是世界各国的基本国策之一。为实现社会的可持续发展, 不对环境造成污染, 不对后代造成危害, 21世纪的化学工业、 医药工业等必须经过调整自身的产业结构和产品结构, 研究开发清洁化生产和绿色工业的新工艺和新技术。SFE技术就是近30年来迅速发展起来的这样一种新技术[20]。我们应当从这个战略高度来认识SFE技术研究和推广应用的重要性, 制定研究规划, 加大投入, 加强对该技术的基础和应用研究, 使它真正用于工业化生产, 造福于人类, 造福于社会。
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