中草药中生物碱的提取与分离

工艺与设备

中草药中生物碱的提取与分离

蔡艳华赵红卫钟本和

(四川大学化工学院,成都,610051)

摘要

生物碱是许多中草药的有效成分。因其具有广泛的生理功能,引起了人们的关注。本文综述了近年来不同的提取和分离方法在生物碱中的应用原理。指出了各方法的优缺点及其今后发展的方向。

关键词:中草药生物碱提取纯化

1前言

生物碱是动植物中一类具有碱性的含氮物质。它们大多是极有价值的药物。中草药含有很多种生物碱,中草药的疗效大多是由所含的生物碱而来。

近年来生物碱作为中草药中的有效成分之一成为研究的热点。提取工艺是生物碱工业化生产的首要环节,特别是其提取和分离操作[1]。传统的生物碱提取分离方法能耗、物耗大,杂质多,效率低。针对这种情况,众多学者从不同角度对中药材中生物碱的提取分离进行了优化和改进[3)22]。本文就生物碱的提取分离技术,特别是几种新兴技术进行了综述。

2生物碱的提取方法

211传统提取方法

绝大多数生物碱是利用溶剂提取法进行提取。生物碱在溶剂中的溶解符合/相似相溶0的规律。极性强的生物碱亲水性较强,易溶于极性溶剂;弱极性生物碱亲脂性较强,易溶于弱极性溶剂。游离的生物碱大多亲脂性较强,而生物碱盐一般亲水性较强。按极性强弱可将生物碱提取溶剂分为极性溶剂、半极性溶剂和非极性溶剂[2]。

21111极性溶剂

极性溶剂有水、甘油、二甲亚砜等。水是最常用的强极性溶剂。具有碱性的生物碱在植物体中多以盐的形式存在,可直接以水作为提取溶剂。而弱碱性或中性生物碱则以不稳定的盐或游离的形式存在,这部分生物碱的亲水性比较弱,为增加其溶解度,可以采用酸水为提取液,使生物碱与酸生成盐而溶出。水提取物不易稳定,易染菌,此外含果胶,黏液质类成分的水提物难于过滤,影响分离操作。

21112半极性溶剂

半极性溶剂有乙醇、丙酮、丙二醇等。乙醇是最常用溶剂,游离的生物碱及盐类一般都能溶于乙醇。它可与水、甘油、丙二醇以任意比例混溶提取生物碱。有时也可采用醇酸溶液作提取剂。

21113非极性溶剂

非极性溶剂有乙醚、石油醚,氯仿、脂肪油、乙酸乙酯、液体石蜡等。以盐的形式存在于植物细胞中的生物碱采用非极性溶剂提取时,必须先使生物碱转变成游离碱后再用溶剂提取。非极性溶剂提出的总生物碱一般只含有亲脂性生物碱,不含水溶性生物碱。这种方法得到的生物碱杂质较少,易于进一步纯化。但溶剂渗入能力较弱,需反复提取。

溶剂提取法按具体操作可分为浸渍法、渗漉法、煎煮法、热回流法和连续回流法(索氏提取法)。21114浸渍法

浸渍法是将处理过的药材用适当的溶剂在常温

或温热的情况下浸渍以溶出其中成分。该法一般是在常温下进行,对热敏性的物质的提取很有利,但所需时间长,效率低,尤其是水作溶剂时易发霉变质。21115渗漉法

渗漉法是往药材粗粉中不断添加溶剂使其渗过粗粉,从渗漉筒下端流出浸提液的方法。此方法浸出效果优于浸渍法,适用于有效成分含量低或贵重药材的提取。但是费时较长,所用溶剂量比较大。操作麻烦。

21116煎煮法

煎煮法是将中药粗粉加水加热煮沸,将中药成份提取出来的方法。此法简便,药中大部分成分可被不同程度的提出,但含挥发性及有效成分遇热易破坏的中药不宜用此法。

21117热回流法

热回流法最大的特点在于通过溶剂的蒸发与回流,使得每次与原料接触的溶剂都是纯溶剂,从而大大提高了萃取动力,达到提高萃取速度和效果的目的。但提取效率不高,受热易破坏的成分不宜使用此方法。

21118连续回流法

此法是利用索氏提取器,多次提取生物碱,可以反复利用溶剂,提取效率高,且操作方便。连续提取法提取液受热时间长,因此对受热易分解的成分也不适用。

212新技术的采用

21211酶法

植物药的细胞壁组成物质纤维素以及许多植物药材细胞内含的果胶等物质阻止细胞内有效成分溶出,且造成提取液粘稠。应用纤维素酶、果胶酶等作用于植物药材,使细胞壁及细胞质中的纤维素、果胶等物质降解,减小有效成分从细胞内向提取介质扩散的传质阻力,促进有效成分的提取。过程的实质是通过酶解反应强化传质过程[3]。吕雪斌等[4]人从枳实中提取辛弗林工艺研究中,提取时加入果胶酶,结果显示加入纯果胶酶的辛弗林提取率为8019%,加入复合果胶酶的辛弗林提取率达8616%。均较缺酶者高,说明酶解促进辛弗林的溶出。

酶法是一项很有前途的新技术,无需特殊设备,完全适于工业化生产[5]。但酶的浓度、底物的浓度、温度、酸碱度、抑制剂和激动剂等对提取物有何影响,还需进一步研究。

21212传统提取方法的物理场强化2121211微波超声辅助提取法

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[6]。如从羽扇豆中微波辅助提取鹰爪豆碱,在优化实验条件下,微波辅助提取可将产率由传统的52 ?3%提高到80?3%,且省时、省溶剂[7]。

微波提取要求药物有一定的含水量,提取介质的极性对提取效果影响很大[8]。与传统的萃取方法相比,微波萃取技术具有显著的优势。微波可以对体系中的一种或几种组分进行选择性加热,故可以使目标组分直接从基体分离,因此微波萃取技术具有良好的选择性,萃取速度快,产品质量好。在实际生产中具有安全节能的潜力。但是该技术只适用于对热稳定的物质。

2121212超声提取技术

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[9]。如以石灰水作溶剂,用超声从黄连中提取30min所得提出率比浸泡24h高50%[10]。

超声提取技术具有提取时间短、产率高、无需加热、低温提取有利于有效成分的保护等优点。有关的工艺技术、工艺参数及超声波发生设备还有待于进一步的研究和开发。

213超临界萃取技术

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。

二氧化碳超临界萃取适用于提取非极性的亲脂性物质。而生物碱往往具有一定的极性,因此对生物碱的超临界萃取需通过大幅度提高萃取压力或在萃取时加入少量极性溶剂作夹带剂,提高生物碱在超临界二氧化碳中的溶解度,提高和维持萃取的选择性[1]。如在咖啡碱的提取中,纯超临界CO2几乎不能从干燥的咖啡豆中萃取出咖啡碱。而预先加入水,可减弱咖啡碱与咖啡母体间化学健的强度,使咖啡碱游离出来溶于超临界CO2之中[11]。又如在益母草总生物碱的提取研究中,葛发欢[12]等采用常规方法提取时总生物碱的收率仅为0120%,纯度为2167%。采用超临界萃取技术,以氯仿为夹带剂,优化工艺条件后,益母草总生物碱收率达1173%,纯度为2616%。大大提高了产品质量。

与传统提取方法相比,超临界萃取最大的优点在于可在近常温条件下提取分离不同极性、不同沸点的化合物,几乎保留药材中所有的有效成分,没有有机溶剂残留。因此,其产品纯度高,收率高,操作简单,节约能源。但高压技术和夹带技术还远远不够成熟,尚待进一步研究。

3生物碱的纯化方法

生物碱的粗提液中不仅含有生物碱及其盐类,还含有大量的脂溶性和水溶性杂质,必须进行分离纯化。

311有机溶剂萃取法

对于水或酸水提取液,用碱液(氨水、石灰水或石灰乳)将其碱化,使其中的生物碱盐转变成为游离生物碱,再用有机溶剂(如乙醇,乙醚、氯仿等)把游离的生物碱萃取出来。对于有机溶剂萃取液,首先减压回收溶剂;用稀酸水溶解,将不溶性杂质除去,再将溶液碱化,使用有机溶剂进行萃取。

溶剂萃取技术是提取分离的经典技术,其优点是简单有效,容易放大,缺点是分离效率和纯度低,溶剂污染环境,操作安全性差。312树脂法

树脂法包括离子交换树脂法和大孔吸附树脂法。31211离子交换树脂法

离子交换树脂对吸附质的作用是通过静电引力和范德华力达到分离和纯化的目的。在生物碱的纯化中使用的是阳离子交换树脂。生物碱盐阳离子交换到树脂上从而与非碱性的化合物分离,再用碱水洗脱得到生物碱。如烟碱的生产采用离子交换法可以获得比较纯净的硫酸烟碱[13]。

由于离子交换树脂提取分离技术设备简单,操作方便,生产连续化程度高,而且得到的产品往往纯度高,成本低,因而离子交换树脂在天然产物提取分离研究与生产中的应用日益广泛。

31212大孔吸附树脂法

大孔吸附树脂的结构与离子交换树脂类似。它的吸附作用主要依靠自身和被吸附介质之间的范德华力,通过巨大的比表面积进行物理吸附的。目前大孔树脂在中草药化学成分的分离纯化中的应用已越来越受到人们的重视,被广泛地应用到中草药研究的各个方面。

用大孔树脂分离提取生物碱已有较多的研究。廖小雪[14]用大孔树脂分离麻黄生物碱;秦学功等人[15]使用大孔树脂DF01从苦豆子浸提液中吸附分离生物碱;黄建明等[16]用大孔树脂吸附法提纯草乌生物碱,从实验结果看,纯化前总固形物中生物碱的含量为1123%,纯化后总固物中的总生物碱的含量为22177%,纯度提高了近20倍,且生物碱的洗脱率达95%左右。

研究表明,使用大孔吸附树脂工艺简单,能耗小,产品质量稳定且有良好的生理活性。

313膜分离技术

膜分离是借助膜在分离过程中良好的选择性、渗透作用,使液固颗粒或混合液中不同分子量的组分得以分离。超滤是现在医药工业中应用较多的一种膜分离技术。根据液体中的分子大小和形状,以膜为过滤介质,依靠一定的压力和流速,通过膜的筛分作用,在分子水平上进行分离,迫使大分子杂质被截留,小分子的特质透过。

超滤技术的应用给中药成分的分离带来了新的概念。近年来正逐渐地被用于中药成分的分离、纯

化、精制[17]。马朝阳等[18]人将切割相对分子量为6000的聚砜膜用于苦豆子酸提取物中生物碱的分离,总生物碱的回收率达9315%,同时可以除去8713%的蛋白质和6417%的固形物,总生物碱的纯度为5213%。

膜分离技术以其无相变、能耗低,工艺简单,易于连续化,不污染环境等优点,发展前景极为广阔。随着新型的膜材料、膜组件和膜设备的研制开发,膜技术将在生物碱纯化领域发挥越来越重要的作用。

314高速逆流色谱(high-speed countercurrent chrom atog raphy)

高速逆流色谱技术是一种较新型的液-液分配技术,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。已在分离纯化生物碱、黄酮、萜类、木脂素、香豆素等成分的研究中获得成功[19]。袁黎明[20]等利用高速逆流色谱对传统中药黄柏中的生物碱类活性成分进行了制备分离:两相溶剂分离系统采用氯仿-甲醇-015mol/L H Cl(体积比为2B1B1),通过一次分离得到6种单一的生物碱、一种含有两个成分的生物碱。

高速逆流色谱有两大突出优点:一是由于其固定相是液体,无需固体支持作载体,因此完全消除了气、液色谱中常见的吸附现象,特别适用于分离极性大的组分以及一些生物大分子;二是由于它独特的分离原理,使其在制备分离上显示出很大的优势。最近的研究表明,利用高速逆流色谱仪可以一次进样几十毫升,可以一次分离近10克的样品[21],除此之外,它不需升温加热,也不需要精密的恒流泵。所以其仪器简单,操作十分方便。

4小结

与传统的生物碱提取工艺相比较,新的提取技术和纯化方法具有明显的优越性。目前,对生物碱类物质的提取工艺中高新技术的引入才刚刚起步,必须加强其分离提纯技术的研究和开发,使之能以更快的速度投入到工业化应用中。

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