天然产物提取方法的研究进展

天然产物提取方法的研究进展姓名：吴震专业：生药学学号：201312283018天然产物提取方法的研究进展摘要：提取是中药制药的关键环节,影响着最终药物制剂的质量和成本,以及中药制药业的现代化水平。本文着重分析了近些年来中药提取新技术的基本原理、特点、研究和应用进展。这些提取技术包括超声波提取、微波提取、酶法提取法、超临界流体萃取法、组织破碎提取法、半仿生提取法等。关键词：天然产物；提取技术中药是中华民族几千年灿烂文化的瑰宝，在继承和发扬中医药优势和特色的基础，充分利用现代科学技术，借鉴国际通行的医药标准规范，提高中药的质量，研究开发进入国际中药市场的中药产品，实现中药的现代化、国际化。而提高中药的质量，让中药进人国际市场，这就对中药的制备加工工艺提出了更高的要求，其中天然产物有效成分的提取分离过程是其重要的关键环节。现将天然产物提取技术进行综述。1 天然产物传统的提取方法传统中草药提取方法有：溶剂提取法、水蒸汽蒸馏法两种。溶剂提取法有浸渍法、渗流法、煎煮法、回流提取法、连续提取等。但这些方法普遍存在着有效成分提取率不高，杂质清除率，低能耗，高生产周期长等缺点，直接影响了中药制药产业的发展 1。2 天然产物现代的提取方法2.1 超声波提取技术超声波是指频率为 20 千赫-50 兆赫的电磁波，它是一种机械波，需要能量载体(介质)来进行传播。超声提取技术是近年来应用在中草药有效成分提取分离方面的一种最新的较为成熟的手段。研究表明,利用超声波产生的强烈振动、高加速度、强烈空化效应、热效应、搅拌作用等，都可以加速药物有效成分进入溶剂,从而提高提取效率，缩短提取时间，节约溶剂，并且免去了高温对提取成分的破坏。2.1.1 超声提取的原理（1）空化效应 空化效应是超声提取的主要动力。液体中往往存在一些真空或含有少量气体或蒸汽的小泡，当一定频率的大量超声波作用在液体时，尺寸适宜的小泡能产生共振现象，它们在声波的稀疏阶段迅速胀大，在声波的压缩阶段又被绝热压缩，直至湮灭。小泡在湮灭过程中，能够产生几千摄氏度的高温和几千个大气压的高压冲击波，这就是空化现象。这种强烈的冲击作用能使物料破碎,也能造成生物细胞壁及整个生物体破裂，从而加速细胞内物质的释放、扩散及溶解。（2） 机械效应 超声在传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。对于中药提取过程，这种机械效应包括简单的骚动效应和溶剂与药材组织之间的摩擦。这种骚动效应可使蛋白质变性，细胞组织变形；而超声波引起的介质质点的加速度与超声波振动频率的平方成正比，有时超过重力加速度的数万倍，由于溶剂和药材组织获得的加速度不同，即溶剂分子的速度远大于药材组织的速度，从而使它们之间产生摩擦，这种力量足以断开两碳原子之键，使生物分子解聚，使中药材中的有效成分溶解于溶剂之中。（3） 热效应 由于介质吸收超声波以及介质内摩擦的消耗，分子产生剧烈振动， 超声能转化为介质的内能，引起溶剂和药物组织温度升高，超声波在穿透溶剂和药物组织分界面时，温度上升更快，这是因为分界面上特性阻抗不同，产生反射形成驻波，引起分子间的相对摩擦而发热，因此，控制超声强度，可使药物组织内部温度瞬间升高，加速有效成分溶出。除了以上效应外，超声波还有许多次级效应，如击碎、乳化、扩散等效应，也都有利于植物中有效成分的转移。2.1.2 超声提取技术的特点超声提取技术适用于天然产物，与常规的煎煮法、水蒸馏法、溶剂浸提法相比，具有如下特点：提取温度低，避免了常规的煎煮法和回流法长时间加热对中药有效成分的不良影响，产物生物活性高，适合于热敏性物质的提取，适用性广；超声提取与目标提取物的性质(如极性)关系不大，绝大多数中药材的各类成分均可用超声提取；减少能耗，由于超声提取无需加热或加热温度低，提取时间短，因此能大大降低能耗，提高经济效益；此外超声波还具有一定的杀菌作用，能保证萃取液不易变质 2。2.1.3 超声提取技术在天然产物中的应用超声提取技术应用于单味中药材的提取研究非常广泛，几乎中药材所有种类的活性成分提取研究都涉及了超声提取技术。例如多糖类、黄酮类、皂苷类、生物碱类等化合物在超声提取中都有应用。但是，超声提取技术用于中药复方提取的研究相对滞后于单味中药材的超声提取研究，主要由于中药复方成分复杂，成分间性质各不相同，所需的超声工艺条件可能存在差异，这给超声技术用于中药复方提取带来了难度 3。M Romdhane 等 4为考察超声波对固液萃取的影响，用超声提取技术提取除虫菊中的除虫菊酯和菘蓝种子中的菘蓝油，发现超声作用能明显提高除虫菊酯的提取速率和产量，但对菘蓝油的提取影响不大，并且超声波的频率、功率, 物料粒径和超声波作用时间对提取效率均有明显影响。2.2 微波萃取技术微波萃取(ME)，又称微波辅助提取(MAE)，是利用微波的热效应对样品及其有机溶剂进行加热，根据不同物质吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对差的萃取溶剂中，达到提取的目的。2.2.1 微波萃取技术的基本原理微波是一种频率在 300MHZ 至 300GHZ 之间的电磁波，它具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。常用的微波频率为 2450MHZ。微波辐射是利用高频电磁波穿透萃取介质到达物料内部的维管束和腺胞系统，细胞内部的温度迅速上升，使细胞内部的压力超过细胞空间膨胀的能力，从而导致细胞破裂，其内的有效成分自由流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质中。微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的分子由固体内部向固液界面扩散的速率。由于微波的频率与分子转动的频率相关连，因此微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而引起分子运动的非离子化辐射能，当它作用于分子时，可促进分子的转动运动，若分子具有一定的极性，即可在微波场的作用下产生瞬时极化，并以 24.5 亿次/s 的速度作极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出并扩散至溶剂中。由于不同物质的结构不同，吸收微波能的能力各异，因此，在微波的作用下，某些待测组分被选择性地加热，从而与基体分离，进入到微波吸收能力较差的萃取剂中。萃取的温度、溶剂的极性对萃取效率有很大的影响 5。2.2.2 微波萃取的特点微波具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大特点，这决定了微波萃取具有以下特点。(1)试剂用量少、节能、污染小。(2)加热均匀，且热效率较高。传统热萃取是以热传导、热辐射等方式自外向内传递热量，而微波萃取是一种“体加热”过程，即内外同时加热，因而加热均匀，热效率较高。微波萃取时没有高温热源，因而可消除温度梯度，且加热速度快，物料的受热时间短，因而有利于热敏性物质的萃取。(3)微波萃取不存在热惯性，因而过程易于控制。（4）微波萃取无需干燥等预处理，简化了工艺，减少了投资。 （5）微波萃取的处理批量较大，萃取效率高、省时。与传统的溶剂提取法相比，可节省 50%-90%的时间。 （6）微波萃取的选择性较好。由于微波可对萃取物质中的不同组分进行选择性加热，因而可使目标组分与基体直接分离开来，从而可提高萃取效率和产品纯度。 （7）微波萃取的结果不受物质含水量的影响，回收率较高。当然，微波萃取也存在一定的局限性。例如，微波萃取仅适用于热稳定性物质的提取，对于热敏性物质，微波加热可能使其变性或失活。又如，微波萃取要求药材具有良好的吸水性，否则细胞难以吸收足够的微波能而将自身击破，产物也就难以释放出来。再如，微波萃取过程中细胞因受热而破裂，一些不希望得到的组分也会溶解于溶剂中，从而使微波萃取的选择性显著降低 6。2.2.3 微波萃取在天然产物中的应用鉴于微波萃取技术的以上优点，越来越受到科技工作者的重视。提取的成分已涉及生物碱类、蒽醌类、黄酮类、皂苷类、多糖、挥发油、色素等。郭振库等 7应用 MSP- 100D 专用微波制样系统，通过正交实验对金银花中有效成分绿原酸类化合物的提取条件进行了考察，结果表明微波最佳提取条件为 35%乙醇作溶剂，溶剂倍量 30，控制压力为 0110MPa，加热时间 1min，70%微波功率(微波炉的最大功率 850W)。而且与超声波提取不仅所需时间短提取率比超声波法高近 2 成。2.3 酶法提取法酶法提取是近几年来用于中药工业的一项生物工程技术。由于中药成分复杂，有各种有效成分，也有植物纤维、果胶、淀粉、蛋白质等非药用成分。这些非药用成分一方面影响植物细胞中有效成分的浸出，另一方面也影响中药液体制剂的澄清度。而选用恰当的酶，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提取，来提高有效成分的收率；选用相应的酶可将影响液体制剂的杂质如果胶、淀粉、蛋白质等分解去除，也可促进某些极性低的脂溶性成分转化为糖苷类易溶于水的成分而有利于提取 8。陈学伟等 9采用纤维素酶提取黄芪多糖，与传统水煮醇沉法相比黄芪多糖的提取率大大提高。刘晓光等 10报道，在 pH 为 5.0、温度为 550C、酶解时间为 90min、酶质量浓度为 0.15mg/ml、料液质量比为 1:12 的最佳条件下，从山楂中提取黄酮的收率可达到 90%，且黄酮类化合物的活性依然存在。酶法在药物提取中有很好的应用潜力，但是也存在一定的局限性，酶提取法对实验条件要求较高，为了使酶发挥最大作用，需先通过实验确定，掌握最适温 度及最佳作用时间等。2.4 超临界流体萃取法超临界流体萃取( supercritical fluid extraction, SFE)技术是近二三十年迅速发展起来的一项化工分离工艺,最早被德、法、英等国家用来萃取咖啡豆中的咖啡因和啤酒花中的蛇麻酮，20 世纪 80 年代被广泛用于食品工业，近年来被国内外很多学者应用于天然药物的提取，成果显著。2.4.1 超临界流体萃取的基本原理当流体的温度和压力分别超过其临界温度和临界压力时，则称该状态下的流体为超临界流体。超临界流体的密度接近于液体，而溶质在溶剂中的溶解度一般与溶剂的密度成正比，因而超临界流体具有与液体溶剂相当的萃取能力。超临界流体的粘度和扩散系数与气体的相近，因而超临界流体具有气体的低粘度和高渗透能力，故在萃取过程中的传质能力远大于液体溶剂的传质能力。 超临界流体萃取在临界点附近操作，此时温度和压力的微小变化将引起流体溶解能力的显著变化。利用这一性质，可在较高压力下，使溶质溶解于超临界流体中，然后通过降压或升温的办法来降低流体的密度，从而使溶解的溶质因溶解度下降而析出，这就是超临界流体萃取的基本原理。2.4.2 超临界流体萃取的特点与传统提取方法相比，利用超临界流体萃取技术提取中药有效成分具有许多独特的优点。超临界流体萃取兼有精馏和液液萃取的某些特点。溶质的蒸气压、极性及分子量的大小均能影响溶质在超临界流体中的溶解度，组分间的分离程度由组分间的挥发度和分子间的亲和力共同决定。 一般情况下，组分是按沸点高低的顺序先后被萃取出来；非极性的超临界CO2流体仅对非极性和弱极性物质具有较高的萃取能力；超临界流体萃取在临界点附近操作，因而特别有利于传热和节能。这是因为当流体接近临界点时，气化潜热将急剧下降。在临界点处，可实现气液两相的连续过渡。此时，气化潜热将急剧下降。在临界点处，可实现气液两相的连续过渡。此时，气液两相界面消失，气化潜热为零；超临界流体的萃取能力取决于流体的密度，因而可方便地通过调节温度和压力来加以控制，这对保证提取物的质量稳定是非常有利的；超临界萃取所用的萃取剂可循环使用，其分离与回收方法远比精馏和液液萃取简单，且耗能较低。实际操作中，常采用等温减压或等压升温的方法，将溶质与萃取剂分离开来；当用煎煮、浓缩、干燥等传统方法提取中药有效成分时，一些活性组分可能会因高温作用而破坏。而超临界流体萃取过程可在较低的温度下进行，如以 CO2为萃取剂的超临界萃取过程可在接近于室温的条件下进行，因而特别适合于热敏性组分的提取,且无溶剂残留 11。2.4.3 超临界流体萃取技术在天然产物中的应用目前，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或与色谱、光谱分析方法联用，对有效成分进行更准确的定量分析 12。单味天然药物中有效成分的提取包括运用 SFE-CO2 萃取工艺对挥发油、生物碱、黄酮类等化合物的提取。张玉祥等 13用 SFE-CO2 提取银杏叶有效成分总黄酮和总内酯，其含量高于欧洲的质量标准。Quan 等 14利用超临界流体萃取技术去除高丽参中的有机氯杀虫剂，结果表明超临界流体萃取法比传统的索氏提取法更快、更有效。2.5 组织破碎提取法组织破碎提取法的基本原理是在室温和适当溶剂存在下，将植物的根、茎、叶、花、果实和种子等物料在数秒钟内破碎至细微颗粒，同时通过实现高速搅拌、振动、负压渗滤 3 种因素的最佳结合，使有效成分迅速达到药材组织内外平衡，通过滤过达到提取目的 15。根据溶质在固液两相间的传质理论，有效成分的提取过程可分为 3 个子过程：(1)有效组分从细胞中溶出,到达药材与溶剂的界面(2)溶出组分穿过界面(3) 溶出组分在溶剂中溶解。为了加快提取过程，可从这 3 方面入手。一般第 1 个过程传质阻力最大，溶出组分要穿过十几层甚至几十层细胞壁，才能到达溶剂界面； 从第 2 过程入手，可以进行搅拌，加快流体湍动，降低边界层厚度，从而加快界面传质；从第 3 个过程入手，可以选择合适的萃取溶剂，增加对有效组分的溶解能力。组织破碎提取法是 20 世纪 90 年代基于第 1、第 2 个过程而提出的。该法的特点：提取速度很快、室温提取无成分破坏、药材成分和溶剂适应范围广、节能环保等。影响提取效果的因素除了前面一般提取技术提到的参数外， 还需要考虑外力参数，如提取器内破碎刀具的内刀片转速等 16。 织破碎提取法是通过闪式提取器来实现的，适用于植物软、硬材料。由于完成一次提取一般在数秒至几分钟，其速度为传统提取方法的百倍以上，因此被称之为闪式提取器。闪式提取器的破碎刀头在设计方面既考虑到使药材达到适当颗粒度利于组织内外的平衡，又不至于因颗粒太细而影响下游的滤过。设计时将破碎颗粒范围控制在 4060 目，由于颗粒细小，与适当溶剂混合，在高速搅拌与振动下，药材内部的化学成分在极短的时间转移至溶剂中并达到平衡，从而实现提取的目的。进行一次提取一般在 1min 左右，即可提取出药材中的70%的成分，滤过后可重复提取 2 次，依次得到剩余的 20%和 10%，如能在抽滤过程中以同样溶剂适当淋洗，可收到更好的效果 17。毕跃峰等 18分别采用加热回流提取、超声波提取和组织破碎提取 3 种方法对丹参中丹参酮 IIA（脂溶性成分）和丹酚酸 B（水溶性成分）进行提取，比较不同的提取方法对丹参酮 IIA 和丹酚酸 B 量的影响。结果表明，组织破碎提取比加热回流提取、超声波提取得到的丹参酮 IIA 和丹酚酸 B 量高，而且省时节能。2.6 半仿生提取法半仿生提取法(Semi-bionic Extraction method,SBE 法)是从生物药剂学的角度将整体药物研究法与分子药物研究法相结合，模仿口服药物在胃肠道的转运过程，采用选定 pH 值的酸性水和碱性水，依次连续提取得到含指标成分高的活性混合物的中药和方剂的药效物质提取新技术 19。半仿生提取法的主要特点,一是提取过程符合中医配伍和临床用药的特点和口服药物在胃肠道转运吸收的特点；二是在具体工艺选择上，既考虑活性混合成分又以单体成分作指标，这样不仅能充分发挥混合物的综合作用，又能利用单体成分控制中药制剂的质量；三是有效成分损失少。总之，它可以提取和保留更多的有效成分，能缩短生产周期，降低成本。在对多个单味中药和复方制剂的研究中，半仿生提取法已经显示出较大的优势和广阔的应用前景。有研究以阿魏酸、苦参碱、苦参总碱及干浸膏为指标，采用半仿生提取法和水提取法对当归苦参丸的提取工艺进行比较研究，经 4 个指标综合评价发现,半仿生提取法优于水提取法。但目前半仿生提取法仍沿袭高温煎煮方式,容易影响许多有效活性成分,降低药效。因此,有学者建议将提取温度改为近人体温度,在提取液中加入拟人体消化酶活性物质,使提取过程更接近于药物在人体胃肠道的转运吸收过程,更符合辨证施治的中医药理论 20。林氏等 21以小檗碱、黄芩苷、栀子苷、总生物碱、总黄酮的含量、干浸膏得率等为指标，采用半仿生法提取法对黄连解毒汤的最佳药材组合方式进行筛选，结果表明,黄连解毒汤以黄连、黄柏与栀子合煎，黄芩单煎的提取方式最佳。2.7 压榨提取压榨法是靠机械外力的作用直接挤压植物组织，使细胞破裂，液体(油脂或汁液)流出。压榨法一般适用于多汁液或多油脂的植物。压榨法按前处理和压榨时的温度的不同分为热榨和冷榨 22,23。压榨提取前需热处理并且灶堂温度很高的称为热榨，无需加热处理且灶堂温度很低者称为冷榨。热榨一般出油率较冷榨高，但热榨对油的质量会有影响。按照挤压方式的不同可分为垂直压榨和螺旋压榨。垂直压榨是间歇式的生产，将物料放入灶堂然后加压，压榨完毕取出废料再进行下一次压榨；螺旋式压榨是一种连接生产，从进口不停的喂料，从出口放出废料。螺旋式压榨一般一次出油不全，可进行 2 次或 3 次重复压榨。压榨提取在中药提取中的研究较少，主要是针对油量高的中药材，与传统溶剂萃取等方法相比，压榨提取不需溶剂，保持原汁原味，避免溶剂残留，产物更安全；压榨速度快，生产效率高；压榨工序少， 操作简单，减少后处理工序 24。压榨提取与超临界萃到相比：生产设备简易，造价低；可进行连续生产，螺旋式压榨提高工作效率；加工能力强；生产成本低。 但是，压榨提取只适用于含油量较多的物料。中药材一般是“干组分”,含油量不是太多，在提取过程中可考虑用水蒸气润湿，提高榨出率。在挤压的过程中，会产生很多热量，可能会使热敏性成分失活和变质。压榨法收率较溶剂萃取法低。一般压榨提取之后，为了进一步回收有效成分，再进行溶剂萃取。压榨提取法技术比较成熟，中药提取生产中也经常使用，但应用不如在糖业、油脂业和纸业等普及 16。公谱等 25采用自制的螺旋压榨机，分别对油棕果穗和果实进行提取，并对所得棕榈油的理化性质进行了检测。结果表明:先将果穗经过杀酵、脱果得到果实，再把果实捣碎、加热后榨取，有利于提高出油率；这对将来棕油小型提取设备和技术的研发具有一定的意义。2.8 连续逆流提取法2.8.1 连续逆流提取原理连续逆流提取是指在提取的过程中，物料和溶剂同时连续运动，但运动方向相反。通过机械传输，连续定量加料，使物料和溶媒充分接触，设备内溶剂不断更新。 植物有效成分的提取过程是一个固液传质的过程，是固相原料向低浓度液相浸出的传质过程。传质过程一般可分为 3 个步骤：（1）溶剂到植物组织细胞内； 细胞内的溶质解析、溶解于溶剂；（3）溶质从细胞内部向外扩散。可见，植物和溶剂中有效成分的浓度差是影响提取过程的主要因素之一，浓度差越大，则浸出传质的推动力越大，传质的速度就越快，有效成分的浸出率越大。对于连续动态逆流提取来说，连续进液和连续出液的过程中，溶剂中存在连续的浓度梯度，从而使提取液可以获得比较快的浸出速度，也可以获得比较高的提取液浓度 26。2.8.2 连续逆流提取的发展近几年出现的槽式连续逆流提取机，拖链式连续逆流提取设备，螺旋式连续逆流提取设备等，其设备形状结构都是在一个平面内构成的，连续逆流提取是整机体积比较大，外观笨重，并且螺旋式逆流提取设备较长，占地面积比较大，这样由于设备长而电机的最大功率有限，导致一部分物料无法带动物料搅拌不均匀 提取率下降。连续逆流提取技术在 20 世纪 90 年代开始应用植物提取后,逐步形成了适应不同提取物、不同溶媒提取的通用设备。通过选择不同提取管直径与长度可以满足不同提取产量的要求。从只能用于水提取,到能用乙醇、醋酸乙酯、三氯甲烷、石油醚等所有有机溶剂。全程实现连续化、自动化。目前,该技术已经成熟。还可以和其他诸如离心、超声等技术组合,效果更好 16。Kim 等 27对螺旋式连续逆流浸取器提取软木中的半纤维素糖进行研究,结果得出连续逆流浸取器不适合较小颗粒的物料,主要是固体物料吸附的溶剂量大,导致了底流反混量的增加,这样就造成浸取效率的降低。3 小结除此之外，空气爆破提取法（AEE） 、常温超高压提取法(UHPE)、免加热提取法（HFE）等其他的提取方法也得到了应用。研发理想的中药提取技术是生产安全、高效、稳定、可控的现代中药产品的关键。目前应关注的问题是，提取新技术的研发多限于单味药，应加强复方中药提取适应性和药效等研究；提取机制认识方面，定性解释或推测较多，需要充分必要的证据支持；多数技术的成熟度还不高，缺乏足够的中试和工业数据支持，需要进一步加强这方面的研发；各种提取方法都有其优缺点，尚缺乏一种理想的中药提取方法；多是单个提取技术的研发，不同提取技术的集成和比较研究不够，缺乏与其他诸如分离技术等的集成研究，应引起重视。中药提取技术有很多种，选择时应从药效、药理、工艺、工程、经济、环保、循环再利用等角度综合考虑为好。理想的中药提取技术应具有提取效率高、有效成分损失小、提取物临床疗效好且质量稳定、工艺简便且操作连续自动和安全、提取时间短、且经济、绿色和环保。参考文献：1 沙宏.中药有效成分提取分离方法研究进展J.黑龙江医药，2004,17（5）：375-377.2 万水昌，王志祥，乐龙等.超声提取技术在中药及天然产物提取中的应用J.西北药学杂志，2008，23(1):60-62.3 钟玲，尹蓉莉，张仲林.超声提取技术在中药提取中的研究进展J.西南军医，2007，9(7):84-87.4 M Romdhane,C Gourdon.Investigation insolid-liquid extraction: influence of ultrasoundJ. 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