皂苷的提取与纯化工艺研究进展-陈明.doc

青海大学天然产物提取工艺学综述 姓名: 陈明 日期: 2016年4月5日皂苷的提取与纯化工艺研究进展摘 要 皂苷的提取和纯化对皂苷的理论研究和有效利用具有重要意义。文章分析了影响皂苷提取、纯化过程的主要因素，介绍了国内外该方面的研究成果，对今后的研究工作提出了一些建议。 关键词 皂苷；提取；纯化；综述Development of Extraction and Purification Technology in Total SaponinsAbstract: The extraction and purification technology is a crucial process for the Saponin production. Recent development of extraction and purification technology and major factors affecting extraction process in the field of the Total Saponins were reviewed in the paper. Keywords: saponins；extraction；purification；review皂苷广泛分布于自然界，包括三萜皂苷和甾体皂苷，因其水溶液振摇后可生成胶体溶液，并有持久性似肥皂溶液的泡沫而得名。其中，三萜皂苷在豆科、五加科、葫芦科、毛茛科、石竹科、伞形科、鼠李科、报春花科等植物分布较多。而甾体皂苷主要分布在薯蓣科、百合科、玄参科、菝葜科、龙舌兰科植物中。经临床及药理证明，皂苷具有抗炎、抗肿瘤、抗菌和抗病毒、降低胆固醇、降血糖和免疫调节等多方面的生物活性和药理作用1-4。由于其提取物往往被认为有效成分含量低、杂质多、质量不稳定，用药多建立在经验的基础上，难以与现代医学接轨。为解决这个问题，研究并优化皂苷的提取与纯化工艺十分必要。1 基本原理及影响因素皂苷的提取是溶剂进入药材，将有效成分从固相转移到液相，再将不溶性固体和溶液分开的过程。由于药材原料结构复杂，提取物为多组分混合物，因此提取过程中，能量消耗大，传质机理复杂，影响因素颇多。一般认为，有效成分在药材中的扩散是决定浸出速率的主要步骤。影响浸出的因素主要有溶剂、温度、压力、粉碎度、料液比与液体的流动状态等。溶剂提取的关键是选择适当的溶剂，“相似相溶”原理是基本依据。溶剂的极性、粘度等物性影响到植物组织中不同物质的浸出速度和溶出度。水和乙醇在皂苷提取中是最常用的溶剂，两者的不同配比混合溶液对皂苷的的浸出影响很大。温度和压力升高，扩散速度加快，浸出速度也加快。但温度过高可能会破坏热敏成分。传统中药生产采用的煎煮是在常压沸点下进行的。但也有报道认为，减压操作有利于提高药材吃水量，使组织疏松，有利于浸出。药材粒度越小，比表面积越大，浸取速度越快。但粒度过小会使杂质浸出量增加，分离提纯困难。固液相对运动速率越高，溶液的湍动越强烈，会导致边界层变薄，更新加快，提高浸出速度。2 提取方法 2.1 水煎煮 皂苷大多可溶于水，易溶于热水，因此可以用水煎煮法提取。徐宝军等5对比分析了桔梗皂苷的几种提取制备工艺，优选出水提醇沉-树脂吸附脱糖脱色法提取制备桔梗总皂苷的最佳工艺。钟露苗等6取8倍、6倍量的水，浸泡1.5h，先后回流 1 h、0.5 h，提取了黄花倒水莲总皂苷。水提法工艺成本低、安全，适合工业化大生产，但是用水提取时，提取液中杂质较多(如无机盐、蛋白质、糖等)，给进一步分离带来许多麻烦。 2.2 渗漉法 渗漉法是一种较好的提取方法，该法设备简单，操作安全，节能降耗，减少成分破坏，有煎煮法不可比拟的优点，渗漉法不断添加新溶剂，造成良好的浓度差，使扩散能较好地进行，故浸出效率较高，浸出液较澄清。闫光军等7采用渗漉法提取了三七总皂苷，取得较佳的生产工艺，杨献文8等用乙醇渗漉提取了麦冬总皂苷。 2.3 回流法 热回流提取法可以减少溶剂的消耗，提高浸出效率，在皂苷的提取中应用较多，使用溶剂一般为乙醇、甲醇、正丁醇等。该法是在沸点温度的三相传递过程，改变了加热和传质形式，导致传质系数和溶出量的大幅提高，测定的结果更为准确，索氏提取是该法常用的装置。芦金清等9用甲醇冷浸15 h后索氏提取6 h来提取桔梗总皂苷并测定含量。 2.4 浸渍法 浸渍法操作简单，但耗时较长且提取效率不高，主要应用于提取那些遇热易破坏的总皂苷。王丹等10采用正交实验设计法结合薄层扫描测定比较了回流法、冷浸法、水提醇沉法这三种从女贞子中提取红景天苷的方法，最终确定提取工艺为：用4倍药材量的70%乙醇浸泡48 h，提取三次。高素莲11等将经 95 %乙醇浸渍提取后的药渣再用10% 乙醇浸渍2次，每次48 h合并以提取甘草总皂苷。 2.5 超声提取法 超声波是一种高频机械波。频率范围在1560 kHz 的超声，常被用于过程强化和引发化学反应。超声场主要通过超声空化向体系提供能量，瞬间空化可实现5000 的高温和50 MPa的局部高压。超声波产生的强烈震动、高的加速度、强烈的空化效应、搅拌作用加速溶剂渗入药材中，促使皂苷溶解，此法程序简单、操作简便、对设备要求不高，提制时间大大缩短，已被许多中药分析过程选为供试样处理的手段。李华等12以大豆废渣为原料，大豆皂苷产率为评价指标，采用索氏提取法、超声波法、超声波与有机溶剂联合提取法进行了提取分离大豆皂苷的实验研究。实验考察了超声功率、时间、温度、料液比对大豆皂苷产率的影响，结果表明，超声法不仅提高了皂苷的提取率和节省提取时间，且对大豆皂苷的抗氧化活性无显著影响。 2.6 微波辅助提取技术 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。皂苷大多可溶于水，易溶于热水，因此利用微波强化浸取皂苷是颇具发展潜力的一种新型辅助提取技术13-14。龚盛昭等15以95 %乙醇为溶剂得到了微波提取黄芪皂苷的最佳工艺条件：液料质量比为141，微波功率300 W提取 2次，每次提取4 min。与直接加热提取法相比，微波提取能大大缩短提取时间，降低提取剂用量，并能提高黄芪皂苷产率。刘忠英等16利用高压微波提取法、常压回流微波提取法、流动微波提取法和索氏提取法提取中药刺五加中黄酮和皂苷类化合物，考察各种提取方法提取效率随时间的变化。结果表明：与索氏提取法比较，微波提取法提取黄酮和皂苷，提取时间大大缩短且提取效率显著提高。一般认为，微波辅助提取技术的主要机理是热效应和非热效应，尤以热效应特别明显，水、乙醇等中药提取常用溶剂在微波作用下均升温明显。微波能同时直接传递给提取液中的各分子，可以使整体快速升温，加热效率很高，同时在微波的辐照下，物质分子吸收电磁能高速振动而获得较高的能量。在这两种作用下，试样表层不断被搅动和破裂，因而迅速溶解。微波辅助提取的研究表明，微波辐射诱导萃取技术具有选择性高、操作时间短、溶剂耗量少、有效成分得率高的特点，已被应用于有机污染物的提取、天然化合物及生物活性成分的提取等方面。但是微波泄露对操作者影响很大，这些对微波辅助提取技术的研究与应用带来了一定的困难，同时实验用微波装置设计的好坏对能否得到有价值的结果影响甚大。 2.7 CO2超临界萃取工艺 超临界萃取技术是一种环境友好的提取方法，是当前分离技术新的发展方向，利用此法提取皂苷的报道很多17，葛发欢等18报道用CO2超临界萃取法从盾叶薯蓣中提取薯蓣皂苷的研究，其萃取皂苷的条件为：萃取压力29 MPa，温度55 ；分离方法一为压力10 MPa，温度60 ；分离方法二为压力5.6 MPa，温度45 ；分离柱压力18 MPa，温度为70 ；CO2流量为每千克原料每小时12 g；萃取时间3 h时；夹带剂为药用酒精。和传统方法比较，收率提高了1.5倍，生产周期大大缩短，且成本相差不大。超临界CO2流体萃取法是近年来发展的一项化工分离技术，与传统提取法相比，具有操作温度低、分离效率高、无溶剂残留等优点，由于CO2无毒，用超临界CO2流体萃取的产物无溶剂残留，因此超临界CO2流体萃取法特别适用于天然产物的分离和精制。但是此法存在设备一次投资过大的缺点，对生产设备的工艺要求较高，难以推广利用，但其高选择性、高收率、低毒害仍是其它方法不能比拟的。 2.8 超高压提取技术 超高压提取技术是一种全新的天然产物有效成分提取技术，它是利用100 MPa以上的流体静压力作用于料液上，保压一段时间，然后迅速卸压，进行分离纯化，达到提取的目的。陈瑞战等19研究并确定了超高压提取人参中人参皂苷的最佳工艺参数为：提取溶剂为50 %乙醇，固液比为175，提取压力为500 MPa，提取时间 2 min，人参皂苷的得率高达7.76 %。此外，张守勤等20将超高压提取技术与回流法、超声法、超临界CO2法比较说明超高压提取工艺具有提取效率高、时间短、能耗低、杂质含量少等优点。 3 精制纯化方法 3.1 正丁醇萃取法 利用皂苷在含水正丁醇中有较大溶解度的性质，成为目前提取精制皂苷的通法的基础。文永盛等21考察了在不同温度下采用正丁醇提取人参皂苷的提取效果李成等22采用此法精制了两头尖总皂苷。 3.2 甲醇或乙醇提取-乙醚或丙酮沉淀法 利用在醇中溶解度大，在丙酮、乙醚中溶解度小而沉淀出来的性质可纯化皂苷。秦民坚等23采用此法提取得到了匙羹藤叶总皂苷。吴晓斌等24采用乙醇提取，AB-8大孔吸附树脂分离、乙醚-丙酮分步沉淀制得纯百合皂苷。 3.3 异丙醇溶解重结晶法 本法利用了皂苷在异丙醇中溶解度较大的性质，重结晶纯化皂苷，为一种常用的提纯方法。梁静谊等25在研究中用过此法提取皂荚皂苷。 3.4 水提醇沉法 徐宝军等26对比分析了桔梗皂苷的几种提取制备工艺，通过实验研究优选出桔梗总皂苷的最佳提取制备工艺，即水提醇沉-树脂吸附脱糖脱色法。本制备工艺流程简单，产率高，减少了工作量和溶剂的浪费，适合实验室和工厂大量的制备生产，并可推广到其它含皂苷类中草药的制备生产。 3.5 柱色谱分离法 采用以上几种方法，除一些比较简单的皂苷可分离得到单体外，一般都只得到较纯的总皂苷。若需要更进一步的分离，一般采用层析法。目前广泛采用湿法柱层析，多用中性氧化铝、氧化镁或硅胶为吸附剂，用混合溶剂洗脱，可以精制皂苷。高卫华等27用氧化镁吸附杂质后，再用氧化铝-大孔树脂混合柱净化处理样品，采用双波长薄层扫描法测定降糖合剂中黄芪甲苷的含量。林爱琴等28采用有机溶剂法从仙人掌中提取皂苷化合物，用硅胶柱层析与Sephadex G-75柱分别进行分离纯化，得到纯品。 3.6 大孔吸附树脂法 大孔吸附树脂是一类不含交换基团且具有大孔结构的高分子吸附剂，在中药成分精制纯化中的应用很广泛，大孔树脂近年来也广泛用于皂苷的纯化，显示了独特的作用。蒋小军等29应用大孔吸附树脂法提取分离刺楸中的皂苷成分，并与正丁醇提取比较，结果显示产品得率高、外观颜色好，且成本低、操作简便易行、具有实用性。此外此法在桔梗总皂苷、黄芪总皂苷、三七总皂苷、茅莓总皂苷的纯化均有报道。3.7 膜技术 膜技术使用微滤膜、超滤膜、纳滤膜来分离得到物质，具有高效、过程基本无相变、可在常温下运作及工艺简单、操作方便、投资省等优点，已成为一项新兴的用于澄清、分离和浓缩等方面的绿色节能技术。肖文军等30利用微滤澄清、超滤除大分子、纳滤分离、纳滤浓缩等膜技术突破常规技术分离七叶参皂苷的技术瓶颈，分离得到了七叶参皂苷。3.8 水提取技术 现代水提取与传统方法区别甚大，具有独创性，整合了生物酶、工程技术、絮凝技术、膜分离、大网格组合大孔吸附树脂在提取、分离上的应用。通入蒸气，用纯水在反应罐中提取，利用生物混合酶及处理剂可有效地使目标物分解溶出，控制非目标物的溶出，破环淀粉类物质，利于过滤，配合沉淀剂，产生絮凝，达到脱色，净化，目标物和非目标物的液、固分离得到很好的效果，用膜筛分、浓缩和精制大分子物质和低分子物质，用大网格组合大孔吸附树脂纯化、脱色、分离得总皂苷。这种技术系统集成后工艺流程非常适合规模化、环保型生产，是一项应用性创新技术。王兴文31用此技术提取了三七皂苷。 3.9 高速逆流色谱法(HSCCC) 高速逆流色谱是一种不用固态支撑体或载体的液液分离色谱和能实现连续有效分离功能的实用新型分离技术32。液滴逆流层析法分离效能高，有时可将结构极其相近的成分分开，近年来广泛用于分离纯化皂苷，其主要优点是没有固体吸附剂，不存在被分离物质的不可逆吸附，因此对分离纯化微量且生理活性很强的化合物尤其是极性化合物特别有意义。Xin Zhou 等33采用 HSCCC 和半制备高效液相色谱(HPLC)从短瓣金莲花中分离纯化制得三种黄酮苷：苷荭草苷、牡荆黄素和槲皮素-3-o-新陈皮糖苷。 4 结论与展望 综上所述，目前实际生产提取皂苷类化合物采用的仍主要是煎煮、回流提取，联合利用超滤技术或大孔吸附树脂等措施纯化。近年来一些新分离技术已开始引入皂苷提取的研究和开发，如超临界流体萃取、超声场强化、微波辅助提取技术等。许多研究结果表明，与传统方法相比，这些技术有产率高、纯度高、速度快、物耗能耗少等特点，有着广阔的研究和应用前景。现在的研究工作也有很大的局限性，以上所述任何一种方式的研究，主要是对特定工艺的简单改进，仍有大量的工作要开展，这需要引起相关专业学者的广泛重视。因此，我们需将化学工程的概念、化学工程的理论引入皂苷提取分离过程，利用已有的研究成果，结合实际生产的具体情况，从基本影响因素的研究入手，对工艺流程、生产设备、操作条件作全面改造和细致摸索，给出可行的设计，进而进行小型工业设备的设计，以使这些先进的提取和精制手段在皂苷的规模化生产中发挥更大的作用。参考文献1 Sun Y X，Li M Q，Liu J CHaemolytic activities and adjuvant effect of Anemone Raddeana saponins (ARS) on the immune responses to ovalbumin in miceJInternational Immunopharmacology，2008，8(8)：1095-1102 2Wang H，Gao J，Kou J，et alAnti-inflammatory activities of triterpenoid saponins from Polygala japonicaJPhytomedicine，2008，15(5)：321-326 3于海荣穿山龙总皂苷含药血清对小鼠脾淋巴细胞增殖及 IL-6 产生影响的实验研究J江苏中医药，2007，39(1)：57-58 4蒋蔚峰，陈建宗，张娟，等荔枝核总皂苷体外抗乙型肝炎病毒的作用J第四军医大学学报，2008，29 (2)：100-103 5徐宝军，郑毅男桔梗总皂苷制备工艺研究J大连大学学报，2000，21(2)：77 6钟露苗，夏新华，李波五种大孔吸附树脂对黄花倒水莲总皂苷吸附与脱吸附性能的初步考察J中成药，2004，26(6)：446 7闫光军，陈建，邵明杰渗漉法提取三七总皂苷的工艺研究J山东医药工业，2003，5：4-5 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