近年来,随着人们对天然产物的药用和营养价值认识的逐步深入,世界范围内掀起了天然产物中活性成分研究的热潮,国家自然科学基金资助项目中就有多项是关于此课题的研究。然而天然产物的成分十分复杂且有些物质含量甚微,提取时又要求活性成分不能被破坏,溶剂萃取等传统提取方法已远远不能满足对天然产物进行深入研究的需要。如何快速、有效地将活性成分提取出来以及对提取物的进一步分离纯化已成为天然产物研究的“瓶颈”,特别是近年来人们环保意识的迅速提高和国家可持续发展战略的施行,更使得开发新的天然产物提取技术成为大势所趋。目前,科学工作者在对传统方法进一步改善的同时,又发展出了多种新的提取技术。本文仅就活性成分的提取特别是超临界流体萃取等新兴技术作一综述.
1 传统方法 对天然产物中活性成分进行提取,最常用的是溶剂萃取法。所用溶剂包括水和有机溶剂:水能够溶出的成分较多,导致后处理困难;有机溶剂分亲水性和亲脂性两种,选择性好,但挥发性大且一般有毒。提取方法主要有浸渍、渗漉、煎煮、回流和连续提取:浸渍和渗漉简单易行,一般在常温或温热条件下操作,适于热不稳定成分的提取,但溶剂消耗量大,费时长,提取效果差;水煎煮法是我国最早使用的传统方法,大部分成分可被不同程度的煎出,但具有挥发性以及遇热易破坏的成分不宜用此法;用易挥发的有机溶剂加热提取,则需采用回流法;为了弥补回流提取中溶剂消耗量大,操作麻烦的不足,可采用连续提取(又称索氏提取)法,这是溶剂萃取中最常使用的方法,提取效率较高,但提取液受热时间长,热不稳定成分易分解。近来发展的自动索氏提取,将高温渗漉与常规索氏提取相结合,溶剂用量比常规索氏提取少一半,且所需时间大幅度缩短。 水蒸气蒸馏也是一种常用的提取方法。被提取的成分应具备以下条件:具有挥发性,沸腾期间与水长时间共存而不发生化学变化,难溶或不溶于水。 显而易见,上述传统方法具有许多缺点:(1)大量使用有机溶剂,产生的废液废渣严重污染环境,且不可避免的溶剂残留会影响产物的质量和稳定性。(2)提取效率低、步骤多、选择性差,较难实现自动化或联用。(3)提取温度高,时间长,使得能耗大且易造成热敏性成分分解和挥发性成分损失。因此,发展快速、高效、尽量不用或少用有害试剂、将环境污染减到最低限度的绿色样品处理技术已成为该领域科学工作者追求的目标。
2 新兴提取技术 2.1 超临界流体萃取 超临界流体萃取法(supercriticalfluidextraction,SFE)是近二、三十年来迅速发展起来的一项新技术,目前在我国主要用于天然产物中有效成分的提取。超临界流体是指处于临界温度和临界压力以上的既非气态又非液态的物质,它兼有液体和气体的优点:其密度与液体接近,而密度与溶解能力基本成正比,所以它和液体一样,很容易溶解其它物质;同时它的粘度和表面张力很小,只是略高于气体,这使得溶质在其中的扩散系数要比在液体中大得多。在临界点附近,超临界流体的温度和压力发生微小变化即可导致溶质的溶解度发生几个数量级的变化。根据这一特性,可通过控制体系的温度和压力,使各种待萃取组分按它们在超临界流体中的溶解度大小先后提取出来,并得到初步分离。 最常用的超临界流体为CO2,它的化学性质不活泼、无毒无味、价格适中且具有较低的临界温度和临界压力,是萃取小分子、低极性、亲脂性物质的理想溶剂。但对于糖苷、多萜等极性或大分子化合物则显得无能为力,加入极性改性剂可使CO2的溶解性和选择性得以改善。但如何将超临界流体萃取的应用范围扩大到极性甚至离子型物质仍是该技术今后发展的重要方向之一。 基于上述原理可见,SFE技术与传统提取方法相比具有以下优点:(1)萃取时间短,可由传统溶 剂萃取的几小时甚至几天缩短为数十分钟。 (2)新鲜流体被不断通入,不必存在液相分配平衡问题,所以萃取效率高,几乎可实现目标成分的全部提取。 (3)可根据被提取组分的性质,通过改变温度和压力以及夹带剂实现高选择性提取。(4)通过减压释放CO2来收集萃取物,可省去传统提取的某些分离、精制和浓缩步骤,简化了工艺流程。(5)低温操作(40℃左右),适于对热敏性物质进行研究;并且低温可防止提 取出的物质相互作用,能最大程度的保持各组分的原有特性,为明确真正的有效成分提供了方便。(6)超临界流体萃取不使用或很少使用有机溶剂,CO2无毒无色无味,不易燃烧,顺应目前大力发展绿色化学的趋势。且CO2常温常压下为气体,无溶剂残留问题,这使得生产绝对安全健康的纯天然产品成为易事。(7)可实现与色谱等分析仪器的在线联用,实现有效成分的快速、准确分析。 袁海龙等用超临界CO2萃取何首乌中蒽醌类成分,通过与超声提取法对比,认为前者耗时短,提取率高,后处理过程简单。杨苏蓓用超临界CO2提取分离了五味子中木脂素等成分,通过与有机溶剂提取法对比,也认为超临界CO2萃取法具有上述优点。陈从贵等在对银杏叶药用成分提取分离的工艺研究中,将超临界CO2萃取与传统溶剂浸取相结合,既降低了生产成本,又使产品质量得以提高。用超临界流体萃取2硅胶柱收集联用提取蓬莪术挥发油中的有效成分,可将莪术二酮的相对含量提高3倍多。郑尚珍等用超临界CO2萃取法研究旱柳叶精油时,对个别组分使用最佳改性剂,可使提取出的精油香气清新自然,避免了蒸馏和溶剂萃取法可能产生的氧化反应和有毒溶剂残留。邓启焕等以甲醇作改性剂,用超临界CO2萃取了银杏叶中的有效成分,并建立了一套小试中试装置,所得产品的质量高于国际公认标准。KeiichiSuto等用超临界CO2提取白术中的有效成分,用时仅为15s,萃取物直接与超临界流体色谱柱在线联用进行分析。与传统溶剂萃取法相比,样品用量少,且避免了被萃取物的氧化和转移损失,回收率提高了30%。 尽管SFE技术具有许多现有其它方法无法比拟的优点,但就目前实际而言,该技术还存在着一定的局限性:基础研究尽管取得了很多进展,但远远不够成熟。强极性和大分子量成分如何提取,实验室的初步研究成果如何扩大到工业规模生产等问题亟需解决。此外,SFE技术使用高压设备,原始投资大,运行起来技术含量高等问题也使得该技术难以普及。
2.2 微波辅助萃取 微波辅助萃取(microwave2assistedextraction,MAE)是利用极性分子可迅速吸收微波能量的性质,将样品放在不吸收微波的样品杯中,加溶剂后置于密封的萃取罐中进行萃取。天然植物的有效成分往往包埋在细胞壁或液泡内,植物细胞壁主要是由纤维素构成的,具有一定的硬度,是植物有效成分提取的主要屏障。微波辐照导致细胞内的极性物质尤其是水分子吸收微波能量而产生大量的热,使细胞内温度迅速升高,液态水经汽化产生的压力可将细胞膜和细胞壁冲破,形成微小孔洞。进一步加热,细胞内部和细胞壁水分减少,细胞收缩,表面出现裂纹。孔洞和裂纹的存在使细胞外液体易于进入细胞内,溶解并释放细胞内产物。最近发展起来的动态微波萃取,由于萃取时随时引入新鲜溶剂,使得萃取效率更高,导出的萃取液与分析仪器在线联用,易于实现自动化。 MAE技术具有下列优点:(1)微波具有很强的穿透力,可使反应物内外部分同时均匀、 迅速地加热,故萃取时间短,效率高。(2)选择性好。基于结构不同的物质吸收微波能力不同的性质,可实现待测组分的选择性加热,进而与基体分离。(3)可利用在非极性溶剂中加适量极性溶剂的方法来控制微波吸收能力的大小进而控制温度。(4)密封操作能保证溶剂不损失,对环境友好。(5)可同时萃取多个样品。 以水为萃取剂,微波辅助萃取银杏黄酮苷的平均提取率比常规水提法提高40%,时间缩短了一半。杨俊红等用索氏提取和微波提取对甘草、槐花和灵芝中的有效成分进行了研究,结论是后者的提取率、提取速度和所需时间分别是前者的1.4、27.4和119.4倍,微波提取的温度是78℃,而索氏提取的温度为110℃。用微波浸提与水蒸气蒸馏联用从山苍子中提取柠檬醛,所用时间仅为传统水蒸气蒸馏的1/4,所得精油中柠檬醛含量提高6.14%以上。张熊禄等采用微波加热法从茶叶中提取茶多酚,通过考察提取温度、提取时间等条件对浸取率的影响,发现与传统水浸取相比,微波加热法省时、省能源,可以防止茶叶中有效成分的破坏和损失。 微波辅助提取的效果似乎更依赖于被提物的基体,在微波作用下,富含水的部位优先破壁,而含水少的部位则比较落后,甚至使提取难以进行。另外,尽管微波提取使有效成分含量提高的报道较多,但微波对有效成分的活性有无影响尚需进一步研究。
2.3 超声提取 超声提取是一种利用外场介入强化提取过程的技术。超声波具有三大效应:超声波使介质质点在其传播空间内产生振动,从而强化介质的扩散和传质的效应为其机械效应。所谓空化效应是指超声波使介质中溶解的气泡产生振动,当声压达到一定值时,气泡由于定向扩散而增大,形成共振腔,然后突然闭合,使其周围产生高达几千个大气压的压力,造成植物细胞壁及整个生物体在瞬间破裂,释放出有效成分。热效应是指超声波在传播过程中,声能可以不断被介质所吸收,吸收的能量几乎全部转变为热能,从而导致介质本身和待萃取成分温度升高,增大了有效成分的溶解度。这种吸收声能引起植物组织内部温度的升高是瞬时的,因此可使被提取成分的生物活性保持不变。此外,超声波的一些次级效应,如乳化、扩散、击碎、化学效应等也促进了植物中有效成分的溶解、扩散和与溶剂的充分混合。
与常规溶剂提取法相比,超声提取技术不需加热,耗时短、提出率高,不影响有效成分的生理活性,适于热敏性物质的提取。用不同强度的超声波从益母草中提取总生物碱的实践结果表明:超声提取与常 规回流法比较,无需加热,且平均提出率高,其中以超声强度为0.5Wcm2 ,提取时间为40min时提出率最高。王延峰等研究了银杏叶黄酮的超声提取法,并与索氏提取作了比较,结果表明超声提取法优于索氏提取法。用超声法提取新疆枸杞多糖,收率提高了30%,提取时间缩短5倍以上,并且整个过程无需加热,避免了多糖的分解,所以超声提取某些热敏性成分是最有效的方法之一。 超声提取不需复杂设备,是具有较好应用前景的天然产物提取技术之一。目前,人们对超声提取的研究都是在实验室规模针对某些具体提取对象进行的简单工艺条件实验,对其作用机理和动力学模型进行深入探讨,建立一套通用模式,进行工程放大是这种技术今后要解决的主要问题。
2.4 酶解技术 前已述及,坚固的植物细胞壁是提取有效成分的主要屏障。特别是当植物中含有大量黏液质、果胶、淀粉时,这些成分一方面影响植物细胞中活性成分的浸出,另一方面也影响提取液的澄清度。如选用恰当的酶,通过酶反应使细胞壁的组成成分和黏液质等杂质成分水解或降解而除去,则可加速有效成分的释放提取。这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。 薛伟明等利用纤维素酶、果胶酶对植物材料结构成分进行降解,当一步酶法提取达到平衡后,选择适宜溶剂对所得渣质进行二步溶剂提取。该提取工艺可以分步提取植物材料中溶解性能差异较大的有效成分,而且充分利用了植物资源。为了保持茶多糖的活性,采用低温水提和酶提二次结合法提取茶多糖。相对水提法,酶法的多糖提取率分别增加了63.3%和98.9%,采用酶法提取的茶多糖具有较强抑制Α2淀粉酶活力的能力。梅长松等用纤维素酶提取松针中的天然香料,确定了酶法提取松针叶中有效成分的最佳工艺条件。与普通水提取法相比,酶法条件温和,提取率可以提高40%以上。
2.5 加速溶剂萃取 加速溶剂萃取(acceleratedsolventextraction,ASE)是在较高的温度(50~200℃)和压力(10.3~20.6Mpa)下用溶剂萃取固体或半固体样品的全新的处理方法。加速溶剂萃取的运行程序是先加溶剂(即样品在溶剂包围之下)再加温,而且在加温的同时加压(即在高压下加热),高温的时间一般小于10min,因此热降解不是很明显。ASE法具有溶剂用量少、萃取时间短、回收率和精密度高等优点。 目前,加速溶剂萃取法的主要应用领域是环境分析和农残分析,但它无疑会成为天然产物中活性成分提取较有应用前景的方法,因为它既可萃取出非极性组分,也可萃取出极性组分。
3 结束语 综上所述,人们在传统提取方法的基础上已发展了多种新型提取技术。通常对提取物的要求应是安全有效、稳定可靠。然而传统方法生产出的产品,因存在溶剂残留问题,很难达到上述要求。超临界流体萃取技术因不使用或很少使用有机溶剂,所以能在很大程度上使问题得以解决。此外,该技术容易实现连续操作,适合大规模工业生产的要求。所以从长远来看,超临界流体萃取无疑是最有广泛应用前景的提取技术。 每种方法都只能适合于一定的情况,所以应根据目的产物的理化性质来选择合适的提取方法。既要发展新方法,也要重视对传统方法的改进,将多种方法联合起来、取长补短乃是未来发展之方向,前面提及的许多例子就是将传统方法与新方法成功结合的典范。 用各种方法得到的提取液仍然是混合物,具有许多稳定和不稳定因素,尚需进一步的分离纯化和浓缩。在此过程中,仍然要注意消除不稳定因素,保持成品的稳定性。 |