天然药物提取与分离技术

1基本概念,天然药物,中药,天然药物是指动物、植物、和矿物等自然界中存在的有药理活性的天然产物。 天然药物不等同于中药或中草药 。包括植物、动物、矿物、海洋生物以及微生物等多种物质天然药物化学（medicinal chemistry of natural products）是运用现代科学理论与方法研究天然药物中化学成分的一门学科。,中药是在中医药学理论体系指导下的用药。中药是中医千百年来医疗实践的产物。 中药化学是一门结合中医药基本理论和临床用药经验，主要运用化学的理论和方法及其它现代科学理论和技术等研究中药化学成分的学科。,2相关概念,1）单体： 即化合物。指具有一定分子量、分子式、理化常数和确定的化学结构式的化学物质 。2）有效成分：具有生物活性、能起防病治病作用的化学成分。 3）无效成分：没有生物活性和防病治病作用的化学成分。 4）有效部位：在中药化学中，常将含有一种主要有效成分或一组结构相近的有效成分的提取分离部分，称为有效部位。如人参总皂苷、苦参总生物碱、银杏叶总黄酮等。5）有效部位群：含有两类或两类以上有效部位的中药提取或分离部分。 6）一次代谢产物：也叫营养成分。指存在于生物体中的主要起营养作用的成分类型；如糖类、蛋白质、脂肪等。7）二次代谢产物：也叫次生成分。指由一次代谢产物代谢所生成的物质，次生代谢是植物特有的代谢方式，次生成分是植物来源中药的主要有效成分。,3天然药物及中药化学成分简介,(1) 生物碱：为一类存在于生物体内分子中含有氮原子的有机化合物的总称；一般具有碱性，可与酸成盐。游离生物碱具亲脂性；生物碱盐具亲水性。 (2) 苷类：为一类经水解后可产生糖和非糖两部分的化合物。非糖部分叫苷元。苷具亲水性，苷元具亲脂性。 (3) 挥发油：为一类可随水蒸气蒸馏出来的与水不相混溶的油状液体的总称。具有香味或特殊气味的中药往往都含有挥发油。挥发油具亲脂性。 以上三类为主要的有效成分类型。,(4) 糖类：为中药中普遍存在的成分类型，包括单糖、低聚糖、多糖。单糖是糖的基本单位；低聚糖是由29个单糖脱水缩合而成的化合物。多糖是由10个以上至上千个单糖脱水缩合而成的高聚物。 (5) 有机酸：广义的有机酸泛指分子中有羧基的化合物。在植物中多以金属离子或生物碱盐的形式存在。按分子大小又分为小分子有机酸和大分子有机酸。前者极性大，具亲水性；后者极性小，具亲脂性。 (6)树脂：为植物组织中树脂道的分泌物。性脆，受热时先软化而后变为液体，燃烧时发生浓烟并有明火。树脂具亲脂性。按结构又分为树脂酸（主要为二萜酸、三萜酸及其衍生物）、树脂醇（分子中具羟基）、树脂烃（为一类结构复杂的含氧中性化合物）类。,(7) 氨基酸、蛋白质和酶：氨基酸：分子中含有氨基的羧酸。构成蛋白质的多 为-氨基酸。为亲水性。在等电点时，溶解度最小。蛋白质、多肽：蛋白质为二十多种-氨基酸通过肽键首尾相连而成的高分子化合物，多肽亦为。但二者分子量不同，一般将分子量在5103以下称为多肽，而介于51031107之间称为蛋白质。蛋白质在冷水中溶解且成胶体，在热水、60%以上乙醇及其它有机溶剂中变性沉淀。酶：是有机体内具有催化作用的蛋白质，其催化作用具有专属性，如特定的酶可催化水解特定的苷。酶的性质和蛋白质相同。,(8) 鞣质：又称单宁或鞣酸，为一类分子较大、结构复杂的多元酚类化合物的总称。可与蛋白质结合成难溶于水的鞣酸蛋白。为亲水性物质。 (9) 植物色素：为植物中具有颜色的成分的总称。依溶解性又分为水溶性和脂溶性色素；前者主要指一些有颜色的苷、花青素，后者主要包括叶绿素、胡罗卜素等 (10) 油脂和蜡：油脂为一分子甘油和三分子脂肪酸脱水结合形成的酯。主要在种子中。常温下为液体。蜡为高级不饱和脂肪酸和一元醇生成的酯。主要在植物茎、叶的表面。常温下为固体。均为亲脂性成分,还原型辅酶，学名烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,成分类型 水 醇类 亲脂性有机溶剂游离生物碱 + +生物碱盐 + + 苷类 + + 苷元 + + 挥发油 + +糖类（单糖低聚糖） + （多糖） 有机酸（大分子） + + （小分子） + + 树脂 + +氨基酸 + + 蛋白质、酶 鞣质 + + 色素（亲水性） + + （亲脂性） + + 油脂、蜡 + + ：单糖：无水醇难溶；多糖；对醇60%以上难溶。蛋白质、酶：对水热水沉淀；对醇60%以上沉淀。,4 提取技术,4.1 提取原理 相似相容原理4.2 提取过程,浸润与渗透阶段,解析与溶解阶段,溶出与扩散阶段,dt为扩散时间；ds为在dt时间内物质（溶质）扩散量；F为扩散面积，代表药材的粒度及表面状态；dc/dx为浓度梯度；D为扩散系数；负号表示扩散趋向平衡时浓度降低。,R为克分子气体常数，T为绝对温度，N为阿伏加德罗常数，r为扩散物质（溶质）分子半径，为粘度,影响浸提的因素药材粒度药材成分浸提温度 浸提时间浓度梯度溶剂pH值浸提压力新技术应用,4.3 化学成分的极性,被提取成分的极性是选择提取溶剂最重要的依据。 1 影响化合物极性的因素： (1) 化合物分子母核大小（碳数多少）：分子大、碳数多，极性小；分子小、碳数少，极性大。 (2) 取代基极性大小：在化合物母核相同或相近情况下，化合物极性大小主要取决于取代基极性大小。 常见基团极性大小顺序如下；酸酚醇胺醛酮酯醚烯烷。,判断下组化合物极性大小,数量繁多，结构千差万别，所以极性问题很复杂,4.4提取溶剂的选择原则,（1）要对所提取成分溶解度大；对杂质溶解度小。（2）要与所提取成分不起意外的化学变化（3）要廉价、易得、安全。 其中（1）是最主要的。,5.提取溶剂的选择,（1）水： 为极性最大的溶剂，也最常用。可溶解苷类、生物碱盐、糖类、蛋白质、氨基酸、鞣质、小分子有机酸、有机酸盐、亲水性色素、无机盐。其中蛋白质不溶于热水。 缺点：用水提取易酶解苷类成分，且易霉坏变质。某些含果胶、粘液质类成分的中草药，其水提取液常常很难过滤。沸水提取时，中草药中的淀粉可被糊化，而增加过滤的困难。故含淀粉量多的中草药，不宜磨成细粉后加水煎煮。 （2）亲水性的有机溶剂： 以乙醇最常用。乙醇的溶解性能比较好。亲水性的成分除蛋白质、粘液质、果胶、淀粉和部分多糖等外，大多能在乙醇中溶解。 优点：应用范围广，易过滤，不霉变，易浓缩回收。 缺点：价高、不安全，需回流设备,4.5 提取溶剂的选择,（3）亲脂性的有机溶剂：这些溶剂的选择性能强，用于亲脂性成分的提取，如游离生物碱、苷元、挥发油等。 优点：提取专属性强，易回收浓缩。 缺点：价高、易燃、有毒，穿透性差；对设备要求高。,4.6 提取方法,（1）浸渍法： 也叫冷浸法。将药材粗粉以适当溶剂在常温下浸泡。多以水类或稀醇为溶剂。适于成分遇热易破坏或含多糖较多的中药的提取。缺点为浸出效果较差，水提取液易发霉，提取液体积大，浸出时间长。,（2）渗泸法：将药材粗粉装于渗泸筒中，不断添加溶剂渗过药粉，从渗泸筒下端不断流出渗泸液。各类溶剂均可。此法由于溶液浓度差大，浸出效果好，且不破坏成分。但缺点为溶液体积大，时间长。,（3）煎煮法：为中药水提取最常用的方法。将中药粗粉用水加热煮沸，保持一定时间，成分即可浸出。煎煮法必须以水为溶剂。此法提取效率高，但遇热破坏成分要注意。且含多糖多的成分过滤困难。,（4） 回流法： 用于以有机溶剂加热提取成分。优点为提取效率高，但受热易破坏成分不宜用此法。缺点为溶剂消耗量大，需回流设备，需几次提取方可提取完全。,（5） 连续回流法： 以索氏提取器（亦称脂肪抽出器）回流提取。克服了回流法溶剂需要量大、需几次提取的缺点。缺点为提取时间长，受热破坏成分不能用此法。,4.7 提取新技术-超临界萃取法SFE,（1） 特点：与经典溶剂提取法比较，不用有机溶剂，而是选用一种称为超临界流体（SF）的物质替代有机溶剂提取。（2 ）优点： 可在低温下提取，“热敏性”成分尤其适用。 无溶剂残留，对作为制剂的中药提取物的提取是一大优势。 提取与蒸馏合为一体，无需回收溶剂。 具选择性分离。,（3 ）超临界流体（SF）：指处于临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上，介于气体和液体之间的、以流动形式存在的物质。 超临界状态是指当一种物质处于临界温度和临界压力以上的状态下，形成既非液体又非气体的单一状态，称为“SF”。此时其流体密度近似液体、黏度近似气体，其扩散力比液体大增，介电常数也随压力增加而增加。其浸透性优于液体，因而比液体有更佳的溶解力，有利于溶质的萃取，特别是性质不稳定、易热分解的物质的提取。,(4)二氧化碳的特点：临界温度接近室温（Tc=31.3），临界压力也较低（Pc=7.37Mpa），无色、无毒、无味，不易燃，化学惰性，廉价，易制成高纯度气体。故在SFE中最常用。 (5)二氧化碳-超临界流体的溶解能力规律： 在超临界状态下，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大。其取决于溶质的极性、沸点、分子量。对亲脂性、低沸点成分溶解能力强，如挥发油、烃类、醚类、酯类等。成分极性基团（如OH、COOH）越多，越难提取。如糖类、氨基酸的萃取压力要4104Pa以上。成分分子量越大，越难提取。,微波萃取技术,微波萃取的展望：一、进一步探讨微波萃取机理 鉴于基体物质和萃取物质的复杂性，在萃取机理方面还有大量工作需要做，因为搞清机理将进一步促进微波在天然产物萃取中的应用。,微波萃取技术的原理,Pare等提出假设：微波透过对微波透明的溶剂，到达植物物料内部维管束和腺细胞内，细胞内温度突然升高，连续的高温使其内部压力超过细胞空间膨胀的能力，从而导致细胞破裂；细胞内的物质自由流出，传递到周围被溶解。微波可选择性加热不同极性分子和不同分子的极性部分，从而使其从中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的溶剂中，从而有效成分被提取。,微波萃取技术,原理：微波是一种频率在300MHZ至300GHZ之间的电磁波。传统加热法的热传递公式为：热源器皿样品，因而能量传递效率受到了制约。微波加热则是能直接作用于被加热物质，其模式为：热源样品器皿。空气及容器对微波基本上不吸收和反射，从根本上保证了能量的快速传导和充分利用。,提取的最新技术,微波萃取技术的原理,Pare等提出假设：微波透过对微波透明的溶剂，到达植物物料内部维管束和腺细胞内，细胞内温度突然升高，连续的高温使其内部压力超过细胞空间膨胀的能力，从而导致细胞破裂；细胞内的物质自由流出，传递到周围被溶解。微波可选择性加热不同极性分子和不同分子的极性部分，从而使其从中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的溶剂中，从而有效成分被提取。,微波萃取技术,微波萃取的应用：采用该技术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。例如：王娟等以总黄酮和葛根素的含量为指标，采用连续微波辐射方式进行微波萃取参数的单一因素考察，也研究微波辅助萃取葛根的提取工艺。结果表明增加溶剂用量、提高原料粉碎度、延长原料浸泡时间将有利于葛根中有效成分的提取。,微波萃取技术,微波技术在应用上需考虑的问题：微波输出功率、物料粒径、浸出时间三个因素对提取率的影响；还需注意有效成分的极性大小问题。,微波萃取技术,微波萃取的展望：一、进一步探讨微波萃取机理 鉴于基体物质和萃取物质的复杂性，在萃取机理方面还有大量工作需要做，因为搞清机理将进一步促进微波在天然产物萃取中的应用。,微波萃取技术,微波萃取的展望：二、将微波萃取的实验室研究扩大为产业化研究近几年，有用于中试生产的微波提取设备问世，主要分两类：一为微波提取罐；另一类为连续微波萃取设备。我们相信，一旦这些设备应用于大生产，必将对传统中药制药业带来巨大的革命。,膜分离技术,膜分离技术其分离基本原理 以选择性的透过膜为分离递质，当膜两侧存在一定的电位差、浓度差或者压力差时，原料一侧的组分就会选择性的透过膜，从而达到分离、提纯的目的。,分离的新技术,膜分离技术,药液的预处理是不可少的工序，主要有以下几个步骤：(1)絮凝沉淀。在料液中加入絮凝剂，使大部分悬浮物沉积，从而使悬浮颗粒尺寸变大，更容易被微滤膜、超滤膜分离；(2)用压滤或者离心分离去除较大的固体物质。,分离的新技术,膜分离技术,膜分离技术在中药生产中的应用主要集中在以下四个方面：精制纯化中药提取物，以得到有效成分、有效部位和有效部位群；解决中药注射剂、口服液等制剂的澄明度、无菌、无热源；,分离的新技术,膜分离技术,膜分离技术在中药生产中的应用：浓缩，提高药效成分浓度，减少剂母；回收溶剂，实现分离过程溶剂的循环使用，节约资源，保护环境。,分离的新技术,膜分离技术的应用,蔡邦肖等针对灵芝提取液的特性，依据微孔过滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)各种膜对特定物质的选择分离性能，设计了新型膜集成工艺，即筛网和滤纸粗过滤除杂和微孔过滤净化处理进而用不同切割分子质量(MWCO)膜进行两级超滤、最后用纳滤净化浓缩灵芝水提液,活性成分截留率很高。,分离的新技术,膜分离技术存在的问题,分离的新技术,一、膜分离的基础理论研究二、中药生产专用膜分离装置及膜的开发三、实现膜分离工艺及