紫杉醇的提取工艺设计研究报告

1、-. z.紫杉醇提取纯化方法的研究进展紫杉醇是最早从红豆杉属植物中别离出来的三环二菇类化合物，是继阿霉素和顺铂之后最热点的抗癌新药。紫杉醇具有复杂的化学构造，分子由3个主环构成二菇核，分子中有11个手性中心和多个取代基团，母环局部是一个复杂的四环体系，有许多功能基团和立体化学特征。分子式C47H51NO14，分子量853.92。同位素示踪说明, 紫杉醇只结合到聚合的微管上, 不与未聚合的微管蛋白二聚体反响。细胞接触紫杉醇后会在细胞内积累大量的微管，这些微管的积累干扰了细胞的各种功能,特别是使细胞分裂停顿于有丝分裂期，阻断了细胞的正常分裂。 通过-临床研究，紫杉醇主要适用于卵巢癌和乳腺癌，对肺癌

2、、大肠癌、黑色素瘤、头颈部癌、淋巴瘤、脑瘤也都有一定疗效。紫杉醇属于有丝分裂抑制剂,它的独特机制在于可以诱导和促进微管蛋白聚合,促进微管装配及阻止微管的生理解聚,由此抑制癌细胞纺锤体的形成,阻止有丝分裂的完成,使其停留在G2期和M期直至死亡,从而起到抗癌的作用。迄今为止紫杉醇是唯一促进微管聚合的新型抗癌药。这一新的发现引起了各国医药界的极大兴趣。现在已有包括我国在内的十多个国家批准了紫杉醇类药物的正式生产。目前有关紫杉醇研究的几个主要问题是:紫杉醇的提取;紫杉醇的人工合成;紫杉醇的临床应用(水不溶性问题的解决);紫杉醇的构效关系;紫杉醇的抗癌机理。紫杉醇的抗癌机理1971年,Wani等报道了紫

3、杉醇在一些实验体系中具有抗癌活性。1978年,Schiff等发现紫杉醇在极低的浓度下(0.25M)可以完全抑制Hela细胞的分裂,而且在对细胞4小时的培养过程中,对DNA、RNA和蛋白质的合成没有明显影响。Hela细胞在与紫杉醇共同温育20小时后被阻断在G2后期和M期。1979年Schiff等用浊度法进展了研究,发现紫杉醇能缩短微管在体外的聚合时间,使平衡向微管聚合方向移动,从而减小微管聚合临界浓度。在有GTP时,紫杉醇可以和PC-tubulin结合,计量比为1:1。他们还发现紫杉醇不影响纯化的Actin的聚合(紫杉醇20M)。目前,有关紫杉醇的抗癌机理的研究仍是一个非常活泼的领域。最近的一些

4、进展是Tatebe等发现紫杉醇能导致细胞凋亡;Kavallaris等首次报道了紫杉醇抑制卵巢上皮肿瘤与改变特定-tubulin基因的表达有关;Vater等通过电镜和扫描力显微镜发现在Ca2+和紫杉醇存在下,微管蛋白的聚合发生畸变Dring等发现紫杉醇还可调节体内免疫功能，促进释放肿瘤坏死因子、白细胞介素、以及干扰素，对肿瘤细胞起抑制或杀伤作用。而且这种畸变构造随着参加紫杉醇和Ca2+的顺序不同而有所不同。紫杉醇的来源1963年美国化学家瓦尼(MCWani)和沃尔(MonreEWall)首次从一种生长在美国西部大森林中的短叶红豆杉树皮和木材中得到了紫杉醇的粗提物并发现其具有抗癌活性。但直到196

5、9年,紫杉醇单体才被别离出来。此后,在红豆杉属的多种植物中均发现有紫杉醇存在。红豆杉属植物为红豆杉科常绿乔木或灌木,全世界共11种,分布于北半球的温带至亚热带地区,包括短叶红豆杉(Ta*us brevifolia),欧洲红豆杉(T. baccata),*红豆杉(T.yun-nanensis),中国红豆杉(T. chinensis)等。在欧洲,更为常见的是欧洲红豆杉(Ta*us baccata),具有明显的毒性,常有牲畜和人误食中毒的事情发生,其毒性源于所含有的有毒生物碱紫杉碱(ta*ineA、B);因而后来有一个有趣的观点:如果当年在NCI抗癌活性成分筛选方案中沃尔和瓦尼拿到的是T.bacca

6、ta而非T.brevifolia的树皮,要么会因萃取物的毒性而停顿别离,要么只能得到紫杉碱,都不会有时机发现Ta*ol。幸运的是,美国农业部的收集方案中送来的唯一样品是T.brevifolia,而其中紫杉碱的含量极微,紫杉醇从而有幸成为30年来最为公众瞩目的植物来源的化合物。迄今为止,红豆杉属植物仍是紫杉醇的最重要的来源。除了可从其树皮和枝叶中直接别离得到紫杉醇外,其树叶中含量很高的10-去乙酰巴卡亭III也是人工半合成紫杉醇的原料。此外,紫杉醇还可以从全人工合成、真菌发酵、细胞培养及生物合成等途径获得。紫杉醇提取工艺 随着人们对紫杉醇研究的不断深入和完善，化学合成、基因工程、细胞培养、真菌发

7、酵等方法均可以成功获得紫杉醇，但这些方法应用于紫杉醇的生产依旧停留在实验室研究阶段。目前，国内外紫杉醇的商业化规模生产多以红豆杉植物为原料，通过一系列的别离纯化获得。针对红豆杉资源严重匾乏的现状，相关生产企业采用人工培植的方法经过科学合理的选种育种栽培，加大红豆杉植物的人工培植规模，为紫杉醇的生产提供相对充足的原料供应。在细胞组织培养和基因工程技术等方法应用到紫杉醇的工业化生产之前，植物提取法仍是紫杉醇的主要来源。因此，开发出一套操作简便、快速高效的紫杉醇提取别离纯化技术无疑对紫杉醇原料药的产业现状发挥积极作用。紫杉醇的提取过程可分为粗提和纯化两个阶段。红豆杉植物经粉碎枯燥等预处理后，进入紫杉

8、醇的粗提工艺程序。粗提阶段的目的在于选择适宜的提取溶剂，运用可行的提取手段对原料粉末进展提取处理，获得含目标产物的原料液，然后从原料液中尽可能多的提取目标产物，提高目标产物在物料中的含量，所得物料在进展后续纯化获得纯品。紫杉醇的粗提工艺过程可分为初级提取和次级提取，两个过程因所用溶剂不同而除去不同的杂质。1、紫杉醇的初级提取工艺初级提取主要是用甲醇、乙醇、乙酸乙酷一丙酮或二氯乙烷一水对原料粉末进展浸提，一般浸提时间较长。为了缩短浸提时间，研究人员将超声、微波和超临界流体萃取等技术引入到紫杉醇的初级萃取，极大提高了紫杉醇的萃取效率。1.1溶剂浸提溶剂浸提常用于紫杉醇的粗提阶段，在此阶段主要考虑溶

9、剂的选择。目前用于浸提紫杉醇的最普通溶剂是甲醇、乙醇等有机溶剂。*u和Liu采用的是甲醇-二氯甲烷(95:5，V/V)混合物，浸提时间为3560min，而Hoke，和Powell，都选择的是纯甲醇，浸提时间则为1648h。余广鳌等通过研究发现，在浸提过程中，如果使用单一溶剂，则甲醇浸提效果最好。如果使用混合溶剂，要到达好的浸提效果，甲醇或乙醇等高极性有机溶剂不可缺少。锅田宪助等对于紫杉醇的提取溶剂种类进展了详细研究，结果说明:在乙酸乙酷、乙醚等溶剂中，以乙酸乙醋一丙酮(1:1)混和溶剂的提取效果最好，浸膏中紫杉醇的含量高达0.084%，是甲醇提取所得浸膏中紫杉醇含量的3倍。也就是说用乙酸乙酷一

10、丙酮(1:1，v/v)一次便可以使紫杉醇提取量高于以往常用溶剂所能得到的量，为后序的别离纯化工作带来很大的方便。加之乙酸乙酷一丙酮(1:l)与甲醇本钱相当，因此，这一提取方法的经济性和实用性较强。1.2超声浸提在中草药开发利用中，探索提高有效成分提取率的理论依据是中草药现代化研究的一个重要方面。目前大多数是通过实验方法，根据影响提取率的因素选取不同的水平条件来设计实验，优化工艺条件，缺少理论上的指导。有人将这些影响因素与有效成分溶出浓度联系起来，在FICk扩散定律的根底上对常规提取的动力学建立了一些数学模型。由于超声场强化中药有效成分的提取具有降低提取温度、缩短时间和提高提取率等优点，日益受到

11、人们的重视。超声强化提取的湍流效应、微扰效应、界面效应和聚能效应与超声场的频率、功率及体系的温度有关。频率越高，温度越高，这四种效应作用越强，到达提取平衡时间越短，平衡时有效成分含量越高;同时在中药有效成分提取时，要考虑到有效成分的稳定性，防止在高温和长时间条件下有效成分的分解。Auriola等人也将超声技术引入紫杉醇的初级萃取，研究发现采用超声技术，可在低温下进展操作，这样可以防止紫杉醇在温度高时可能发生的异构化。1.3超临界流体萃取超临界流体萃取过程是利用处于临界低压和临界温度以上的流体具有特异增加的溶解能力而开展出来的化工别离新技术。利用CO2超临界流体,参加甲醇或乙醇作为夹带剂,可使红

12、豆杉树皮中的大局部紫杉醇得到有效提取,回收率达85%,选择性好,杂质少。超临界流体萃取具有提取能力强、提取率高、萃取时间短、工艺简单、操作方便、产品质量好的优点;同时符合环保要求，与回归大自然，崇尚绿色工业的潮流一致，具有较大的开展前景。在紫杉醇的提取过程中，由于减少了含氯有机溶剂的使用从而防止了对环境的污染。超临界流体萃取过程中最常用的溶剂是CO2，本身无毒，在提取产物中无残留，因而从用要平安角度来讲，该技术应用于紫杉醇的提取具有其独特的优点。Jennings用CO2和参加乙醇改性剂的CO2作超临界萃取溶剂，在318K的温度下和15.0725.79MPa的压力下，进展了紫杉醇的提取研究，发现

13、红豆杉树皮中的大局部紫杉醇都能得到有效的提取，而且对紫杉醇的选择性要比传统的单纯乙醇提取高; Nair等用含15%的丙酮或乙醇的CO2作溶剂，在430101.325kpa，308K下用超临界技术提取紫杉醇也获得了满意的效果; Castor等以红豆杉枝叶和嫩芽做原料，用超临界技术提取紫杉醇时，先以纯CO2做溶剂，以除去原料中的脂类，然后参加乙醇以调节溶剂的极性，使紫杉醇的产率到达了0.04%;Vandana等利用超临界的N2O和N2O/EtOH混合物，对短叶红豆杉树皮中的紫杉醇也做了提取研究，发现利用超临界的N2O，以乙醇为夹带剂，可以把树皮中的大局部紫杉醇提取出来，比以乙醇为夹带剂的超临界CO

14、2萃取更加有效。虽然超临界流体萃取技术在紫杉醇的提取中具有收率高、节省时间和有机溶剂等优点，但该方法对仪器设备要求较高，限制了其应用。1.4微波提取微波是一种波长在10.001m、频率在300MHZ300GHZ的电磁波。由于其具有独特的性质(似光特性、穿透特性、热特性及生物效应)而已被广泛应用于医药领域。在中草药有效成分的提取中亦有尝试和应用，但尚未在规模生产中应用。微波提取技术主要是基于微波的热特性，其加热原理是利用微波场中介质的偶极子转向极化与界面极化的时间与微波频率吻合的特点，促使介质转动能级跃迁，加剧热运动，将电能转化为热能。微波辐射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

15、量的热量，使细胞内温度迅速上升，液态水汽化产生的压力将细胞壁和细胞膜冲破，形成微小的孔洞。进一步加热，细胞内部和细胞壁水分减少，细胞收缩，外表出现裂隙。因此使胞外溶剂容易进人胞内，溶解并释放出有效成分。与传统浸提方法相比，微波提取具有穿透力强、选择性高、加热效率高等显著特点，而且其操作简便、快速、节能、高效。因此，微波技术用于中草药有效成分提取具有巨大潜力。Kas1tu等采用甲醇或乙醇作为提取溶剂，在60条件下对红豆杉植物进展提取，所需时间长达2448h，在溶剂系统不变的情况下，采用微波技术，提取时间缩短到10min以内。2、紫杉醇的次级提取工艺初级提取得到的原料液中，紫杉醇的浓度很低，需经进

16、一步萃取别离以获得符合纯化标准的紫杉醇浸膏。次级提取中最为常用的方法为液液萃取，此外还有固相萃取和膜别离等。2.1液液萃取液液萃取通常分为非极性溶剂萃取、低极性溶剂萃取和碱液洗涤。对红豆杉植物进展浸提后，所获浸膏通常用非极性或低极性溶剂进展分配萃取。通常是用二氯甲烷一水或三氯甲烷一水对上述浸膏进展分配萃取。这种方法简单易行，但所得产物杂质较多。wall等对短叶红豆杉树皮的乙醇提取物用水和三氯甲烷进展分配萃取，效果较为理想;Witherup等对6种红豆杉属植物的针叶和树皮进展了分析，主要用二氯甲烷和水对提取物进展分配，溶于二氯甲烷的局部用多种溶剂抽提，来进展初别离。这种低极性溶剂萃取方法的局限是

17、过程中伴随紫杉醇的较大损失，因为体系中含有相当量的极性较高的溶剂如甲醇、乙醇等，在除去的杂质相中仍有大量的紫杉醇，且此方法需反复屡次操作，有机溶剂消耗量大，易造成污染环境。为了改善上述缺点，元英进等阔用乙酸乙醋溶解紫杉醇浸膏后，再以碱溶液进展洗涤，除去大量杂质的同时使紫杉醇几乎全部回收，此方法节约了溶剂用量，并减少了环境污染，可用于生产。EP5533780A提出了一种别离紫杉醇及其前体的方法，包括真空枯燥紫杉属植物的甲醇萃取物，用环己烷和二氯甲烷进展溶剂萃取以得到粗紫杉醇，接着进展硅胶柱HPLC别离等步骤;w094-13827提出了一种纯化紫杉醇的方法，包括用乙醇、甲醇和丙酮进展有机溶剂萃取，

18、用活性炭或木炭作吸附剂进一步处理粗提物，接着用正相色谱法别离。Enakasha等人在别离红豆杉愈伤组织培养物时采用的次级萃取剂是氯仿。实验时首先将愈伤组织用甲醇萃取，匀浆化。过滤后将滤液调整为甲醇含量为65%，参加氯仿(3:1，v/v)，分相，最终紫杉醇回收率为87%。2.2固相萃取由于植物中紫杉醉含量很低，且成分复杂，提取工作困难，液一液萃取操作又常导致回收率低、别离效果差等问题。固相萃取法(Solid一 PhaseE*traction，SPE)作为一种新型萃取方法，具有节省时间、降低溶剂用量、提高选择性和收率的优点。SPE实质是色谱别离方法(前沿色谱)，其主要是除去与紫杉醇极性相差较大的杂

19、质。所用填料主要有硅胶、氧化铝和CIS反相硅胶。固相萃取法所使用的设备主要是滤筒，通常的做法是将含有紫杉烷类物质的原料参加滤筒，进展梯度洗脱。这种方法在完成液一液萃取所能到达的效果的同时还能从一定程度上到达初次色谱别离的效果。陈振德等以红豆杉科框属植物(Torreya)的假种皮为原料，直接对乙醇提取物进展硅胶柱层析，降低了制备紫杉醇的本钱，扩大了其原料的来源，且保护了植物资源。Mattina等*在研究中比拟了三种不同的固相萃取方法。在第一种方法中使用了高效C18萃取柱作为滤筒;第二种方法将C18吸附剂装入聚丙烯过滤柱制成滤简;第三种方法中使用的设备是C18EmP0re滤板和Millipore玻

20、璃过滤仪器。无论使用何种装置进展萃取，洗脱液的顺序如下:去离子水:20%的甲醉溶液:45%或50%的甲醇溶液:80%的甲醇溶液。大多数紫杉烷类物质都选择性地被80%的甲醇溶液洗脱下来。最后的比拟结果显示，C18EmPore滤板能极大地提高粗提物的处理量，同时还能较好地回收极性较低的紫杉烷类物质。韩丽萍等选择中性氧化铝进展固相萃取，有效的去除了紫杉浸膏和紫杉口服液制剂中的杂质和干扰物，使其中的待测成份紫杉醇得到了准确有效的定量分析。2.3膜别离技术膜别离(MembraneS即 aration)是利用具有一定选择性、透过特性的过滤介质进展物质的别离纯化，是人类最早应用的别离技术之一。作为一种有效的

21、别离纯化手段，膜别离被广泛应用于食品、医药、化工等领域。它依靠膜两侧的压力差，在与溶液接触时，使溶液中分子量小于其截留分子量的溶质透过膜，分子量大于截留分子量的溶质留在原液内，通过对试样中物质分子量的不同，选择截留分子量不同的膜别离设备到达对物料中组分的别离。膜别离法近年来也用于别离紫杉烷类化合物。Carver等采用平板式、中空纤维式和管式膜组件，对超滤膜和反渗透膜在紫杉烷类物质的别离过程中的应用进展了研究，其结果说明:采用膜别离方法可以进一步浓缩粗提过程所得浸膏，使紫杉烷类物质的浓度提高5倍左右，相当于对浸膏又进展了一次预处理，从而减小了后序色谱别离的负担和紫杉醇的损失。Raymond等人用

22、0.2m的尼龙膜和PVDF膜处理紫杉醇的组织培养液时，发现尼龙膜可以选择性地截留紫杉烷类物质。尼龙膜截留了几乎所有的10-去乙酞基紫杉醇、紫杉醇以及绝大局部的Cephal。mannine，而对其它的紫杉烷类几乎没有截留作用，而PVDF膜则截留了所有的紫杉烷类，这说明尼龙膜可以选择性地吸附紫杉烷类化合物。2.4树脂吸附别离法树脂吸附别离法 (ResiouSAdsorpti。 nSeparati。 nMethod，RASM)基于离子交换别离原理。离子交换别离的原理是利用溶液中各种带电粒子与离子交换剂之间结合力的差异进展物质别离的技术。最常用的离子交换剂是离子交换树脂，它是由不溶性的载体、功能团和平

23、衡离子(也称活性离子)组成的。紫杉醇是一种二菇类化合物，具有多环构造，容易被带苯环的吸附剂特异性吸附，所以近年聚苯乙烯型树脂被较多的应用到紫杉醇的前处理中，可有效的去除色素等杂质。元英进等的研究结果说明，聚苯乙烯型强碱树脂(Ps-A)及多乙烯多胺一环氧氯丙烷缩聚型弱碱树脂(PC-A)对二氯甲烷粗提物的吸附及脱色性能较好，有望用于紫杉醇的纯化别离。*志强等采用聚苯乙烯型大孔树脂 (201*4)层析，有效地从红豆杉甲醇浸膏中别离紫杉醇和脱除色素，样品中紫杉醇含量从0.65%提高到了2.15%，回收率达99.6%。以上各种方法得到的是低纯度的紫杉醇浸膏，实际上是紫杉烷类化合物如菇类化合物、类脂、叶绿

24、素和酚类同时伴随有目标产物紫杉醇，要得到药用的紫杉醇，还需进一步纯化和精制。3、紫杉醇的纯化工艺经过粗提获得的浸膏中紫杉醇的含量很低，要获得到达医用纯度的紫杉醇还需对粗提物进一步纯化处理。紫杉醇的纯化工艺是获得高纯紫杉醇的关键步骤，这一步骤涉及的工艺占主导地位的是色谱方法。用色谱法别离纯化紫杉醇时，柱色谱被用于紫杉醇的预别离和最终别离，而薄层色谱则被用于紫杉醇的检测和纯化。目前，随着别离工艺的不断完善，色谱法有了长足进步。各种用于紫杉醇别离纯化的色谱方法有高效液相色谱(HPLC)，薄层色谱(TLC)，超临界流体色谱(SFC)、电泳色谱(MEKC)、免疫亲和色谱、高效逆流色谱(HSCCC)等。下

25、面简单介绍几种常用的紫杉醇纯化方法。3.1正相色谱法正相色谱是紫杉醇别离纯化过程中普遍采用的方法，在早期别离纯化的研究中占有主导地位，至今仍在广泛使用。正相色谱一般是使用硅胶作固定相，使用一些极性较小的有机溶剂作流动相，将紫杉烷类化合物洗脱出来。正相色谱的突出优点是固定相价格低廉，用普通的硅胶即可，而且洗脱用的流动相多为挥发性很强的有机溶剂，溶剂回收简单。陈建民等以50一300目硅胶做固定相，在常压下梯度洗脱含10.48%的紫杉醇粗品，用无毒性的正构烷烃、乙酷为洗脱剂，常压下别离纯化紫杉醇，洗脱所得馏分经真空冷冻枯燥，得到99十99.5%的紫杉醇。该方法工艺简单，本钱低，洗脱剂容易回收，但紫杉

26、醇回收率较低;吕秀阳等将样品进展浸提和液液萃取后，使用了三次正相色谱别离，在三次柱层析的过程中，采用的空白硅胶目数增加，空白硅胶与拌样硅胶之比增大，而流动相的极性下降，最后结晶得到紫杉醇含量62.5%的白色棉花状结晶。3.2反相色谱法由于正相色谱所使用的固定相大多为硅胶，而硅胶的不可逆吸附使样品损失增大，并且硅胶固定相只能使用一次，操作十分不便，因而反相色谱的使用越来越广泛。一般情况下，反相色谱使用极性较大的有机溶剂作为流动相，先将一些杂质及色素洗脱下来，然后再增大梯度将紫杉烷类化合物洗脱出来。雏丽娜等以东北红豆杉树叶为原料，采用正相色谱和反相色谱法别离提纯了紫杉醇和三尖杉宁碱，反相色谱中使用

27、了一种新颖的高分子填料。东北红豆杉枝叶经过一次正相色谱别离后，再经两次反相色谱别离，别离得到两种白色针状固体。经1HNMR和13MR测试说明，两种物质分别为紫杉醇和三尖杉宁碱，纯度到达98%以上，回收率大于70%;*志强等选择了廉价的大颗粒烷基硅胶层析柱纯化紫杉醇粗品，并对层析操作条件进展了优化，使紫杉醇的含量提高到98%，回收率在85%以上，并且采用该固定相可以降低紫杉醇的生产本钱和提高回收率;Zamir等人在别离加拿大红豆杉的根和树皮时，使用了重结晶技术和反向色谱技术相结合的方法。他们首先利用重结晶技术从粗提物中别离出了10-DAB和9-dihydro-13acetyl-baCCatinl

28、ll，再用反相高效液相色谱别离其他紫杉烷类物质，从而防止了在别离纯化阶段屡次使用色谱柱，。虽然目前反相色谱别离纯化紫杉醇的工艺尚没有工业化的报道，但相对于正相色谱工艺，反相色谱有很多优点。首先，它不消耗大量的有机溶剂，对环境污染较小;其次，人们在开发反相填料时专门引入的一些特定的键合相使反相填料有更好的选择性，在克制正相硅胶的不可逆吸附造成目标产物回收率低方面也很有价值。3.3薄层色谱法薄层色谱(TLC)是别离紫杉醇的常用方法。一般先把提取液浓缩，然后在TLC硅胶板上平行点样，用丙酮、氯仿、甲醇、庚烷、乙醚、二氯甲烷、乙酸乙醋等展开，再进展紫杉醇的定位。定位的方法有:与标准样进展对照，在254

29、nm紫外灯下进展定位标记，刮下每一部位，装入小柱。用甲醇洗脱，将洗脱液蒸干，从而使紫杉醇得到别离。薄层色谱技术早期多用于紫杉烷类化合物的定性及半定量分析。TLC结合核磁共振(NMR)、质谱(MS)技术，己成功地别离获得多种新的紫杉烷类化合物，显示出在定性分析方面的优势。Matysik等报道了一种分步梯度TLC结合光密度扫描定量测定紫杉醇的方法，该方法采用混合溶剂两步梯度展开，亦获得满意结果;由Stasko等人开发的多维薄层色谱法(MTLC)使TLC法获得了极大的开展。该项研究采用了三种薄层板:氰基板，二苯基板和氨基板，分别进展正相和两维洗脱。结果发现氰基板和二苯基板能有效别离紫杉醇和Cephalomafinine，而氨基板效果较差。虽然此项