超临界流体技术在中药中的应用

超临界流体技术在中药中的应用

干预液体萃取技术（cpe）也称为气体萃取和浓气萃取，在20世纪70年代末开发，是一种新的萃取和分离技术。现在正处于积极发展的阶段。1879年,英国科学家Hannay和Hogarth发现处于超临界条件下的某些流体无论对液体还是固体都具有显著的溶解能力。20世纪50年代,美国率先从理论上提出了超临界流体用于萃取分离的可能性,并于20世纪70年代通过超临界二氧化碳(SC-CO2)萃取乙醇验证了自己的理论。之后,德国用SC-CO2代替己烷和甲醇萃取除虫菊酯获得成功。我国对超临界流体萃取技术的研究是近十几年的事。超临界流体(SCF)具有与液体相近的密度和与气体相近的黏度,扩散系数为液体的10倍~100倍,因此对许多物质有较好的渗透性和较强的溶解能力。可以作SCF的物质很多,如甲醇、乙醇、氨、苯、甲苯、甲乙醚、二氧化碳和水等,其中二氧化碳以其临界温度和压力低、安全无毒、不可燃及廉价易得等独特的优势占主导地位。经过近30年的研究,SFE作为一种对环境友好的化工技术已取得了长足进展,广泛应用于医药、食品、香料和化工等领域。典型的代表有啤酒花提取、咖啡因分离及烟草脱除尼古丁等,它们是应用于生产最早且最为成功的范例。目前,国内外对SFE应用研究的热点转移到对中草药及其他天然产物的提取上。1工艺设计与工艺优化相结合中药现代化是传统中医中药发展的必然趋势,作为中药现代化的基础性研究,中草药有效成分的提取是目前研究的热点和重点。将SFE应用于中药有效成分的提取、分离及其制剂提取工艺研究,结合传统剂型的工艺改革,可有效富集生物活性物质,提高得率,改变中药制剂“黑、大、粗”的面貌。中草药的化学成分比较复杂,依据其生理活性和化学结构的不同,大致可划分为挥发油、生物碱、黄酮类化合物等几大类,其分子量、化学性质和极性各有差异,在SC-CO2中的溶解度亦有不同,故在以上各类目标产物的SC-CO2萃取过程中,应采用不同的工艺和操作条件,以改善萃取成分的溶解性和选择性。1.1sc-2提取法挥发油又称精油,是广泛存在于植物体内的一类多成分油状混合物,在临床上具有止咳、平喘、发汗、祛风等医疗作用。挥发油难溶于水,能完全溶于乙醇、乙醚等有机溶剂,对光线、温度和空气敏感,易氧化和分解,同时具有分子量小、沸点低、极性中等、亲脂性高的特点,最适合用SC-CO2进行提取。目前,国内外采用SC-CO2萃取技术提取挥发油的中草药有珊瑚姜、木香、当归、月见草、川芎、大蒜、莪术、姜黄、宽叶缬草根、草果、蛇床子、小茴香、黄花蒿、刺柏、香附、苍术、砂仁和火棘等。与传统工艺采用的水蒸气蒸馏法(SD法)相比较,SC-CO2萃取技术不仅产物收率普遍提高,提取时间缩短,而且经过GC-MS鉴定可分离出常规方法得不到的成分,保留了其天然风味。1.2钢绞线的提取生物碱是生物体内一类含氮有机物的总称,多有较复杂的含氮杂环结构和特殊而显著的生理作用,为重要的中草药成分。绝大多数生物碱具有极性,用SC-CO2萃取时不仅要提高温度和压力,而且要加入夹带剂,以改善溶剂的溶解性和选择性。常用的夹带剂有甲醇、氯仿、乙醇、乙酸乙酯和丙酮。在提取中药马蓝、菘蓝、蓼蓝的有效成分靛玉红和光菇子中的秋水仙碱时,分别以甲醇和76%的乙醇水溶液为夹带剂,效果较好。由于生物碱容易和酸形成盐类,使之在超临界二氧化碳流体中的溶解度降低,增加萃取难度,故在提取前需加入碱性剂碱化,以便生物碱全部转化为游离碱。在分别进行延胡索、洋金花和马钱子的萃取时,加入氢氧化钙和氨水作碱性剂,萃取效率高且无污染。1.3中草药含羟基化合物酚类化合物广泛存在于中草药中,具有显著的生理活性。依据其化学结构的不同可以分为黄酮类、蒽醌类、香豆素类以及其他酚类化合物。同生物碱和挥发油相比,酚类化合物的分子量更大,分子中含有更多的羟基等极性基团,而且在中草药中易和糖类结合成苷,使其极性增大,在SC-CO2中的溶解度变得很小。通过提取银杏叶中的有效成分槲皮素和山奈素、牡丹皮中的丹皮酚、槐花米中的芦丁、首乌中的补骨脂素和异补骨脂素、人参皂甙等,总结出提高SC-CO2流体萃取酚类化合物的规律:1)增加萃取压力。一般使用的压力大于35MPa;2)提高萃取温度。酚类化合物耐热性和极性都比生物碱、萜类化合物高,萃取温度高达90℃时结构不会被破坏;3)使用夹带剂。在酚类化合物的SC-CO2萃取中,使用夹带剂可提高萃取效率,缩短提取时间。1.4其他困难溶解药物的提取1.4.1sc-co溶剂的络合萃取夹带剂也称提携剂,是在纯超临界气体中加入的一种少量的、可以与之混匀的、挥发性介于被分离物与超临界组分之间的物质,按其极性不同可分为极性夹带剂和非极性夹带剂。根据“相似相溶”原则,SC-CO2具有选择性溶解能力,它对低分子量、低极性、亲脂性、低沸点的成分,如挥发油、烃、酯、内酯、醚和环氧化合物等物质,表现出优异的溶解性;但对具有极性基团(—COOH和—OH)的化合物,极性基团越多,萃取越难。极性夹带剂对非极性溶质不起作用,相反非极性夹带剂如果与溶质的分子量接近,则对极性溶质和非极性溶质都起作用,因此如何提高SC-CO2对此类物质的萃取效率,正确使用夹带剂是很重要的。常用的夹带剂有甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、1,1,1-三氯乙烷、2,2,2-三氯乙烷、三乙胺和1,2-二溴乙烷等。研究表明,只要加入少量的夹带剂,就能明显地增加难溶性物质在SC-CO2中的溶解度。1.4.2反胶团技术的应用反胶团是表面活性剂溶于溶剂中自发形成的纳米级自聚体。其中表面活性剂的非极性尾端伸展于溶剂相,极性头聚集形成极性核,水分子增溶于反胶团内核,形成宏观上透明均一、微观上恰似纳米级大小的微水池。将超临界技术与反胶团技术有机地结合起来,充分利用反胶团中存在的大量极性微环境,弥补了SC-CO2不能萃取极性物质的不足,从而把难溶性药物的萃取引入到一个全新的领域。近年来,有关利用反胶团进行萃取的研究取得了很大进展,在氨基酸、蛋白质等生物分子的提纯方面表现出良好的应用前景。常用的表面活性剂有琥珀酸二酯磺酸钠(AOT)、Triton-100、全氟聚醚碳酸铵(PEPE)等。1.4.3萃取体的选择相对来说,SC-CO2萃取金属离子是一项未成熟的技术,但其发展很快,倍受关注。Wai等人进行了此方面的研究,当β-二酮类物质溶于SC-CO2中时,可萃取在固体或液体物质中的镧系或锕系元素。若能找到一种适宜的螯合剂,利用超临界流体萃取中草药中的金属离子,则有望解决中药中重金属的污染问题。2其他方面：fe的应用2.1从各种动、植物中萃取SFE已经成为食品工业获得高品质产品的最有效的手段之一,主要用于有害成分的脱除和提取、食品原料的处理等。例如:用SFE从咖啡、茶中脱咖啡因;从植物中萃取风味物质;从各种动、植物中萃取各种脂肪酸,提取色素;从奶油和鸡蛋中去除胆固醇。其中卓有成效的是葵花籽、亚麻籽、香荚兰干豆、大豆、花生、小麦胚芽、可可豆、沙棘的SC-CO2萃取,它与传统的压榨法相比收率高,且不存在溶剂法中的溶剂分离问题。2.2sfe法所含之法在抗生素药品的生产中,传统方法使用丙酮、甲醇等作有机溶剂,但要将溶剂完全除去却非常困难。若采用SFE法,则可完全满足要求。另外,用SFE法可从银杏叶中提取银杏黄酮,从鱼的内脏、骨头中可提取多烯不饱和脂肪酸[二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)],从沙棘籽中可提取沙棘油,从蛋黄中可提取卵磷脂等,这些提取物对心脑血管疾病都具有独特的疗效。2.3保持市场的纯度天然香料多数为分子量小的挥发油类,通常采用蒸馏法、溶剂法提取,但由于其中很多组分是低沸点、易氧化的物质,所以在提取过程中容易被破坏。用SFE法萃取香料不仅可以有效地提取芳香族组分,而且还可以提高产品纯度,并保持其天然香味。国外香精的提取已具生产规模,我国在此方面也做了大量工作。例如:从桂花、茉莉花、菊花、玫瑰花中提取花香精,从花椒、胡椒、辣椒、肉桂、薄荷中提取香辛料,从芹菜籽、生姜、莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油等。啤酒花是啤酒酿造中不可缺少的添加物,具有独特的香气、清爽度和苦味。传统方法生产的啤酒花浸膏不含或仅含少量的香精油,破坏了啤酒的风味,而且残存的有机溶剂对人体有害。SFE为啤酒花浸膏的生产开辟了广阔的前景,美国SKW公司从啤酒花中萃取啤酒花油已形成生产规模。2.4在煤系统中的应用SFE用于脂肪族、芳香族、环烷族等同系物的分离精制已取得了可喜进展,并已成功地用于己二酸、二甲基色胺等产物的脱水和有机溶剂的回收,特别是在分离醇水共沸物、回收烷基铝等催化剂及活性炭再生方面具有极好的效果。SFE还可用来制备液体燃料。以甲苯为萃取剂,10MPa、400℃~440℃条件下进行萃取,在SCF溶剂分子的扩散作用下,促进煤有机质发生深度的热分解,并能使1/3的有机质转化为液体产物。此外,从煤炭中还可以萃取硫化工产品。美国最近研制成功用SC-CO2既作反应剂又作萃取剂的新型乙酸制造工艺;俄罗斯、德国还把SFE法用于油料脱沥青技术。有资料显示,SFE法比Demex法过程的能耗低13%,目前已有1.5万t/a的工业示范装置。在环保方面,SFE可用于处理含有机物的废水和固体污染物,改进了现行的废水处理过程;还可用于废水中污染物的分离,并将污染物氧化为小分子。在环境污染检测上,SFE也可发挥其高效、准确的特性。3分离过程性能指标以占主导地位的SC-CO2萃取为例。SC-CO2萃取类似于一般的溶剂萃取,并兼有一些蒸馏的特点,同时可通过调节压力和温度极大地扩展其分离过程的选择性,因而其应用领域远远超过了常规意义上的溶剂萃取。而较低的工作温度、良好的产物感官评价,又使得SFE的萃取物更接近自然的特性,迎合了食品、化妆品及中草药崇尚天然的发展潮流,尤其对于药用植物热敏性有效成分的提取,更引起了人们的广泛关注。3.1sc-2c萃取中药的特点以中草药有效成分的提取为例,SC-CO2萃取技术与传统方法(水提法、水提醇沉法和醇提法)相比,具有许多独特的优点:1)CO2的临界温度在31.06℃,特别适用于分离热敏性物质,避免了常规提取过程中经常发生的分解、沉淀等反应,能最大程度地保持各组分的原有特性,为明确真正的药效成分提供了方便。2)CO2临界压力为7.39MPa,在不太高的压力下就可达到超临界状态,容易操作和实现工业化。3)萃取能力强,提取率高。用SC-CO2提取中药有效成分时,在最佳工艺条件下能将目标产物几乎完全提取,从而大大提高产品收率和资源利用率;通过调节操作压力和温度,可使中药有效成分高度富集,萃取效率提高,杂质减少,产品外观大为改善。4)提取速度快,生产周期短。SC-CO2提取(动态)循环一开始,分离便开始进行。一般提取10min便有成分析出,2h~4h便可完全提取。此外,浓缩步骤简单甚至不需要浓缩步骤,即使加入夹带剂,也可通过分离功能除去。5)操作参数容易控制。通过与GC、IR、MS、LC等联用,客观地反映提取物中有效成分的浓度,实现中药提取与质量分析一体化。6)根据中医辨证理论,中药复方中有效成分是彼此制约、协同发挥作用的。SC-CO2萃取不是简单地纯化某一组分,而是将有效成分进行选择性分离,更有利于中药复方优势的发挥。7)经药理和临床证明,SC-CO2提取中药时,不仅工艺优越,质量稳定,而且标准容易控制,其药理、临床效果能够得到保证。8)二氧化碳通常条件下为气体,无色、无味、无毒、无害,且便宜易得,大大降低了生产成本。9)SC-CO2萃取工艺流程简单,操作方便,没有相变过程,节省能源和大量有机溶剂,减少三废污染,为中药现代化提供了一条高新的“绿色”通道。另外,超临界流体结晶技术中的RESS过程、GAS过程等可制备粒径均匀的超细颗粒及控释小丸等中药新剂型。3.2油脂、挥发油由于CO2的非极性和低分子量特点,在目前的技术水平下SC-CO2只适合于替代传统的有机溶剂的提取和水蒸气蒸馏法萃取脂溶性成分(如油脂类、挥发油),而对原来采用浓醇提取的生物碱、内酯、黄酮等物质,需加入一定比例的夹带剂或在很高的压力下进行萃取,这就给工业化带来了一定的难度。对于许多强极性和高分子量的物质(多糖类、皂苷类、蛋白质),则更难进行有效提取,必须与其他方法结合使用。此外,SC-CO2萃取装置在更换产品时清洗比较困难,萃取产物的收集必须在无菌箱中进行,存在装卸料的连续化问题及设备一次性投资较大的问题等。3.3fps-co萃取技术当今,随着人们生活水平的不断提高以及世界各地对食品卫生管理法规的日趋完善,天然产物、绿色食品越来越受到人们的