新型分离技术在天然有机物提取及纯化中应用[转贴]

robyjia

作者：王晓铃.杨伯伦.张尊听.刘谦光
摘　要　论述了新型分离技术如超临界萃取、液膜分离、双水相萃取、超声提取技术的原理及特点 ,介绍了它
们在天然药物活性有机物提取分离中的应用研究进展 ,对其工业前景进行了展望。
关键词　超临界萃取 ,液膜分离 ,双水相萃取 ,超声提取 ,天然有机物
中图分类号　ＴＱ 46 4　　　文献标识码　Ａ　　　文章编号　 1 0 0 0 - 6 6 1 3 (2 0 0 2 )0 2 - 0 1 3 1 - 0 5
　　西部地区特别是秦岭山脉有着丰富的天然药物
资源 ,其有效成分多为一些具有药理活性的天然有
机化合物 ,如黄酮类、生物碱类、皂苷类、挥发油
等 ,这些有机物的提取分离近年来倍受关注。传统
的提取分离技术如溶剂浸提法、回流法、渗滤法
等 ,所得产品收率小 ,纯度低 ,且成本高。因此 ,
研究开发出高收率、低成本、操作安全的新型分离
技术对于资源的有效利用 ,促进区域经济的发展 ,
显得尤为重要。
近年来 ,超临界萃取、液膜提取、双水相萃取
以及超声提取等新型分离技术逐渐被引入了天然有
机物的提取分离领域 ,并取得了一些成果。
1　超临界萃取技术
1 . 1　超临界萃取技术的原理及特点
超临界萃取技术 (ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｆｌｕｉｄｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ,
ＳＦＥ),是近二三十年发展起来的一种新型分离技
术。超临界流体具有许多与普通流体相异的特性 ,
如其密度接近于液体的密度 ,这就使得其对液体、
固体物质的溶解能力与液体溶剂相当 ;其粘度却接
近于普通气体 ,自扩散系数比液体大 1 0 0倍 ,从而
其运动速度和溶解过程的传质速率比液体溶剂提高
很多。超临界流体还具有很强的可压缩性 ,在临界
点附近 ,温度和压力的微小变化会引起超临界流体
密度的较大变化 ,由此可调节其对物质的溶解
能力。
由于物质在超临界流体中的溶解度随其密度增
大而增大 ,所以萃取完成后稍微提高体系温度或降
低压力 ,以减小超临界流体的密度 ,就可以使其与
待分离物质分离。所选的超临界流体介质与被萃取
物的性质越相似 ,对它的溶解能力就越强。因此 ,
正确选择不同的超临界流体作萃取剂 ,可以对多组
分体系进行选择性萃取 ,从而达到分离的目的。
ＳＦＥ有许多传统分离技术不可比拟的优点 ,诸如过
程易于调节、达到平衡的时间短、萃取效率高、产
品与溶剂易于分离、无有机溶剂残留、对热敏性物
质不易破坏等 ,因此 ,ＳＦＥ在众多领域有着广阔的
应用前景。
1 . 2　ＳＦＥ技术在天然有机物提取分离中的应用
目前ＳＦＥ技术多采用ＣＯ2 作萃取剂 ,由于ＣＯ2
临界温度低 (Ｔｃ=3 0 4Ｋ),萃取通常在略高于室温
的温和条件下进行 ,因而对易挥发组分、生理活性
物质、热敏性组分等极少损失和破坏 ,特别适合天
然药物中有机物成分的萃取分离 ,加之ＣＯ2 安全无
毒 ,易于液化 (ｐｃ=7. 1 4ＭＰａ),操作安全 ,故在
ＳＦＥ技术的应用中 ,ＣＯ2 显示出极大优势 ,倍受行
业青睐。
以ＣＯ2 作萃取剂 ,用ＳＦＥ技术从天然药物中提
取脂溶性成分的研究 ,有从辛夷、川芎、草莓、干
姜、茶籽、辣根、金银花、橙皮、芹菜籽等天然药
物中提取挥发油及其他药用成分[1～ 9]等几十种之
多。但由于ＣＯ2 是一对称分子 ,偶极距为 0 ,极化
率只有 2 5.6× 1 0 -2 6,且极性随压力增大无明显增
加 ,故用单一的ＣＯ2 作萃取剂时只表现出对低极
性、亲脂性化合物较强的溶解能力 ,大多数极性较
强的组分则难溶于超临界状态下的ＣＯ2 之中 ,于是
研究者们又提出了在超临界ＣＯ2 中加入极性溶剂的
混合超临界流体萃取技术 ,即第二类ＣＯ2 -ＳＦＥ技
术。ＭｏｒａｅｓＭＤ等[1 0 ]用 1 0 %ＣＨ3 ＯＨ -ＣＯ2 超临界
体系萃取西番莲科植物中的黄酮类化合物 ,并与传
统溶剂提取法进行了比较。ＬｏｐｅｚａｖｉｌａＶ等[1 1 ]用
1 5%Ｃ2 Ｈ5ＯＨ -ＣＯ2 超临界体系进行了胡椒属植物
中内酯类化合物的萃取研究。我国学者在第二类ＣＯ2 -ＳＦＥ领域的研究也比较活跃。李国钟等[1 2 ]报
道了用水 -乙醇作夹带剂的ＣＯ2 -Ｈ2 Ｏ -Ｃ2 Ｈ5ＯＨ萃
取体系从甘草中提取甘草素、甘草查尔酮Ａ和甘
草查尔酮Ｂ等有效成分的实验研究 ,并且确定了
萃取过程的最佳工艺条件。邓启焕、高勇[1 3 ]采用
甲醇作夹带剂用第二类ＣＯ2 -ＳＦＥ技术进行了银杏
叶中有效成分的实验研究 ,并建立了一套小试、中
试装置 ,探讨了各种因素对萃取率和产品质量的影
响。实验表明 :采用ＳＦＥ技术所得产品质量高于
国际现公认的质量标准 ,且过程省时、高效、产品
不存在有机溶剂和重金属残留。
2　双水相萃取
2 . 1　双水相萃取的原理及特点
双水相萃取技术 (ａｑｕｅｏｕｓｔｗｏ -ｐｈａｓｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ,
ＡＴＰＥ)始于 2 0世纪 60年代 ,双水相的成相现象是
由于亲水高聚物之间或亲水高聚物与无机盐之间的
不相溶性造成的 ,绝大多数天然的或合成的亲水高
聚物的水溶液在与第二种亲水性高聚物或一些无机
盐混合时 ,超过一定的浓度范围就能产生两相 ,形
成所谓双水相体系。ＡＴＰＥ技术从原则上讲与一般
萃取有共同之处 ,在满足成相的条件下 ,若待分离
物质在两个水相之间存在分配的差异 ,就可能实现
分离提纯。在ＡＴＰＥ技术中 ,体系中的含水量高达
70 %～ 90 %,不会造成生理活性物质的变性或失
活 ,有时组成双水相体系的高聚物和无机盐还可能
起到稳定和保护生物活性的作用。根据物质在双水
相体系中分配系数的差异 ,利用ＡＴＰＥ技术萃取蛋
白质时 ,甚至可以在不经破碎的条件下操作。
ＡＴＰＥ技术具有分相时间短、易于连续操作、
目标产物分配系数大、投资费用少、大多形成双水
相的高聚物可回收利用等特点 ,被广泛用于生物化
学、细胞生物学、生物化工等领域产品的分离和提
取。一直以来 ,ＡＴＰＥ技术主要用于分离生物有机
大分子 (蛋白质、核酸、酶等 ),然而自 90年代以
来 ,用ＡＴＰＥ技术处理各种有机物小分子也取得了
较为理想的效果。
2 . 2　ＡＴＰＥ技术在天然有机物分离中的应用
蜕皮激素 (ｅｃｄｙｓｏｎｅ)和 2 0 -羟基蜕皮激素 (2 0 -
ｈｙｄｒｏｘｙｅｃｄｙｓｏｎｅ)在商业上用作杀虫剂或用于某些疾
病的诊断指示剂。Ｍｏｄｌｉｎ等[1 4]利用新型的
ＵＣＯＮ50 -ＨＢ -51 0 0 /羟丙基淀粉 (ＰＥＳ)温度诱导双
水相体系从菠菜中提取上述两种蜕皮甾族化合物。
ＵＣＯＮ50 -ＨＢ -51 0 0是一种 50 %环氧乙烷 (ＥＯ)和
50 %环氧丙烷 (ＰＯ)的无规则共聚物 ,又称ＥＯＰＯ。
含ＵＣＯＮ的水溶液 ,当温度升至云点 (ｃｌｏｕｄｐｏｉｎｔ)
时 ,可形成含水的上相和含ＵＣＯＮ的下相 ,即所谓
的温度诱导双水相系统 ,其云点为 50℃。用温度
诱导双水相系统提取蜕皮甾族化合物时 ,在初始的
双水相系统中蜕皮激素和 2 0 -羟基蜕皮激素被提
取到富含ＵＣＯＮ的上相 ,而细胞碎片、蛋白质和其
他杂质则分配在富含ＰＥＳ的下相 ,移出上相并升
温至 56℃诱导分相 ,可形成水和浓缩的ＵＣＯＮ两
相 ,此时两种甾族化合物则大部分分配在水相中 ,
而ＵＣＯＮ则可回收利用。作者在考察了成相剂种
类、添加盐和系统中乙醇的含量等因素后 ,确定出
最适宜的相系统为 1 1 %ＵＣＯＮ50 -ＨＢ -51 0 0、
7.5%ＰＥＳ2 0 0、 0 .1ｍｏｌ/Ｌ磷酸钠缓冲液 (ｐＨ =7.0 ),
体系含 2 0 %的乙醇。在此条件下进行了实验室规
模的提取试验 ,ｅｃｄｙｓｏｎｅ和 2 0 -ｈｙｄｒｏｘｙｅｃｄｙｓｏｎｅ的
提取率分别为 88. 7%和 91 . 2 %。作者认为 :温度
诱导双水相萃取技术从天然药物中提取分离有效药
用成分是一种快捷、简便、便宜的技术 ,有望工
业化。
黄芩苷 (ｂａｉｃａｌｉｎ)是黄芩中有药用价值的主要有
机物成分 ,有抗血小板凝集、抗肿瘤、降血脂、降
压利尿和清除自由基等作用 ,具有很重要的药理活
性。Ｍｉｓｈｉｍａ等[1 5]报道了用ＰＥＧ60 0 0 -Ｋ2 ＨＰＯ4-
Ｈ2 Ｏ的双水相体系对黄芩苷和黄芩素进行萃取实
验 ,由于黄芩苷和黄芩素都有一定的憎水性 ,被主
要分配在富含ＰＥＧ的上相 ,且分配系数Ｋ随结线
长度ＴＬＬ增加近似表现为Ｌｎｋ -ＴＬＬ的线形关系 ,
两种物质的Ｋ值最大可达 3 0和 3 5,分配系数随温
度升高而降低 ,且黄芩苷的降幅比黄芩素大。李伟
等[1 6]考察了黄芩苷在伴有温度诱导效应的ＥＯＰＯ/
ＫＨＰ双水相系统中的分配行为 ,并实验分析了添
加盐对黄芩苷分配状态的影响。作者认为 :与
Ｍｉｓｈｉｍａ的实验相比较 ,选择ＥＯＰＯ/ＫＨＰ双水相系
统更具优越性。

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3　液膜分离
3 . 1　液膜分离法的原理及特点
液膜分离技术是美籍华人黎念之博士 1 968年
首次提出的。所谓液膜就是一个很薄的液体层 ,一
般由表面活性剂及膜溶剂所构成 ,主要有单滴型、
隔膜型以及乳状液膜型等。根据膜的种类不同 ,其
分离机理可分为选择性渗透、渗透伴有化学反应、
萃取和吸附等。上述膜当中 ,乳状液膜表面积大传质速率快、可以有目的地控制其选择性 ,因此得
到广泛关注。乳状液膜体系分为膜相、内包相和连
续相 ,通常内包相和连续相是互溶的 ,膜相则以膜
溶剂为主要成分。利用乳状液膜分离时 ,连续相中
被分离物质通过膜相进入内包相 ,萃取和反萃过程
连续进行一步完成。为了维持液膜一定的稳定性 ,
往往在膜相中加入一定的表面活性剂。
该技术的特点是 ,通过高度分散的微细液界面
的传质 ,比溶剂萃取和离子交换吸附等传统的分离
技术具有传质速度快、选择性高、萃取和反萃同时
进行、能耗低等一系列优点。在传质过程结束后 ,
乳状液膜通常采用静电凝聚法破乳 ,膜相可以反复
使用 ,内包相进一步处理后回收浓缩的溶质 ,从而
达到分离目的。在液膜分离技术方面 ,各国学者都
相继开展了大量研究 ,近年来 ,我国学者在乳化液
膜分离技术的应用方面取得了相当显著的成绩 ,展
示了该技术良好的应用前景。
3 . 2　天然药物中天然有机物的液膜分离
3 .2 .1　乳状液膜法提取黄连素
黄连素即小柏碱 ,属于生物碱类天然有机化合
物 ,存在于黄连、黄柏、三棵针等许多植物中 ,国
内传统方法一般采用酸性水、碱性水和乙醇等方法
生产黄连素。汤洪等[1 7]研究了用包有盐酸的乳化
液膜从黄柏皮的水浸液中直接提取黄连素 ,该方法
具有设备简单、操作容易、所用各种材料价格便宜
和能耗低等优点。实验证明 :水浸液中的黄连素经
乳状液膜法提取浓缩一次再用水重结晶后 ,纯度可
达 99%,超过药用标准。马智兰等[1 8]用正交实验
法研究液膜法提取黄连素的最佳条件。结果表明 :
在油内比为 1∶1 .5、膜内ＨＣｌ浓度为 0 . 8ｍｏｌ/Ｌ、载
体油酸用量为 0 . 0 75ｍｏｌ/Ｌ、乳化剂失水山梨糖醇
单油酸酯ｓｐａｎ 80用量为 2 . 5%时 ,黄连素提取量
可达总含量的 75%以上。
3 .2 .2　乳状液膜法提取北豆根总碱
莫凤奎等[1 9]用乳状液膜法从北豆根中提取了
北豆根总碱 ,并对外相ｐＨ值、内相盐酸浓度、萃
取时间及搅拌速度等影响分离的条件进行了考察和
优化。优化膜分离条件为 :外相ｐＨ值为 1 0 .1、内
相盐酸浓度为 0 . 3ｍｏｌ/Ｌ、膜相ｓｐａｎ 80浓度为
5.0 %、制乳时间为 5ｍｉｎ ,按此条件进行分离实
验 ,平均萃取率达到 86.0 %。
3 .2 .3　乳状液膜法分离富集烟碱
于立军等[2 0 ]利用ｓｐａｎ 80 -磺化煤油 -正辛醇
液膜体系 ,采用正交实验法 ,研究了烟碱的提取 ,
讨论了烟碱分离富集的优选条件 ,并利用高压静电
场对该液膜体系进行破乳 ,建立了破乳速率及相关
操作参数电压、频率、电极间距的函数关系。陈康
等[2 1 ]进一步研究了乳化液膜分离烟碱的渗透溶胀
模型 ,通过实验和理论研究 ,建立了相应的数学模
型 ,确定了相关参数 ,模型计算值与实验数据能很
好地吻合。
4　超声提取
4. 1　超声提取法的原理及特点
超声提取法是一种利用外场介入强化提取过
程 ,用溶媒进行天然药物中活性有机物成分提取的
一种方法。超声能量与物质间有一种独特的作用方
式———超声空化。所谓超声空化 ,是指存在于物质
中的微气核 (空化核 )在超声场的作用下振动、生长
和崩溃的过程。空化作用产生局部的高温高压 ,能
增强物质在溶剂中溶解能力。超声空化产生的声冲
流和冲击波可引起体系的宏观湍动和固体颗粒的高
速碰撞 ,使传质边界层变薄 ,传质速率增大。与常
规溶剂提取相比 ,超声提取时间短、产率高、条件
温和 ;超声波的粉碎、搅拌等特殊作用 ,可打破植
物药材的细胞壁 ,以使溶媒尽快渗透到药材细胞
中 ,溶出其中化学成分。
4. 2　超声法在天然有机物提取中的应用
郭孝武等[2 2～ 2 6]用超声波对大黄蒽醌、黄连
素、芸香苷、小檗碱、益母草总碱等多种药用活性
成分的提取分离进行了研究。作者认为 :超声提取
可缩短提取时间 ,降低提取成本 ,增大提取率 ,是
一优良的提取方法。
赵兵等[2 7]用超声法强化石油醚提取青蒿素 ,
采用超声法主要是利用超声波破碎细胞 (空化作用 )
和强化作用 (机械作用 )。破碎作用不仅决定于声
强、频率 ,而且与提取介质的性质等多种因素有
关。作者采用频率为 2 0ｋＨｚ的超声波 ,考察了诸
因素对提取的影响 ,得出结论 :超声提取 6次 ,每
次 2ｍｉｎ ,共计 1 2ｍｉｎ ,提取达 81 %,与 1 0 0 0ｒ/ｍｉｎ
搅拌提取 2ｈ提取率相同。
秦炜等[2 8]以姜黄素的提取为研究对象 ,以
Ｓｏｘｈｌｅｔ浸取方法的浸出量为基准 ,研究比较了循环
浸取、加热浸取、机械搅拌浸取和超声场介入下浸
取的浸取率和浸取速率 ;同时 ,实验测定了不同操
作条件处理后的姜黄粒径分布 ,讨论了超声场附加
效应强化提取过程机理。结果表明 :超声场介入下
浸取的浸取速率最快 ,超声场处理后的姜黄粒径分布较小。作者认为 :超声场的介入可以改变一般浸
取中原有的热力学平衡 ,提高姜黄素的浸出率。
Ｄｅｍａｇｇｌｏ等[2 9]从曼陀罗叶中提取曼陀罗碱 ,
用超声波提取 3 0ｍｉｎ比用常规煎煮法提取 3ｈ的样
品含碱量高 9%。Ｒｏｓｅ等[3 0 ]从萝芙木属植物的根中
将其生物碱全部提出 ,用常规法浸渍需 8ｈ ,而用
超声波提取法只需 1 5ｍｉｎ。Ｏｖａｄｉａ等[3 1 ]从吐根中提
取生物碱 ,用超声波提取 3 0ｓ比用索氏法 5ｈ所提
取的碱量还多。Ｚ .Ｈｒｏｍａｄｋｏｖａ等[3 2 , 3 3 ]从欧洲一串
红中提取药用成分和植物多糖 ,超声提取比常规提
取能提取出更多的有效药用成分 ,而且超声提取后
的植物残渣中的多糖提取率高于常规提取法所产生
的植物残渣中的多糖提取率。
超声波用于破碎海藻提取海洋生物活性物质亦
取得了较好的结果。路德明[3 4]将超声波用于盐藻
破碎提取胡萝卜素 ,在 2 0℃条件下分别采用超声
波为 3 0ｋＨｚ、 1 50Ｖ ,46ｋＨｚ、 1 0 5Ｖ ,46.4ｋＨｚ、 1 0 7
Ｖ ,48.2ｋＨｚ、 1 0 9Ｖ对盐藻进行破碎。通过显微镜
观察记数得到盐藻的完全破碎可达 87%,使 β-胡
萝卜素能够快速、高效地进入水等提取介质 ,同时
避免因采用化学粉碎方法造成被提取物结构和性质
变化而失去活性等。
5　结　语
超临界萃取、双水相萃取、液膜分离、超声提
取等新型分离技术大多是可以用不复杂设备 ,在比
较温和条件下操作就可获得较高收率和纯度的天然
有机物产品。由于天然药物中所含化学成分复杂 ,
而上述各种新型分离技术大多具有较好的选择性 ,
适合某些化合物成分的分离 ,因此 ,这些新技术有
望成为天然药物中活性天然有机物提取纯化的有效
手段。
然而 ,关于这些新技术的基础研究还比较少。
在双水相技术的研究中 ,温度诱导双水相萃取的研
究比较成功 ,但非温度诱导双水相萃取技术的研究
还处于低水平状态。关于植物有效成分在双水相系
统中的分配行为和分离过程的研究很少 ,大部分进
行到将目标成分提取到聚合物相 ,而如何进一步从
聚合物相回收目标成分、循环利用聚合物相以降低
成本是这项技术能否大规模工业化的关键。今后的
工作应加强双水相萃取应用于活性天然有机物分离
的基础研究 ,并运用化学工程中的萃取技术进行工
程放大 ,加强双水相萃取设备方面的研究。
在用乳化液膜法分离天然药物中活性有机化合
物方面 ,由于膜的稳定性、传质机理、溶胀和破乳
的一些关键性问题还没有彻底解决 ,因而液膜分离
技术在这一领域的应用还停留在实验室阶段。只有
提高膜的稳定性 ,降低生产成本 ,提取和破乳装置
适合工厂实际生产的需要 ,该项新技术才能真正应
用到实际的天然药物下游技术的生产开发中。
超临界萃取在活性天然有机物方面的研究比较
成熟 ,有些已工业化 ,但超临界萃取技术所用仪器
是压力容器 ,目前该技术主要是基于固定床的间歇
式操作。由于高压设备一次性投资大 ,间歇生产的
成本又高 ,对这一技术的普及有一定的限制 ,所以
采用移动床及流化床进行连续操作 ,避免生产中大
量能量的损失 ,降低生产成本 ,是今后的一个发展
方向。
超声提取目前虽已进行了一些研究 ,但都是仅
在实验室的小规模上 ,针对某些具体提取对象进行
简单的工艺条件实验。因此 ,在超声波用于植物中
活性天然有机物提取的进一步研究中 ,应对其作用
机理和动力学模型进行深入探讨 ,以便建立一套较
为通用的模式 ,为不同提取对象的操作条件提供依
据 ;同时还应注重有关工程问题研究 ,解决超声提
取工程放大问题。