超临界CO2流体萃取技术在生物碱萃取中的最新进展

2014-01-24孙亚伟

中国药业 2014年14期

孙亚伟

（安徽大学化学化工学院，安徽合肥 230601）

生物碱（alkaloid）是存在于自然界动植物中的一类含氮有机化合物，绝大多数生物碱都具有生物活性。由于生物碱仅以含氮结构为分类特征，因此生物碱类物质的分子量、溶解性差别较大，少数可溶于水，多数则溶于氯仿、乙醚等有机溶剂，绝大部分生物碱可以溶于醇类。自然界中有些生物碱与酸根离子结合形成弱碱盐，生物碱的盐类大多溶于水。由于生物碱的这些特性，决定了传统上提取生物碱往往采取有机溶剂提取或酸性水溶液提取，工业生产中最常用的溶剂是乙醇，但传统提取方法存在着回收溶剂、处理废液等工艺，造成成本高、能耗大、提取时间长，有效成分损失较多且易受破坏，提取率低，甚至还存在易燃易爆、安全性低等问题。近年来，超临界二氧化碳流体萃取技术（SFE-CO2）在中药提取中的应用日趋广泛。为了探讨生物碱的分子特性与超临界CO2流体萃取条件的规律，为SFE-CO2提取生物碱提供参考和依据，笔者参考季宇彬著的《中药有效成分》从生物碱溶解性及氮原子的结构[1]为切入点，对近几年已报道的研究文献作一分析。

1 提取原理与优势

处于临界状态的CO2，兼有气体和液体的双重特点，既具有气体的高扩散性和低黏度，又具有液体对物质的溶解力。萃取结束，当萃取物恢复到常压和常温时，溶解在CO2流体中的成分即与气态的 CO2分离。超临界 CO2萃取能力强，成本低，提取效率高，可保护被提取物的生理活性，无溶剂残留，生产周期短，优势明显。从现有文献资料看，虽然SFE-CO2在生物碱类成分提取中的应用越来越多，但是还不够广泛。从天然界中分离得到的生物碱有26 900多种，其中一部分具有生理活性，目前作为药物用于临床的有100余种[1]。迄今已报道用SFE-CO2提取的生物碱单体仅20多种，生物碱有效部位仅10余种，SFE-CO2的优势在生物碱提取方面还没有充分发挥出来。

2 水溶性生物碱的提取

2.1 苦参碱

苦参碱分子结构中有1个叔胺氮原子、1个酰胺氮原子，呈碱性，能溶于水、苯、氯仿、甲醇、乙醇，微溶于石油醚。刘修树等[2]以苦参碱含量为指标，运用正交试验法探讨了超临界CO2法萃取苦参中苦参碱最佳工艺:将苦参药材粉碎后过60目筛，加0.5mL/L氨水溶液浸润过夜，以4倍量75%的乙醇(V∶V)作为夹带剂，萃取压力 25 MPa、萃取温度 60℃、萃取时间 3 h、CO2流量 40 kg/h时，萃取物中苦参碱含量最高，为 22.97 ～24.2 3mg /g。盛桂华等[3]以萃取物质量和萃取物中苦参碱含量为测定指标，通过4因素3水平的响应曲面试验设计，研究分步超临界CO2萃取法从山豆根中萃取苦参碱的最佳工艺，结果为:山豆根干燥、粉碎，按液料比2∶1加入0.1 mol/L氨水浸泡过夜，过滤，滤渣投入超临界萃取釜中，每隔1.5 h取样1次，共取2次。取得萃取物后计重，测定苦参碱含量。第1步，萃取温度80℃，萃取压力45 MPa，以100%乙醇(V∶V)为夹带剂，用量 80 mL/100 g；第 2步，萃取温度 30℃，萃取压力25 MPa，以100%乙醇(V∶V)为夹带剂，用量每100 g药材用80mL。该萃取条件下苦参碱萃取率达96%。

2.2 小檗碱

小檗碱为季铵型生物碱，溶于水，可溶于乙醇，难溶于苯、丙酮和氯仿。张玉红等[4]通过正交试验设计研究了利用超临界CO2萃取方法从黄檗树皮中萃取小檗碱的工艺，最佳工艺为萃取压力25 MPa，萃取温度 50℃，萃取时间 60 min，夹带剂为 95%乙醇（V/V）。在此条件下，小檗碱提取率为67.56%，收得率为0.5837%。对比试验显示，索氏提取法的提取率为 73.92%，收得率为0.864%；而超临界萃取时间为 60 min，要远远短于索氏提取的480min。

2.3 槟榔碱

槟榔碱为叔胺型小分子生物碱，相对分子质量为155，可与水、乙醇或乙醚以任何比例混合。刘红等[5]以槟榔生物碱萃取量为主要考察指标，通过正交试验分析确定最佳萃取工艺:压力60 MPa，温度60℃，时间90min；检测萃取物中槟榔碱的百分含量为 5 884.64μg/g，所得萃取物中槟榔碱的百分含量平均为29.77%。张春江等[6]为了优化超临界 CO2萃取槟榔碱的工艺参数，采用三因素二次通用旋转组合设计实施试验，确定了槟榔碱萃取的最佳工艺参数为:槟榔粉碎，先用氨水碱化2min，以乙醇为夹带剂，添加量为槟郎粉的5%，萃取温度72℃，压力57 MPa，时间 26 min。在此条件下，槟榔碱的萃取量为 6 143.71 μg /g，达到理论最大萃取量的95.3%，所得萃取物中槟榔碱的百分含量为 25.85% 。

2.4 秋水仙碱

秋水仙碱为酰胺类生物碱，易溶于水、乙醇、氯仿，几乎不溶于石油醚。何纯莲等[7]采用SFE-CO2从百合中提取秋水仙碱，通过正交试验对萃取条件进行了优化筛选，确定了适宜的工艺参数:百合粉经 28.0%氨水碱化30 min后，在 40℃及18 MPa条件下，以相同体积的乙醇作夹带剂时萃取效果最佳，萃取物中秋水仙碱含量可由植物中的0.049%提高到6.40%。

2.5 咖啡碱

咖啡碱分子中含有2个叔胺氮原子，2个内酰胺氮原子，可溶于水、乙醇、丙酮、氯仿，易溶于热水。尹志芳等[8]采用SFE-CO2提取黑茶中的茶多酚和咖啡碱，采用正交试验优化最佳萃取条件:萃取温度40℃，萃取压力20MPa，夹带剂为70%乙醇，用量为300mL∶150 g，咖啡碱得率为 0.457%。赵旭壮等[9]采用 SFE-CO2从茶叶中提取咖啡碱，采用正交试验设计考察了压力、温度、时间和夹带剂种类对咖啡碱提取率的影响。结果表明，30%乙醇为夹带剂，萃取温度为 40℃，萃取压力为25 MPa，萃取 4 h，咖啡碱的提取率为3.95%。

3 脂溶性生物碱的提取

3.1 粉防己碱

粉防己碱分子中有2个叔胺氮原子，在生物碱中属于较大的分子，相对分子质量623；易溶于甲醇、乙醇、丙酮、氯仿，溶于乙醚、苯等有机溶剂，几乎不溶于水和石油醚。黄丽萍等[10]以粉防己中有效成分粉防己碱的提取率为指标，考察了热回流提取法、超声提取法、索氏提取法、SFE-CO2对粉防己碱提取效果的影响，结果SFE-CO2溶剂用量较少、提取率高，萃取率达索氏提取法的94.1%。萃取条件为:粉防己粉末加适量的氨水乙醇液拌匀，密闭24 h，以95%乙醇(V∶V)为夹带剂，萃取压力30 MPa、萃取温度60℃。

3.2 青藤碱

青藤碱是叔胺类生物碱，溶于乙醇、丙酮、氯仿和稀碱，微溶于水、乙醚和苯。冯自立等[11]以青风藤药材为原料，在单因素试验研究的基础上，采用Box-Behnken响应曲面分析法对影响青风藤药材中青藤碱SFE-CO2得率的关键因素进行了优化，优化工艺条件为:样品粉末，按样品量50%（V/W）的氨水碱化2min，萃取压力为 27.63MPa，萃取温度为 50.68℃，萃取时间为 120.24min，该条件下青藤碱得率为1.372%。

3.3 加兰他敏

加兰他敏为叔胺生物碱，易溶于乙醇、丙酮、氯仿，微溶于热水、苯、乙醚。耿中峰等[12]以加兰他敏的提取率为考察指标，采用单因素试验和正交试验考察从石蒜中SFE-CO2加兰他敏的条件，结果表明，萃取温度 65℃，压力 40 MPa，CO2流量 20 g/min，夹带剂为 90%乙醇(V∶V)，流量 5 mL/min，萃取时间为 3 h，加兰他敏提取率可达0.014 5%。

3.4 辣椒碱

辣椒碱为酰胺类生物碱，不溶于水，易溶于甲醇、乙醇、丙酮、氯仿及乙醚。邓传波等[13]以黄灯笼辣椒为原料，通过单因素试验确定的最佳萃取条件为:萃取压力30 MPa，萃取时间90 min，粉碎粒度80目、萃取温度35℃，该条件下外加5%水(V∶V)为夹带剂，辣椒碱一次萃取率为93%。

3.5 喜树碱的萃取

喜树碱含有1个叔胺氮原子，1个酰胺氮原子，微溶于乙醇、氯仿，难溶于水。阿依古丽·塔西等[14]运用正交试验研究了萃取压力、萃取温度、萃取时间以及夹带剂用量对超临界CO2萃取技术从新疆辣椒中萃取辣椒碱萃取率的影响，确定了最佳工艺条件为:萃取压力12 MPa，萃取温度45℃，分离温度45℃，萃取时间为40 min，无水乙醇为夹带剂，料液比为1∶2，此条件下辣椒碱提取率为5.0 mg/g。张玉红等[16]通过正交试验设计验证并确定了超临界CO2萃取喜树种子中喜树碱的最佳工艺条件为:萃取压力25 MPa，萃取温度 50℃，萃取时间 120 min，90%乙醇(V∶V)为夹带剂。在该条件下，喜树碱平均提取率为76.98%，所得到的萃取物中喜树碱的质量分数达43.68%。

3.6 吴茱萸碱和吴茱萸次碱

吴茱萸碱和吴茱萸次碱均含有1个叔胺氮原子、1个仲胺氮原子、1个酰胺氮原子，均溶于丙酮，微溶于乙醇、乙醚、氯仿，几乎不溶于水、石油醚、苯。刘文等[16]的研究结果显示，吴茱萸200 g粉碎，萃取压力28MPa，萃取温度40℃，夹带剂为95%乙醇(V∶V)1 L，先在 CO2条件下萃取 2 h，后用夹带剂萃取 2 h，得到的萃取物真空减压，浓缩可得浸膏8.633 1 g。

3.7 胡椒碱

胡椒碱是酰胺类生物碱，溶于乙酸、苯、乙醇和氯仿，微溶于乙醚，不溶于水。王立红等[17]以胡椒碱收率和浸膏中胡椒碱含量为指标，研究了胡椒中胡椒碱的SFE-CO2最佳工艺条件。采用正交试验法对其SFE-CO2工艺进行优化，并与传统提取工艺进行比较。结果最佳条件为:温度60℃，压力30 MPa，夹带剂为95%乙醇(V ∶V)，用量 1 ∶0.5（W /V），CO2流量 5.6 L /h，萃取时间2 h。在此条件下，萃取物中胡椒碱含量达77%，物料中胡椒碱的收率可达83%。

3.8 延胡索乙素

延胡索乙素是叔胺类生物碱，在乙醚或氯仿中极易溶解，在水或碱溶液中几乎不溶。刘丹等[18]以延胡索乙素提取量为考察指标，采用正交试验优选SFE-CO2萃取工艺。结果样品加适量碱性乙醇拌匀，密闭 24 h，萃取压力 25 MPa、萃取温度 55℃，以 95%乙醇(V∶V)为夹带剂，萃取时间1.5 h，提取的延胡索乙素含量较乙醇回流提取高，而得膏率低。

4 小结

CO2是非极性物质，具有选择性溶解。超临界CO2对低分子、低极性、亲脂性、低沸点的成分溶解性好，对大分子和极性基团多的物质溶解性差。为了提高萃取效率，需要加入适量夹带剂来改变其溶解性。从以上文献可知，无论水溶性还是脂溶性生物碱，大都以不同浓度的乙醇为夹带剂，只有刘红萃取槟榔碱[5]、冯自立萃取青藤碱[11]的研究中未加夹带剂。邓传波在从黄灯笼辣椒中萃取辣椒碱时以水为夹带剂[13]。在工业生产中，夹带剂的引入就要增加回收、处理夹带剂的工艺，不仅费时费力、增加能耗，还会增加污染。因此，对于小分子、低极性、脂溶性生物碱，还应通过调节萃取温度、压力、时间等条件，以减少甚至避免使用夹带剂。

超临界CO2具有溶剂的一般特性。在密闭容器中，当压力升高时，溶解能力增大；温度升高时，溶解能力降低，但受溶质在超临界CO2中溶解温度的影响，溶解能力与温度的关系变得极为复杂，应以实验数据为准。以上文献的萃取条件均经正交试验研究，具有一定科学性。其中水溶性生物碱的萃取压力一般要高于脂溶性生物碱的萃取压力，为保持CO2处于超临界状态，萃取温度要相应提高，如刘红萃取槟榔生物碱的萃取压力为60 MPa，萃取温度为60℃[5]；张春江萃取槟榔碱的压力57 MPa，萃取温度72℃[6]；阿依古丽·塔西萃取辣椒碱的萃取压力12 MPa、萃取温度 45℃[14]。

植物中的生物碱有一部分是以生物碱盐的形式存在，因而在超临界CO2流体中的溶解度低，需要用碱性试剂预处理，使生物碱盐变为游离生物碱，增加在超临界CO2流体中的溶解度，提高萃取效率，最常用的碱化剂是氨水。

影响生物碱萃取效率的因素很多，萃取条件要以试验为依据。SFE-CO2在生物碱萃取中优势明显，应用前景广阔，应进一步推广应用。

参考文献:

[1]杨世林，热娜·卡斯木.天然药物化学:案例版[M].北京:科学出版社，2010:381-410.

[2]刘修树，周晶，何晓丽，等.超临界-CO2法萃取苦参中苦参碱的工艺优化[J].中国现代中药，2012，14（11）:46-48.

[3]盛桂华，周泉城.超临界CO2分步萃取山豆根苦参碱工艺研究[J].江苏农业科学，2007，3（6）:261-264.

[4]张玉红，温慧.黄檗中小檗碱的超临界二氧化碳萃取工艺研究[J].林产化学与工业，2010，30（4）:103-106.

[5]刘红，曾凡逵，许春梅，等.超临界CO2萃取槟榔生物碱的工艺研究[J].中国食品工业，2011，26（1）:53-54.

[6]张春江，陶海腾，吕飞杰，等.超临界 CO2流体萃取槟榔中的槟榔碱 [J].农业工程学报，2008，24（6）:250-253.

[7]何纯莲，向建南，尹霞，等.百合中秋水仙碱超临界流体萃取工艺的研究[J].湖南大学学报:自然科学版，2003，30（6）:37-40.

[8]尹志芳，钟桐生，彭晓，等.黑茶中茶多酚及咖啡碱的超临界CO2流体萃取研究[J].湖南城市学院学报:自然科学版，2012，21（3）:56-59.

[9]赵旭壮，郭维强，唐远谋，等.超临界CO2萃取茶叶中咖啡碱工艺研究[J].食品与发酵科技，2011，47（5）:34-36.