烟叶中茄尼醇提取纯化及应用研究进展

姚 雯，彭 健，顾丽莉，杜 康，张 花，张 尉

昆明理工大学化学工程学院，昆明市呈贡区景明南路727号 650500

茄尼醇是一种不饱和的聚异戊二烯醇，属于三倍半萜醇［1］，是长链的脂肪醇。含有多个非共轭双键，其结构如图1所示。

茄尼醇具有脂质抗氧化作用和消除机体内自由基的功能，有抗菌、消炎、治疗心血管疾病及抗溃疡等功效［2-6］，能够有效地吸收紫外线，可抑制与人类色素沉着疾病密切相关的酪氨酸酶的合成［7］。研究表明茄尼醇能保护大鼠的心肌细胞，改善其运动能力和认知行为，减轻大鼠大脑的炎症和氧化损伤［8］。茄尼醇是一种重要的医药中间体［9］，主要用于合成辅酶Q10、维生素K2、抗溃疡以及抗癌增效剂SDB等［10-12］。其中辅酶Q10已被用于辅助治疗心血管病40多年［13-18］，其结构如图2所示。在高档化妆品领域，因辅酶Q10具有防止肌肤老化、除皱和祛斑等功效而受到各类大牌化妆品生产商的青睐。

图1 茄尼醇分子结构图Fig.1 Molecular structure of solanesol

图2 辅酶Q10的分子结构图Fig.2 Molecular structure of coenzyme Q10

另外，茄尼醇的衍生物胶束可以用于疏水性药物的输送，提高药物的生物活性。Qin等［19］以茄尼醇为原料，通过酯化反应合成了两亲性的茄尼醇衍生物，用于传递辅酶Q10和小分子抗癌药物阿霉素，提高了疏水性药物的生物利用度和靶向治疗肿瘤的能力。Yao等［20］研究了一种具有药理活性的茄尼醇衍生物，作为胶束药物载体，它可以辅助癌症药物对癌症细胞起抑制作用。现阶段国外主要是对茄尼醇在医药方面进行药物研究探索与验证［21-22］。Kajal等［23］将茄尼醇与标准药物疗法（DNP3、MM20、CLB20、PGB30）用于大鼠脑出血后疾病时，茄尼醇表现出协同作用。Sidharth等［24］采用茄尼醇修复了由3-NP引起的大鼠行为和生化改变，并通过行为范式和生化测试进行了证实，发现茄尼醇在3-NP引起的记忆和认知异常方面具有神经保护机制。

近年来国际市场对于茄尼醇的需求量每年以10%以上的速度急速增长。2020年国际市场对于茄尼醇的需求量约为20 000吨［25］。我国是人口大国，辅酶Q10以及其他以茄尼醇为原料的药物需求量较大，年需求高纯度的茄尼醇4 000吨以上。目前，国内市场上茄尼醇产品供不应求，茄尼醇粗品（15%～20%）（质量分数，下同）的市场价格为每吨9～10万元，茄尼醇精品（90%）的价格为每吨120万元左右。

烟叶中茄尼醇的含量丰富，其在烟叶中占比为0.3%～3.0%［26］，存在形式有化合态和游离态。我国烟草种植面积大，具有茄尼醇提取方面的优势，但目前企业生产的茄尼醇粗品大多存在提取率低、色素含量高、纯度低等问题，不宜直接作为辅酶Q10的原料。90%茄尼醇的生产难度较大，且需要消耗大量的低纯度茄尼醇，生产效率低，不利于规模化生产。本文中比较了茄尼醇的各种提取技术及其优缺点，综述了茄尼醇粗品的纯化技术，旨在为高纯度茄尼醇的制备提供参考。

1 烟叶中茄尼醇的提取工艺

1956年，Rowland等［27］首次在烟草中发现了茄尼醇，并且证明其具有消炎、止血等功效。日本于20世纪80年代初，首次从烟叶中成功提取茄尼醇，进而以工业化半合成法制造了辅酶Q10产品。我国从20世纪90年代开始提取利用烟叶中的茄尼醇，主要从废次烟草浸膏中提取。最为普遍的从烟叶中提取茄尼醇的方法有：超临界萃取法、超声辅助提取法、微波辅助提取法和溶剂浸取法等。但上述方法仅可以得到20%～50%的茄尼醇粗品，要得到高纯产品，还需要后续的纯化分离。

1.1 超临界萃取法

超临界萃取技术是一种对环境友好、高效的分离技术，其原理是利用一种超过流体临界压力和温度的高密度流体将天然产物中的有效成分溶解并携带出来。超临界流体拥有气、液两种流体的性质，其密度类似于液体，而黏度接近于气体，具有较大的扩散系数、溶解能力和渗透能力。超临界CO2萃取法由萃取和分离两部分组成：萃取过程中超临界CO2流体与原料接触，有选择性的将某一组分或某些组分溶出，进入分离罐后通过等温变压或等压变温操作，CO2恢复至正常的气态，萃出物与CO2气体彻底分离，从而得到萃取产品。超临界CO2萃取能将低挥发性、高沸点的物质在远低于其沸点的温度下萃取出来，且不破坏物质的内部结构，维持了萃取物的原生物活性，萃取效率高，是一种绿色的提取方法［28-32］。

张歆等［33］通过预处理将化合态茄尼醇转变为游离态茄尼醇，并通过正交法确定了超临界CO2萃取茄尼醇的最佳工艺条件，获得40.14%的茄尼醇。朱松等［34］采用超临界CO2萃取废次烟叶中的茄尼醇，考察了萃取压力、萃取温度、夹带剂用量等因素对茄尼醇得率的影响，同样采用正交法确定最佳萃取条件，得到30.5%茄尼醇粗品。徐晓芳等［35］通过正交实验总结出影响超临界CO2萃取烟叶中茄尼醇因素的强弱顺序为：压力＞夹带剂流量＞温度。Yu等［36］考察了超临界CO2对烟草废料中茄尼醇萃取率的影响因素，优化了实验工艺条件，茄尼醇的提取率为44%。尽管超临界萃取技术有提取率较高、无溶剂残留等优势，但其高压操作状况势必对设备性能要求极高，还不能广泛应用于工业中。亚临界萃取技术是一种新型萃取分离技术，不仅保留了超临界萃取法的优点，而且以亚临界状态的流体为溶媒进行萃取的生产成本比超临界萃取技术低［37-38］，有利于其在工业上的应用［39］。目前，烟叶中茄尼醇的亚临界萃取提取鲜见报道，亚临界萃取技术有可能会成为一种潜在的提取烟叶中茄尼醇的方法。

1.2 超声辅助提取法

超声波提取法是利用超声波产生高速、强烈的空化效应和搅拌作用，破坏植物的细胞壁，使溶剂渗透到植物细胞中，缩短提取时间，增加提取率［40］。超声波提取具有提取温度低、提取率高、提取时间短的优势，被广泛用于各类植物有效成分的提取［41-42］，可替代有机溶剂提取法。超声波提取法的缺点是在工业中超声波提取法所需的提取罐尺寸较大或壁材过厚都会导致提取效率下降、超声时间延长和茄尼醇的纯度不高。张艺等［43］采用单因素实验考察提取工艺中各因素对茄尼醇提取率的影响，得到了优化的提取工艺。许玉君等［44］采用两相提取与超声波辅助的方式从废弃烟叶中提取茄尼醇，超声波浸提3 h，得到27.2%的茄尼醇粗品。

1.3 微波辅助提取法

微波提取是将微波能量转化为样品内的能量，从而降低目标物与样品的结合力，促进目标物从样品中进入萃取溶剂相［45-46］。微波辅助提取具有节省溶剂、耗时短、安全环保等优点，适合于天然产物提取［47-48］，但要防止微波泄露产生的微波辐射会对人体造成慢性损伤。夏敏［49］以乙醇作为提取溶剂，微波功率180 W，处理时间3 min，烟末粒度150 μm，固液比1∶100（g∶mL）提取烟叶中的茄尼醇，其提取量为2.81 mg/g。

1.4 溶剂浸取法

溶剂浸取法是利用溶剂的溶解度差异对混合物进行分离的单元操作。根据所提取组分的不同，可分为浸取法（固-液萃取法）和萃取法（液-液萃取法）。溶剂提取法是最早使用的提取方法之一，曾经因其提取时间过长、提取效率不高而受到限制［50］。目前，该方法大多与其他方法联合或耦合，大大提高了萃取效率，缩短了萃取时间。

李晓芹等［51］探究了乙醇、丙酮与甲醇这三种溶剂对茄尼醇提取率的影响，结果表明，95%（体积分数）乙醇对茄尼醇提取效果较好。孙银合等［52］采用氨浸预处理脱除了烟草中木质素，破坏了烟草细胞壁结构进而促进茄尼醇释放，并对茄尼酯进行水解皂化生成游离态茄尼醇，强化茄尼醇的提取效果。李雪珍等［53］通过对提取温度、提取时间、料液比、溶剂种类等因素的考察，采用正己烷浸取废次烟草中的茄尼醇，最高收率为1.068%。

①建议国家尽快对汉江下游堤防、杜家台分洪闸以及蓄洪区外包线围堤批复立项，按设计标准进行建设，以提高汉江下游堤防的抗洪能力，确保杜家台分洪工程的防洪安全。

1.5 鲜匀浆萃取法

鲜匀浆萃取是指通过加入萃取溶剂进行组织匀浆或磨浆，以提取植物中有效成分。该方法减少了原料的干燥工序，可降低成本。鲜匀浆提取法适用于热敏性物质，仅限于新鲜烟叶的提取。但因烟草鲜叶采摘周期较短，且新鲜烟叶难以保存，故而不利于工业化生产。

祖元刚等［54］首次将匀浆萃取应用到植物次生代谢产物领域，并将其与超声提取、索氏提取和超临界二氧化碳萃取进行了比较，突出了匀浆萃取提取时间短、对有效成分的萃取效率高以及成本低等优点。栾倩倩［55］将新鲜烟叶粉碎后固液分离，固相中茄尼醇含量为0.21%，将固相进行溶剂萃取，浓缩萃取液，得13.50%的茄尼醇，建立了新鲜烟叶综合利用的新工艺路线。

2 粗品茄尼醇的纯化分离技术

粗品茄尼醇纯度低且达不到合成医药中间体的要求，而符合制药标准的纯度需≥90%，故而，粗品茄尼醇的纯化非常关键。目前，茄尼醇的纯化技术主要有分子蒸馏、同时蒸馏萃取法、柱层析法以及分子印迹萃取方法等。

2.1 分子蒸馏技术

分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，利用不同物质的分子运动平均自由程差别实现分离。分子蒸馏一般在高真空下操作，蒸馏过程所需温度低，物料受热时间短，可保持天然提取物的品质，适合于热敏性物质的分离，但是分子蒸馏设备昂贵，操作成本较高，不利于企业广泛应用。钱超等［56］采用刮膜式分子蒸馏技术对茄尼醇进行提纯，探索并确定了最佳分离工艺条件，所得茄尼醇纯度为97.6%。

2.2 同时蒸馏萃取法

同时蒸馏萃取法结合了水蒸气蒸馏法和溶剂萃取法的特点，其原理是将样品与溶剂按一定比例混合后同时进行水蒸气蒸馏，收集料液所产生的蒸汽，并进一步在密闭容器中充分混合、冷凝后，组分因在分层的两相中含量不同而实现分离。同时蒸馏萃取操作简单、重现性好，适用于分离样品中的易挥发成分以及半挥发成分，但不适用于易氧化或分解的物质。郑奎玲等［57］利用同时蒸馏萃取法提取茄尼醇和烟碱，提高了烟叶的利用率，茄尼醇和烟碱的纯度分别为95.5%和99%。

2.3 柱层析法

柱层析法是利用固定相对各组分的吸附能力不同，使各组分以不同速度沿层析柱向下迁移，形成若干色带，进而从不同色带分别收集分离物。柱层析法广泛用于从复杂混合物中分离浸提天然物质。与上述方法相比，柱层析法能耗低、所得产品纯度高，但其分离工艺复杂，耗时长。金淑萍等［58］采用处理过的粉煤灰作为吸附材料进行柱层析分离得到纯度为95%的茄尼醇产品。李玉山等［59］采用皂化和层析法相结合对茄尼醇进行纯化，茄尼醇收率为14%，纯度达到95.8%。赵建英［60］采用多级萃取结晶得到80%左右的茄尼醇，再经过层析，得到纯度在97%以上的茄尼醇。Tang等［61］采用石油醚对磨碎的烟叶进行两次提取，得到糊状残留物，将残留物皂化后上柱层析，得到了纯度为83.04%的茄尼醇。

2.4 结晶提取方法

结晶提取方法是在冷却过程中，利用混合物中各成分在同一种溶剂里溶解度的不同，过饱和物质结晶析出，从而达到分离的单元操作。结晶分离的选择性好、能耗以及设备要求较低，适用于从高杂质溶液中分离溶解度差异大的物质。高纯度的产品往往需要多次重结晶，但重结晶次数增加会导致收率降低。杜阳吉等［62］以乙酰化处理后的粗烟膏为原料，通过正交实验确定了皂化反应最佳条件，并用95%乙醇对皂化产物进行重结晶，得到了纯度为91.23%的茄尼醇。朱友民等［63］公布了一种得到纯度为90%以上茄尼醇的工艺，该工艺包括：原料的三级萃取预处理，重结晶，过滤和干燥。张旗等［64］对茄尼醇粗品经皂化提浓达到81%，再经乙醇重结晶精制，纯度达到90%。顾美娟等［65］采用结晶的方法将含茄尼醇的原料纯度从58%提高到70%。

2.5 分子印迹提取方法

Ma等［67］通过实验发现和评价了以分子印迹聚合物作为色谱固定相提取茄尼醇的新方法，在优化的实验条件下茄尼醇收率为2.5%，纯度达到98.4%。马晓琴等［68］用甲基丙烯酸甲酯作为单体，模板、单体、交联剂的用量为1:6:30（摩尔比），采用正相悬浮技术制备茄尼醇MIPs，其印迹因子达到3.89，用此MIPs识别及分离茄尼醇，所得提取液经HPLC检测，纯度为98.50%。Zhao等［69］采用乳液聚合的方法合成茄尼醇MIPs，通过考察合成温度、时间、引发剂用量、功能单体用量和交联剂用量对吸附效果的影响，确定了最佳模板分子与功能单体的比例为1:8:30（摩尔比），引发剂用量为10 mg，合成温度为70 ℃。印迹系数达到2.51，样品经SSO-MIP纯化后茄尼醇纯度达到95%。

2.6 大孔吸附树脂分离法

大孔吸附树脂是一类不含交换基团且有大孔结构的高分子吸附树脂，其吸附原理是基于多孔结构对有机分子的物理吸附，当有机分子通过树脂时被选择性吸附，随后经溶剂洗脱，最终达到分离、纯化等目的。大孔吸附树脂的树脂再生简便、吸附快且吸附容量大，广泛应用于食品、医药、环保等方面，但其价格较高、品种有限，不能满足中药多成分、多结构需求。Du等［70］对大孔树脂SP207、SP700、SP825、SP850和HP20的吸附解吸性能作对比，研究表明，SP850树脂具有较好的茄尼醇纯化能力。周统武等［71］通过大孔树脂纯化分离浸膏后，发现茄尼醇含量提高了6倍，达到67.23%。Zhou等［72］将微波萃取所得茄尼醇用HPD300大孔树脂柱层析和重结晶联合纯化，使茄尼醇的纯度达到96.97%。

2.7 高速逆流色谱法

高速逆流色谱法是一种液-液色谱分离技术，该方法是利用两相溶剂体系在高速旋转的螺旋管内建立起一种特殊的单向性流体动力学平衡，其中一相作为固定相，另一相作为流动相，在连续洗脱的过程中能保留大量固定相。高速逆流色谱法分离效率高、重现性好，特别适用于天然化合物的分离。但其两相溶剂体系的选择是关键，也是难点。魏芸等［73］对废次烟草茄尼醇粗品采用高速逆流色谱法进行纯化分离，所得茄尼醇纯度为96%。Du等［74］采用石油醚∶乙醇∶甲醇（200∶1∶100，体积比）这三种溶剂组成溶剂体系，通过高速逆流色谱从烟草提取物中纯化分离出茄尼醇，1 g烟叶提取物可得到121 mg纯度为90.7%的茄尼醇。曹晓莹［75］以氯仿∶正己烷∶乙腈（3∶10∶7，体积比）为溶剂体系，采用高速逆流色谱法对来自废次烟草的茄尼醇粗品中的茄尼醇纯化，所得茄尼醇纯度达96%。

2.8 其他纯化分离方法

陈桢禄等［76］发明了一种高选择性提取茄尼醇的方法，茄尼醇粗品溶解后与金属离子水溶液中金属离子络合得到沉淀物，再加入正己烷和水的混合溶液，分液得到的上层有机相减压干燥后得到纯度为97.2%的茄尼醇。魏雅雯［77］利用茄尼醇的9个独立的双键与Br2发生加成反应生成茄尼醇溴代物，使用去离子水除杂后，通过卤代烃消除反应除去Br2，得到纯度为93.65%的茄尼醇。

3 结语

近年来茄尼醇在医药方面的应用越来越广泛，市场需求量不断增加，针对高纯度茄尼醇、高收率和规模化工业生产所遇到的问题，国内外相关学者和企业均在不断进行深入研究。目前，市售茄尼醇粗品大多数来自溶剂浸取和超声提取，纯化的方法多数采用层析法。国内对茄尼醇精品的提取过程还存在着许多问题，如精制茄尼醇需要消耗大量的茄尼醇粗品等。国内生产高纯度茄尼醇的企业较少，且产品周期相对较长。本文中对国内外茄尼醇的提取与纯化进行了概述，可为高纯度茄尼醇的工业化生产提供借鉴。今后研究重点为实验室方法或技术的规模化应用，以提高精度，降低成本，生产出符合制药标准的茄尼醇。