非热技术用于中药热不稳定成分提取研究进展

游越，杨菁菁，姜壮壮，赵阳，陶丽

(扬州大学医学院，江苏 扬州 225009)

索氏法、热回流法、煎煮法等传统热提取方法作为中药有效成分提取的主流方法，但由于加热温度和时间的因素，常常导致中药材不稳定成分的热降解或化学变化。研究表明高温加热导致的中药热不稳定成分的破坏与其抗氧化、抗菌、抗炎等生物活性的丧失直接相关。因此，开发新的非热力提取技术与方法，对最大程度保留中药功效物质基础与新功效物质基础的发现与分析具有重大意义。

非热提取技术发展迅猛，包括超临界流体提取、机械化学辅助提取、超声辅助提取、高压脉冲电场提取、超高压提取、真空提取以及不同技术的交叉结合等。非热提取技术实现了中草药中的生物活性成分免于热降解损耗、能耗低、环境污染小等优点，同时由于非热提取技术通常在室温或稍高于室温的环境下工作，导致其对具有挥发性的活性物质提取有了更加明显的优势。由于超临界流体提取技术已被文献广泛论述和应用，本文对其简要论述，并重点对其余各类非热力提取技术的原理、特点及其在中药活性成分包括热不稳定成分提取的应用进展进行综述。

1 超临界流体提取

超临界流体提取(supercritical fluids extraction,SFE)是利用处于临界温度和临界压力以上、介于气体和液体之间的超临界流体作为溶剂的提取技术。二氧化碳(CO2)是最常用的超临界流体，其临界温度和压力都较低，化学性质稳定，适用于中药热敏物质的分离。由于CO2是非极性溶剂，因此对极性物质与离子化合物的提取分离能力较弱。影响SFE提取效率的主要因素数有：提取压力、提取温度、夹带剂种类及含量、CO2流量、提取时间[1]。植物精油或挥发油是中药热敏性成分的主要来源，传统采用水蒸气蒸馏法提取获得，但水蒸气蒸馏法有着效率低、耗时长、活性成分易分解等缺点。挥发油化学成分的分子量小，在超临界流体中的溶解度大，因此SFE在提取中药挥发油方面已得到广泛应用[2]。如ZHOU等[3]利用水蒸气蒸馏法、SFE、有机溶剂热回流提取三种方法提取中药桂枝的挥发油成分，发现SFE得率(5.914%)均高于水蒸气蒸馏法(0.376%)与热回流提取法(1.227%)。

2 机械化学辅助提取

2.1 技术原理

机械化学辅助提取(Mechanochemical assisted extraction,MAE)是在高性能研磨设备球磨罐内将已初步粉碎的药材与低磨耗、硬度高、表面抛光度好的研磨球(如氧化锆)混合，借助高强度机械力作用对药材进行充分的碾磨、剪切与挤压形成超微粉状态，使药材颗粒比表面积增加、促进细胞破壁与理化性质变化，从而提高活性成分的溶出度而提高提取率的提取技术。其工艺流程分为固相提取和固液提取阶段：首先在球磨工艺中同时投入一定比例的弱碱性助磨剂，利用机械化学反应，通过酸碱中和成盐反应以分离弱酸性目标成分(亦可加入弱酸性助磨剂以分离弱碱性目标成分)。进一步以水为提取溶剂与球磨产物混合再提取一定时间，对离心获得的上清液进行酸化处理后再旋转蒸发干燥，或不经离心直接酸化处理后再离心收集并干燥沉淀以获得目标产物。影响MAE提取效率的主要因素有：球料比、助磨剂种类及其含量、球磨时间、提取时间、液料比、酸化pH值[4]。

2.2 技术特点

MAE主要在常温下主要以水为提取溶剂，避免了活性成分的热降解与传统有机溶剂对环境的污染，反应清洁、安全、效率高，可通过加入不同种类固相助磨剂选择性分离目标成分。但MAE常作为药材有效成分提取的中间工艺，需对水提取分离的药渣进一步结合下游有机溶剂提取工艺以获得非极性活性成分[5]。此外，合理的工艺参数优化模型与复杂机械化学反应机理尚未明确，目前的研究仅限于实验室小试研究，尚未进入工业化应用阶段[4]。

2.3 应用举例

MAE用于植物黄酮成分提取的报道最多[6]。如ZHU等[7]采用MAE从银杏叶中提取银杏黄酮并对比传统热回流提取效率。最佳工艺条件下，MAE的提取时间为30 min，提取温度为室温，提取溶剂为水，得率为(6.85 ± 0.02)mg/g；而传统热回流提取时间为240 min，提取温度为70 ℃，提取溶剂乙醇溶液，得率为(6.43±0.05)mg/g，略低于MAE得率。张琦红等[8]采用MAE实现了中药苦参中黄酮成分的选择性提取。因此，MAE提供了一种具有短提取时间、更低提取温度和避免有机溶剂污染而替代传统提取工艺的提取策略。

3 超声辅助提取技术

3.1 技术原理

超声波辅助提取(Ultrasound-assisted extraction,UAE)是指将药材放置在超声换能器的超声场中，利用超声波带来的振动加速被提取物摆脱固态基质束缚，进而扩散到液态溶剂中，从而提高分离速率的一项提取技术。其原理主要是将超声波振动带来的空化效应，强大的压力使得植物的细胞壁瞬间破裂，促进细胞内活性成分溶出。影响UAE提取效率的主要因素有：超声波频率与强度、超声时间、提取温度、溶剂类型[9]。

3.2 技术特点

超声波在传输过程中，超声波的部分能量被介质与药材吸收而转变为热能，引起物料温度升高产生热效应。大功率超声热效应虽有助于有效成分地溶解，若不控制恒温，可能会一定程度造成活性成分的破坏。此外空化效应对溶剂水分子活化产生羟自由基，造成某些成分的氧化水解。因此，超声提取维持物料的温度控制在20～70 ℃范围内优化温度参数，对于还原性热不稳定成分，应选择更低的提取温度，从而获得最大提取率[10]。

3.3 应用举例

UAE的仪器装置相对简单、经济，成为了中药提取的一种常规制备方法。UAE通常与色谱或质谱串联从而开展提取后续的质量控制分析，如热不稳定青蒿素类成分的超声提取与定量分析[11]。李易等[12]比较了传统热回流法和超声法从金钮扣花中提取挥发油，虽提取率相差无几，但超声法提取的样品中总成分数量和N-烷基酰胺类成分的数量远超于回流提取法。丹参主要水溶性活性成分丹酚酸的热稳定性较差[13]，采用UAE法在30 ℃低温条件下提取25 min，丹酚酸B得率为33.93 mg/g，高于传统热回流提取工艺(28.76 mg/g)，同时避免了丹酚酸B分解为丹参素[14]。LI等[15]采用UAE结合绿色环保的胆碱类低共熔溶剂进一步提高了中药黄柏中生物碱类成分的提取率与抗氧化活性。此外，UAE不受药材中化合物极性、分子量大小的限制，广泛适用于各类药材，在中药成分提取方面已得到工业级应用。

4 高压脉冲电场提取

4.1 技术原理

高压脉冲电场(High intensity pulsed electric fields,HIPEF)是采用与容器绝缘的两个电极通过高压电流产生电脉冲使物料破壁的一种非热加工或提取方法。目前，HIPEF的作用机理有着诸多假设，包括电崩解理论和电穿孔假说。电崩解理论认为细胞膜在高压电脉冲的作用下形成高电位差导致细胞膜破裂。电穿孔理论是基于细胞膜的液态镶嵌模型出发的，认为生物膜结构的不均匀性以及膜蛋白类似于半导体的特征，使得生物膜存在着动态的“导通”点，高压脉冲电场在生物膜蓄积的能量可以高强度释放并瞬时间击穿生物膜系统，并强制打开蛋白质通道，细胞膜失去半透膜的选择透过性，促使细胞内容物流出，细胞体破壁死亡。影响HIPEF用于中药材有效成分提取效率的主要因素有：电场强度、脉冲数、液料比、溶液pH值[16]。

4.2 技术特点

HIPEF近年来最早应用于液态食品非热杀菌处理，主要用于食品加工领域。因其具有处理时间短、处理过程产热小、不破坏活性成分、污染小等优点逐渐应用于中药有效成分的提取。使用HIPEF法处理原料时，原料受到相同大小且均匀分布的电场强度处理，适用于能溶于水、乙醇等溶剂的各种中药有效成分的提取。值得注意的是，当电场强度过高或处理时间过长时，会对大分子化合物(大分子缩合物、生物酶等)的立体结构造成破坏，引起溶解性降低故而影响提取效率[16]。

4.3 应用举例

HIPEF目前主流应用于食品营养成分的提取与保存。RAHAMAN等[17]将其应用到液体原材料杏汁中，经处理后可以提高酚类、黄酮类与其它挥发性抗氧化热敏性成分的含量与自由基清除活性，且对活性成分的功能结构基团无显著影响。ANDREOU等[18]将其应用到半固体原材料橄榄油油渣中，发现HIPEF可以更高效地富集酚类化合物，富集时间从传统方法的1 h缩短至12 min。葡萄籽中原花青素的稳定性较差，李明月等[19]利用HIPEF法制备原花青素得率为8.23%，是常压乙醇浸提的1.78倍。HOU等[20]从人参中提取人参皂苷，HIPEF仅需2 min而传统热回流提取需长达6 h。可见，HIPEF具有处理时间短、耗能低、提取率高的优势，并逐步应用于中药提取。

5 高静压提取

5.1 技术原理

超高压(ultrahigh pressure,UHP)或高静压提取(high hydrostatic pressure extraction,HHPE)是指在室温或稍高于室温环境下以水、乙醇等液体作为介质，通过增压泵对密闭容器内的物质进行100～1 000 MPa加压处理并维持一段时间，使植物物料内外压力达到平衡，然后迅速卸压至常压。在高压差作用下，有效成分从药材内向周围溶剂扩散的一项非热提取技术。超高压技术遵循两个基本原理：勒夏特列原理和帕斯卡定律。根据勒夏特列原理，改变其压强，则其体积也会产生相应变化，所以如果对中药进行加压处理，则其体积会向最大压缩体积进行改变，同时超高压技术只作用于大分子物质之间的非共价键等(范德华力、氢键、离子键等)，而对小分子物质之间的共价键则没有太大影响，因此果在冷藏或者室温条件下进行超高压处理可以有效避免热提取会带来的中药有效成分的热降解和活性改变等问题。根据帕斯卡定律，由于液体的流动性，当对一密封容器内的液体施加压力时，压强的变化将大小不变地传递到所有方向。所以在超高压处理时，压力的作用是同步的、均匀的，而不会受到处理中药的形状、大小等客观因素的影响[21]。影响HHPE用于中药材有效成分提取效率的主要因素有：压力大小、保压时间、升压与卸压时间、循环数、提取温度、溶剂类型。

5.2 技术特点

HHPE最早用于食品的杀菌与贮存。HHPE仪器设备相对复杂，但操作时间极短，在密闭环境中没有溶剂挥发。由于采用液体静压，如水分子的膨胀系数较小，与超临界流体CO2相比，设备安全性远低于SFE。不足的是，超高压破坏了大分子物质之间的非共价键导致蛋白质变性，因此不适于提取活性成分主要为蛋白质或酶的动物类中药[22]。

5.3 应用举例

中药活性成分延胡索乙素为一种热不稳定成分，实验温度超过60 ℃时会加速延胡索乙素的氧化降解[23]。贺帅等[24]运用HHPE法提取中药元胡中的延胡索乙素，仅用了30 s的提取时间，得率为0.596 mg/g，超出传统回流提取率的25.2%。此外，人参皂苷在加热条件下也会发生不同程度降解[25]。LEE等[26]在30 ℃实验条件下采用HHPE提取鲜人参药材得到的总皂苷含量为1.6 mg/mL，稍高于常规加热提取获得总皂苷浓度1.2 mg/mL，HHPE获得39个挥发油类化合物，高于常规加热提取得到的29个挥发油类成分。此外，HHPE法处理新鲜药材还具有防腐防霉的作用。

6 真空提取

6.1 技术原理

减压或真空提取(vacuum extraction,VE)是利用抽真空系统制造负压条件，溶媒在负压条件下沸点降低从而在较低温度下使溶液处于沸腾状态的提取方法。通过减压处理，可以将水的沸点可以降低60 ℃以下或乙醇的沸点降低至50 ℃以下进行药材提取，从而提高热敏性成分的提取率。真空度、溶剂类型是VE用于中药材有效成分提取效率的主要影响因素。

6.2 技术特点

由于常压下沸腾处理的溶媒温度高，夹带的杂质较多，因此VE提取的药液也更加纯净[27]。虽然单纯采用VE法提取中药材的适宜用于热不稳定成分的提取，而热稳定成分的溶出率与上述其他方法相比效果较为局限。因此将VE与其他技术交叉结合进行优势互补，例如与超声或微波提取技术相耦合，一方面克服了超声提取无法加热实现溶剂沸腾状态的提取优势，另一方面降低溶剂沸点从而避免微波产生的高热对热敏性成分的破坏，从而进一步提高提取效率。

6.3 应用举例

羟基红花黄色素A是中药红花的一种单查尔酮苷类活性化合物，热稳定性差[28]。刘涛等[29]采用减压工艺提取羟基红花黄色素A并比较传统煎煮工艺，减压提取转移率为86.67%，高于常压煎煮提取转移率(66.79%)，且减压提取能保持药渣的完整性，减少了药渣堵筛现象的发生率。李德海等[30]利用真空耦合超声波提取龙牙楤木皂苷，发现与常规超声提取相比，真空条件可以缩短一半的提取时间，且真空耦合超声波技术提取的龙牙楤木皂苷体外抗氧化和抑菌活性显著高于常压超声辅助技术和溶剂提取技术制备的龙牙楤木皂苷。真空耦合超声波非热提取在实际生产中将带来更广泛的应用。

表1 非热提取方法技术特点与优缺点比较

7 结论

“中药绿色制造”成为了中药制药行业的新趋势，非热提取技术与传统热提取方法相比较，其主要优点有操作简便、耗时较短、安全，同时可以在稍高或低于室温的条件下，用于提取中药中具有热敏性的活性成分时，对溶剂的要求也更加宽泛，各自的技术特点总结见表1。由于这些优点的存在，使得非热提取技术可用于提取更高浓度的目标化合物，目前这些技术已经应用于诸多活性物质如多酚、生物碱、皂苷、黄酮、挥发油、多糖等的提取过程。非热提取技术的纯净、安全、保持有效成分活性、不易受热分解、稳定性强、提取率高，能够提取生物活性更高以及质量更佳的中药提取物的特点，因而成为了中药提取工业中一种具有相当发展潜力的高新提取分离方法。但是，某些新兴的非热提取工艺的提取反应机理不明确，设备造假昂贵，维护成本较高，不同非热提取工艺之间的提取物质量差异大，提取量化难，常作为实验室小试研究，难以大规模推广普及。因此，非热提取技术在中药绿色制造的精细化、统一化行业标准方面任重道远。