离子液体提取中药有效成分的研究进展

李 嫚 朱 鑫 曾华辉 武香香

(河南中医药大学中医药科学院,郑州,450046)

中药化学成分复杂多样,在提取分离环节普遍存在提取周期长、提取效率低、有机溶剂用量大、污染环境等问题,严重制约其发展和应用。因此,改进和优化中药化学成分的提取分离技术是促进其健康可持续发展的关键。近年来,离子液体因其结构可调及其在中药化学成分提取中的优势而受到广泛关注。本文将萃取中药有效成分的常规方法、离子液体的特性、分类、萃取机制以及离子液体萃取中药有效成分等方面介绍如下。

1 萃取中药有效成分的常规方法

1.1 中药有效成分提取的传统方法 传统中药提取法有:升华法、压榨法、溶剂提取法、水蒸气蒸馏法,其优点及不足见表1[1]。

表1 各种萃取技术的特点

综上所述,中药传统提取方法虽具有操作简便、价格低廉等优点,但仍存在以下不足:1)有效成分损失较多,尤其是水不溶性成分;2)提取过程中有机溶剂有可能与有效成分作用,使其失去原有效用;3)非有效成分不能被最大限度地除去,浓缩率不高;4)提取液中除有效成分外,往往杂质较多,尚有少量脂溶性成分,不利于精制;5)高温操作会引起热敏性有效成分的大量分解。因此,中药传统提取方法已经不能满足现代发展的需要。

1.2 中药有效成分提取新技术 近年来,中药有效成分提取的新技术层出不穷。主要包括:酶提取法、单滴微萃取法(Single Drop Microextration,SDME)、超临界流体萃取法(Supercritical Fluid Extraction,SFE)、超声波提取法、微波萃取技术、固相微萃取技术等[2-4]。见表2。

表2 各种萃取技术的特点

新兴萃取技术大多具有工艺简单、高效省时及溶剂用量少的优点，但其存在诸如设备复杂、运行成本高、有机溶剂易污染等问题，使其发展和应用受到限制。离子液体无污染、不易挥发、稳定性好、节约能源的优点，使其可以作为传统有机溶剂的替代品提取中药有效成分，扩大新兴萃取技术的应用范围。

2 离子液体的特性

离子液体(Ionic Liquid,IL,又称室温离子液体)由阴、阳离子构成,黏度高、密度大,在室温或接近室温附近温度下呈液态。其密度与结构密切相关,一般会随阴离子体积的增加而增大,随阳离子体积的增大而减小;而其黏度主要受氢键、范德华力及静电作用影响,一般烷基链较长、支链较多的离子液体黏度较高。与传统有机溶剂比较,离子液体具有显著优势。见表3。

表3 离子液体与传统有机溶剂的比较

3 离子液体的分类及其萃取机制

3.1 离子液体的分类 离子液体种类繁多,可将其根据不同条件进行分类[16-18]。根据阳离子的种类可分为吡啶类、咪唑类、季铵类和季磷类等,其结构见图1。根据阴离子的种类可以分为BF4-、BF6-、CH3COO-、HSO4-、NO3-、Br-等。根据溶解性可分为:亲水性离子液体和疏水性离子液体。(阴离子组成是决定离子液体溶解性的关键因素。一般来说,若阴离子组成为BF4-,则水溶性较好,且溶解能力会随着烷基碳链的延长而增强;若阴离子组成为BF6-,因其与水之间很难形成氢键而呈疏水性。)

图1 离子液体的分类

3.2 离子液体的萃取机制 离子液体的萃取机制主要体现在两方面:其一,离子液体通过与个别基团发生诸如氢键作用、疏水作用、偶极相互作用和静电作用等分子间作用力而实现萃取;其二,疏水性离子液体可通过改变其阴阳离子组成调节其疏水性实现目标化合物的有效溶解。

4 离子液体萃取中药有效成分

近年来,离子液体萃取技术在中药研究领域的应用越来越受到关注,以下主要介绍微波辅助萃取、超声辅助萃取、双水相萃取此3种萃取方式。

4.1 离子液体-微波辅助萃取

微波辅助萃取(Microwave Assisted Extraction,MAE)是指在目标化合物的提取过程中(或提取的前处理)加入微波场,利用微波场的特点来强化有效成分浸出的新型提取技术。在微波场中,被辐射物质的极性分子可快速转向并定向排列,由此产生的撕裂和相互摩擦将引起物质发热,从而产生强烈的热效应。且在微波场中,介电常数不同的物质对微波能的吸收程度不同,利用这种差异可使萃取体系中的某些组分被选择性加热,从而使被萃取物质分离出来,进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的萃取剂中。一般来说,溶质和溶剂极性越大,吸收微波能的能力越强,温度越高,萃取率越大。微波辅助萃取具有加热均匀、热效率高的优势,而微波场中的离子液体具有较强的吸收能力和热转换能力,因而,基于离子液体的微波辅助萃取有利于高效萃取中药中的化学成分,如黄酮类、萜类、醌类、生物碱类等化合物。

4.1.1 黄酮类化合物 离子液体微波辅助萃取技术在黄酮类化合物中的萃取效果见表4。

表4 IL-微波辅助萃取技术在黄酮类化合物的应用

4.1.2 萜类及醌类化合物 FAN等[25]应用IL-微波辅助萃取技术萃取大黄中的大黄素和大黄酸。经对比研究,选择1-丁基-3-咪唑甲磺酸盐([BHim]MeSO3)为萃取剂。在最佳提取工艺下,大黄素和大黄酸的提取量分别为7.8、4.0 mg/g,是84%甲醇微波萃取的4倍。陈嘉曦和李尚德[26]采用MAE对穿心莲中的穿心莲内酯和脱水穿心莲内酯的萃取进行研究。考察了温度、时间、比较和原药粒径等因素对萃取效果的影响,且与传统溶剂回流萃取法(Hot Reflux Extraction,HRE)进行比较,发现当以[Bmim]Tf2N为萃取剂,固液比1∶10,80 ℃萃取3 min,脱水穿心莲内酯和穿心莲内酯的萃取率分别为4.76 mg/g和16.08 mg/g;与HRE比较,萃取率分别提高33%和38%。

4.1.3 生物碱类化合物 吴玉花等[27]以5种咪唑类离子液体([EMIM]Ac、[BMIM]Ac、[HMIM]Ac、[OMIM]Ac、[DMIM]Ac)为萃取剂萃取黄连中的小檗碱,分别考察提取过程中离子液体种类及固液比、溶液pH、微波时间、微波功率等工艺条件对提取效率的影响。结果显示,当以0.5 moL/L[OMIM]Ac为萃取剂,固液比1∶70,溶液pH 4.0,微波时间8 min,提取温度60 ℃,微波功率300 W时,小檗碱的提取率最高可达58.9 mg/g。

4.1.4 其他类化合物 吕思雨等[28]选择5种离子液体([C4MIM]BF4、[C6MIM]BF4、[C4MIM]Br、[C6MIM]Br和[C8MIM]Br)萃取厚朴中的厚朴酚与和厚朴酚。研究发现,当阴离子为Br-时,目标化合物的萃取率随着烷基碳链的延长而增加——这可能是因为随着烷基链的增长,IL与目标化合物之间的疏水作用和π-π堆积作用增强,有利于目标化合物的析出。当选择0.28 g[C8MIM]Br为萃取剂时,厚朴酚的提取率为5.19 mg/g,和厚朴酚的提取率为3.54 mg/g。比较于传统热回流提取法和超声提取法,不仅减少了萃取剂的用量,还缩短了萃取时间。杨玉良等[29]以[Bmim]Br为萃取剂,萃取秦艽中的獐牙菜苷、龙胆苦苷及獐芽菜苦苷。结果表明,在5 g秦艽与25 mL甲醇的混合溶液中加入5 g[Bmim]Br,微波功率300 W,提取温度65 ℃,萃取15 min,萃取效果最好;在此条件下,三者的萃取量分别可达0.399 mg/g、0.338 mg/g和15.845 mg/g。

4.2 离子液体-超声辅助萃取

超声波辐射压强可产生强烈的空化效应、机械效应和热效应。超声辅助萃取(Ultrasound Assisted Extraction,UAE)借此增大分子间的碰撞频率,增加溶剂的穿透力,从而加速目标化合物进入溶剂,缩短萃取时间,提高萃取效率。超声波的空化作用,使UAE具有相间传质速率快、提取温度低的优点;而离子液体具有不易挥发的特性,故基于IL的UAE有利于中药化学成分的快速高效提取。

4.2.1 黄酮类化合物 离子液体超声辅助萃取技术在黄酮类化合物中应用较多,其萃取效果见表5。

表5 IL-超声辅助萃取技术萃取黄酮类化合物

4.2.2 萜类及醌类化合物 LIU等[38]采用离子液体-超声辅助萃取技术提取八角石斛中的2种三萜类成分。通过对比不同离子液体的萃取效果,选用[BMIN]BF4/70%乙醇溶液为最佳萃取剂。在最佳条件下,2种三萜类化合物的总萃取量和萃取率分别为288.03 mg/g、28.80%,比70%乙醇(220 mg/g、22.0%)提取时高出6.80%。杨红帅等[39]建立了离子液体-超声辅助萃取茜草素与大叶茜草素的方法。对比不同IL发现,当以0.6 moL/L[HMIM]PF6甲醇溶液为萃取溶剂、固液比为1∶80(g/mL)时具有最高的萃取率,得率分别为0.030%和1.10%,明显高于甲醇溶剂萃取的0.012%和0.546%,是其萃取率的2倍多高。且在该条件下茜草素进样量在0.01～0.04 μg呈良好的线性关系(r=0.999 9),平均回收率为97.12%;大叶茜草素进样量在0.41～1.35 μg呈良好的线性关系(r=0.999 9),平均回收率为98.10%。

4.2.3 生物碱类化合物 张小梅等[40]分别[BMim]Br、[BMim]BF4、[HMIm]BF4、[OMIm]BF4、[BMim]PF6、[HMIm]PF4为萃取剂,萃取昆明山海棠中生物碱成分。研究结果表明:雷酚内酯和雷公藤醌A的最佳萃取溶剂为0.6 moL/L[BMim]PF6甲醇溶液,在最优条件下二者得率分别为35.13 μg/g和86.77 μg/g;而雷公藤晋碱、雷公藤碱庚和雷公藤次碱的最佳萃取溶剂为0.6 moL/L[BMim]PF6无水乙醇溶液,在最优条件下得率分别为804.44 μg/g、77.93 μg/g和365.16 μg/g。该方法结合离子液体和超声波提取法的优势,有效的测定了昆明山海棠中5种活性成分,且方法稳定、简单、绿色环保。

4.2.4 皂苷类化合物 吴谦等[41]建立了一种绿色、快速、高校萃取和富集中药急性子中4种凤仙萜四醇皂苷的方法。采用离子液体并结合超声辅助萃取急性子中的化学成分,利用固相萃取小柱富集提取液中的凤仙萜四醇皂苷。通过考察离子液体种类及用量、pH值、超声时间、固相萃取剂和洗脱剂等实验条件对提取率的影响,确立了最优萃取剂为[C6mim]Br,最优萃取条件:萃取剂用量为0.9 mL,提取液pH=7.0,超声为30 min,最优富集条件:固相萃取小柱填料为0.9 g CHP20/P120,上样流速为1.5 mL/min,洗脱剂为1.5 mL甲醇。在最优条件下,4种凤仙萜四醇苷加标回收率在92.1%～108.2%之间,相关系数范围为0.994 5～0.997 5,检出限范围为1.8～4.5 μg/mL,相对标准偏差(Relative Standard Deviation,RSD)<3.9%。本方法与传统回流提取方法提取效果接近,可准确测定急性子中4种凤仙萜四醇苷含量。

4.2.5 其他类化合物 李晓严等[42]分别以[Emim]Cl、[Emim]Br、[Emim]BF4、[Bmim]Cl、[Bmim]BF4、[Hmim]BF4的醇溶液为萃取剂,超声波萃取栀子中的西红花苷。研究发现,当阴离子为BF4-时,萃取效果明显高于其他2种阴离子;当烷基链由C2增加到C4时,西红花苷的提取率逐渐增加,而当增加到C8时萃取率明显下降。这可能是因为:1)BF4-的亲水性较其他2种阴离子高,从而使亲水性的目标产物更容易溶出;2)离子液体黏度随烷基链的延长而增大,因而不利于西红花苷的溶出。当以0.8 moL/L[Bmim]BF4/70%乙醇溶液为提取溶剂,料液比1∶20,超声40 min,提取率可达1.13%,比同等条件下70%乙醇的提取率(0.85%)高出0.23%。林志銮等[43]应用离子液体-超声辅助萃取技术提取白花葛茎中的多糖。通过扫描电镜发现,离子液体对白花葛茎表面具有较强的破坏能力,其对细胞壁中的纤维素具有降解作用,导致纤维素分子发生断裂而使其溶解,进而使细胞内的多糖更容易释放出来。当选用6%的[Bmim]PF6为萃取剂时,仅3 mL,白花葛茎多糖的提取率就可达22.53 mg/g。SHI等[44]采用离子液体-超声辅助萃取技术提取补骨脂中的7种有效成分。通过比较不同离子液体对提取总量的影响,最终选用[HMIM]PF6/70%乙醇溶液为萃取剂。最优工艺下,补骨脂中7种有效成分的总量达18.89 mg/g,高于75%乙醇溶剂萃取(萃取总量为14.72 mg/g)。芦欢等[45]分别以[BMIM]Cl、[BMIM]BF4、[HMIM]BF4、[BMIM]PF6、[HMIM]PF6为萃取溶剂,萃取川芎中的阿魏酸。研究结果表明,[BMIM]BF4提取阿魏酸的效率最高:一方面是因为随着BF4-、Cl-、BF6-3种阴离子亲水性的降低阿魏酸的萃取率逐渐下降;另一方面则是较长的烷基链容易产生空间位阻效应,阻碍了阿魏酸与离子液体间的相互作用,进而导致其萃取率下降。当以1.0 moL/L[BMIM]BF4为萃取剂时,阿魏酸的提取率为0.0733%,是传统溶剂超声提取法(60%乙醇提取率为0.032 7%)的2倍多。MA等[46]采用[C12MIM]Br的水溶液萃取五味子中的木脂素。结果显示,该方法所得的木脂素含量是回流提取的3.5倍。

此外,还有人选择选用超声-微波协同萃取法提取中药化学成分。该方法克服了单一超声和微波萃取的不足,实现了对固体样品快速、高效的处理。如张露月等[47]采用超声-微波协同萃取法萃取金钗石斛中的总黄酮和石斛碱。通过考察不同离子液体、微波功率、提取时间及料液比对金钗石斛总黄酮和石斛碱提取率的影响,确定最佳萃取条件为1.0 moL/L[Bmim]BF4、微波功率328 W、提取时间185 s、料液比1∶22;并与传统加热回流比较,在最佳萃取条件下,协同萃取得到的金石斛总黄酮和石斛碱的含量均明显提高,且提取时间由90 min缩短到185 s,达到了高效、省时的提取效果。

4.3 离子液体双水相萃取

离子液体双水相系统一般是由亲水性离子液体、水和无机盐(常用的有KH2PO4、(NH4)2SO4等)组成。与传统聚合物双水相系统比较,该系统中的离子液体易于跟目标分子发生氢键作用,使其选择性萃取能力增强。因此基于离子液体的双水相萃取有利于中药化学成分的高效提取。

4.3.1 苷类化合物 李纳[48]采用离子液体[Cnmim]BF4(n=2、4、6、8)与Na2SO4、(NH4)2SO4组成的双水相体系萃取红旱莲中的金丝桃苷。研究发现,[C8mim]BF4—(NH4)2SO4组成的双水相体系萃取效果最佳,可达96%。究其原因:一方面是因为阳离子烷基侧链的增长导致离子液体疏水性增强,有利于金丝桃苷的萃取;另一方面则是因为(NH4)2SO4呈弱酸性,根据“相似相溶”的原理,更有利于金丝桃苷的萃取。

4.3.2 皂苷及萜类化合物 JI等[49]采用离子液体-原位碱性双水相体系萃取甘草中的三萜皂苷。通过对比,确定最佳萃取溶剂为[C4MIM]BF4;在优化条件下,提取效率及纯化度分别达26.0 mg/g、81.5%。与传统萃取方法比较,该方法获得了更高的提取效率及三萜皂苷的总纯化度。张喜峰等[50]以[Bmim]Cl—KH2PO4组成的双水相体系为萃取剂,萃取分离锁阳中的熊果酸。通过考察粗提液质量分数、pH、NaCl质量分数对锁阳熊果酸萃取率的影响,确定其最佳萃取条件为:双水相组成为25%[Bmim]Cl-21% KH2PO4、8.5%粗提液、1% NaCl、pH值4.7,在此条件下,熊果酸的萃取率可达97.85%。

4.3.3 其他类化合物 冯吉等[51]分别采用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)与[C4MIM][BF4]、[C6MIM][BF4]、[C8MIM][BF4]组成的双水相系统提取虎杖中的虎杖苷及白藜芦醇。研究发现,当以400 μL[C4MIM][BF4]-0.16 g SDBS组成的双水相系统为萃取剂时,虎杖苷和白藜芦醇的含量最高,可达37.78 mg/g和6.06 mg/g。曾杰等[52]分别采用[C2mim]Cl、[C4mim]Cl、[C6mim]Cl与K2HPO4形成的双水相系统萃取无花果蛋白酶。在最佳萃取条件下,无花果蛋白酶酶活回收率为92.64%。初正帅等[53]通过用15种不同的离子液体与13种不同的无机盐的结合筛选,发现离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐对桑叶多糖有很好的提取效果。并通过单因素试验和响应面设计最终确定最佳工艺为:0.000 3 moL/L离子液体,料液比1∶20(g/mL),于76 ℃提取109 min。LI等[54]采用离子液体-双水相体系萃取五味子中的木质素。产率由原来的8.73 mg/g提高到10.44 mg/g。苏文斌等[55]采用[BPy]Br与K2HPO4形成的双水相体系萃取姜黄中的姜黄素类化合物。在最佳萃取条件下,姜黄素的萃取率是传统热回流提取法(0.042%)的100多倍高。

综上所述,离子液体尤其是咪唑类离子液体作为提取剂对于中药中许多活性物质均有较好的提取效果,如黄酮类、萜类、醌类、生物碱类等化合物。相对于水、甲醇、乙醇等常规溶剂,咪唑类离子液体在中药有效成分提取方面具有较大优势,其作为萃取剂的提取率比常规溶剂的提取率高出不少,且耗时短。这是因为咪唑环2位上的C-H基团是主要的氢键酸性位点,其能够与提取物中的氢键碱性位点发生氢键相互作用,从而促进目标化合物的溶解和萃取。因此,针对目标化合物的结构特点选择适宜的离子液体是实现高效萃取的前提,研发更多适应于不同中药有效成分的新型咪唑类离子液体也将是今后研究工作的主要内容。

5 离子液体在萃取中药有效成分中存在的问题

虽然离子液体具有诸多优点,可以替代传统有机溶剂应用于中药有效成分的提取,但仍存在亟须解决的问题。

5.1 IL液体黏度较高,传质阻力大 大多数IL具有较高的黏度,阻碍了IL对活性分子的溶解能力,影响了传质速率。对此可通过增加有机溶剂降低黏度,从而改善活性物质在IL中的溶解度。如YANG等[56]通过对比己二酸二甲酯(DMA)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)对离子液体黏度的影响,发现DMF降低黏度的作用更显著,DMA次之;且少量的DMF即可将黏度显著降低到原来的一半。

此外,由于离子液体的黏度随取代基碳链的延长、烷基支链的增多而增大。因此,可选择合适碳链长度的阳离子,设计出适宜的新型低黏度IL。

5.2 提取过程中IL的流失 大多数IL在水中具有良好的溶解性,使用过程中可能会有一部分流失到环境中,从而对环境造成污染。不同IL具有不同的毒性,通常咪唑基IL的生物降解能力较差,存在潜在的毒性[57]。因此,应开发毒性低、生物降解好的IL,对于IL流失问题,可通过吸附或共价键将IL负载在固体惰性载体上,减少其流失。

6 结语

离子液体中阴阳离子的可设计性是其优异理化性质和特定生物活性的决定性因素,更是其应用领域不断扩大的主要驱动力。随着对离子液体结构和功能的研究,其在生物医药研究领域中的应用不断深化。目前,离子液体已经成功应用于药学研究的多个方面并表现出传统方法不可比拟的优势。离子液体特别是新型手性离子液体能有效地促进多种反应的进行,显著提高反应收率和选择性,在中药有效成分的提取和分离方面具有良好的应用前景。因此,设计合成新型功能化IL,解决IL在应用中存在的一系列问题,并将其与各种萃取分离手段联合应用,构建新型萃取分离技术,对于中药资源的开发利用具有重要的科学意义。

利益冲突声明:无。