天然藥物提取與分離技術(shù)

1基本概念,天然藥物,中藥,天然藥物是指動物、植物、和礦物等自然界中存在的有藥理活性的天然產(chǎn)物。 天然藥物不等同于中藥或中草藥 。包括植物、動物、礦物、海洋生物以及微生物等多種物質(zhì)天然藥物化學(xué)（medicinal chemistry of natural products）是運用現(xiàn)代科學(xué)理論與方法研究天然藥物中化學(xué)成分的一門學(xué)科。,中藥是在中醫(yī)藥學(xué)理論體系指導(dǎo)下的用藥。中藥是中醫(yī)千百年來醫(yī)療實踐的產(chǎn)物。 中藥化學(xué)是一門結(jié)合中醫(yī)藥基本理論和臨床用藥經(jīng)驗，主要運用化學(xué)的理論和方法及其它現(xiàn)代科學(xué)理論和技術(shù)等研究中藥化學(xué)成分的學(xué)科。,2相關(guān)概念,1）單體： 即化合物。指具有一定分子量、分子式、理化常數(shù)和確定的化學(xué)結(jié)構(gòu)式的化學(xué)物質(zhì) 。2）有效成分：具有生物活性、能起防病治病作用的化學(xué)成分。 3）無效成分：沒有生物活性和防病治病作用的化學(xué)成分。 4）有效部位：在中藥化學(xué)中，常將含有一種主要有效成分或一組結(jié)構(gòu)相近的有效成分的提取分離部分，稱為有效部位。如人參總皂苷、苦參總生物堿、銀杏葉總黃酮等。5）有效部位群：含有兩類或兩類以上有效部位的中藥提取或分離部分。 6）一次代謝產(chǎn)物：也叫營養(yǎng)成分。指存在于生物體中的主要起營養(yǎng)作用的成分類型；如糖類、蛋白質(zhì)、脂肪等。7）二次代謝產(chǎn)物：也叫次生成分。指由一次代謝產(chǎn)物代謝所生成的物質(zhì)，次生代謝是植物特有的代謝方式，次生成分是植物來源中藥的主要有效成分。,3天然藥物及中藥化學(xué)成分簡介,(1) 生物堿：為一類存在于生物體內(nèi)分子中含有氮原子的有機化合物的總稱；一般具有堿性，可與酸成鹽。游離生物堿具親脂性；生物堿鹽具親水性。 (2) 苷類：為一類經(jīng)水解后可產(chǎn)生糖和非糖兩部分的化合物。非糖部分叫苷元。苷具親水性，苷元具親脂性。 (3) 揮發(fā)油：為一類可隨水蒸氣蒸餾出來的與水不相混溶的油狀液體的總稱。具有香味或特殊氣味的中藥往往都含有揮發(fā)油。揮發(fā)油具親脂性。 以上三類為主要的有效成分類型。,(4) 糖類：為中藥中普遍存在的成分類型，包括單糖、低聚糖、多糖。單糖是糖的基本單位；低聚糖是由29個單糖脫水縮合而成的化合物。多糖是由10個以上至上千個單糖脫水縮合而成的高聚物。 (5) 有機酸：廣義的有機酸泛指分子中有羧基的化合物。在植物中多以金屬離子或生物堿鹽的形式存在。按分子大小又分為小分子有機酸和大分子有機酸。前者極性大，具親水性；后者極性小，具親脂性。 (6)樹脂：為植物組織中樹脂道的分泌物。性脆，受熱時先軟化而后變?yōu)橐后w，燃燒時發(fā)生濃煙并有明火。樹脂具親脂性。按結(jié)構(gòu)又分為樹脂酸（主要為二萜酸、三萜酸及其衍生物）、樹脂醇（分子中具羥基）、樹脂烴（為一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的含氧中性化合物）類。,(7) 氨基酸、蛋白質(zhì)和酶：氨基酸：分子中含有氨基的羧酸。構(gòu)成蛋白質(zhì)的多 為-氨基酸。為親水性。在等電點時，溶解度最小。蛋白質(zhì)、多肽：蛋白質(zhì)為二十多種-氨基酸通過肽鍵首尾相連而成的高分子化合物，多肽亦為。但二者分子量不同，一般將分子量在5103以下稱為多肽，而介于51031107之間稱為蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)在冷水中溶解且成膠體，在熱水、60%以上乙醇及其它有機溶劑中變性沉淀。酶：是有機體內(nèi)具有催化作用的蛋白質(zhì)，其催化作用具有專屬性，如特定的酶可催化水解特定的苷。酶的性質(zhì)和蛋白質(zhì)相同。,(8) 鞣質(zhì)：又稱單寧或鞣酸，為一類分子較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多元酚類化合物的總稱。可與蛋白質(zhì)結(jié)合成難溶于水的鞣酸蛋白。為親水性物質(zhì)。 (9) 植物色素：為植物中具有顏色的成分的總稱。依溶解性又分為水溶性和脂溶性色素；前者主要指一些有顏色的苷、花青素，后者主要包括葉綠素、胡羅卜素等 (10) 油脂和蠟：油脂為一分子甘油和三分子脂肪酸脫水結(jié)合形成的酯。主要在種子中。常溫下為液體。蠟為高級不飽和脂肪酸和一元醇生成的酯。主要在植物莖、葉的表面。常溫下為固體。均為親脂性成分,還原型輔酶，學(xué)名煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,成分類型 水 醇類 親脂性有機溶劑游離生物堿 + +生物堿鹽 + + 苷類 + + 苷元 + + 揮發(fā)油 + +糖類（單糖低聚糖） + （多糖） 有機酸（大分子） + + （小分子） + + 樹脂 + +氨基酸 + + 蛋白質(zhì)、酶 鞣質(zhì) + + 色素（親水性） + + （親脂性） + + 油脂、蠟 + + ：單糖：無水醇難溶；多糖；對醇60%以上難溶。蛋白質(zhì)、酶：對水熱水沉淀；對醇60%以上沉淀。,4 提取技術(shù),4.1 提取原理 相似相容原理4.2 提取過程,浸潤與滲透階段,解析與溶解階段,溶出與擴散階段,dt為擴散時間；ds為在dt時間內(nèi)物質(zhì)（溶質(zhì)）擴散量；F為擴散面積，代表藥材的粒度及表面狀態(tài)；dc/dx為濃度梯度；D為擴散系數(shù)；負(fù)號表示擴散趨向平衡時濃度降低。,R為克分子氣體常數(shù)，T為絕對溫度，N為阿伏加德羅常數(shù)，r為擴散物質(zhì)（溶質(zhì)）分子半徑，為粘度,影響浸提的因素藥材粒度藥材成分浸提溫度 浸提時間濃度梯度溶劑pH值浸提壓力新技術(shù)應(yīng)用,4.3 化學(xué)成分的極性,被提取成分的極性是選擇提取溶劑最重要的依據(jù)。 1 影響化合物極性的因素： (1) 化合物分子母核大小（碳數(shù)多少）：分子大、碳數(shù)多，極性??；分子小、碳數(shù)少，極性大。 (2) 取代基極性大?。涸诨衔锬负讼嗤蛳嘟闆r下，化合物極性大小主要取決于取代基極性大小。 常見基團(tuán)極性大小順序如下；酸酚醇胺醛酮酯醚烯烷。,判斷下組化合物極性大小,數(shù)量繁多，結(jié)構(gòu)千差萬別，所以極性問題很復(fù)雜,4.4提取溶劑的選擇原則,（1）要對所提取成分溶解度大；對雜質(zhì)溶解度小。（2）要與所提取成分不起意外的化學(xué)變化（3）要廉價、易得、安全。 其中（1）是最主要的。,5.提取溶劑的選擇,（1）水： 為極性最大的溶劑，也最常用?？扇芙廛疹?、生物堿鹽、糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸、鞣質(zhì)、小分子有機酸、有機酸鹽、親水性色素、無機鹽。其中蛋白質(zhì)不溶于熱水。 缺點：用水提取易酶解苷類成分，且易霉壞變質(zhì)。某些含果膠、粘液質(zhì)類成分的中草藥，其水提取液常常很難過濾。沸水提取時，中草藥中的淀粉可被糊化，而增加過濾的困難。故含淀粉量多的中草藥，不宜磨成細(xì)粉后加水煎煮。 （2）親水性的有機溶劑： 以乙醇最常用。乙醇的溶解性能比較好。親水性的成分除蛋白質(zhì)、粘液質(zhì)、果膠、淀粉和部分多糖等外，大多能在乙醇中溶解。 優(yōu)點：應(yīng)用范圍廣，易過濾，不霉變，易濃縮回收。 缺點：價高、不安全，需回流設(shè)備,4.5 提取溶劑的選擇,（3）親脂性的有機溶劑：這些溶劑的選擇性能強，用于親脂性成分的提取，如游離生物堿、苷元、揮發(fā)油等。 優(yōu)點：提取專屬性強，易回收濃縮。 缺點：價高、易燃、有毒，穿透性差；對設(shè)備要求高。,4.6 提取方法,（1）浸漬法： 也叫冷浸法。將藥材粗粉以適當(dāng)溶劑在常溫下浸泡。多以水類或稀醇為溶劑。適于成分遇熱易破壞或含多糖較多的中藥的提取。缺點為浸出效果較差，水提取液易發(fā)霉，提取液體積大，浸出時間長。,（2）滲瀘法：將藥材粗粉裝于滲瀘筒中，不斷添加溶劑滲過藥粉，從滲瀘筒下端不斷流出滲瀘液。各類溶劑均可。此法由于溶液濃度差大，浸出效果好，且不破壞成分。但缺點為溶液體積大，時間長。,（3）煎煮法：為中藥水提取最常用的方法。將中藥粗粉用水加熱煮沸，保持一定時間，成分即可浸出。煎煮法必須以水為溶劑。此法提取效率高，但遇熱破壞成分要注意。且含多糖多的成分過濾困難。,（4） 回流法： 用于以有機溶劑加熱提取成分。優(yōu)點為提取效率高，但受熱易破壞成分不宜用此法。缺點為溶劑消耗量大，需回流設(shè)備，需幾次提取方可提取完全。,（5） 連續(xù)回流法： 以索氏提取器（亦稱脂肪抽出器）回流提取?？朔嘶亓鞣ㄈ軇┬枰看?、需幾次提取的缺點。缺點為提取時間長，受熱破壞成分不能用此法。,4.7 提取新技術(shù)-超臨界萃取法SFE,（1） 特點：與經(jīng)典溶劑提取法比較，不用有機溶劑，而是選用一種稱為超臨界流體（SF）的物質(zhì)替代有機溶劑提取。（2 ）優(yōu)點： 可在低溫下提取，“熱敏性”成分尤其適用。 無溶劑殘留，對作為制劑的中藥提取物的提取是一大優(yōu)勢。 提取與蒸餾合為一體，無需回收溶劑。 具選擇性分離。,（3 ）超臨界流體（SF）：指處于臨界溫度（Tc）和臨界壓力（Pc）以上，介于氣體和液體之間的、以流動形式存在的物質(zhì)。 超臨界狀態(tài)是指當(dāng)一種物質(zhì)處于臨界溫度和臨界壓力以上的狀態(tài)下，形成既非液體又非氣體的單一狀態(tài)，稱為“SF”。此時其流體密度近似液體、黏度近似氣體，其擴散力比液體大增，介電常數(shù)也隨壓力增加而增加。其浸透性優(yōu)于液體，因而比液體有更佳的溶解力，有利于溶質(zhì)的萃取，特別是性質(zhì)不穩(wěn)定、易熱分解的物質(zhì)的提取。,(4)二氧化碳的特點：臨界溫度接近室溫（Tc=31.3），臨界壓力也較低（Pc=7.37Mpa），無色、無毒、無味，不易燃，化學(xué)惰性，廉價，易制成高純度氣體。故在SFE中最常用。 (5)二氧化碳-超臨界流體的溶解能力規(guī)律： 在超臨界狀態(tài)下，CO2對不同溶質(zhì)的溶解能力差別很大。其取決于溶質(zhì)的極性、沸點、分子量。對親脂性、低沸點成分溶解能力強，如揮發(fā)油、烴類、醚類、酯類等。成分極性基團(tuán)（如OH、COOH）越多，越難提取。如糖類、氨基酸的萃取壓力要4104Pa以上。成分分子量越大，越難提取。,微波萃取技術(shù),微波萃取的展望：一、進(jìn)一步探討微波萃取機理 鑒于基體物質(zhì)和萃取物質(zhì)的復(fù)雜性，在萃取機理方面還有大量工作需要做，因為搞清機理將進(jìn)一步促進(jìn)微波在天然產(chǎn)物萃取中的應(yīng)用。,微波萃取技術(shù)的原理,Pare等提出假設(shè)：微波透過對微波透明的溶劑，到達(dá)植物物料內(nèi)部維管束和腺細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)溫度突然升高，連續(xù)的高溫使其內(nèi)部壓力超過細(xì)胞空間膨脹的能力，從而導(dǎo)致細(xì)胞破裂；細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)自由流出，傳遞到周圍被溶解。微波可選擇性加熱不同極性分子和不同分子的極性部分，從而使其從中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對較差的溶劑中，從而有效成分被提取。,微波萃取技術(shù),原理：微波是一種頻率在300MHZ至300GHZ之間的電磁波。傳統(tǒng)加熱法的熱傳遞公式為：熱源器皿樣品，因而能量傳遞效率受到了制約。微波加熱則是能直接作用于被加熱物質(zhì)，其模式為：熱源樣品器皿?？諝饧叭萜鲗ξ⒉ɑ旧喜晃蘸头瓷?，從根本上保證了能量的快速傳導(dǎo)和充分利用。,提取的最新技術(shù),微波萃取技術(shù)的原理,Pare等提出假設(shè)：微波透過對微波透明的溶劑，到達(dá)植物物料內(nèi)部維管束和腺細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)溫度突然升高，連續(xù)的高溫使其內(nèi)部壓力超過細(xì)胞空間膨脹的能力，從而導(dǎo)致細(xì)胞破裂；細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)自由流出，傳遞到周圍被溶解。微波可選擇性加熱不同極性分子和不同分子的極性部分，從而使其從中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對較差的溶劑中，從而有效成分被提取。,微波萃取技術(shù),微波萃取的應(yīng)用：采用該技術(shù)提取的成分已涉及生物堿類、蒽醌類、黃酮類、皂苷類、多糖、揮發(fā)油色素等。例如：王娟等以總黃酮和葛根素的含量為指標(biāo)，采用連續(xù)微波輻射方式進(jìn)行微波萃取參數(shù)的單一因素考察，也研究微波輔助萃取葛根的提取工藝。結(jié)果表明增加溶劑用量、提高原料粉碎度、延長原料浸泡時間將有利于葛根中有效成分的提取。,微波萃取技術(shù),微波技術(shù)在應(yīng)用上需考慮的問題：微波輸出功率、物料粒徑、浸出時間三個因素對提取率的影響；還需注意有效成分的極性大小問題。,微波萃取技術(shù),微波萃取的展望：一、進(jìn)一步探討微波萃取機理 鑒于基體物質(zhì)和萃取物質(zhì)的復(fù)雜性，在萃取機理方面還有大量工作需要做，因為搞清機理將進(jìn)一步促進(jìn)微波在天然產(chǎn)物萃取中的應(yīng)用。,微波萃取技術(shù),微波萃取的展望：二、將微波萃取的實驗室研究擴大為產(chǎn)業(yè)化研究近幾年，有用于中試生產(chǎn)的微波提取設(shè)備問世，主要分兩類：一為微波提取罐；另一類為連續(xù)微波萃取設(shè)備。我們相信，一旦這些設(shè)備應(yīng)用于大生產(chǎn)，必將對傳統(tǒng)中藥制藥業(yè)帶來巨大的革命。,膜分離技術(shù),膜分離技術(shù)其分離基本原理 以選擇性的透過膜為分離遞質(zhì)，當(dāng)膜兩側(cè)存在一定的電位差、濃度差或者壓力差時，原料一側(cè)的組分就會選擇性的透過膜，從而達(dá)到分離、提純的目的。,分離的新技術(shù),膜分離技術(shù),藥液的預(yù)處理是不可少的工序，主要有以下幾個步驟：(1)絮凝沉淀。在料液中加入絮凝劑，使大部分懸浮物沉積，從而使懸浮顆粒尺寸變大，更容易被微濾膜、超濾膜分離；(2)用壓濾或者離心分離去除較大的固體物質(zhì)。,分離的新技術(shù),膜分離技術(shù),膜分離技術(shù)在中藥生產(chǎn)中的應(yīng)用主要集中在以下四個方面：精制純化中藥提取物，以得到有效成分、有效部位和有效部位群；解決中藥注射劑、口服液等制劑的澄明度、無菌、無熱源；,分離的新技術(shù),膜分離技術(shù),膜分離技術(shù)在中藥生產(chǎn)中的應(yīng)用：濃縮，提高藥效成分濃度，減少劑母；回收溶劑，實現(xiàn)分離過程溶劑的循環(huán)使用，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。,分離的新技術(shù),膜分離技術(shù)的應(yīng)用,蔡邦肖等針對靈芝提取液的特性，依據(jù)微孔過濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)各種膜對特定物質(zhì)的選擇分離性能，設(shè)計了新型膜集成工藝，即篩網(wǎng)和濾紙粗過濾除雜和微孔過濾凈化處理進(jìn)而用不同切割分子質(zhì)量(MWCO)膜進(jìn)行兩級超濾、最后用納濾凈化濃縮靈芝水提液,活性成分截留率很高。,分離的新技術(shù),膜分離技術(shù)存在的問題,分離的新技術(shù),一、膜分離的基礎(chǔ)理論研究二、中藥生產(chǎn)專用膜分離裝置及膜的開發(fā)三、實現(xiàn)膜分離工藝及