生物堿提取方法的研究進(jìn)展

生物堿提取方法的研究進(jìn)展

氨基酸化合物是自然界中常見(jiàn)的含氮有機(jī)化合物。它們大多具有復(fù)雜的氮環(huán)結(jié)構(gòu)、生理活性和堿性。這是許多中藥和藥物的有效成分。1水溶液中的原則生物堿的溶解性能是生物堿提取的重要依據(jù)之一。游離狀態(tài)的生物堿根據(jù)溶解性能可分為親脂性生物堿和水溶性生物堿兩大類(lèi)。親脂性生物堿數(shù)目較多,絕大多數(shù)叔胺堿和仲胺堿都屬于這一類(lèi)。它們易溶于苯、乙醚、氯仿、鹵代烷烴等極性較低的有機(jī)溶劑,在丙酮、乙醇、甲醇等親水性有機(jī)溶劑中亦有較好的溶解度,而在水中溶解度較小或幾乎不溶。水溶性生物堿主要是指季銨型生物堿,數(shù)目較少,它們易溶于水、酸水和堿水,在甲醇、乙醇和正丁醇等極性大的有機(jī)溶劑亦可溶解,但在低極性有機(jī)溶劑中幾乎不溶解。具堿性的生物堿能和酸結(jié)合生成鹽。生物堿鹽一般易溶于水,難溶或不溶于親脂性有機(jī)溶劑,但可溶于甲醇或乙醇。生物堿鹽的水溶液加堿至堿性,則生物堿又以游離堿的形式存在。如親脂性生物堿鹽,則加堿后生成的游離堿又可自水溶液中沉淀析出。堿性極弱的生物堿和酸不易生成鹽,仍以游離堿的形式存在,或生成的鹽不穩(wěn)定,其酸水液不需堿化,即可用氯仿提出游離堿。2氨基酸的提取傳統(tǒng)的生物堿提取方法是建立在生物堿的理化性質(zhì),尤其是對(duì)于不同溶劑包括酸、堿等的溶解性能的基礎(chǔ)上的。一般來(lái)說(shuō),除少數(shù)具有揮發(fā)性的生物堿可用水蒸氣蒸餾法,具有升華性的生物堿可采用升華法提取外,絕大多數(shù)生物堿是利用溶劑提取法進(jìn)行提取。提取過(guò)程一般由生物堿的粗提和純化兩個(gè)過(guò)程組成。2.1化合物的合成生物堿在溶劑中的溶解度直接與溶劑性質(zhì)有關(guān)。一些常見(jiàn)溶劑按親脂性的強(qiáng)弱順序?yàn)?石油醚>苯>氯仿>乙醚>乙酸乙酯>丙酮>乙醇>甲醇>水。生物堿大部分是親脂性化合物,而生物堿鹽能夠離子化,加大了極性,就會(huì)變成親水化合物。當(dāng)生物堿和生物堿鹽與溶劑溶解性相當(dāng)時(shí),就會(huì)有較大的溶解度。按溶劑種類(lèi),可分為水或酸水提取法、醇類(lèi)溶劑提取法、親脂性有機(jī)溶劑提取法及其他溶劑提取法。(1)原則用堿提取堿具堿性的生物堿在植物體中多以鹽的形式存在,而弱堿性或中性生物堿則以不穩(wěn)定的鹽或游離堿的形式存在。生物堿鹽類(lèi)一般不溶于親脂性有機(jī)溶劑而溶于水或醇。用水作溶劑提取生物堿,植物體中一些親脂性的弱堿或中性堿提取不完全或不被提出,但如用酸水提取,則使生物堿都以鹽的形式被提出。故生物堿提取一般采取酸水作溶劑,較少采用水提取。酸水提取法常用0.5%～1%的乙酸、硫酸、鹽酸或酒石酸等為溶劑。(2)提取溶劑的選擇游離生物堿及鹽類(lèi)一般都能溶于甲醇和乙醇,因此它們作為生物堿的提取溶劑應(yīng)用較為普遍。雖然甲醇比乙醇極性大,沸點(diǎn)低,對(duì)生物堿鹽類(lèi)的溶解性能比乙醇好,但它對(duì)視神經(jīng)的毒性很大,所以除實(shí)驗(yàn)室有時(shí)用甲醇為生物堿提取溶劑外,多數(shù)用乙醇為溶劑,有時(shí)也用稀乙醇(60%～80%)作溶劑。也有采取酸性醇作提取溶劑。醇類(lèi)溶劑提取液中除含有生物堿及其鹽類(lèi)外,尚含有大量的其他脂溶性雜質(zhì),用稀醇提取的還含有一些水溶性雜質(zhì),需進(jìn)一步處理。(3)游離堿的提取大多數(shù)游離生物堿都是脂溶性的,因此可以用親脂性有機(jī)溶劑,如氯仿、二氯甲烷或苯等提取。由于生物堿一般以鹽的形式存在于植物細(xì)胞中,故采用親脂性有機(jī)溶劑提取時(shí),必須先使生物堿鹽轉(zhuǎn)變成游離堿,其方法是先將藥材粉末用石灰乳、碳酸鈉溶液或稀氨水等堿水濕潤(rùn)后再用溶劑提取。親脂性有機(jī)溶劑提取法提出的總生物堿一般只含有親脂性生物堿,不含水溶性生物堿。這種提取方法得到的總生物堿,雜質(zhì)較少,易于進(jìn)一步純化。(4)提取溶劑的選擇除了以上幾種傳統(tǒng)的溶劑提取方法外,為提高提取效率,根據(jù)生物堿的不同性質(zhì)衍生出一些其他方法。如鐘靜芬等人用不同類(lèi)型和濃度的表面活性劑對(duì)秦艽生物堿進(jìn)行提取,結(jié)果表明,非離子型表面活性劑的水溶液能增加生物堿的提取率,尤其以0.5%TW80稀醇液的提取率最高,并大于95%乙醇液、水和酸水作溶劑的提取率。又如段光明、宗會(huì)研究了不同溶劑系統(tǒng)對(duì)馬鈴薯糖苷生物堿的提取效果,即單溶劑法(甲醇為溶劑)、雙溶劑法(體積比為2:1的甲醇與氯仿)和混合溶劑法(體積比為50:30:20:1的四氫呋喃、水、乙腈及冰乙酸),結(jié)果表明,混合溶劑提取效果最好,提取率最高,雙溶劑次之,單溶劑最低。另外,還可以將溶劑提取法與其他方法相結(jié)合。如正處在探索中的溶劑提取-超聲波法,是以超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生的騷動(dòng)效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)引起機(jī)械攪拌,加速擴(kuò)散溶解的一種新型提取方法。如郭孝武用溶劑提取-超聲波法提取益母草總堿,并與熱回流法相比較,發(fā)現(xiàn)超聲波法所得益母草總生物堿的提出率高于熱回流法,并且縮短了提取時(shí)間。按具體操作可分為浸漬法、滲漉法、熱回流法、連續(xù)回流提取法和煎煮法。(1)甲基蓮心堿的純化浸漬法簡(jiǎn)便,是最常用的方法之一。它是將處理過(guò)的藥材,用適當(dāng)?shù)娜軇┰诔鼗驕責(zé)?60～80℃)的情況下浸漬以溶出其中成分。如王嘉陵用甲醇浸泡蓮子心粉,然后回收甲醇,用酸水、堿水、親脂性溶劑進(jìn)行純化,非水溶性總堿(含蓮心堿、異蓮心堿和甲基蓮心堿)收率為0.61%。又如張燦等人用酸水提取法從北豆根中提取蝙蝠葛總生物堿,即在30℃時(shí)用0.5%的硫酸溶液浸提,提取液用碳酸鈉堿化調(diào)pH值至9,過(guò)濾干燥后得粗總堿。該法一般在常溫下進(jìn)行,對(duì)中藥中有效成分尤其是熱敏性物質(zhì)的提取非常有利,但操作時(shí)間長(zhǎng),浸出效率差,用水為溶劑時(shí)提取液易腐敗變質(zhì),須注意加入適當(dāng)?shù)姆栏瘎?2)減少療效,提高效成分的含量滲漉法是往藥材粗粉中不斷添加溶劑使其滲過(guò)粗粉,從滲漉筒下端流出浸液的方法。此方法浸出效果優(yōu)于浸漬法,適用于有效成分含量較低或貴重藥材的提取。如黃嘉諾采用不同濃度的乙醇作溶劑,從藥材中提取延胡索生物堿,用滲漉法進(jìn)行提取,并與熱回流法進(jìn)行比較,結(jié)果用同一濃度乙醇(50%)為溶劑,滲漉法提取的生物堿收率(0.221%)大于熱回流法(0.191%)。但此法溶劑消耗量大,費(fèi)時(shí)長(zhǎng),操作煩瑣,且新鮮及易膨脹的藥材和無(wú)組織結(jié)構(gòu)的藥材不宜用滲漉法。(3)提取萃取溶劑熱回流法是一種比較成熟的分離方法。其最大特點(diǎn)在于通過(guò)溶劑的蒸發(fā)與回流,使得每次與原料相接觸的溶劑都是純?nèi)軇?從而大大提高了萃取動(dòng)力,達(dá)到提高萃取速度和效果的目的。如李文科從駱駝蓬中提取駱駝蓬生物堿,先用80%乙醇密閉浸泡原材料粗粉24h,熱回流3h,過(guò)濾,反復(fù)提取3次,將濾液合并,回收乙醇得浸膏。再用氯仿提取法純化浸膏,得總生物堿,回收率為3.46%。此法可減少溶劑消耗,提高浸出效率,但受熱易破壞的成分不宜用此法。此外,溶劑消耗量大,操作復(fù)雜。(4)索氏提取單次提取為了彌補(bǔ)回流提取法中需要溶劑量大和操作復(fù)雜的不足,可采取連續(xù)回流提取法。實(shí)驗(yàn)室常用脂肪提取器或稱索氏提取器,因此該方法又稱索氏提取法。如甄攀、楊鳳珍考察了吳茱萸總生物堿的提取條件,結(jié)果表明,在相同的提取時(shí)間內(nèi),索氏提取的效率高于浸漬提取和超聲提取,與回流提取相當(dāng),而且回流提取需要分3次提取,操作麻煩,因此優(yōu)選索氏提取。連續(xù)提取法提取液受熱時(shí)間長(zhǎng),因此對(duì)受熱易分解的成分不宜用此法。(5)中藥質(zhì)量判斷是否為有效成分煎煮法是將中藥粗粉加水加熱煮沸,將中藥成分提取出來(lái)的方法,此法簡(jiǎn)便,藥中大部分成分可被不同程度地提出,但含揮發(fā)性成分及有效成分遇熱易破壞的中藥不宜用此法。如李成網(wǎng)等人將干燥山豆根粉末用8倍量水煎煮兩次,濾過(guò)濃縮,加2倍量醫(yī)用乙醇,靜置24h,過(guò)濾,將濾液濃縮后用氯仿提取法純化,所得回收率最高達(dá)1.35%,優(yōu)于70%和95%乙醇的熱回流法。2.2物堿及氧化物的純化用溶劑直接提取出的粗生物堿除了含生物堿及鹽類(lèi)外,還含有大量其他脂溶性雜質(zhì)或水溶性雜質(zhì),須進(jìn)一步純化處理,常見(jiàn)的有樹(shù)脂法和有機(jī)溶劑萃取法。(1)總氧化物的提取樹(shù)脂法包括離子交換樹(shù)脂法和大孔樹(shù)脂吸附法。離子交換樹(shù)脂法通常是將提取液酸化后,通過(guò)強(qiáng)酸型(氫型)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂柱,使生物堿鹽陽(yáng)離子交換在樹(shù)脂上而與非堿性的化合物分離。對(duì)于親脂性生物堿可采用氨液堿化樹(shù)脂,使生物堿從交換樹(shù)脂上以游離堿的形式游離出來(lái),樹(shù)脂晾干后,再用親脂性有機(jī)溶劑提取即得總生物堿;對(duì)于水溶性生物堿也可直接用堿水液洗脫,得游離堿。如從鉤吻根中提取具有良好抗癌作用的鉤吻總生物堿,用0.3%硫酸水溶液浸泡1g鉤吻根2次,每次2h,將濾液用NaOH調(diào)pH值至5.0,通過(guò)001×7強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂,用2mol/L的HCl洗脫生物堿,洗脫液用NaOH中和,調(diào)pH值至11.0,以氯仿萃取2次,濃縮萃取液至干,總收率為1.07%,純度大于96%。大孔樹(shù)脂吸附法也是一種很有效的純化方法。如張紅等人從喜樹(shù)果中提取分離喜樹(shù)堿,將喜樹(shù)果粉碎,用80%乙醇于室溫浸泡24h,過(guò)濾、回收乙醇,將水溶液的pH值調(diào)為8,用AB-8大孔樹(shù)脂吸附,然后用等摩爾比氯仿/乙醇解吸。解吸液經(jīng)過(guò)濃縮、干燥,再用等摩爾比氯仿/甲醇重結(jié)晶,可得純度在90%以上的喜樹(shù)堿。(2)溶劑及溶劑的萃取此法是利用親脂性生物堿溶于親脂性有機(jī)溶劑,而其鹽溶于水的性質(zhì)。即水或酸水提取液用堿液(常用的是氨水、石灰乳或石灰水等)堿化,使生物堿鹽轉(zhuǎn)變成游離堿,再用氯仿、乙醚或苯等親脂性有機(jī)溶劑萃取,合并有機(jī)溶劑萃取液,濃縮即得總生物堿。對(duì)于醇類(lèi)溶劑提取液,通常采取酸水一堿水—親脂性溶劑的方法(或稱氯仿提取法)反復(fù)進(jìn)行。具體操作是將醇提取液減壓回收溶劑,用稀酸水溶解,過(guò)濾除去不溶解的非堿性脂溶性雜質(zhì)。未除凈的脂溶性雜質(zhì),可用乙醚或氯仿萃取幾次。酸水液堿化后用親脂性有機(jī)溶劑如氯仿萃取,使生物堿鹽轉(zhuǎn)化為游離堿而溶于親脂性有機(jī)溶劑與水溶性雜質(zhì)分開(kāi)。在堿化后用有機(jī)溶劑萃取操作中,也可在堿化前先加入有機(jī)溶劑,然后堿化,使剛游離出來(lái)的生物堿立即溶入有機(jī)溶劑,提取效率較高。另外還有混合溶媒沉淀法,如張學(xué)農(nóng)等從駱駝蓬種子中提取生物堿,用80%乙醇熱回流法得浸膏,將浸膏酸化后直接往酸液中加入氯仿/氨水(摩爾比為6:4)混合溶媒,立即有棕色沉淀析出,過(guò)濾,揮發(fā)去除氯仿得粗品。將混合溶媒沉淀法、氯仿提取法和陽(yáng)離子交換樹(shù)脂法相比較,結(jié)果是前兩種提取法明顯優(yōu)于樹(shù)脂法。3交叉萃取有助于生物提取3.1非極性溶劑超臨界流體萃取(簡(jiǎn)稱SFE)是近年來(lái)興起的綠色化工分離高新技術(shù)。它的技術(shù)原理是一種溶劑對(duì)固體或液體的萃取能力在其超臨界狀態(tài)下較之在常溫常壓條件下可獲得幾十倍、甚至幾百倍的提高。作為超臨界流體的物質(zhì)應(yīng)用最多的超臨界流體是CO2。但非極性的CO2只能有效萃取分子質(zhì)量較低的非極性的親脂性物質(zhì),且選擇性不高。而生物堿往往具有一定的極性,且生物堿母體與生物堿以一定的化學(xué)方式相連,具有束縛作用,因此需適量加入適當(dāng)?shù)姆菢O性或極性溶劑作夾帶劑,并進(jìn)行一定的前處理,以提高萃取能力。如用不同濃度乙醇為夾帶劑提取可可堿,可使可可堿在CO2中的溶解度提高幾十倍,且使萃取壓力明顯降低。又如在咖啡堿的提取中,純超臨界CO2幾乎不能從干燥的咖啡豆中萃取出咖啡堿,而預(yù)先加入水,可減弱咖啡堿與咖啡母體間化學(xué)鍵的強(qiáng)度,使咖啡堿游離出來(lái),溶于超臨界CO2之中。目前比較常用的夾帶劑有水、甲醇、丙酮、乙醇和乙酸乙酯等,其中甲醇和乙醇的使用最為廣泛。超臨界萃取技術(shù)與傳統(tǒng)的化工分離技術(shù),如水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法等相比,有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。如兼?zhèn)淞司s和液-液萃取的特點(diǎn);操作參數(shù)易于控制;溶劑可循環(huán)使用,萃取速度快、效率高、能耗少;特別適合于分離熱敏性物質(zhì),且能實(shí)現(xiàn)無(wú)溶劑殘留。以上優(yōu)點(diǎn)使超臨界萃取技術(shù)用于天然產(chǎn)物提取成為研究熱點(diǎn)。3.2超臨界co提取其他氧化物超臨界CO2萃取技術(shù)應(yīng)用在生物堿提取中最早,最成功的例子是從咖啡豆中提取咖啡堿。工業(yè)上傳統(tǒng)的二氯乙烷提取咖啡堿方法,會(huì)同時(shí)把芳香物質(zhì)提取出來(lái),殘存的二氯乙烷也很難除凈,從而影響咖啡質(zhì)量。20世紀(jì)70年代,德國(guó)的Zosel博士將超臨界CO2萃取工藝成功地應(yīng)用于咖啡豆脫咖啡因的工業(yè)化生產(chǎn)。此后,歐美又有多項(xiàng)有關(guān)超臨界萃取脫除咖啡豆中咖啡因的專利出現(xiàn),使該工藝日趨完善并在歐美國(guó)家達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模,年加工咖啡豆1萬(wàn)～5萬(wàn)t,基本上取代了傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑萃取工藝,并且工藝流程不斷完善。如將生咖啡豆先用一定量水浸漬,然后放在高壓容器中通入約70～90℃和16～22MPa的CO2進(jìn)行萃取,然后經(jīng)水洗塔和蒸餾塔處理,咖啡豆中的咖啡堿可減小到0.02%以下,而芳香物沒(méi)有損失;而Karz等人在工藝流程中加入反滲透裝置,把技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保問(wèn)題結(jié)合在一起考慮,使之成為一個(gè)先進(jìn)工藝,稱之為MaxwellHouse咖啡脫咖啡堿工藝。我國(guó)學(xué)者還對(duì)從茶葉中提取咖啡堿做了一定研究。如汪小鋼、蕭偉祥用水作夾帶劑,用超臨界CO2提取茶葉中咖啡堿,再用CH2Cl2萃取分離,得到純度為95.16%的咖啡堿,且與升華法、溶劑法等相比,可有效地分離咖啡堿和茶多酚。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)用超臨界CO2提取其他生物堿進(jìn)行了一些研究。Janicat等人用超臨界CO2加極性添加劑甲醇和水從罌粟莖中提取5種生物堿;如美國(guó)Schaeffer等人開(kāi)發(fā)了從野百合植物中提取用于化療的野百合堿的新技術(shù);董超宇等人對(duì)煙草中的煙堿進(jìn)行了超臨界CO2萃取研究,尋找到萃取時(shí)間1.5～2h、萃取溫度315～325K、萃取壓力12～16MPa的最佳工藝條件,并且與有機(jī)溶劑提取相比,不會(huì)產(chǎn)生橡膠狀物質(zhì),有利于進(jìn)一步處理,對(duì)環(huán)境無(wú)污染;原永芳等人用乙醇為夾帶劑從蓽茇中提取胡椒堿,最佳萃取溫度40℃,萃取壓力26.1MPa,夾帶劑為0.4ml乙醇,靜態(tài)萃取時(shí)間15min,動(dòng)態(tài)萃取體積5ml,與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑提取法相比較收率提高了7.3%,且操作簡(jiǎn)便快速,雜質(zhì)