超臨界流體技術(shù)在中藥中的應(yīng)用

超臨界流體技術(shù)在中藥中的應(yīng)用

干預(yù)液體萃取技術(shù)（cpe）也稱為氣體萃取和濃氣萃取，在20世紀70年代末開發(fā)，是一種新的萃取和分離技術(shù)?，F(xiàn)在正處于積極發(fā)展的階段。1879年,英國科學(xué)家Hannay和Hogarth發(fā)現(xiàn)處于超臨界條件下的某些流體無論對液體還是固體都具有顯著的溶解能力。20世紀50年代,美國率先從理論上提出了超臨界流體用于萃取分離的可能性,并于20世紀70年代通過超臨界二氧化碳(SC-CO2)萃取乙醇驗證了自己的理論。之后,德國用SC-CO2代替己烷和甲醇萃取除蟲菊酯獲得成功。我國對超臨界流體萃取技術(shù)的研究是近十幾年的事。超臨界流體(SCF)具有與液體相近的密度和與氣體相近的黏度,擴散系數(shù)為液體的10倍~100倍,因此對許多物質(zhì)有較好的滲透性和較強的溶解能力?？梢宰鱏CF的物質(zhì)很多,如甲醇、乙醇、氨、苯、甲苯、甲乙醚、二氧化碳和水等,其中二氧化碳以其臨界溫度和壓力低、安全無毒、不可燃及廉價易得等獨特的優(yōu)勢占主導(dǎo)地位。經(jīng)過近30年的研究,SFE作為一種對環(huán)境友好的化工技術(shù)已取得了長足進展,廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、香料和化工等領(lǐng)域。典型的代表有啤酒花提取、咖啡因分離及煙草脫除尼古丁等,它們是應(yīng)用于生產(chǎn)最早且最為成功的范例。目前,國內(nèi)外對SFE應(yīng)用研究的熱點轉(zhuǎn)移到對中草藥及其他天然產(chǎn)物的提取上。1工藝設(shè)計與工藝優(yōu)化相結(jié)合中藥現(xiàn)代化是傳統(tǒng)中醫(yī)中藥發(fā)展的必然趨勢,作為中藥現(xiàn)代化的基礎(chǔ)性研究,中草藥有效成分的提取是目前研究的熱點和重點。將SFE應(yīng)用于中藥有效成分的提取、分離及其制劑提取工藝研究,結(jié)合傳統(tǒng)劑型的工藝改革,可有效富集生物活性物質(zhì),提高得率,改變中藥制劑“黑、大、粗”的面貌。中草藥的化學(xué)成分比較復(fù)雜,依據(jù)其生理活性和化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同,大致可劃分為揮發(fā)油、生物堿、黃酮類化合物等幾大類,其分子量、化學(xué)性質(zhì)和極性各有差異,在SC-CO2中的溶解度亦有不同,故在以上各類目標(biāo)產(chǎn)物的SC-CO2萃取過程中,應(yīng)采用不同的工藝和操作條件,以改善萃取成分的溶解性和選擇性。1.1sc-2提取法揮發(fā)油又稱精油,是廣泛存在于植物體內(nèi)的一類多成分油狀混合物,在臨床上具有止咳、平喘、發(fā)汗、祛風(fēng)等醫(yī)療作用。揮發(fā)油難溶于水,能完全溶于乙醇、乙醚等有機溶劑,對光線、溫度和空氣敏感,易氧化和分解,同時具有分子量小、沸點低、極性中等、親脂性高的特點,最適合用SC-CO2進行提取。目前,國內(nèi)外采用SC-CO2萃取技術(shù)提取揮發(fā)油的中草藥有珊瑚姜、木香、當(dāng)歸、月見草、川芎、大蒜、莪術(shù)、姜黃、寬葉纈草根、草果、蛇床子、小茴香、黃花蒿、刺柏、香附、蒼術(shù)、砂仁和火棘等。與傳統(tǒng)工藝采用的水蒸氣蒸餾法(SD法)相比較,SC-CO2萃取技術(shù)不僅產(chǎn)物收率普遍提高,提取時間縮短,而且經(jīng)過GC-MS鑒定可分離出常規(guī)方法得不到的成分,保留了其天然風(fēng)味。1.2鋼絞線的提取生物堿是生物體內(nèi)一類含氮有機物的總稱,多有較復(fù)雜的含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)和特殊而顯著的生理作用,為重要的中草藥成分。絕大多數(shù)生物堿具有極性,用SC-CO2萃取時不僅要提高溫度和壓力,而且要加入夾帶劑,以改善溶劑的溶解性和選擇性。常用的夾帶劑有甲醇、氯仿、乙醇、乙酸乙酯和丙酮。在提取中藥馬藍、菘藍、蓼藍的有效成分靛玉紅和光菇子中的秋水仙堿時,分別以甲醇和76%的乙醇水溶液為夾帶劑,效果較好。由于生物堿容易和酸形成鹽類,使之在超臨界二氧化碳流體中的溶解度降低,增加萃取難度,故在提取前需加入堿性劑堿化,以便生物堿全部轉(zhuǎn)化為游離堿。在分別進行延胡索、洋金花和馬錢子的萃取時,加入氫氧化鈣和氨水作堿性劑,萃取效率高且無污染。1.3中草藥含羥基化合物酚類化合物廣泛存在于中草藥中,具有顯著的生理活性。依據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同可以分為黃酮類、蒽醌類、香豆素類以及其他酚類化合物。同生物堿和揮發(fā)油相比,酚類化合物的分子量更大,分子中含有更多的羥基等極性基團,而且在中草藥中易和糖類結(jié)合成苷,使其極性增大,在SC-CO2中的溶解度變得很小。通過提取銀杏葉中的有效成分槲皮素和山奈素、牡丹皮中的丹皮酚、槐花米中的蘆丁、首烏中的補骨脂素和異補骨脂素、人參皂甙等,總結(jié)出提高SC-CO2流體萃取酚類化合物的規(guī)律:1)增加萃取壓力。一般使用的壓力大于35MPa;2)提高萃取溫度。酚類化合物耐熱性和極性都比生物堿、萜類化合物高,萃取溫度高達90℃時結(jié)構(gòu)不會被破壞;3)使用夾帶劑。在酚類化合物的SC-CO2萃取中,使用夾帶劑可提高萃取效率,縮短提取時間。1.4其他困難溶解藥物的提取1.4.1sc-co溶劑的絡(luò)合萃取夾帶劑也稱提攜劑,是在純超臨界氣體中加入的一種少量的、可以與之混勻的、揮發(fā)性介于被分離物與超臨界組分之間的物質(zhì),按其極性不同可分為極性夾帶劑和非極性夾帶劑。根據(jù)“相似相溶”原則,SC-CO2具有選擇性溶解能力,它對低分子量、低極性、親脂性、低沸點的成分,如揮發(fā)油、烴、酯、內(nèi)酯、醚和環(huán)氧化合物等物質(zhì),表現(xiàn)出優(yōu)異的溶解性;但對具有極性基團(—COOH和—OH)的化合物,極性基團越多,萃取越難。極性夾帶劑對非極性溶質(zhì)不起作用,相反非極性夾帶劑如果與溶質(zhì)的分子量接近,則對極性溶質(zhì)和非極性溶質(zhì)都起作用,因此如何提高SC-CO2對此類物質(zhì)的萃取效率,正確使用夾帶劑是很重要的。常用的夾帶劑有甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、1,1,1-三氯乙烷、2,2,2-三氯乙烷、三乙胺和1,2-二溴乙烷等。研究表明,只要加入少量的夾帶劑,就能明顯地增加難溶性物質(zhì)在SC-CO2中的溶解度。1.4.2反膠團技術(shù)的應(yīng)用反膠團是表面活性劑溶于溶劑中自發(fā)形成的納米級自聚體。其中表面活性劑的非極性尾端伸展于溶劑相,極性頭聚集形成極性核,水分子增溶于反膠團內(nèi)核,形成宏觀上透明均一、微觀上恰似納米級大小的微水池。將超臨界技術(shù)與反膠團技術(shù)有機地結(jié)合起來,充分利用反膠團中存在的大量極性微環(huán)境,彌補了SC-CO2不能萃取極性物質(zhì)的不足,從而把難溶性藥物的萃取引入到一個全新的領(lǐng)域。近年來,有關(guān)利用反膠團進行萃取的研究取得了很大進展,在氨基酸、蛋白質(zhì)等生物分子的提純方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。常用的表面活性劑有琥珀酸二酯磺酸鈉(AOT)、Triton-100、全氟聚醚碳酸銨(PEPE)等。1.4.3萃取體的選擇相對來說,SC-CO2萃取金屬離子是一項未成熟的技術(shù),但其發(fā)展很快,倍受關(guān)注。Wai等人進行了此方面的研究,當(dāng)β-二酮類物質(zhì)溶于SC-CO2中時,可萃取在固體或液體物質(zhì)中的鑭系或錒系元素。若能找到一種適宜的螯合劑,利用超臨界流體萃取中草藥中的金屬離子,則有望解決中藥中重金屬的污染問題。2其他方面：fe的應(yīng)用2.1從各種動、植物中萃取SFE已經(jīng)成為食品工業(yè)獲得高品質(zhì)產(chǎn)品的最有效的手段之一,主要用于有害成分的脫除和提取、食品原料的處理等。例如:用SFE從咖啡、茶中脫咖啡因;從植物中萃取風(fēng)味物質(zhì);從各種動、植物中萃取各種脂肪酸,提取色素;從奶油和雞蛋中去除膽固醇。其中卓有成效的是葵花籽、亞麻籽、香莢蘭干豆、大豆、花生、小麥胚芽、可可豆、沙棘的SC-CO2萃取,它與傳統(tǒng)的壓榨法相比收率高,且不存在溶劑法中的溶劑分離問題。2.2sfe法所含之法在抗生素藥品的生產(chǎn)中,傳統(tǒng)方法使用丙酮、甲醇等作有機溶劑,但要將溶劑完全除去卻非常困難。若采用SFE法,則可完全滿足要求。另外,用SFE法可從銀杏葉中提取銀杏黃酮,從魚的內(nèi)臟、骨頭中可提取多烯不飽和脂肪酸[二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)],從沙棘籽中可提取沙棘油,從蛋黃中可提取卵磷脂等,這些提取物對心腦血管疾病都具有獨特的療效。2.3保持市場的純度天然香料多數(shù)為分子量小的揮發(fā)油類,通常采用蒸餾法、溶劑法提取,但由于其中很多組分是低沸點、易氧化的物質(zhì),所以在提取過程中容易被破壞。用SFE法萃取香料不僅可以有效地提取芳香族組分,而且還可以提高產(chǎn)品純度,并保持其天然香味。國外香精的提取已具生產(chǎn)規(guī)模,我國在此方面也做了大量工作。例如:從桂花、茉莉花、菊花、玫瑰花中提取花香精,從花椒、胡椒、辣椒、肉桂、薄荷中提取香辛料,從芹菜籽、生姜、莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油等。啤酒花是啤酒釀造中不可缺少的添加物,具有獨特的香氣、清爽度和苦味。傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的啤酒花浸膏不含或僅含少量的香精油,破壞了啤酒的風(fēng)味,而且殘存的有機溶劑對人體有害。SFE為啤酒花浸膏的生產(chǎn)開辟了廣闊的前景,美國SKW公司從啤酒花中萃取啤酒花油已形成生產(chǎn)規(guī)模。2.4在煤系統(tǒng)中的應(yīng)用SFE用于脂肪族、芳香族、環(huán)烷族等同系物的分離精制已取得了可喜進展,并已成功地用于己二酸、二甲基色胺等產(chǎn)物的脫水和有機溶劑的回收,特別是在分離醇水共沸物、回收烷基鋁等催化劑及活性炭再生方面具有極好的效果。SFE還可用來制備液體燃料。以甲苯為萃取劑,10MPa、400℃~440℃條件下進行萃取,在SCF溶劑分子的擴散作用下,促進煤有機質(zhì)發(fā)生深度的熱分解,并能使1/3的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)物。此外,從煤炭中還可以萃取硫化工產(chǎn)品。美國最近研制成功用SC-CO2既作反應(yīng)劑又作萃取劑的新型乙酸制造工藝;俄羅斯、德國還把SFE法用于油料脫瀝青技術(shù)。有資料顯示,SFE法比Demex法過程的能耗低13%,目前已有1.5萬t/a的工業(yè)示范裝置。在環(huán)保方面,SFE可用于處理含有機物的廢水和固體污染物,改進了現(xiàn)行的廢水處理過程;還可用于廢水中污染物的分離,并將污染物氧化為小分子。在環(huán)境污染檢測上,SFE也可發(fā)揮其高效、準確的特性。3分離過程性能指標(biāo)以占主導(dǎo)地位的SC-CO2萃取為例。SC-CO2萃取類似于一般的溶劑萃取,并兼有一些蒸餾的特點,同時可通過調(diào)節(jié)壓力和溫度極大地擴展其分離過程的選擇性,因而其應(yīng)用領(lǐng)域遠遠超過了常規(guī)意義上的溶劑萃取。而較低的工作溫度、良好的產(chǎn)物感官評價,又使得SFE的萃取物更接近自然的特性,迎合了食品、化妝品及中草藥崇尚天然的發(fā)展潮流,尤其對于藥用植物熱敏性有效成分的提取,更引起了人們的廣泛關(guān)注。3.1sc-2c萃取中藥的特點以中草藥有效成分的提取為例,SC-CO2萃取技術(shù)與傳統(tǒng)方法(水提法、水提醇沉法和醇提法)相比,具有許多獨特的優(yōu)點:1)CO2的臨界溫度在31.06℃,特別適用于分離熱敏性物質(zhì),避免了常規(guī)提取過程中經(jīng)常發(fā)生的分解、沉淀等反應(yīng),能最大程度地保持各組分的原有特性,為明確真正的藥效成分提供了方便。2)CO2臨界壓力為7.39MPa,在不太高的壓力下就可達到超臨界狀態(tài),容易操作和實現(xiàn)工業(yè)化。3)萃取能力強,提取率高。用SC-CO2提取中藥有效成分時,在最佳工藝條件下能將目標(biāo)產(chǎn)物幾乎完全提取,從而大大提高產(chǎn)品收率和資源利用率;通過調(diào)節(jié)操作壓力和溫度,可使中藥有效成分高度富集,萃取效率提高,雜質(zhì)減少,產(chǎn)品外觀大為改善。4)提取速度快,生產(chǎn)周期短。SC-CO2提取(動態(tài))循環(huán)一開始,分離便開始進行。一般提取10min便有成分析出,2h~4h便可完全提取。此外,濃縮步驟簡單甚至不需要濃縮步驟,即使加入夾帶劑,也可通過分離功能除去。5)操作參數(shù)容易控制。通過與GC、IR、MS、LC等聯(lián)用,客觀地反映提取物中有效成分的濃度,實現(xiàn)中藥提取與質(zhì)量分析一體化。6)根據(jù)中醫(yī)辨證理論,中藥復(fù)方中有效成分是彼此制約、協(xié)同發(fā)揮作用的。SC-CO2萃取不是簡單地純化某一組分,而是將有效成分進行選擇性分離,更有利于中藥復(fù)方優(yōu)勢的發(fā)揮。7)經(jīng)藥理和臨床證明,SC-CO2提取中藥時,不僅工藝優(yōu)越,質(zhì)量穩(wěn)定,而且標(biāo)準容易控制,其藥理、臨床效果能夠得到保證。8)二氧化碳通常條件下為氣體,無色、無味、無毒、無害,且便宜易得,大大降低了生產(chǎn)成本。9)SC-CO2萃取工藝流程簡單,操作方便,沒有相變過程,節(jié)省能源和大量有機溶劑,減少三廢污染,為中藥現(xiàn)代化提供了一條高新的“綠色”通道。另外,超臨界流體結(jié)晶技術(shù)中的RESS過程、GAS過程等可制備粒徑均勻的超細顆粒及控釋小丸等中藥新劑型。3.2油脂、揮發(fā)油由于CO2的非極性和低分子量特點,在目前的技術(shù)水平下SC-CO2只適合于替代傳統(tǒng)的有機溶劑的提取和水蒸氣蒸餾法萃取脂溶性成分(如油脂類、揮發(fā)油),而對原來采用濃醇提取的生物堿、內(nèi)酯、黃酮等物質(zhì),需加入一定比例的夾帶劑或在很高的壓力下進行萃取,這就給工業(yè)化帶來了一定的難度。對于許多強極性和高分子量的物質(zhì)(多糖類、皂苷類、蛋白質(zhì)),則更難進行有效提取,必須與其他方法結(jié)合使用。此外,SC-CO2萃取裝置在更換產(chǎn)品時清洗比較困難,萃取產(chǎn)物的收集必須在無菌箱中進行,存在裝卸料的連續(xù)化問題及設(shè)備一次性投資較大的問題等。3.3fps-co萃取技術(shù)當(dāng)今,隨著人們生活水平的不斷提高以及世界各地對食品衛(wèi)生管理法規(guī)的日趨完善,天然產(chǎn)物、綠色食品越來越受到人們的