现代提取技术在中草药提取中的应用

石莹莹

三门峡职业技术学院食品园林学院

近年来,随着人们生活水平的提高及生活理念的更新,人们对产品的安全环保性能提出更高要求,崇尚天然、绿色、健康,中草药因其天然、无毒、有药用价值,满足了人们多方面的需求,因而被作为添加剂应用于各种产品中,如食品、化妆品、医药等,近年来已被广泛应用。我国中草药资源丰富,历史悠久,但是中草药所含成分复杂,虽然含有有效成分,但是也含有无效和有毒成分,必须利用适当的方法,提取出有效成分,才能用于多种产品中发挥其功能。

传统的提取方法有溶剂提取法、水蒸气蒸馏法、升华法、压榨法等,但这些提取方法在工艺上存在能耗大、杂质多、效率低等问题。近年来,中草药提取工艺方法有了较大进展,出现了一些新方法、新工艺和新设备,如超临界流体萃取、超声提取、膜分离技术、微博辅助提取等工艺,使得中草药的提取率和纯度都得到了有效提高,大大扩展了其在产品中的应用范围[1]。本文综述了中草药的提取工艺方法,以期为其进一步的研究提供参考。

1 超临界流体萃取法

超临界流体萃取法是指利用超临界状态流体的溶解能力来达到分离有效成分的方法。流体处于临界温度(T_c)和临界压力(p_c)以上时,既非气体也非液体,其黏度接近于气体,密度接近于液体,扩散系数介于气体和液体之间,兼有气体和液体两者的优点,既能像气体一样容易扩散,又能像液体一样拥有很强的溶解能力。因此,可利用这一特点,増溶中草药中的有效成分,随后调节温度和压力,使溶质和萃取剂分开。常见的超临界流体有二氧化碳、氧化二氮、乙烯、三氟甲烷、六氟化硫、氮气、氩气等。目前最常用的是二氧化碳,已广泛应用于中草药提取工艺中。

陈宏降等[2]以三白草为原料,用超临界CO₂萃取法萃取三白草酮,与传统乙醇提取物相比,其中少了很多极性成分,三白草酮的含量高达12.6%。中国农科院草原研究所利用超临界流体萃取法萃取胡枝子中总黄酮,萃取液中总黄酮的提取量和纯度都得到了显著提高[3]。李建军等[4]利用超临界CO₂萃取金银花挥发油,挥发油获得率(20.68%)显著提高,成分也有所增加,经GC-MS分析,共检测出57种。华燕青等[5]利用超临界CO₂萃取薄荷中总黄酮,其提取率高,产品纯度好。王小生等[6]用超临界CO₂萃取法提取艾叶挥发油,获得率为1.443%,桉油精含量为0.318 mg/g,综合评价工艺稳定可行,可为实际生产提供依据。

超临界流体萃取技术可避免高温,又不残留溶剂,具有节能、降耗、省时、效率高、对环境无污染等优点。常用的CO₂超临界流体萃取技术只适用于提取亲脂性小,相对分子质量小的物质,对于相对分子质量大、极性大的成分则需加夹带剂(如乙醇、甲醇等),并大幅提高萃取压力,投资高,运行成本高,给应用于工业化生产带来一定难度,但随着高压技术的发展和对夹带剂的深入研究,其会有更广泛的应用前景。

2 超声提取技术

超声提取技术是利用一定频率超声波的空化作用,强化传质过程,超声波的热效应,使物质的组织内部温度瞬时升高,加速有效成分的溶出;超声波传递的机械能可在液体中形成有效的搅动与流动,从而破坏介质结构,粉碎液体中的颗粒,从而产生普通低频机械搅拌起不到的效果。从一定程度上加速了提取过程的进行,提高了提取率,且对大部分单味中草药的有效成分没有影响[7]。

王绪英等[8]以150倍45%乙醇做溶媒,60 ℃超声提取永思小檗中盐酸小檗碱,时间为40 min,含量达11.963 3 mg/g,进一步证实了超声提取工艺的可行性。温新宝等[9]利用超声提取法提取苍耳七中的黄酮化合物,最佳工艺条件下,提取量为47.18 mg/g。熊蔚蔚等[10]利用响应曲面法乙醇超声提取毛樱桃中总黄酮,最佳工艺条件下总黄酮获得率为1.135%,此法可在该领域推广使用。研究者利用不同工艺提取黄精中总皂苷,结果表明,超声提取总皂苷最佳,总皂苷含量在3.4%以上。

目前,超声提取技术在中草药提取领域中已得到广泛应用,能有效避免高温对活性成分的破坏,提取效果优于传统提取方法;由于中草药成分复杂,在实际操作过程中,参数的选取是关键因素,如能采用双频及可调频超声技术对复方提取进行大力研究,将使其应用范围进一步扩大。

3 微波萃取法

微波是频率在0.038～300 GHz,即波长在1～100 mm的电磁波。微波提取主要是利用其热效应,在微波电磁场作用下,极性分子从原来的热运动状态转向依照电磁场方向交变而排列取向,产生类似摩擦热,转化为介质内的热能,使介质温度升高。这个热量是介质自身损耗电磁场能量而产生的,不需要热传导过程,微波从四面八方穿透物料,使物体在短时间内达到均匀加热,大大缩短了时间。从细胞破碎的微观角度看,微波加热导致细胞内极性物质尤其是水分子吸收微波能,产生热量致使细胞内温度迅速上升,水汽化产生的压力冲破细胞膜和细胞壁,形成微小孔洞,甚至出现裂纹。这样就使得细胞内物质直接与溶媒接触,溶解并释放出细胞内成分,达到提取有效成分的作用[11]。

肖谷清等[12]利用微波辅助萃取益母草及成药中总黄酮,优化了其微波提取工艺,为中成药中总黄酮的检测提供了一种较好的方法。梁英等[13]通过优化工艺参数,得到微波辅助提取黄芩黄酮的工艺参数,即乙醇浓度47.9%,浸提温度88.3 ℃,浸提时间3.4 min,液固比为25.0 mL/g,黄酮的浸提率达97.52%。郑必胜等[14]利用微波辅助萃取复方双黄连组分中有效成分,得到各有效成分的最佳提取条件。胡秀丽等[15]对比了微波萃取法、索氏提取法与超声提取法对大黄中总蒽醌提取率的影响,结果表明,微波辅助提取法提取率最高(1.91%),用时最短。陶锋等[16]用微波萃取法提取金钱草中总黄酮,比传统醇回流法效率提高80%,该法适用于工业化生产。

微波技术应用于中草药有效成分提取,其具有选择性高、操作时间短、溶剂能耗低、污染小、获得率高等优点,但也存在一些限制,如对热不稳定物质、蛋白质、酶等,微波加热可能导致其失活或变性,故不宜使用。另外,微波的泄漏对操作者有较大的影响,所以其装置的泄漏防护设计是应用的一个重要问题。

4 大孔树脂吸附分离技术

大孔吸附树脂是一种具有大孔结构不含交换基团的有机高分子聚合物,其多孔性使其具有巨大的比表面积,能够依靠和被吸附分子之间的范德华力或氢键进行物理吸附,同时又对相对分子质量大小不同的化合物具有筛分作用。因此其分离的原理是根据有机化合物吸附力的不同及相对分子质量的大小,在大孔树脂上经一定溶剂洗脱而分开[17]。

鄢胜君等[18]用不同大孔吸附树脂分离纯化决明子中总蒽醌,结果表明,AB-8型的效果较好。罗强等[19]用D-101大孔吸附树脂富集纯化留兰香中总黄酮,留兰香提取物的干膏获得率由24.5%减少至5.4%,固形物中总黄酮含量由18.5 mg/g提高至391.9 mg/g,达到了缩小服用剂量的目的。聂佳等[20]考察了大孔吸附树脂分离纯化赤霉根总皂苷的工艺,确定了HPD100型大孔吸附树脂分离纯化TSTR的效果比较理想,通过梯度洗脱,赤霉根总皂苷的含量由原来干膏中的30.92%提高到洗脱物中的52.47%,纯化工艺稳定可行。

大孔吸附树脂分离技术具有选择性好、吸附容量高、吸附速度快、易于解吸附、可反复使用、使用周期长等优点。在实际应用中,除了树脂的选择外,还要研究最佳工艺条件,进一步提高提取的专一性和高效性,其次是提高效率和规模。

5 膜分离技术

膜分离是以外界能量和压力差为推动力,利用膜组件对组分中相对分子质量大的物质进行选择性截留,让小分子物质和溶剂通过,从而实现对多组分物质的分离和提纯,其特点是无需加热,能耗低,药效成分不被破坏,选择范围广,适用性强,分离物质效率高,目前在中草药有效成分分离中已有广泛应用。

李晶等[21]将膜分离技术应用于麦冬多糖的纯化工艺研究,结果表明,适合选用0.1 μm孔径无极陶瓷膜,在室温,0.15 MPa下进行微滤,多糖的透过率为98.5%,纯度达84.8%。易克传等[22]利用陶瓷膜和超滤膜结合对绞股蓝提取液中绞股蓝皂苷进行纯化,选择孔径0.5 μm的陶瓷膜,40 ℃,0.2 MPa条件下,去除提取液中的悬浮物和大分子杂质,再选用截留相对分子质量为3×10⁴的超滤膜,在40 ℃,0.8 MPa下,去除小分子杂质,截留绞股蓝皂苷效果较好,工艺操作简单、可靠、纯化效率高。

膜分离技术有很大应用前景,但在实际生产中,膜的污染和劣化是严重影响其推广和应用的最大问题,因此还有待进一步地深化和研究。

6 半仿生提取法

半仿生提取法是一种中药口服制剂提取方法,经过近年来不断地验证和完善,目前在中药提取中发挥着重要作用。该方法是基于“灰思维”模式,把整体药物的研究与分子药物研究法结合起来,模拟口服药物经过胃肠道转运吸收的环境,将中药及复方原料经过固定pH值的酸性、碱性溶剂依次提取,在不改变中药功效的基础上,促进中药有效成分的溶出,提取液经过滤、浓缩,得到活性成分更高的活性混合物,制成口服途径给药的制剂[23]。该方法能够提高中药材提取率,缩短生产周期,降低成本,被认为是有希望取代传统的技术,因而被广泛关注和应用。

于海宁等[24]对杭白菊中的抗胃癌活性成分进行了半仿生研究,获得了具有抑制胃癌细胞生长的有效组分及最佳提取条件:提取时间1 h,料液比1∶12,胃蛋白酶及胰蛋白酶用量均为0,在此条件获得的提取物处理下,胃癌细胞的存活率为19.9%。黄良永等[25]采用均匀设计法优化了连翘的半仿生提取工艺,以连翘酯苷A、连翘苷的含量和干浸膏获得率为综合评价指标,结合生产实际,确定最优工艺条件为三次煎煮用水pH值依次为2.0、7.0、10.0,煎煮时间依次为1、0.5、0.5 h。王京龙等[26]以葛根素、总黄酮含有量为评价指标,采用均匀设计法对葛根的半仿生提取工艺进行了优化,得出最佳条件为三次煎煮用水pH值2.0、7.5、9.0,三次煎煮时间依次为1.5、0.75、0.75 h。戴一等[27]用半仿生提取法对金陵子散中的抗癌活性成分进行了提取,结果表明,用含20%乙醇的半仿生液提取效果较佳,且抗癌活性较好。

半仿生提取法作为一种模拟人体消化过程的新提取方法,为中药研究提供了一种新思路,但其在刚提出时,一直采用高温水煎煮法,会造成热不稳定性活性成分的破坏,因而制约了其应用。

近年来,随着技术的不断完善,超声波、微波以及酶等辅助半仿生提取法逐渐被应用在半仿生提取中,实现了可在接近人体温度条件下提取中药有效成分的组合或提取方法,更加符合药物在人体内的吸收规律,克服了半仿生提取法高温煎煮破坏有效成分的缺点;另外,目前尚无用于半仿生提取的工业化实例,其能否推广应用,需进行深入研究。

7 酶法

酶是生物体活细胞产生的一种生物催化剂,可以参与和促进细胞内的各种反应。其特点是催化效率高,条件温和,专一性强。其作用原理是:根据植物药材细胞壁构成选择相应的酶,将细胞壁的组成成分水解或降解,破坏其结构,使其有效成分充分暴露,进而溶解、混悬或胶溶于溶剂中,从而达到提取目的。其本质是破坏了植物提取的屏障——细胞壁,从而提高了提取率,该法的优点是反应温和、操作简便、成本低廉,具备大生产的可行性。采用酶法从香草豆中提取香兰素,并与溶剂法进行了对比,提取效率是其2倍。

目前,在中药提取中应用较多的是纤维素酶。王晖等[28]应用纤维素美提取银杏中总黄酮,提取率比醇水提取高55.69%。杨军宣等[29]用纤维素酶提取三七中总皂苷,提取率比醇提法提高23.5%。李道荣等[30]将纤维素酶和果胶酶复合使用,用于蒲黄花粉中多糖的提取,提取率与水提法相比由50.50%提高到86.53%以上。

8 结语

上述的这些新方法、新技术较传统的提取工艺都有其明显的优势,但也有各自的局限性,多数技术的成熟度还不够,缺乏足够的中试和工业数据支持,需要进一步地深化研究,相信随着技术的改进和工艺的成熟,会极大地推进我国中药事业的发展。