黃玉香,吳雅清,許瑞安
(華僑大學(xué)分子藥物研究院,分子藥物教育部工程研究中心,福建泉州 362021)
有機(jī)酸提取技術(shù)研究進(jìn)展
黃玉香,吳雅清,許瑞安*
(華僑大學(xué)分子藥物研究院,分子藥物教育部工程研究中心,福建泉州 362021)
有機(jī)酸提取對(duì)于研究和利用有機(jī)酸具有重要意義。文章綜述了近年來(lái)有機(jī)酸的提取技術(shù),系統(tǒng)介紹了不同技術(shù)在有機(jī)酸提取方面的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。
有機(jī)酸,提取技術(shù),綜述
有機(jī)酸是指具有酸性的有機(jī)化合物,最常見(jiàn)的有機(jī)酸是羧酸(不包括氨基酸),可分為脂肪羧酸和芳香羧酸兩類。植物中常見(jiàn)的脂肪羧酸有一元、二元、多元羧酸,如:酒石酸、草酸、蘋果酸、枸椽酸、抗壞血酸(即維生素C)等。脂肪酸多與甘油結(jié)合成酯或與高級(jí)醇結(jié)合成蠟。一般認(rèn)為脂肪族有機(jī)酸無(wú)特殊生物活性,但有些亦可作藥用,如:抗壞血酸可用于治療壞血病和提高免疫力。芳香族羧酸有許多可作藥用,如:苯甲酸、水楊酸、咖啡酸等。其中,咖啡酸衍生物中的綠原酸,為許多中草藥的有效成分,有抗菌、利膽、升高白血球等作用。有機(jī)酸除少數(shù)以游離狀態(tài)存在外,一般都與鉀、鈉、鈣等結(jié)合成鹽,如:甘草中甘草甜素為甘草酸的鉀、鈣鹽[1];有些與生物堿類結(jié)合成鹽。有機(jī)酸的研究對(duì)于開(kāi)發(fā)、利用藥用植物資源具有重要的意義。隨著提取技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展,如何從藥用植物中有效提取有機(jī)酸,吸引了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。本文從原理、特點(diǎn)和應(yīng)用角度對(duì)有機(jī)酸的提取技術(shù)作了綜述。
結(jié)合型有機(jī)酸多溶于水、乙醇、甲醇,難溶于其他有機(jī)溶劑;游離型有機(jī)酸可溶于有機(jī)溶劑,難溶于水,而成鹽后則易溶于水和醇?;谶@種特性,可用不同的溶劑將有機(jī)酸從藥用植物中提取出來(lái)。傳統(tǒng)的提取方法包括煎煮法、浸漬法、滲漉法、回流提取法[2]、索氏提取法及水蒸氣蒸餾法。劉祥蘭等比較了多種提取工藝對(duì)金銀花中綠原酸含量的影響,其結(jié)果表明乙醇回流法的提取率高于傳統(tǒng)水煎法、動(dòng)態(tài)溫浸法、超聲提取法及滲漉法[3]。此外,還可用堿提取酸沉淀法,如:陳琦等分別采用超聲提取法(溶劑為水);堿提酸沉法;酸沉后有機(jī)溶劑萃取法;有機(jī)溶劑加酸后,水直接提取法等多種方法提取鵝不食草總有機(jī)酸,其結(jié)果顯示,堿提酸沉法提取鵝不食草總有機(jī)酸的方法比其他方法的提取率高[4]。傳統(tǒng)溶劑提取技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單,媒介廉價(jià)且量大,易于工業(yè)化生產(chǎn),但存在物耗高、能耗高、時(shí)間長(zhǎng)、收率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、長(zhǎng)時(shí)間高溫會(huì)破壞熱敏性成分及易殘留有害物質(zhì)等缺點(diǎn)[5]。
2.1 超聲波提取技術(shù)
超聲波提取技術(shù)(UAE)是利用超聲發(fā)生器產(chǎn)生的高頻機(jī)械波(20~5×106kHz)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行提取[6-7],涉及的原理有機(jī)械原理、熱學(xué)原理和空化原理,其中以空化原理最為重要,即利用超聲波的空化過(guò)程,在超聲波振動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的空化泡可使植物細(xì)胞周圍形成微流,還可擊破植物細(xì)胞壁,這不僅有利于提取介質(zhì)進(jìn)去細(xì)胞內(nèi),而且有利于細(xì)胞內(nèi)有效成分的溶解并分散到細(xì)胞外[8-9]。在超聲發(fā)生器方面常用機(jī)械式超聲波發(fā)生器,其是以高速氣體或液體為介質(zhì),通過(guò)機(jī)械裝置產(chǎn)生諧振的系統(tǒng),如凌敏等[6]利用超聲波清洗機(jī)SB-80輔助提取迷迭香酸的研究;府旗中等[7]采用KCT-Ⅲ型數(shù)控超聲波清洗器提取金銀花中的綠原酸,均采用機(jī)械式超聲發(fā)生器。
超聲提取技術(shù)用于有機(jī)酸提取,具有操作簡(jiǎn)單、提取效率高、提取時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。府旗中等[7]應(yīng)用超聲波法提取金銀花中的綠原酸,采用紫外分光光度法測(cè)定不同提取工藝下制備的提取物中綠原酸的含量,并與傳統(tǒng)的水提法、乙醇回流提取法比較,根據(jù)綠原酸的得率及抑菌效果確定金銀花提取的優(yōu)化工藝,得出超聲波法的綠原酸提取率高于水提法、乙醇提取法的結(jié)論;尹波等[10]用超聲水提取金銀花中的綠原酸,與常規(guī)的水提取法相比,超聲的空化作用大大加速了綠原酸成分的提取速度,還能很好地保持有機(jī)酸的特性和品質(zhì),同時(shí),也提高了綠原酸成分的提取率;李勝華等[11]亦采用超聲波提取結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化并采用高效液相色譜法來(lái)測(cè)定翻白草中熊果酸的含量。但超聲提取僅適用于對(duì)熱穩(wěn)定的成分,對(duì)于某些對(duì)熱敏感的有機(jī)酸則可能破壞其結(jié)構(gòu),從而影響其生物活性[10],且該技術(shù)的研究和應(yīng)用主要停留在實(shí)驗(yàn)室的微小規(guī)模,很難在工業(yè)上得到大規(guī)模放大,在藥用植物有效成分提取方面,應(yīng)充分利用超聲提取的優(yōu)勢(shì),但也要對(duì)其作用機(jī)理和提取參數(shù)的選擇進(jìn)行深入研究,有望在將來(lái)能使超聲提取技術(shù)在中藥現(xiàn)代化工程中得到放大[8]。
2.2 微波萃取技術(shù)
微波萃取技術(shù)(MAE)是指利用波長(zhǎng)在1mm到1m之間,頻率為3×106~3×109Hz的電磁波對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行提取[12],可使用專用微波實(shí)驗(yàn)設(shè)備,操作方便快捷但價(jià)高,故常使用普通家用微波爐或家用微波爐經(jīng)改裝后的微波萃取裝置[13]。其原理普遍認(rèn)為是在微波場(chǎng)中,具有一定介電常數(shù)的離解物質(zhì)受到微波場(chǎng)作用形成離子電流,并在流動(dòng)過(guò)程中與周圍的分子或離子發(fā)生高速摩擦和碰撞,使微波能轉(zhuǎn)為熱能,由于離解物質(zhì)介電常數(shù)不同,這樣便可利用物質(zhì)吸收微波能力的不同而選擇性地將目標(biāo)物加熱,從而使目標(biāo)物從基體或體系中分離,進(jìn)入對(duì)微波吸收較弱的溶劑中[14-15]。此外,也有人提出微波作用于細(xì)胞結(jié)構(gòu)的機(jī)制[16],可見(jiàn),目前對(duì)于MAE的機(jī)理研究還有待深入,這也將是MAE理論研究的重要方向。
微波萃取技術(shù)具有:a.選擇性高(基于離解物質(zhì)的介電常數(shù)不同);b.受熱均勻,質(zhì)量穩(wěn)定(內(nèi)加熱型)[14];c.溶劑消耗量少,省時(shí)節(jié)能,不產(chǎn)生噪音,污染少;d.設(shè)備簡(jiǎn)單,操作方便,適合進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)[11,15]。E N Papadakis等[17]用微波輔助萃取的方法提取希臘的奶酪、綿羊奶的酸奶中13種有機(jī)酸,其結(jié)果表明,微波輔助萃取法比普通的攪拌提取法在精確度和重復(fù)性方面有顯著優(yōu)越性。郭錦棠等[18]采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比較微波提取與傳統(tǒng)索氏提取方法對(duì)甘草酸的提取效果,數(shù)據(jù)顯示微波輻照8min的提取效果與索氏提取3h效果相當(dāng),提取速率是索氏的10~20倍,結(jié)果表明,微波萃取技術(shù)用于中草藥提取有其獨(dú)特的優(yōu)越性。Pan X J等[19]報(bào)道微波提取甘草中的甘草酸,與熱回流、索氏提取法、室溫提取法、超聲波提取法等傳統(tǒng)方法相比,只要4~5min就可以達(dá)到傳統(tǒng)萃取法的回收率,具有提取高效、快速、完全及節(jié)省時(shí)間、溶劑和能源等優(yōu)點(diǎn)。不足之處:a.微波萃取適用于對(duì)熱穩(wěn)定的成分,對(duì)于某些對(duì)熱敏感的有機(jī)酸則可能破壞其結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響藥物有效成分的生物活性;b.微波泄漏對(duì)操作者影響甚大[2]。目前,微波輔助萃取有機(jī)酸在國(guó)外研究比較多,基于微波萃取主要是對(duì)極性分子的選擇,該項(xiàng)技術(shù)在有機(jī)酸提取方面是很有應(yīng)用前景的。
2.3 超臨界流體萃取技術(shù)
超臨界流體萃取技術(shù)(SFE)是利用超臨界狀態(tài)下的流體(即超臨界流體,常用CO2)作為萃取溶劑,從液體或固體物料中萃取出某種或某些組分的一種新型提取技術(shù)。超臨界流體有類似氣體的較強(qiáng)穿透力和類似于液體的較大密度和溶解度,具備良好的溶解能力和擴(kuò)散能力。
超臨界流體萃取技術(shù)與常規(guī)溶劑提取方法相比,具有提取溫度低、提取效率高、溶劑用量少且無(wú)三廢等優(yōu)點(diǎn)。在提取過(guò)程中無(wú)溶劑殘留,可以進(jìn)行高選擇性提取,縮短生產(chǎn)周期,并且在萃取過(guò)程中提取完全,能充分利用中藥資源[20]。李巧玲等[21]用超臨界流體萃取技術(shù)提取甘草中甘草酸,并與冷浸法、超聲輔助法和熱提法進(jìn)行比較,結(jié)果在提取效率和提取周期上具有顯著差異。張虹等[22]采用正交實(shí)驗(yàn)法,以超臨界萃取為提取條件,以阿魏酸含量為考察指標(biāo),對(duì)影響川芎中阿魏酸提取工藝的因素進(jìn)行了研究,結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了,超臨界流體技術(shù)具有萃取率高、傳質(zhì)速度快、選擇性高、提取物較干凈、省時(shí)、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn),類似研究還見(jiàn)于夏枯草果穗的熊果酸[23]、中華雪膽的齊墩果酸中[24]。不足之處:有關(guān)SFE技術(shù)的工業(yè)化研究還比較薄弱,要真正實(shí)現(xiàn)超臨界萃取技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,還有若干問(wèn)題亟待解決,這包括裝置的設(shè)計(jì)和規(guī)模、萃取釜、裝置的轉(zhuǎn)產(chǎn)、二氧化碳的回收、系統(tǒng)能耗以及安全保證等問(wèn)題[25]。
2.4 半仿生提取技術(shù)
半仿生提取技術(shù)(SBE)是在新思維指導(dǎo)下的一種科學(xué)突破,是對(duì)傳統(tǒng)中藥研究思維的一種顛覆,改變了形而上學(xué)的思維方式,它是將整體藥物研究法與分子藥物研究法相結(jié)合,從生物藥劑學(xué)的角度,模擬口服給藥及藥物經(jīng)胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)的原理。這是針對(duì)通過(guò)消化道給藥的中藥制劑而設(shè)計(jì)的一種新的提取工藝,即將藥料先用一定pH的酸水提取,繼以一定pH的堿水提取,提取液分別濾過(guò)、濃縮,制成制劑。這種新提取法可以提取和保留更多的有效成分,能縮短生產(chǎn)周期,降低成本[26]。孫秀梅等[27]利用半仿生法以甘草次酸、甘草總黃酮、浸膏量為指標(biāo),將其與水提取法(WE)比較,其結(jié)果顯示SBE法優(yōu)于WE法。張兆旺[26]、程艷芹等[28]亦利用該技術(shù)進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究。該技術(shù)a.思維模式上體現(xiàn)了分析思維與系統(tǒng)思維的統(tǒng)一,思路概括起來(lái)是:“有成分論,不唯成分論,重在機(jī)體的藥效學(xué)反應(yīng)”;b.工業(yè)選擇上體現(xiàn)了單體成分與混合成分的統(tǒng)一,不僅充分發(fā)揮了混合物的綜合作用,又能利用單體成分控制中藥制劑的質(zhì)量,尤其適用于復(fù)方中藥制劑的研究[29-30];c.口服給藥特點(diǎn)與中醫(yī)治病特點(diǎn)的統(tǒng)一,即考慮口服給藥的生物藥劑學(xué)及藥物動(dòng)力學(xué)過(guò)程,又考慮到中醫(yī)用藥的整體觀念[29]。但是,目前半仿生提取法仍沿襲高溫煎煮方式,容易影響許多有效活性成分,降低藥效。因此,有學(xué)者建議將提取溫度改為近人體溫度,在提取液中加入擬人體消化酶活性物質(zhì),使提取過(guò)程更接近于藥物在人體胃腸道的轉(zhuǎn)運(yùn)吸收過(guò)程,更符合辨證施治的中醫(yī)藥理論。
2.5 酶解技術(shù)
酶工程技術(shù)是近年來(lái)用于天然植物有效成分提取的一項(xiàng)生物工程技術(shù)。中藥制劑的雜質(zhì)大多為淀粉、果膠、蛋白質(zhì)等,針對(duì)雜質(zhì)可選用合適的酶予以分解去除。酶反應(yīng)較溫和地將植物組織分解,可以較大幅度提高收率,故酶解不失為一種最大限度從植物體內(nèi)提取有效成分的方法之一。目前,用于中藥提取方面研究較多的是纖維素酶,大部分中藥材的細(xì)胞壁是由纖維素構(gòu)成,植物的有效成分往往包裹在細(xì)胞壁內(nèi);纖維素則是由β-D-葡萄糖以1,4-β-D-葡萄糖苷鍵連接,用纖維素酶酶解可以破壞β-D-葡萄糖鍵,使植物細(xì)胞壁破壞,有利于對(duì)有效成分的提取[31]。楊茉等[32]采用纖維素酶處理并優(yōu)化金銀花中綠原酸的提取工藝,探討了酶的用量、酶解時(shí)間、酶解溫度及酶解pH對(duì)綠原酸得率的影響,其結(jié)果顯示纖維素酶處理能顯著提高金銀花中綠原酸得率。類似研究與相似結(jié)論還可見(jiàn)于劉佳佳等[33]及梅林[34]對(duì)于金銀花提取新工藝的研究。陳永勝等[35]亦報(bào)道了采用纖維素酶、蛋白酶以及二者聯(lián)合作用于葵花粕提取綠原酸,并設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)探討酶解時(shí)間、酶用量對(duì)綠原酸提取率的影響,結(jié)果表明,纖維素酶和蛋白酶聯(lián)合作用能顯著提高葵花粕綠原酸的提取率。
2.6 聯(lián)用技術(shù)
a.超聲-微波聯(lián)用技術(shù),凌敏等[6]研究了超聲波輔助微波萃取法從迷迭香中提取迷迭香酸的工藝條件,結(jié)果表明:采用超聲波輔助微波提取迷迭香酸,具有提取率高、提取時(shí)間短和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。b.超聲-酶聯(lián)用技術(shù),何粉霞等[36]以小麥麩皮為原料,研究了在超聲波輔助條件下利用木聚糖酶酶解小麥麩皮制備阿魏酸的最佳工藝條件。目前聯(lián)用技術(shù)在有機(jī)酸提取方面的應(yīng)用尚且不多,在以后的研究中可嘗試使用多種技術(shù)的交叉使用。
有機(jī)酸是中藥中不可忽視的一類重要化學(xué)成分,快速高效、節(jié)約能源、簡(jiǎn)便易行的提取特點(diǎn),對(duì)于中藥現(xiàn)代化具有重要意義,傳統(tǒng)提取技術(shù)比較成熟,但存在溶劑、能源消耗大且效率不高等問(wèn)題,合理使用一些新技術(shù)可以有效改善提取效率,使有機(jī)酸制備向高效節(jié)能的方向發(fā)展。高新提取技術(shù)雖有其優(yōu)勢(shì),但在對(duì)具體藥物有效成分進(jìn)行提取時(shí),有時(shí)候卻未必比傳統(tǒng)提取技術(shù)好,因此實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)根據(jù)各有機(jī)酸特有的理化性質(zhì),選擇合適的提取技術(shù),為了能夠揚(yáng)長(zhǎng)避短,還可以將多種技術(shù)聯(lián)合使用,探尋最佳的工藝條件與作用機(jī)理。不斷探索和完善提取技術(shù),將會(huì)使有機(jī)酸的制備向綠色、現(xiàn)代化的方向發(fā)展。
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Extraction techniques of organic acids
HUANG Yu-xiang,WU Ya-qing,XU Rui-an*
(Institute of Molecular Medicine,Huaqiao University&Engineering Research Center of Molecular Medicine,Ministry of Education,Quanzhou 362021,China)
According to study and application,it was extremely valuable that the extraction techniques of organic acids was explored.This article reviewed that the recent progresses in extraction technologies of organic acids,and systematically introduced different extraction technologies of extraction mechanisms,characteristics,applications and prospects.
organic acids;extraction technique;review
TS201.1
A
1002-0306(2012)14-0426-04
2011-10-28 *通訊聯(lián)系人
黃玉香(1982-),女,碩士研究生,講師,研究方向:中藥藥理與中藥制劑。
泉州市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2011Z29)。