近年來,隨著人們對天然產(chǎn)物的藥用和營養(yǎng)價值認識的逐步深入,世界范圍內(nèi)掀起了天然產(chǎn)物中活性成分研究的熱潮,國家自然科學(xué)基金資助項目中就有多項是關(guān)于此課題的研究。然而天然產(chǎn)物的成分十分復(fù)雜且有些物質(zhì)含量甚微,提取時又要求活性成分不能被破壞,溶劑萃取等傳統(tǒng)提取方法已遠遠不能滿足對天然產(chǎn)物進行深入研究的需要。如何快速、有效地將活性成分提取出來以及對提取物的進一步分離純化已成為天然產(chǎn)物研究的“瓶頸”,特別是近年來人們環(huán)保意識的迅速提高和國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的施行,更使得開發(fā)新的天然產(chǎn)物提取技術(shù)成為大勢所趨。目前,科學(xué)工作者在對傳統(tǒng)方法進一步改善的同時,又發(fā)展出了多種新的提取技術(shù)。本文僅就活性成分的提取特別是超臨界流體萃取等新興技術(shù)作一綜述.
1 傳統(tǒng)方法 對天然產(chǎn)物中活性成分進行提取,最常用的是溶劑萃取法。所用溶劑包括水和有機溶劑:水能夠溶出的成分較多,導(dǎo)致后處理困難;有機溶劑分親水性和親脂性兩種,選擇性好,但揮發(fā)性大且一般有毒。提取方法主要有浸漬、滲漉、煎煮、回流和連續(xù)提取:浸漬和滲漉簡單易行,一般在常溫或溫?zé)釛l件下操作,適于熱不穩(wěn)定成分的提取,但溶劑消耗量大,費時長,提取效果差;水煎煮法是我國最早使用的傳統(tǒng)方法,大部分成分可被不同程度的煎出,但具有揮發(fā)性以及遇熱易破壞的成分不宜用此法;用易揮發(fā)的有機溶劑加熱提取,則需采用回流法;為了彌補回流提取中溶劑消耗量大,操作麻煩的不足,可采用連續(xù)提取(又稱索氏提取)法,這是溶劑萃取中最常使用的方法,提取效率較高,但提取液受熱時間長,熱不穩(wěn)定成分易分解。近來發(fā)展的自動索氏提取,將高溫滲漉與常規(guī)索氏提取相結(jié)合,溶劑用量比常規(guī)索氏提取少一半,且所需時間大幅度縮短。 水蒸氣蒸餾也是一種常用的提取方法。被提取的成分應(yīng)具備以下條件:具有揮發(fā)性,沸騰期間與水長時間共存而不發(fā)生化學(xué)變化,難溶或不溶于水。
顯而易見,上述傳統(tǒng)方法具有許多缺點:(1)大量使用有機溶劑,產(chǎn)生的廢液廢渣嚴重污染環(huán)境,且不可避免的溶劑殘留會影響產(chǎn)物的質(zhì)量和穩(wěn)定性。(2)提取效率低、步驟多、選擇性差,較難實現(xiàn)自動化或聯(lián)用。(3)提取溫度高,時間長,使得能耗大且易造成熱敏性成分分解和揮發(fā)性成分損失。因此,發(fā)展快速、高效、盡量不用或少用有害試劑、將環(huán)境污染減到最低限度的綠色樣品處理技術(shù)已成為該領(lǐng)域科學(xué)工作者追求的目標(biāo)。
2 新興提取技術(shù)
2.1 超臨界流體萃取
超臨界流體萃取法(supercriticalfluidextraction,SFE)是近二、三十年來迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù),目前在我國主要用于天然產(chǎn)物中有效成分的提取。超臨界流體是指處于臨界溫度和臨界壓力以上的既非氣態(tài)又非液態(tài)的物質(zhì),它兼有液體和氣體的優(yōu)點:其密度與液體接近,而密度與溶解能力基本成正比,所以它和液體一樣,很容易溶解其它物質(zhì);同時它的粘度和表面張力很小,只是略高于氣體,這使得溶質(zhì)在其中的擴散系數(shù)要比在液體中大得多。在臨界點附近,超臨界流體的溫度和壓力發(fā)生微小變化即可導(dǎo)致溶質(zhì)的溶解度發(fā)生幾個數(shù)量級的變化。根據(jù)這一特性,可通過控制體系的溫度和壓力,使各種待萃取組分按它們在超臨界流體中的溶解度大小先后提取出來,并得到初步分離。
最常用的超臨界流體為CO2,它的化學(xué)性質(zhì)不活潑、無毒無味、價格適中且具有較低的臨界溫度和臨界壓力,是萃取小分子、低極性、親脂性物質(zhì)的理想溶劑。但對于糖苷、多萜等極性或大分子化合物則顯得無能為力,加入極性改性劑可使CO2的溶解性和選擇性得以改善。但如何將超臨界流體萃取的應(yīng)用范圍擴大到極性甚至離子型物質(zhì)仍是該技術(shù)今后發(fā)展的重要方向之一。
基于上述原理可見,SFE技術(shù)與傳統(tǒng)提取方法相比具有以下優(yōu)點:(1)萃取時間短,可由傳統(tǒng)溶 劑萃取的幾小時甚至幾天縮短為數(shù)十分鐘。 (2)新鮮流體被不斷通入,不必存在液相分配平衡問題,所以萃取效率高,幾乎可實現(xiàn)目標(biāo)成分的全部提取。 (3)可根據(jù)被提取組分的性質(zhì),通過改變溫度和壓力以及夾帶劑實現(xiàn)高選擇性提取。(4)通過減壓釋放CO2來收集萃取物,可省去傳統(tǒng)提取的某些分離、精制和濃縮步驟,簡化了工藝流程。(5)低溫操作(40℃左右),適于對熱敏性物質(zhì)進行研究;并且低溫可防止提 取出的物質(zhì)相互作用,能最大程度的保持各組分的原有特性,為明確真正的有效成分提供了方便。(6)超臨界流體萃取不使用或很少使用有機溶劑,CO2無毒無色無味,不易燃燒,順應(yīng)目前大力發(fā)展綠色化學(xué)的趨勢。且CO2常溫常壓下為氣體,無溶劑殘留問題,這使得生產(chǎn)絕對安全健康的純天然產(chǎn)品成為易事。(7)可實現(xiàn)與色譜等分析儀器的在線聯(lián)用,實現(xiàn)有效成分的快速、準確分析。
袁海龍等用超臨界CO2萃取何首烏中蒽醌類成分,通過與超聲提取法對比,認為前者耗時短,提取率高,后處理過程簡單。楊蘇蓓用超臨界CO2提取分離了五味子中木脂素等成分,通過與有機溶劑提取法對比,也認為超臨界CO2萃取法具有上述優(yōu)點。陳從貴等在對銀杏葉藥用成分提取分離的工藝研究中,將超臨界CO2萃取與傳統(tǒng)溶劑浸取相結(jié)合,既降低了生產(chǎn)成本,又使產(chǎn)品質(zhì)量得以提高。用超臨界流體萃取2硅膠柱收集聯(lián)用提取蓬莪術(shù)揮發(fā)油中的有效成分,可將莪術(shù)二酮的相對含量提高3倍多。鄭尚珍等用超臨界CO2萃取法研究旱柳葉精油時,對個別組分使用最佳改性劑,可使提取出的精油香氣清新自然,避免了蒸餾和溶劑萃取法可能產(chǎn)生的氧化反應(yīng)和有毒溶劑殘留。鄧啟煥等以甲醇作改性劑,用超臨界CO2萃取了銀杏葉中的有效成分,并建立了一套小試中試裝置,所得產(chǎn)品的質(zhì)量高于國際公認標(biāo)準。KeiichiSuto等用超臨界CO2提取白術(shù)中的有效成分,用時僅為15s,萃取物直接與超臨界流體色譜柱在線聯(lián)用進行分析。與傳統(tǒng)溶劑萃取法相比,樣品用量少,且避免了被萃取物的氧化和轉(zhuǎn)移損失,回收率提高了30%。
盡管SFE技術(shù)具有許多現(xiàn)有其它方法無法比擬的優(yōu)點,但就目前實際而言,該技術(shù)還存在著一定的局限性:基礎(chǔ)研究盡管取得了很多進展,但遠遠不夠成熟。強極性和大分子量成分如何提取,實驗室的初步研究成果如何擴大到工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)等問題亟需解決。此外,SFE技術(shù)使用高壓設(shè)備,原始投資大,運行起來技術(shù)含量高等問題也使得該技術(shù)難以普及。
2.2 微波輔助萃取
微波輔助萃取(microwave2assistedextraction,MAE)是利用極性分子可迅速吸收微波能量的性質(zhì),將樣品放在不吸收微波的樣品杯中,加溶劑后置于密封的萃取罐中進行萃取。天然植物的有效成分往往包埋在細胞壁或液泡內(nèi),植物細胞壁主要是由纖維素構(gòu)成的,具有一定的硬度,是植物有效成分提取的主要屏障。微波輻照導(dǎo)致細胞內(nèi)的極性物質(zhì)尤其是水分子吸收微波能量而產(chǎn)生大量的熱,使細胞內(nèi)溫度迅速升高,液態(tài)水經(jīng)汽化產(chǎn)生的壓力可將細胞膜和細胞壁沖破,形成微小孔洞。進一步加熱,細胞內(nèi)部和細胞壁水分減少,細胞收縮,表面出現(xiàn)裂紋�？锥春土鸭y的存在使細胞外液體易于進入細胞內(nèi),溶解并釋放細胞內(nèi)產(chǎn)物。最近發(fā)展起來的動態(tài)微波萃取,由于萃取時隨時引入新鮮溶劑,使得萃取效率更高,導(dǎo)出的萃取液與分析儀器在線聯(lián)用,易于實現(xiàn)自動化。
MAE技術(shù)具有下列優(yōu)點:(1)微波具有很強的穿透力,可使反應(yīng)物內(nèi)外部分同時均勻、 迅速地加熱,故萃取時間短,效率高。(2)選擇性好�；诮Y(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)吸收微波能力不同的性質(zhì),可實現(xiàn)待測組分的選擇性加熱,進而與基體分離。(3)可利用在非極性溶劑中加適量極性溶劑的方法來控制微波吸收能力的大小進而控制溫度。(4)密封操作能保證溶劑不損失,對環(huán)境友好。(5)可同時萃取多個樣品。
以水為萃取劑,微波輔助萃取銀杏黃酮苷的平均提取率比常規(guī)水提法提高40%,時間縮短了一半。楊俊紅等用索氏提取和微波提取對甘草、槐花和靈芝中的有效成分進行了研究,結(jié)論是后者的提取率、提取速度和所需時間分別是前者的1.4、27.4和119.4倍,微波提取的溫度是78℃,而索氏提取的溫度為110℃。用微波浸提與水蒸氣蒸餾聯(lián)用從山蒼子中提取檸檬醛,所用時間僅為傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾的1/4,所得精油中檸檬醛含量提高6.14%以上。張熊祿等采用微波加熱法從茶葉中提取茶多酚,通過考察提取溫度、提取時間等條件對浸取率的影響,發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)水浸取相比,微波加熱法省時、省能源,可以防止茶葉中有效成分的破壞和損失。
微波輔助提取的效果似乎更依賴于被提物的基體,在微波作用下,富含水的部位優(yōu)先破壁,而含水少的部位則比較落后,甚至使提取難以進行。另外,盡管微波提取使有效成分含量提高的報道較多,但微波對有效成分的活性有無影響尚需進一步研究。
2.3 超聲提取
超聲提取是一種利用外場介入強化提取過程的技術(shù)。超聲波具有三大效應(yīng):超聲波使介質(zhì)質(zhì)點在其傳播空間內(nèi)產(chǎn)生振動,從而強化介質(zhì)的擴散和傳質(zhì)的效應(yīng)為其機械效應(yīng)。所謂空化效應(yīng)是指超聲波使介質(zhì)中溶解的氣泡產(chǎn)生振動,當(dāng)聲壓達到一定值時,氣泡由于定向擴散而增大,形成共振腔,然后突然閉合,使其周圍產(chǎn)生高達幾千個大氣壓的壓力,造成植物細胞壁及整個生物體在瞬間破裂,釋放出有效成分。熱效應(yīng)是指超聲波在傳播過程中,聲能可以不斷被介質(zhì)所吸收,吸收的能量幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?從而導(dǎo)致介質(zhì)本身和待萃取成分溫度升高,增大了有效成分的溶解度。這種吸收聲能引起植物組織內(nèi)部溫度的升高是瞬時的,因此可使被提取成分的生物活性保持不變。此外,超聲波的一些次級效應(yīng),如乳化、擴散、擊碎、化學(xué)效應(yīng)等也促進了植物中有效成分的溶解、擴散和與溶劑的充分混合。
與常規(guī)溶劑提取法相比,超聲提取技術(shù)不需加熱,耗時短、提出率高,不影響有效成分的生理活性,適于熱敏性物質(zhì)的提取。用不同強度的超聲波從益母草中提取總生物堿的實踐結(jié)果表明:超聲提取與常 規(guī)回流法比較,無需加熱,且平均提出率高,其中以超聲強度為0.5Wcm2 ,提取時間為40min時提出率最高。王延峰等研究了銀杏葉黃酮的超聲提取法,并與索氏提取作了比較,結(jié)果表明超聲提取法優(yōu)于索氏提取法。用超聲法提取新疆枸杞多糖,收率提高了30%,提取時間縮短5倍以上,并且整個過程無需加熱,避免了多糖的分解,所以超聲提取某些熱敏性成分是最有效的方法之一。 超聲提取不需復(fù)雜設(shè)備,是具有較好應(yīng)用前景的天然產(chǎn)物提取技術(shù)之一。目前,人們對超聲提取的研究都是在實驗室規(guī)模針對某些具體提取對象進行的簡單工藝條件實驗,對其作用機理和動力學(xué)模型進行深入探討,建立一套通用模式,進行工程放大是這種技術(shù)今后要解決的主要問題。
2.4 酶解技術(shù)
前已述及,堅固的植物細胞壁是提取有效成分的主要屏障。特別是當(dāng)植物中含有大量黏液質(zhì)、果膠、淀粉時,這些成分一方面影響植物細胞中活性成分的浸出,另一方面也影響提取液的澄清度。如選用恰當(dāng)?shù)拿?通過酶反應(yīng)使細胞壁的組成成分和黏液質(zhì)等雜質(zhì)成分水解或降解而除去,則可加速有效成分的釋放提取。這是一項很有前途的新技術(shù),無需特殊設(shè)備,完全適于工業(yè)化生產(chǎn)。 薛偉明等利用纖維素酶、果膠酶對植物材料結(jié)構(gòu)成分進行降解,當(dāng)一步酶法提取達到平衡后,選擇適宜溶劑對所得渣質(zhì)進行二步溶劑提取。該提取工藝可以分步提取植物材料中溶解性能差異較大的有效成分,而且充分利用了植物資源。為了保持茶多糖的活性,采用低溫水提和酶提二次結(jié)合法提取茶多糖。相對水提法,酶法的多糖提取率分別增加了63.3%和98.9%,采用酶法提取的茶多糖具有較強抑制Α2淀粉酶活力的能力。梅長松等用纖維素酶提取松針中的天然香料,確定了酶法提取松針葉中有效成分的最佳工藝條件。與普通水提取法相比,酶法條件溫和,提取率可以提高40%以上。
2.5 加速溶劑萃取 加速溶劑萃取(acceleratedsolventextraction,ASE)是在較高的溫度(50～200℃)和壓力(10.3～20.6Mpa)下用溶劑萃取固體或半固體樣品的全新的處理方法。加速溶劑萃取的運行程序是先加溶劑(即樣品在溶劑包圍之下)再加溫,而且在加溫的同時加壓(即在高壓下加熱),高溫的時間一般小于10min,因此熱降解不是很明顯。ASE法具有溶劑用量少、萃取時間短、回收率和精密度高等優(yōu)點。 目前,加速溶劑萃取法的主要應(yīng)用領(lǐng)域是環(huán)境分析和農(nóng)殘分析,但它無疑會成為天然產(chǎn)物中活性成分提取較有應(yīng)用前景的方法,因為它既可萃取出非極性組分,也可萃取出極性組分。
3 結(jié)束語 綜上所述,人們在傳統(tǒng)提取方法的基礎(chǔ)上已發(fā)展了多種新型提取技術(shù)。通常對提取物的要求應(yīng)是安全有效、穩(wěn)定可靠。然而傳統(tǒng)方法生產(chǎn)出的產(chǎn)品,因存在溶劑殘留問題,很難達到上述要求。超臨界流體萃取技術(shù)因不使用或很少使用有機溶劑,所以能在很大程度上使問題得以解決。此外,該技術(shù)容易實現(xiàn)連續(xù)操作,適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的要求。所以從長遠來看,超臨界流體萃取無疑是最有廣泛應(yīng)用前景的提取技術(shù)。 每種方法都只能適合于一定的情況,所以應(yīng)根據(jù)目的產(chǎn)物的理化性質(zhì)來選擇合適的提取方法。既要發(fā)展新方法,也要重視對傳統(tǒng)方法的改進,將多種方法聯(lián)合起來、取長補短乃是未來發(fā)展之方向,前面提及的許多例子就是將傳統(tǒng)方法與新方法成功結(jié)合的典范。 用各種方法得到的提取液仍然是混合物,具有許多穩(wěn)定和不穩(wěn)定因素,尚需進一步的分離純化和濃縮。在此過程中,仍然要注意消除不穩(wěn)定因素,保持成品的穩(wěn)定性。 |
天然產(chǎn)物中活性成分提取技術(shù) 
