中草药的亚临界萃取研究

中草药的亚临界萃取研究 若干中草药的亚临界CO萃取研究 2 罗丹玲 欧阳丹竹 姜明 潘永红 郁露 黄金凤 李扬玲 黄晓玉 邓文辉 陆扬 许俊斌 周清 刘忠 麦灏昕 (中山大学化学与化学学院，99级，广州 510275) 指导老师:陈六平 摘要:本文介绍了中草药亚临界CO萃取研究的重大意义, 阐明了亚临界液体萃取的原理，阐述2 了用液态CO提取中草药有效成分的实验过程。考察了夹带剂和萃取时间对产品收率的影响，对2 实验结果进行了讨论。 关键词:中草药，亚临界液体萃取，高压索氏萃取器，当归，天麻，桂圆。 1 前言 我国历史悠久、幅员辽阔，中药植物资源丰富，种类繁多，而且在长期防病治病实践中，创造和积累了丰富的经验，形成了我国独特的中医中药学理论。在新的世纪，历史对它提出新的要求。随着社会的发展，人类疾病谱也已悄然发生改变，医疗模式已经由单纯的疾病治疗转变为预防、保健、治疗、康复相结合的新模式，各种替代医学和传统医学正发挥着越来越大的作用。另一方面，由于生存环境的不断恶化，人类“回归自然”的呼声越来越高，传统医学正受到前所未有的重视。全球经济一体化进程的加快，特别是随着我国正式加入WTO，国内医药市场融入国际医药大市场的广度和深度将进一步加强，所面临跨国医药集团的竞争空前激烈。如何让具有传统优势和特色的中药大步走向世界，并永远屹立于世界优秀民族医药之林，是我们不能不面对的重大而紧迫的课。中草药具有作用缓和，持久，疗效稳定，无副作用，价格便宜等优点，日益受到国内外市场的青睐。但我国中成药仍面临产品质量差、药效不稳定、作用机理不明确、缺乏足够的严格对照实验和客观的硬性指标等难题。要使我国中药走向世界，首先必须使其走向现代化。要实现中药的现代化，就要解决好上述的关键问题。而这些问题无一不与制药原料有关。传统的提药制药过程主要是以水和有机溶剂为溶媒，它存在多种固有缺陷，如有效成分的损失、分解、变化、有机溶剂残留等。因此，借助现代化科学技术和手段，以获取高质量的制药原料，已成为当务之急。 在最近发展起来的各种新技术中，超临界流体萃取(supercritical fluid extraction，简称为SFE)，[12][3]、亚临界液体萃取技术(subcritical liquid extraction，简称为SLE)尤为引人注目。SFE技术 [4]在食品、医药、化工、能源及环境保护中得到广泛应用，如将SFE用于中药挥发油的提取。然而，在筛选实验中，亚临界液体萃取是比超临界流体萃取更具吸引力的方法，它已被应用到许多实际问题中，如植物原料、土壤、聚合物等的浸出过程， 甚至是大规模的工业生产中，如在英国和澳大利亚等国 建有用液体CO提取啤酒花的工厂。对SLE技术在中2 草药提取中的应用进行探索和研究，必将更好地发挥 SLE的巨大潜力。 2 亚临界液体概述 2.1 亚临界液体 气、液、固是物质存在的三种状态，图1为纯物质 1 图1 纯物质典型的压力-温度曲线图 的压力-温度曲线图。 AT:气固平衡线;BT:液固平衡线;CT:气液平衡线;点T是气、液、固三相平衡共存的三相点。当纯物质沿气-液饱和线升温达到C点时，气、液界面消失，体系性质变得均一，不再分为气体和液体，点C称为临界点，与该点对应的温度和压力分别为临界温度T和临界压力p。在临cc界点附近，流体的性质对温度和压力的变化极为敏感，微小的温度和压力变化都会引起物质性质的极大变化。图中高于T和p的区域属于超临界流体状态。而相对于超临界流体，物质处于低于cc T、p的状态时则称为亚临界液体。 cc 2.2 亚临界液体萃取的原理 与常压下的液体一样，处于高饱和压力下的液体也可作为溶剂，在亚临界状态下把亚临界液体与待分离物质相接触，使其有选择性地依次按极性大小、沸点高低、分子量大小把成分萃取出来。当需要与溶质分离时，只要将液化气体蒸出即可。亚临界液体的使用比超临界流体更方便，特别是在实验室内更具优势，因为在一个容器内就能进行萃取。同时，以液化气体作萃取剂与以超临界气体作萃取剂所得结果相近，只是在萃取物回收率或质量方面存在差别，有时可相差一个数量级。 2.3 亚临界流体萃取介质的选择 本文选择CO作为萃取介质，因为 2 (1)CO无色、无味、无毒。且通常条件下为气体，萃取后无溶剂残留问题，可获取纯天然中2 药原料; (2)CO化学惰性，萃取过程中不产生任何副产品，可直接排入空气，无环境污染; 2 (3)CO的临界温度(T=304.21K)和临界压力(p=7.38MPa)温和，操作上易于实现; 2cc (4)亚临界温度在室温附近，一般不对萃取成分发生热敏降解，成分不因高温而变质，不损失味和香; (5)可通过控制温度和压力改变其溶解度和状态，实现选择性提取分离。 2.4 被萃取物的选择 哪些中草药成分可被亚临界流体萃取，哪些不能，可通过被萃取物的熔点、沸点、蒸汽等性质粗略判断。另外被萃取物的分子量和极性大小也是关键的影响因素。本实验的目的之一就是通过选用不同的中草药作萃取实验，探索其在亚临界CO中的溶解度规律，找出较有实验价值的中2 草药物。本文选择当归、天麻和桂圆肉三中药材作为实验原。 2.5 夹带剂的选择 由于纯CO本身的非极性特点大大限制了它的应用范围。为有效提取非脂溶性的、强极性的2 重要中药有效成分，常常要在CO中加入夹带剂，以改变萃取流体的极性，提高萃取效率。探索2 不同夹带剂对亚临界CO萃取的影响也是本实验的重要内容之一。本文选择CHOH和CHOH3252 作为萃取实验的夹带剂。 3(实验部分 3.1主要试剂及原材料 无水乙醚和无水乙醇，分析纯，广州化学试剂二厂。中草药材为:天麻，桂圆肉，当归，均系从药店购得，粉碎后直接使用。 当归为伞形科。当归属植物当归Angelica sinensi(Oliv)Diels的根性甘，辛温，有补血，活血， 2 调经止痛，润肠通便的功效。根含挥发油，油中含正丁烯基酜内酯 (n-butyli-dene, phthalide), ，，2424正戊酰苯邻羧酸(n-valerophenone-o-carboxylicacid)，Δ-二氢邻苯二甲酸酐(Δ,dihydrophthalic anhydride), 槀本内酯(ligustilide)及阿魏酸(ferulic acid)及丁二酸, 菸酸，尿嘧啶，腺嘌呤等，当归挥发油具有镇静大脑，兴奋和痹延髓中枢的作用，并可迟缓子宫肌肉，治疗月经不调，痛经等病症。 天麻为常用中药，可祛风镇痉，镇静，镇痛和抗惊厥。商品为兰科多年生寄生草本食菌植物天麻Gastrodia elata的干燥块茎。其主要成分为香草醇，香草醛，天麻甙，粘液质及微量维生素A类物质。 香草醇(Vanillyl allcohol), 又名香荚醇，有中枢抑制作用，能延长环己烯巴比妥的睡眠时 间，对抗戊四氮引起的惊厥，并有促进胆汁分泌的作用。香草醛(Vanillin), 又名香荚兰素，有抗惊厥，提高电击痉挛的阈值，有效制止癫痫发作等作用。天麻素(Gastrodin), 又名天麻甙，有镇静，麻醉，抗惊厥等作用。 桂圆Longan，又称龙眼，是我国岭南优质名果，本实验直接使用从药店购得的已去核的桂圆肉。桂圆肉清脆可口，营养价值很高。据测定每100g生果含全糖0.5~23g。现代研究证明，桂圆富含蛋白质、氨基酸、维生素及可溶性糖分。其活性成份主要是生物碱、类脂肪等，具有降脂护心、抗衰老、促进生长发育、增强非特异性免疫、补血镇静、美容养颜等滋补功效及较好的抗癌作用。 3.2 主要设备及仪器 高压索氏萃取器(最大容量:0.75L，最大承受压力:200bar)，二氧化碳储气瓶，导气装置(不锈钢管及减压阀)，85—2型恒温磁力搅拌器，HS,4精密恒温浴槽(-15,+95?)(含循环水冷却装置)，012型电子天平(最大量程:12kg, 准确度:1g)，BS210S型电子天平(最大量程:210g, 准确度:0.0001g)，粉碎机，冰箱，烘箱及样品管等。图2是高压索氏萃取器的示意图。 1 阀门 2 灯 3 视窗 4 冷凝器 5 压力 6 上杯 7 下杯 8 高压釜 9 接触温度计 10 水浴 11 搅拌子 12 加热磁力搅拌器 13 样品 图2 高压索氏萃取器 3.3 实验步骤 将中草药粉碎，过筛后装于褐色磨砂瓶中备用。实验开始时，先将药品装进萃取套中，然后 3 将其置于上杯中，再将上下杯置于高压索氏萃取器中，充入适量二氧化碳以后，在亚临界条件下萃取5,10h，得油状物产品。 [3]具体操作步骤如下 : (1)装样 首先，在分析天平上分别准确称量干燥的空下杯和萃取套的重量，然后，将一定数量已粉碎好的样品置于萃取套内，并准确称量其质量，并且用一细铁丝把套口扎紧以防药品外漏。接着，将空下杯放入萃取器中，再将装有样品的上杯小心地放进萃取器中(注意:虹吸管要落在下杯里)。盖上端盖后称量釜的质量，然后充入约10bar二氧化碳后放出，以除去釜内大部分空气，随后充入一定数量的二氧化碳(不少于230g)，再称量釜的重量即可得到所充入的二氧化碳的质量。 (2)操作 高压索氏萃取器必须在低于临界温度下的两相区工作。对于二氧化碳流体:T<304.21K, p<7.38 6×10Pa，可通过调节恒温搅拌器和循环冷却水的温度来达到要求的条件。 将一装有少量水的大烧杯置于恒温搅拌器上，把高压釜放进烧杯里，接上循环冷却水，恒温器和冷却水的温度分别控制在约308K和288K。 (3)观察 通过视窗观察冷凝器的液滴下落情况和虹吸现象，并确定周期数。当将高压釜的底部加热温度升高，使釜内温度T大于临界温度，压力p大于临界压力时，则出现超临界现象。在超临界条件下，冷凝器不再有液滴下落，在冷凝器周围及整个高压釜内充满雾状的流体。 (4)卸装 萃取完毕，关掉恒温器和循环冷凝水，然后将釜内的二氧化碳缓慢放出(降压必须缓慢，以防固体物料的喷散和出现过冷现象)，待釜内压力降到常压后，打开端盖，取出上下杯，收集下杯产品，观察其颜色和状态，称重，计算产率。产品可用无水乙醇和无水乙醚溶解，收集，并可对萃取产品作进一步的成分分析。 3.4 实验现象 恒温器开始加热后，高压釜的底部受热，釜内液体被蒸发，压力不断上升，几分钟后，蒸汽在冷凝器上冷凝并形成液滴下落。当恒温器和冷凝水的温度达到设定值后，釜压几乎保持不变，实验处于平稳的萃取过程。当液体达到虹吸的最高点，它将自动流出到下杯中，完成一个周期。 萃取结束后，当下杯从萃取器中取出时，杯中的产品和白色的干冰混在一起，干冰升华后，可看到油状产品。 实验结束后，从高压釜中取出的密封圈因二氧化碳的渗入而溶胀，形成一个个小泡，密封圈置于空气中，会因二氧化碳的逸出而发生轻微的爆破声，到平衡后密封圈又恢复原状。 3.5 实验结果与讨论 三种药材的多次萃取实验结果示于表1。 由实验结果，可得如下结论: (1) 被萃取成分与溶剂二氧化碳的溶解情况: 醇类和亚临界二氧化碳并不能很好的互溶，且随着 碳数增加，醇类的溶解度将更低。小组2选用的天麻的主要被提取物质:香草醇，香草醛，天麻素含有较多数目的羟基，尤其天麻素的羟基更多，碳数多。所以此类物质收率低。酯类物质在亚临界二氧化碳中的溶解度较大。小组1选用的当归，其挥发油的主要成分魏酯(丁烯酜内酯和槀本内酯)，能较好的与亚临界二氧化碳互溶，其收率与超临界流体萃取相当，纯二氧化碳难以将生物碱有效提出，但使用适当的夹带剂乙醇后，其收率增加了„„ (2) 极性夹带剂可明显增加极性溶质的溶解度:天麻和桂圆都分别由于甲醇，乙醇的加入，有效成分的溶出有明显提高。 [5](3) 萃取时间的影响:据喻阳海等人所作的亚临界二氧化碳萃取大蒜中的有效成分的实验结果报道:总循环时间越长，产率越高。事实上，其对萃取时间的考虑比较简单。在当归的亚临界萃 4 取实验中发现，增加萃取强度，用较短的时间，更有利于整个萃取效率的提高。分析其原因，有 表1 三种中药材的亚临界CO萃取实验结果 2 原材料 产地 投料量釜压夹带剂 产品质出油收循环次总萃取CO用2 量/g 率/% 数/次 时间 量/kg /g /bar 天麻(粒云南，32.8997 60-65 , , , 10 8.5 度:陕西 38.0744 65-70 — 0.0184 0.05 , 8 0.4mm) 35.7857 62-68 甲醇 0.0805 0.225 5 7 27.2054 65-67 , 0.043 0.16 , 6 0.306 28.5998 60-67 乙醇 0.92433.23 , 4.08h 0.31 桂圆肉 (含乙 (粉碎广东 醇) 后为胶38.7481 , 乙醇 2.2165.72 , 6.5h 0.315 质状) (含乙 醇) 当归(粒 24.7809 62.5-69 , 0.3559 1.44 11 7h 0.268 度: 36.0739 53-63 , 0.3333 0.92 , 8h 0.280 0.1mm) 四川 34.5341 58-63 , 0.3405 0.99 8 6h 0.269 21.5393 60-65 , 0.7000 3.25 , 6h 0.235 26.0906 60-65 , 0.3000 1.15 , 4h 0.249 如下推测:1)与组分之间的“溶解互助”效应有关，让多组分“同时出来”，相当于加入夹带剂，可以加快萃取速度;2)过长的萃取时间使得已萃取出来的挥发油中的不稳定成分在收集产品前早已分解，或更多的溶于二氧化碳中，后随着二氧化碳的蒸出而进入空气中，有浓郁的当归药味。 (4) 每次循环时间的影响:每次循环时间减小，二氧化碳的流速越大，其与物料的接触时间减小， 不利于萃取能力的提高。对于溶质溶解度较小或溶质从原料基体中扩散出来的速度很慢的体系，增大流速意义不大。另一方面，流量增大，传质推动力加大，有利于萃取。对于溶质溶解度大，原料中溶质含量丰富的情况，增大流速有利于提高生产效率。 (5) 原料粒度的影响:粒度越小，越有利于萃取。但粒度过小时，会导致气路阻塞，有时会被二 氧化碳液体由上杯带到下杯，混入挥发油中，使产品须进一步纯化。 可见，用二氧化碳的亚临界液体萃取技术来提取中草药中的有效成分，是一种既经济又有效的方法，它打破了传统方法的界限，成功地将高科技应用于中草药的制取过程当中，必将成为人们探索中草药世界、破解中草药奥秘的有力工具。 致谢:本文是在陈六平老师的指导下完成的, 在此致上深切的感激及敬意。同时，本文工作得到了中山大学“开放实验室基金”的资助，特此致谢。 参考文献 [1] 张镜澄，超临界流体萃取, 北京:化学工业出版社，2000 [2] 陈维枢，超临界流体萃取的原理和应用, 北京:化学工业出版社，1998 [3] 陈六平，沈玉栋，林盛煜，胡宇芬，武汉大学学报(理学版),化学专刊，2001, 153-155 [4] 古维新，张忠义，刘海弘,“超临界流体萃取技术在中药挥发油提取中的应用”，中药材，2001，9 [5] 喻阳海，廖智毅，郭志文，庞朝乐，张晓帆，郑彦臻, “亚临界萃取大蒜中的有效成分”，键, 2001，10 5 Study of Subcritical-CO Liquid Extraction of Several Chinese Herb Medicine 2 Luo Danling OuYang Danzhu Jiang Ming Yu Lu Huang Jinfeng Deng Wenhui Pan Yonghong Lu Yang Li Yangling Xu Junbing Huang Xiaoyu Zhou Qing Liuzhong (School of Chemistry and Chemical Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China) Supervisor: Chen Liuping Abstract:The paper introduces the significance of study of subcritical-CO liquid extraction of 2 Chinese herb medicine, the principle of SLE for solid plant materials are described, and the procedures for the extraction of valuable components from several Chinese herb medicine like Angelica, Gastrodia elata and dried longan pulp by liquid CO are also demonstrated. The main 2 factors such as extraction time and the entrainer affecting the efficiency are investigated, the results are also discussed. Key words:Chinese herb medicine, subcritical liquid extraction, high pressure soxhlet extractor, Angelica, Gastrodia elata, dried longan pulp. 6 7