中草药的亚临界萃取研究

1若干中草药的亚临界CO2萃取研究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工程学院，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CO2萃取研究的重大意义,阐明了亚临界液体萃取的原理，阐述了用液态CO2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，对实验结果进行了分析讨论。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题。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（supercriticalfluidextraction，简称为SFE）[1，2]、亚临界液体萃取技术（subcriticalliquidextraction，简称为SLE）[3]尤为引人注目。SFE技术在食品、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[4]。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CO2提取啤酒花的工厂。对SLE技术在中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为纯物质图1纯物质典型的压力-温度曲线图2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Tc和临界压力pc。在临界点附近，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Tc和pc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Tc、pc的状态时则称为亚临界液体。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CO2作为萃取介质，因为（1）CO2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，可获取纯天然中药原料；（2）CO2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；（3）CO2的临界温度（Tc=304.21K）和临界压力（pc=7.38MPa）温和，操作上易于实现；（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CO2中的溶解度规律，找出较有实验价值的中草药物。本文选择当归、天麻和桂圆肉三中药材作为实验原材料。2.5夹带剂的选择由于纯CO2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、强极性的重要中药有效成分，常常要在CO2中加入夹带剂，以改变萃取流体的极性，提高萃取效率。探索不同夹带剂对亚临界CO2萃取的影响也是本实验的重要内容之一。本文选择CH3OH和C2H5OH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Angelicasinensi(Oliv)Diels的根性甘，辛温，有补血，活血，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）,3正戊酰苯邻羧酸（n-valerophenone-o-carboxylicacid），Δ2，4-二氢邻苯二甲酸酐（Δ2，4－dihydrophthalicanhydride）,槀本内酯（ligustilide）及阿魏酸（ferulicacid）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Gastrodiaelata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（Vanillylallcohol）,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。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1阀门2灯3视窗4冷凝器5压力表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4萃取5－10h，得油状物产品。具体操作步骤如下[3]：（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：T304.21K,p7.38×106Pa，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。(3)萃取时间的影响：据喻阳海等人[5]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5表1三种中药材的亚临界CO2萃取实验结果原材料产地投料量/g釜压/bar夹带剂产品质量/g出油收率/%循环次数/次总萃取时间CO2用量/kg天麻（粒度：0.4mm）云南，陕西32.899738.074435.785760-6565-7062-68－—甲醇－0.01840.0805－0.050.22510－58.587桂圆肉（粉碎后为胶质状）广东27.205428.599838.748165-6760-67－－乙醇乙醇0.0430.9243（含乙醇）2.216（含乙醇）0.163.