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  • 超临界二氧化碳萃取中药有效成分产业化应用
  • 2017-11-20 阅读次数:[940]
  • 北京召开的国家科学技术奖励大会上,一项中药提取先进技术科研成果——“超临界二氧化碳萃取中药有效成分产业化应用”发明技术获得2006年度国家技术发明二等奖。记者从中华中医药学会了解到,这是中药技术成果首次获得高级别国家技术发明奖励,也是我国中医药事业发展史上目前获得的最高发明奖项,它使中药现代化向前迈进了一大步,并开辟了巨大的产业化前景.
    超临界二氧化碳萃取技术产生于二十世纪五十年代,目前已经广泛应用于食品、能源、医药、化妆品及香料工业。随着中药、天然药物新药研究的发展和中药现代化的不断深入,超临界二氧化碳萃取技术在中药、天然药物活性成分和有效部位的分离和纯化中的应用研究越来越多。由于此项技术在我国起步较晚,在中药新药中应用该项技术的品种较少。为了促进与新药研制单位的沟通和交流,共同探讨超临界二氧化碳萃取技术在中药新药中应用的相关问题,我们对超临界二氧化碳萃取技术在中药新药研究中的应用谈一些个人的看法,抛砖引玉,仅供参考。
    一、超临界二氧化碳萃取技术在中药中的应用概况
    超临界二氧化碳萃取是以超临界状态(温度31.3℃,压力7.15MPa)下的二氧化碳为溶剂,利用其高渗透性和高溶解能力来提取分离混合物的过程。超临界状态下的二氧化碳,其密度大幅度增大,导致对溶质溶解度的增加,在分离操作中,可通过降低压力或升高温度使溶剂的密度下降,引起其溶解物质能力的下降,可使萃取物与溶剂分离。与一般液体萃取相比,超临界二氧化碳萃取的速率和范围更为扩大,萃取过程是通过温度和压力的调节来控制与溶质的亲和性而实现分离的。
    超临界二氧化碳萃取技术具有环境良好、操作安全、不存在有害物残留、产品品质高且能保持固有气味等特点。从20世纪50年代起已开始进入实验阶段,70年代以来超临界二氧化碳萃取技术在食品工业中的应用日趋广泛,80年代超临界二氧化碳萃取技术更广泛地用于香料的提取。进人90年代后,超临界二氧化碳萃取技术开始运用于从药用植物中提取药用有效成分等。我国对超临界流体技术的研究始于20世纪70年代末80年代初,与国外相比虽起步稍晚,但发展很快,在超临界流体萃取、精馏、沉析、色谱和反应等方面都有研究,涉及了化工、轻工、石油、环保、医药及食品等行业,不仅有基础研究,而且有工艺、工程开发。
    早在20世纪70年代后期,德国人就采用超临界二氧化碳萃取技术从黄春菊中萃取出有效活性成分,产率高于传统溶剂法。日本学者用超临界二氧化碳对蛇床子、紫草、甘草等进行提取。发现蛇床子中呋喃骈香豆精(furocoumarins)超临界提取的最佳条件是温度为40℃,压力为40MPa,流速为6L/min,夹带剂为乙醇、水或甲醇。不用夹带剂的超临界二氧化碳可将紫草中的紫红色素提出来,并能从东北甘草或西北甘草中提出甘草素(1iquiritigenin),但提不出带有三个酚羟基的异甘草素(isoliquiritigenin),不用夹带剂能将甘草查耳酮A(1icochalconeA)提出,而使用乙醇夹带剂则可将甘草查耳酮B(1icochalcone)提出。
    我国研究人员用超临界二氧化碳从丹参中提取丹参酮,其提取率也比传统的溶剂法大大提高。用超临界二氧化碳从沙棘籽中提取沙棘油,能得到质量高、无残毒的沙棘油,成功地克服了现有提取方法所存在的缺点。紫杉醇是治疗卵巢癌的有效药物,其惟一来源是红豆杉属树木,在高压下并加入夹带剂后,从红豆杉的根皮中用超临界二氧化碳萃取紫杉醇,效果优于传统乙醇萃取法,且选择性高。近年来的研究还有:从人参叶中萃取人参皂苷,从蛋黄中萃取卵磷脂,从当归中萃取当归精油;从砂仁、薄荷、紫苏、大蒜、补骨脂等药材中萃取有效成分;从益母草、川芎、香附等几十种药材中萃取有效成分。
    上述研究对推动超临界二氧化碳萃取技术在中药新药中的应用起到了重要的作用,很多成果已进人中试阶段。目前申报的中药新药中有当归、川芎、新疆紫草种子等,主要提取挥发油类物质。可见,经过多年的研究,超临界二氧化碳萃取技术在中药新药中的应用已初见端倪。

    二、超临界二氧化碳萃取技术用于中药新药时需关注的问题
    1.适用范围
    超临界二氧化碳对不同物质的溶解能力差别较大,与物质的极性、沸点和相对分子质量有密切的关系,通过采用纯超临界二氧化碳萃取和夹带剂改性的超临界二氧化碳萃取可用于部分中药品种,可以萃取出全部的强亲脂性成分(如挥发油、脂肪油、蜡、脂溶性色素、甾醇类、某些苷元)和大部分的亲脂性成分(如苷元、生物碱、树脂、醛、酮、醇、醌、有机酸、某些苷类),对于中等极性成分(如皂苷、黄酮苷)或极性更大的成分等只能萃取出很少的部分。
    作为一种新方法,超临界萃取有其特定的适用范围。在选择中药的提取方法时,需考虑有效成分及共存杂质的性质,考虑方法的成本、能耗、环保等因素。一般情况下,超临界二氧化碳提取方法比较适合于具有明确生物活性的挥发油、内酯、脂肪油等脂溶性成分,提取极性较大成分时需要添加夹带剂。对于有效成分不明确的复方制剂一般不宜采用该方法。
    2. 主要影响因素
    首先应针对欲提取分离的成分进行分析,确定是否确实适合采用超临界二氧化碳萃取。此后,需考虑萃取过程的影响因素,如二氧化碳的温度、压力、流量、夹带剂、萃取时间;样品的物理形态、粒度、黏度等,包括被萃取物质成分的性质和超临界二氧化碳所处的状态等。这些影响因素交织在一起使萃取过程变得较为复杂,在中药新药研究中需要重点考察。研究表明二氧化碳压力在8-200MPa范围内,溶质在二氧化碳中的溶解度与二氧化碳的密度相关,而密度又与温度、压力有关。
    萃取的压力是超临界二氧化碳萃取过程中最重要的参数。萃取温度一定时,压力增加,液体的密度增大,在临界压力附近,压力的微小变化会引起密度的急剧改变,而密度的增加将引起溶解度的提高。对于不同的物质,其萃取压力有很大的不同。例如,对于碳氢化合物和酯等弱极性物质,萃取可在较低压力下进行,一般压力为7~10MPa;对于含有—OH,—COOH基这类强极性基因的物质以及苯环直接与—OH,—COOH基团相连的物质,萃取压力要求高一些,而对于强极性的配糖体以及氨基酸类物质,萃取压力一般要求50MPa以上才能萃取出来。有人在研究乳香萃取物时,萃取温度保持在50℃,压力为6MPa时,乳香萃取物中的主要成分是乙酸辛酯和辛醇,高相对分子质量化合物和乙酸乳香醇酯所占比例很小,当压力升至20MPa时,产物的主要成分是乳香醇和乙酸乳香醇酯,乙酸辛酯仅占3%左右。
    萃取温度也是影响超临界二氧化碳萃取的重要参数。温度对溶解度的影响存在有利和不利两种趋势。一方面,温度升高,超临界流体密度降低,其溶解能力相应下降,导致萃取数量的减少;但另一方面,温度升高使被萃取溶质的挥发性增加,这样就增加了被萃取物在超临界气相中的浓度,从而使萃取数量增大。通过实验,人们还发现温度对溶解度的影响还与压力有密切的关系:在压力相对较低时(45~28MPa这个范围以下),温度升高溶解度降低;而在压力相对较高时(45~28Mpa以上——此压力数值的大小与物质的品种有关),温度升高二氧化碳的溶解能力提高。
    流量的选择需要和大生产的实际情况结合起来考察,在提取成分基本一致的情况下,考虑大生产时的生产成本,选择较为适合的二氧化碳流量。
    超临界流体萃取的溶剂大多数是非极性或弱极性,对亲脂类物质的溶解度较大,对较大极性的物质溶解度较小。针对这一问题,在纯的超临界流体如超临界二氧化碳中加入一定量的极性成分(即夹带剂)可显著地改变超临界二氧化碳流体的极性,拓宽其适用范围。如丹参中的丹参酮难溶于二氧化碳流体,在二氧化碳中添加一定量的95%乙醇可大大增加其溶解度。
    样品的性质:药材的物理形态、粒度、黏度等等对超临界流体萃取的效果有明显影响。
    目前申报的中药新药品种在因素考察方面存在以下问题:参数不明确,研究资料简单而粗糙,影响因素的交互作用未考虑,对萃取条件与萃取物的成分种类和含量之间的关系未考察(大多依据参考文献确定萃取条件)等等。与采用传统提取方法申报的中药新药相比,申报资料差异较大,这可能与研究单位对超临界二氧化碳的研究水平与生产实践水平有关。
    3.与生产相关的问题
    目前,我国超临界萃取的设备规模相对较小、生产成本较高,一般用于附加值较高的产品。对于体积较大的花类、叶类药材,采用小体积的罐提取不够经济。采用超临界二氧化碳萃取技术应重视中试条件的摸索,小试优选的工艺参数在大生产时往往有改动,尤其是压力,大生产时往往不能确定在某一点上,然而工艺参数的改变直接影响到萃取物中所含成分的种类和数量,最终影响疗效。此外,建议关注大生产时所用密封圈、高压泵的选择,并注意更换品种时设备的清洗等。

    三、结语
    超临界二氧化碳萃取技术具有常温、无毒、环保、使用安全简便、萃取时间短、产品质量高等特点。已经在中药有效成分的提取中显示出其独特的优势。但对于具体新药品种而言,需要考虑该成分是否适合采用超临界二氧化碳萃取,考虑成本、设备等问题。超临界二氧化碳萃取技术的发展,为中药新药的生产提供了一种新的技术,为中药的现代化提供了一种新的手段。相信在不久的将来,随着研究的深入,超临界二氧化碳萃取技术的适用范围会进一步扩展,相关设备成本会进一步降低,超临界二氧化碳萃取技术在中药新药的开发中将有着良好的前景。
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