全 文 ：[ 收稿日期] 2007-09-10
[ 基金项目] 北京市教委科技发展计划资助项目(2002KJ125)
[ 作者简介] 龚平(1963—),男 , 湖北云梦人 , 北京联合大学生物化学工程学院生物医学系副教授 , 博士 ,研究方向为生
物分离工程 、生物制剂技术等。
杠板归的超临界萃取和红外光谱研究
龚 平 ,崔志刚 ,毛德奎 ,杨 磊 ,张慧娟
(北京联合大学 生物化学工程学院 , 北京 100023)
[摘 要] 杠板归是近年来新开发的中药 ,对于带状疱疹和大面积烧伤有明显疗效 。实验研究
了用CO2 超临界萃取杠板归过程中萃取温度 、压力 、时间 、夹带剂类型及夹带剂剂量 5种因素对萃
取率的影响 ,确定了最佳萃取条件 ,并对部分条件的萃取物进行红外光谱分析 。本试验确定的最
佳条件为:萃取釜的压力为 45 MPa ,萃取釜的温度为 50℃,萃取时间为 180 min ,萃取剂为乙酸乙
酯 ,萃取剂剂量 40%。本工作开发了一种杠板归的新型分离方法 ,并为其科学研究积累了重要的
数据 。
[关键词] 杠板归;超临界萃取;红外光谱;萃取率
[中图分类号] Q 503 [文献标识码] A [文章编号] 1005-0310(2007)04-0032-06
杠板归(Polygonum perfoliatum L)别名:蛇不过 、
猫爪刺 、犁头刺 、三角酸 、老虎刺等 ,为蓼科植物杠
板归的干燥全草 ,生于海拔 1800 m 以下的山坡路
旁 、房屋附近 ,广泛分布于全国各地[ 1-2] 。杠板归具
有清热解毒 、散结消肿 、活血止痛 、顺气解痉 、收敛
止泻 、通经利尿等功效 ,用于治疗百日咳 、扁桃体
炎 、带状疱疹皮炎 、淋浊 、疮疖毒 、虫蛇咬伤等病症 ,
尤其对于带状疱疹和烧伤有明显疗效[ 3-5] 。由于
《中国药典》1985 、1990 、1995 、2000及 2005年版均没
有记载本草药 ,所以近年来对其的研究也更为广泛
深入 。
超临界流体萃取(supercritical fluid extraction ,
以下简称 SFE)是一种新型的萃取方式。与传统萃
取方式相比 , SFE 具有一系列优点 ,尤其是用于提
取和精制难挥发 、热敏性的天然物质[ 6-7] ,在国内医
药方面得到了广泛应用 ,近年来更是出现在对于中
药有效成分的提取上[ 8] 。
本实验研究 CO2 超临界萃取杠板归过程中萃
取压力 、萃取温度 、萃取时间 、夹带剂类型及夹带剂
剂量对萃取率的影响 ,确定最佳的萃取条件。鉴于
近红外光谱技术的研究在中药领域的应用发展十
分迅速[ 9] , 故将一部分考察条件下的萃取物进行
了红外光谱分析 ,以确定萃取条件对产物组成的影
响趋势。
1 材料与仪器
1.1 药品与试剂
杠板归 ,产地:江苏 ,批号:31404101 ,京卫仁药
饮片厂提供;无水乙醇 ,正丁醇 ,甲醇 ,乙酸乙酯 ,丙
酮 ,均为分析纯 ,北京化工厂生产;液态 CO2 ,纯度
99.99%,北京南亚气体制品有限公司生产 。
1.2 仪器与设备
HA120-50-01 超临界萃取装置 ,江苏南华安超
临界萃取有限公司;
WQF-410 傅立叶变换红外光谱仪 ,北京第二光
学仪器厂;
DHG-9023A型电热恒温鼓风干燥箱 ,上海益恒
科技有限公司;
白灵 LA204(200 g 0.1 mg)精密电子称 ,常熟市
衡器厂。
2 实验方法
2.1 超临界 CO2流体萃取
精确称取大约 50 g 左右的药材 ,用白色托盘放
置 ,放入烘箱中 ,温度设为 80℃,烘烤 1 h 后 ,取出
冷却 ,粉碎过 60目筛 ,再次精密称取 ,记下数据 ,装
2007 年12月
第 21 卷第 4期总 70 期
北京联合大学学报(自然科学版)
Journal of Beijing Union University(Natural Sciences)
Dec.2007
Vol.21 No.4 Sum No.70
DOI :10.16255/j.cnki.ldxbz.2007.04.010
入超临界装置的萃取釜 ,加入设定量的夹带剂 ,按
照实验设计的条件萃取 ,萃取时间到时 ,接取萃取
液。用具塞三角瓶保存 ,留待红外光谱检测。萃余
物以萃取前相同条件干燥 ,并精密称量 。
萃取率按下式计算:
萃取率 =(萃取前的药量-萃取后的药量)
萃取前的药量 ×100%
在文献和预实验基础上 ,本实验确定了一个基
准的萃取条件。变换其中一个条件 ,考察这个条件
对于萃取率的直接影响及其影响的程度 。有关实
验因素见表1。
表 1 超临界 CO2 流体萃取杠板归试验设计考察因素
萃取温度
℃
萃取釜压力
MPa
萃取时间
min
夹带剂
夹带剂量
%
30 30 60 去离子水 40＊
40 35 90＊ 甲醇＊ 80＊
50 45 150 正丁醇＊
180＊ 乙酸乙酯
丙酮
＊进行红外分析的实验组
2.2 红外光谱分析
检测室温 25℃,湿度为 40%。自制载样气(D
=30 mm , H=2 ～ 5 mm)。采取薄膜法和压片法两
种式样的制备方法。压片法:取 1 ～ 2 mg 样品和
100 ～ 200 mg 溴化钾粉在红外灯下玛瑙研钵中充分
混合磨细 ,使平均粒径约 2μm;薄膜法:将样品溶解
于氯仿溶剂中 ,然后取液体样品1 ～ 10 mg均匀涂于
两盐晶薄片之间 ,溶剂挥发成膜待测。
3 结果与讨论
3.1 超临界萃取因素对萃取率的影响
3.1.1 萃取釜压力对萃取率的影响
在萃取温度为 45℃,萃取时间为 120 min ,夹带
剂为无水乙醇 ,其夹带剂量(质量比)30%的相同的
情况下 ,萃取压力分别为 30MPa 、35 MPa、45 MPa 条
件下对萃取率的影响见表 2。
表 2 萃取釜压力对萃取率的影响
组别
萃取压力
MPa
萃取前
药量
g
萃取后
药量
g
萃取率
%
1 30 50.089 5 49.858 9 0.460 4
2 35 50.134 0 49.899 9 0.466 9
3 45 50.076 1 49.765 7 0.619 9
在本实验中萃取率随萃取釜压力上升而不断
提高 。考虑到仪器的实际工作能力和总效率 ,选定
的最高实验压力是 45 MPa。
图 1 萃取釜压力与萃取率的关系图
由图 1可见 ,压力是 CO2 超临界萃取中最重要
的操作参数 ,在一定温度下 ,萃取率随萃取压力的
增大而增加 ,在 30 ～ 35 MPa增加幅度较为平缓;而
在 35 ～ 45 MPa 之间 ,这种增加较为明显;当达到 45
MPa时 ,在实验范围收率最大。
3.1.2 萃取釜温度对萃取率的影响
在萃取压力为 40 MPa ,萃取时间为 120 min ,无
水乙醇为夹带剂(30%, w%), 萃取温度分别为
30℃、40℃、50℃条件下对萃取率的影响见表 3。
表 3 萃取釜温度对萃取率的影响
组别
萃取温度
℃
萃取前
药量
g
萃取后
药量
g
萃取率
%
1 30 50.040 8 49.996 2 0.093 1
2 40 50.091 1 49.936 4 0.308 8
3 50 50.076 2 49.9156 0.480 7
图 2 萃取釜温度与萃取率的关系
由图 2 可见 ,当温度上升时 ,分子扩散系数增
加 ,超临界CO2 流体的粘度下降 ,有利于萃取 ,但温
度上升时 ,也会使超临界 CO2 流体的密度下降 ,成
分溶解度下降 ,又不利于萃取 。同时 ,温度对萃取
33第 21卷第 4 期 龚 平等:杠板归的超临界萃取和红外光谱研究
物活性影响较大 。因此设定 40 ～ 50℃间较为适宜 。
3.1.3 萃取时间与萃取率的关系
在萃取压力为 40 MPa ,萃取温度 45℃,无水乙
醇为夹带剂(30%, w%),萃取时间分别为 60 min 、
90 min 、150 min 、180 min条件下对萃取率的影响见
表4 。
表4 萃取时间对萃取率的影响
组别
萃取温度
℃
萃取前
药量
g
萃取后
药量
g
萃取率
%
1 60 50.041 4 49.765 3 0.551 7
2 90 50.069 5 49.780 1 0.578 0
3 150 50.040 9 49.742 6 0.596 2
4 180 50.687 0 50.110 0 1.138 4
图3 萃取时间与萃取率的关系
由图 3 可见 , 萃取时间对于萃取率的影响显
著 ,适宜的时间会提高萃取效率 。起初时间在一定
的范围内变化很小 ,然而在 180 min 的数值突然变
大 ,这表明可能存在一个“临界萃取时间” ,即在设
定温度和压力下植物细胞破碎需要一定时间(约
150 min)。此后 ,随着萃取的继续进行 ,大量植物细
胞的细胞壁开始逐渐被大规模破坏 ,胞内物质被萃
取。考虑到有效成分的总含量以及动力成本等问
题 ,过度延长萃取时间在本质上并不有利。因此有
效萃取时间确定为 180 min。
经过大量实验 ,选取部分样本进行红外光谱分
析 ,试验考察的是上述时间组别 2 、4。即红外分析
试验条件:在萃取温度为 40℃,萃取压力为 35MPa ,
夹带剂为 80%的甲醇相同的情况下 ,萃取时间分别
为90 min与 180 min ,萃取物质见 3.2.1。
3.1.4 夹带剂类型与萃取率的关系
在萃取压力为 40MPa , 萃取温度 45℃,萃取时
间为 120 min ,夹带剂剂量(30%, w%)相同的情况
下 , 萃取剂类型分别为去离子水 、甲醇 、正丁醇 、乙
酸乙酯 、丙酮条件下对萃取率的影响见表5。
表 5 夹带剂类型对萃取率的影响
组别
萃取温度
℃
萃取前
药量
g
萃取后
药量
g
萃取率
%
1 去离子水 50.111 0 49.940 7 0.339 8
2 甲醇 50.073 6 49.792 6 0.561 2
3 正丁醇 50.083 5 49.902 5 0.361 4
4 乙酸乙酯 50.059 4 49.766 0 0.586 1
5 丙酮 50.093 2 49.852 5 0.480 5
图 4 夹带剂类型与萃取率的关系
由图 4 可见 ,单从萃取率看 ,乙酸乙酯组萃取
率较高 ,这是因为所萃取的物质所含的成分大多为
非极性或极性较低的物质。考虑到杠板归有效成
分包含大量极性物质 ,还应综合红外光谱作出的成
分分析来作进一步判断 。可见夹带剂的选择对于
萃取率是有着较大的影响的 。
在本实验中萃取率最好的实验夹带剂是乙酸
乙酯 。
经过大量实验 ,选取部分样本进行红外光谱分
析 ,试验考察的是上述物质 2 、3。即红外分析试验
条件:在萃取温度为40℃,萃取压力为35MPa ,萃取
时间为 90 min ,夹带剂分别为 80%乙酸乙酯和 80%
正丁醇 ,见 3.2.3。
3.1.5 夹带剂剂量与萃取率的关系
在萃取压力为 40 MPa , 萃取温度 45℃,萃取时
间为 120 min ,萃取剂为无水乙醇 ,夹带剂剂量(质
量比)30%相同的情况下 ,萃取剂剂量分别为 40%、
80%条件下对萃取率的影响见表 6。
由图 5可见 ,由于萃取的物质中极性较低的脂
溶性有机物较多 ,而乙醇是一个极性比较强的夹带
剂 ,少量的加入可以帮助一些极性相对较强的物质
被萃取出来 ,所以可以说对于萃取是很有利的 ,但
是通过这组数 ,恰恰反映了因为夹带剂的剂量过
大 ,破坏了 CO2 的萃取能力 ,并且也使大量的极性
34 北京联合大学学报(自然科学版) 2007 年 12 月
物质无法萃取出来。
表 6 夹带剂剂量对萃取率的影响
组别
萃取率
%
夹带剂
剂量
w%
萃取前
药量
g
萃取后
药量
g
1 0.627 7 40 50.070 4 49.756 1
2 0.298 9 80 50.076 4 49.926 7
图5 夹带剂量与萃取率的关系
在本次实验中萃取率最好的实验萃取剂剂量
是40%。
经过大量实验 ,选取部分样本进行红外光谱分
析 ,试验考察的是上述剂量1 、2 ,即红外分析试验条
件:在萃取温度为30℃,萃取压力为30MPa ,萃取时
间为 60 min 相同的情况下 ,夹带剂为去离子水 ,其
夹带剂剂量(质量比)分别为 40%与 80%, 见
3.2.2。
3.2 红外光谱分析
3.2.1 萃取时间对萃取物成分的影响
在萃取温度为 45℃,萃取压力为 40 MPa ,夹带
剂为 30%的无水乙醇相同的情况下 ,萃取时间分别
为90 min与 180 min ,萃取物质红外光谱图各见图
6 、图 7。
萃取时间 90 min
主要的吸收带(IR Vmax cm-1 ,下同):721.25 ,
1 041.37 , 1 168.65 , 1 249.65 , 1 376.93 , 1 461.78 ,
1 712.48 ,1 735.62 ,2 854.13(cm-1)。
萃取时间 180 min
主要的吸 收带:721.25 , 1045.23 , 1168.65 ,
1245.79 , 1376.93 , 1461.78 , 1712.48 , 2854.13 ,
2927.41(cm-1)。
比较图 6 、7可见 ,在 1 376.93 cm-1吸收带上 ,
归属于芳香族胺的νC-N峰 。180min条件下萃出物
明显要比 90 min更强 ,表明 3 h萃取物的芳香族胺
化合物的含量较高;1 738.28 cm-1这个吸收峰可以
图 6 杠板归提取物的红外光谱(45℃, 40 MPa , 90 min)
图 7 杠板归提取物的红外光谱
(45℃, 40 MPa , 180 min)
更为明显地判断出是一个酯的特征吸收峰 ,从该吸
收带强度上判断 , 3 h条件下萃出物中酯的含量也
较多;3 430.68 cm-1及 3 524.90 cm-1也有较明显的
差异 ,说明 180 min 所萃取出的物质含羟基物质浓
度较大。
3.2.2 夹带剂剂量对萃取物成分的影响
在萃取温度为 45℃,萃取压力为 40 MPa ,萃取
时间为 120 min相同的情况下 ,夹带剂为无水乙醇 ,
其夹带剂剂量(质量比)分别为 40%与 80%,萃取
物质红外光谱图各见图 8 、图9。
图 8 杠板归提取物的红外光谱
(45℃, 40 MPa , 120 min, 无水乙醇 40%)
夹带剂剂量 40%
主要的吸收带:721.25 , 1 041.37 , 1 168.65 ,
35第 21卷第 4 期 龚 平等:杠板归的超临界萃取和红外光谱研究
图9 杠板归提取物的红外光谱
(45℃, 40 MPa , 120 min ,无水乙醇 80%)
1 376.93 , 1 461.78 , 1 689.34 , 1 708.62 , 1 735.62 ,
2 661.28(cm-1)。
夹带剂剂量 80%
主要的吸收带:721.25 , 1 041.37 , 1 168.65 ,
1 276.65 , 1 376.93 , 1 461.78 , 1 515.78 , 1 689.34 ,
1 735.62(cm-1),见图 9。
比较图 8 、9 可见 ,在 1 041.37 cm-1 , 1 515.78
cm
-1与 1 521.67 cm-1 , 1 276.65 cm-1及 1281.97
cm
-1 ,这 3个吸收带上看 , 80%的吸收峰要明显强
于40%的吸收峰 ,这说明在 80%的萃取物中含有
在这些吸收值的酯类物质及带有苯环类物质的浓
度较大;但是在 1 461.78 cm-1与 1 708.62 cm-1 ,
40%夹带剂下萃出物的吸收强度更为明显 ,表明:
在此条件下 ,萃出物含有的羧酸及其衍生物较多。
3.2.3 夹带剂类型对萃取物成分的影响
在萃取温度为 45℃,萃取压力为 40 MPa ,萃取
时间为 120 min ,夹带剂分别为 30%乙酸乙酯和
30%正丁醇 ,萃取物质红外光谱图各见图10 、图 11。
夹带剂为 30%乙酸乙酯
主要的吸收带:721.25 , 1 041.37 , 1 172.51 ,
1 238.08 , 1 376.93 , 1 465.63 , 1 712.48 , 1 735.62 ,
2 854.13(cm-1)
其他 的吸收 带:666.81 , 961.39 , 1 114.46 ,
1 279.08 , 1 621.67 , 1 648.75 , 2 931.05 , 3 404.69
(cm-1)
夹带剂为 30%正丁醇
主要 的吸收 带:721.25 , 952.66 , 1 041.37 ,
1 072.23 , 1 245.79 , 1 376.93 , 1 461.78 , 1 643.05 ,
1 712.48(cm-1)
由图 10 、11 可见 ,在 721.25 cm-1这个吸收带
上 ,乙酸乙酯萃出物有较强的吸收 ,表明脂肪烃的
含量比较高;而在952.66 cm-1这个吸收带上 ,正丁
醇有相对强的吸收 ,表明正丁醇萃取的物质中含有
图 10 杠板归提取物的红外光谱
(45℃, 40 MPa , 120 min, 乙酸乙酯 30%)
图 11 杠板归提取物的红外光谱
(45℃, 40 MPa , 120 min, 正丁醇 30%)
羧酸类物质浓度较高;在1 643.05 cm-1吸收带 ,正
丁醇有着比较明显的吸收 ,乙酸乙酯不明显 ,说明
前者的萃取物质中酚类含量更多 。
4 结论
确定了最佳实验条件:萃取釜的压力为 45
MPa ,萃取釜的温度为50℃,萃取时间为 180 min ,萃
取剂为乙酸乙酯 ,夹带剂剂量 40%。通过实验 ,还
观察到一种萃取诱导期现象。即 ,在实验范围内 ,
当萃取时间延长时 ,萃出物(如芳香族胺 、酯类 、含
羟基的化合物)的萃取率急剧跃升;当萃取温度升
高时 ,萃取物的含量明显提高;当加大萃取压力时 ,
萃取物起初变化较平缓随后萃取率增加较为明显;
而且对于与萃取物结构相类似的夹带剂适量的加
入有利于萃取 。红外光谱分析表明 ,夹带剂会明显
影响萃取物组成。使用极性夹带剂 ,会提高萃出物
中羧酸 、多酚 、多糖等等含量 。
本研究开发了一种在室温下分离纯化杠板归
的新型生物分离技术 ,该技术可以有效地提高萃取
物的活性和萃取物产率 ,萃出物功效成分保留完
整 ,且无溶剂残留 ,并为中药杠板归的应用开发 、药
物的标准化及其科学研究积累了重要的实验数据。
36 北京联合大学学报(自然科学版) 2007 年 12 月
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Supercritical Fluid Extraction of Polygonum Perfoliatum L
and Its IR Spectroscopy Investigation
GONG Ping , CUI Zhi-gang ,MAO De-kui ,YANG Lei ,ZHANG Hui-juan
(Biochemical Engineering College of Beijing Union University , Beijing 100023 , China)
Abstract:Polygonum perfoliatum L , as one of Chinese traditional medicines , was effective to herps zoster and extensive
burns.The effects of extraction temperature , pressure , time , co-solvent types and their consumption to the extraction
yields were studied , while Polygonum perfoliatum L was treated with CO2 supercritical fluid extraction.Some extracts
were investigated with IR spectroscopy.The optimum extraction condition was confirmed to be as follows:extraction
pressure was 45 MPa , extraction temperature 50℃, extraction time 180 min , ethyl acetate as co-solvent , and its
consumption up to 40%.It s beneficial to both the development of a novel separation method of Polygonum perfoliatum
L and the accumulate of important scientific data.
Key words:polygonum perfoliatum L;supercritical fluid extraction;IR;extraction yield
(责任编辑 李亚青)
37第 21卷第 4 期 龚 平等:杠板归的超临界萃取和红外光谱研究