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Effect of entrainer on supercritical CO2 for extraction of tradition and herbal drugs

夹带剂对超临界CO2萃取中草药成分的作用分析


对夹带剂的种类、加入方式、在超临界CO2萃取中草药成分的作用及作用机制进行了归纳,详细地介绍了夹带剂在超临界CO2萃取中草药中的黄酮、萜类、甾醇、皂苷等有效成分的应用,指出了当前研究中存在的问题和进一步研究的方向。

Type, mode of affiliating, mechanism of action of entrainer in Supercritical CO2 on extraction of Chinese traditional and herbal drugs were briefly reviewed. Application of entrainer in Supercritical CO2 on extraction of flavones, terpenes, sterols, and saponins in Chinese traditional and herbal drugs were recommended in particular. Some problems and directions in research of entrainer in Supercritical CO2 on extraction of Chinese traditional and herbal drugs were shown in this paper.


全 文 :夹带剂对超临界 CO2萃取中草药成分的作用分析
郗砚彬1,夏晓晖1,靳冉2,张宇1,杨丽钦1,唐仕欢3
(1.北京双鹤药业股份有限公司 双鹤研究院,北京 100102;
2.中药复方新药开发国家工程研究中心,北京 100075;
3.中国中医科学院 中药研究所,北京 100700)
[摘要] 对夹带剂的种类、加入方式、在超临界CO2萃取中草药成分的作用及作用机制进行了归纳,详细地介绍了夹带剂
在超临界CO2萃取中草药中的黄酮、萜类、甾醇、皂苷等有效成分的应用,指出了当前研究中存在的问题和进一步研究的方向。
[关键词] 夹带剂;超临界CO2;中草药;萃取
[收稿日期] 20081020
[通信作者] 唐仕欢,Tel/Fax:(010)640144112956,Email:tshuan800
@126.com
  超临界流体(supercriticalfluid,SCF)是超过临界温度
(Tc)和临界压力(Pc)的高密度流体。它的性质介于气体和
液体之间,兼有两者的优点,具有优异的溶剂特性和传质特
性。到目前为止,研究应用最多的是超临界CO2流体。超临
界CO2(supercriticalCO2,SCCO2)的密度随着温度和压力改
变,导致它的溶解度参数发生变化,从而能有效地溶解分子
量小的脂溶性成分。亦可在 SCCO2中加入夹带剂,影响溶
质在SCCO2中的溶解性和选择性,从而扩大 SCCO2的萃取
范围。
1 夹带剂的种类和作用机制
SCCO2具有极强的均一化作用。正戊烷、苯、丙酮、乙醇
等溶剂都能与SCCO2形成混溶状态,即保持 SCCO2溶解度
参数的连续可调性,而且提高了 SCCO2的溶解性能。夹带
剂分为3类:一是低极性夹带剂,如氯仿[1];二是中等极性夹
带剂,如醋酸乙酯[1];三是强极性夹带剂,如乙醇[1]。夹带
剂可以是某一种物质,也可以是两种或多种物质的混合物,
如乙醇水溶液[2]。夹带剂对 SCCO2萃取过程有个不利的
影响,即萃取产物中会有夹带剂的残留。这就失去了 SC
CO2萃取没有溶剂残留的优点,因此应力求避免使用有毒害
的夹带剂。
SCCO2中引入夹带剂,可以提高 SCCO2选择性的溶解
其他物质的能力,被萃取溶质的化学性质与其化学性质越接
近,溶解能力越强。反之,溶解能力越弱。夹带剂主要通过
与溶质分子间的范德华作用力或夹带剂与溶质分子形成氢
键及其他各种化学作用力,其次是改变溶剂密度,进而影响
溶质的溶解度和选择性。由于Tc或Pc的限制,夹带剂在SC
CO2中往往成亚临界状态。SCCO2正是利用这种选择性,将
混合物中某些成分溶解,然后经降压或升温,降低 SCCO2的
密度,被溶解(萃取)的物质便会析出,从而达到分离的目的。
2 夹带剂的加入方式
目前,夹带剂加入方式有5种,直接加入[1]、一次泵输
入[3]、多次泵输入[4]、连续泵输入[5]、直接加入与连续泵输
入相结合[6]。直接加入法是夹带剂与原料按一定比例(体
积/质量,质量比)混匀后,直接加入到萃取釜;一次泵输入法
是先将原料加入萃取釜,夹带剂按与原料的一定比例(体积/
质量,质量比)通过夹带剂泵一次性输入系统中,进行动态萃
取分离;多次泵输入是夹带剂按与原料的一定比例(体积/质
量,质量比)通过夹带剂泵分多次(每次间隔一定时间)输入
系统中,进行动态萃取分离;连续泵输入法是先将原料加入
萃取釜,夹带剂按一定流体比(夹带剂/SCCO2的摩尔比,夹
带剂/SCCO2的质量比,夹带剂/SCCO2的体积比)通过夹
带剂泵输入系统中,进行动态萃取分离;直接加入与连续泵
输入相结合,原料与夹带剂按一定比例(体积/质量,质量
比)混匀后,直接加入到萃取釜,在萃取压力下,静态萃取一
段时间后,打开夹带剂泵,夹带剂按一定流体比(夹带剂/
SCCO2的摩尔比,夹带剂/SCCO2的质量比,夹带剂/SC
CO2的体积比)输入系统中,进行动态萃取分离。
5种夹带剂的加入方式各有优缺点。直接加入:夹带剂
直接作用于原料,接触充分,萃取效率较高;一次泵输入:操
作简便,但夹带剂在萃取釜中局部浓度大,与目标组分接触
时间短;多次泵输入:操作简便,但同样存在夹带剂在萃取釜
中局部浓度大,与目标组分接触时间短的问题。前3种夹带
剂的加入方式,夹带剂与SCCO2只能保持短暂的动态平衡,
不适合长时间的动态萃取分离。连续泵输入:在整个萃取过
程中,夹带剂和SCCO2均保持动态平衡,夹带剂和原料接触
充分,是现在最常用的1种夹带剂加入方式,不足之处是原
料与夹带剂在萃取初期未能瞬间充分接触,导致夹带剂与
SCCO2短暂的不平衡。直接加入与连续泵输入相结合,通过
在萃取前加入一定比例的夹带剂和原料充分接触,有效的避
免夹带剂与SCCO2在萃取初期出现短暂的不平衡,从而有
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效的保持了整个萃取过程的动态平衡。这种方法特别适合
叶类植物SCCO2萃取。
3 SCCO2萃取(含夹带剂)中草药中的化学成分
SCCO2萃取中加入夹带剂后,SCCO2的溶解性和选择
性相应的发生了改变。萃取成分的范围由未加夹带剂之前
的小分子质量亲脂性化学成分扩展到亲水性化学成分。
3.1 黄酮 由于黄酮类化合物在溶剂中的溶解性能相差较
大,SCCO2萃取过程中没有1种适用于所有黄酮的通用夹带
剂。在SCCO2萃取其他条件确定后,夹带剂的选择往往根
据黄酮类化合物的结构或极性。一般原则是根据黄酮及其
苷极性的提高,逐级加大夹带剂及其混合溶剂(如乙醇、乙
醇水)的极性(表1)。
表1 黄酮类化合物SCCO2萃取条件
化合物类型 原料 夹带剂 加入方式
CO2流量
/L·h-1
时间
/min
萃取釜压力及
温度/MPa,℃
分离釜压力及
温度/MPa,℃
参考
文献
银杏叶总黄酮 银杏提取物 1种醇 连续泵输入 15 90 20,40 - [7]
银杏叶总黄酮 银杏叶提取物(EGB) 混合夹带剂 连续泵输入 15 60 20,60 6,50 [8]
甘草总黄酮 甘草地上部分 85%乙醇 直接加入 15 120 25,40 - [9]
灯盏花总黄酮 全草 85%乙醇 连续泵输入 15 120 25,40 - [10]
葡萄籽总原花 脱脂葡萄籽 60%乙醇 直接加入 5 60 30,55 - [11]
青素(脱脂)              
茵陈蒿总黄酮 茵陈蒿 pH9~10的70%乙醇 连续泵输入 20 150 30,55 - [12]
  以银杏叶中总黄酮的 SCCO2萃取如表1,邓启焕、候峰
等分别采用银杏叶提取物(去酚酸)、银杏叶提取物作为原
料进行SCCO2萃取,2个实验团队采用相同的 CO2流量、萃
取压力和加入方式,都为15L·h-1,20MPa和连续泵输入,
不同之处是银杏叶夹带剂的类型和流量、萃取釜的温度。
SCCO2萃取效率是由萃取的压力、温度、夹带剂、夹带剂与
CO2的流量比决定的。通过改变萃取温度(40℃变为60℃)
和夹带剂类型(单一夹带剂变为混合夹带剂),使萃取时间减
少了30min。这里需要明确一点,SCCO2萃取中草药化学成
分并不是提高萃取温度就可以提高萃取的时间。SCCO2萃取
时间的缩短是压力、温度、夹带剂等综合作用的结果。
由于黄酮类化合物极性相差较大,没有一种通用的适用
于黄酮的SCCO2萃取夹带剂。SCCO2萃取过程中,一般为
低流量比(夹带剂/CO2)的单一夹带剂适用于萃取大多数苷
元及其高度甲基化的衍生物,中等流量比的单一夹带剂或混
合夹带剂适用于萃取极性稍大的苷元(羟基黄酮、双黄酮
等)或单糖苷,大流量比的混合夹带剂适用于极性更大的苷
类及多糖苷。
3.2 萜类、甾醇 萜类、甾醇类化合物极性较低,SCCO2萃
取过程中,不加夹带剂有时也可以将上述类型中极性较低的
成分提出,加入夹带剂,一方面是为了提高萃取效率,另一方
面为了提高萃取的选择性(表2)。
表2 萜类、甾醇类化合物SCCO2萃取条件
化合物类型 原料 夹带剂 加入方式
CO2
流量
时间
/min
萃取釜压力及
温度/MPa,℃
分离釜压力及
温度/MPa,℃
参考
文献
银杏萜内酯 银杏叶 乙醇 多次泵输入 10L·min-1 40 20,50 - [13]
薯蓣皂苷元 穿山龙 95%乙醇 连续泵输入 40~45kg·h-1 180 35,55 - [14]
紫杉醇 云南红豆杉 甲醇 连续泵输入     - 180 34,40 Ⅰ,12,45;Ⅱ,7,25 [15]
类胡萝卜素 胡萝卜丝 石油醚或乙醇 直接加入  40kg·h-1 180 30,45 - [16]
  以银杏萜内酯为例(表2),银杏叶中含有8个银杏内酯
(ginkgolideA,B,C,J,K,L,M)和白果内酯(bilobalide)。银
杏内酯的结构是由20个碳原子组成,被列为二萜。白果内
酯(bilobalide)是由15个碳原子组成,一般被列为倍半萜,实
际上是银杏内酯类的环氧化开裂降解产物。上述化学成分
是由5~6个五元环组成刚性骨架,极性较低。SCCO2萃取
中,在未加夹带剂的条件下,通过调节萃取釜的压力、温度、
CO2的流量,白果内酯将先萃取出,而其他银杏内酯陆续萃
取出来。在上述SCCO2萃取过程中,加入夹带剂后,SCCO2
萃取时间明显缩短。
3.3 生物碱 SCCO2体系中通过引入pH调节剂,可以改变
SCCO2萃取体系中流体的酸碱性,不仅可以扩大SCCO2萃取
范围,而且可以提高萃取分离度、提取率。与此同时,酸性或
碱性调节物质的引入,可能会对仪器产生腐蚀的危险,因此,
应当选择不与金属发生反应的酸性或碱性物质(表3)。
以博落回总生物碱SCCO2萃取为例(表3),在45℃,35
MPa条件下,相对于单纯超临界CO2萃取,使用甲醇作为夹
带剂和Na2CO3碱化剂可提高生物碱的萃取率,萃取物中生
物碱的质量分数从125%提高到2003%,萃取生物碱的平
均相对分子质量从33463提高到40003。
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表3 生物碱类化合物SCCO2萃取条件
化合物类型 原料 夹带剂 加入方式
CO2
流量
时间
/min
萃取釜压力及
温度/MPa,℃
分离釜压力及
温度/MPa,℃
参考
文献
延胡索乙素 延胡索 70%乙醇 连续泵输入 30kg·h-1 60 20,50 - [17]
益母草总生物碱 益母草 氯仿 连续泵输入    - 180 30,70 - [18]
博落回总生物碱 博落回 Na2CO3碱化原料;甲醇 直接加入碱化 2L·min-1 120 30,45 - [19]
      剂;连续泵输入          
吴茱萸碱和吴茱萸次碱 吴茱萸 95%乙醇 连续泵输入    - 120 20,40 6,45 [20]
3.4 皂苷 对于亲水性化学成分的提取,SCCO2萃取往往
选择含有乙醇的混合溶剂作为夹带剂,原因是乙醇具有易
回收、沸点低、毒性小等优点,同时考虑到工业化的需要,
乙醇也非常适合,但仅用含有乙醇的混合溶剂又有其局限
性。对于溶解性能差别不大的化学成分,单用含有乙醇的
混合溶剂作为夹带剂,往往得不到很好的分离效果,试验
过程中,可以根据对目标成分极性的预判,选择与其极性
相似的溶剂(表4)。
表4 皂苷类化合物SCCO2萃取条件
化合物类型 原料 夹带剂 加入方式
CO2流量
/L·h-1
时间
/min
萃取釜压力及
温度/MPa,℃
分离釜压力及
温度/MPa,℃
参考
文献
两头尖皂苷 两头尖 95%乙醇 连续泵输入 - 120 30,50 Ⅰ,10,60;Ⅱ,6,45 [21]
龙胆总苷 龙胆 95%乙醇 连续泵输入 - - 25,50 6,55 [22]
牛蒡子总苷 牛蒡子 甲醇 直接加入和连续泵输入 2 静态5,动态30 40,70 - [23]
油茶总皂苷 油茶 65%乙醇 连续泵输入 20~30 180 25,50 - [24]
3.5 其他 夹带剂在 SCCO2萃取中草药化学成分过程中
中,应用非常普遍。除以上提及的化学成分以外,夹带剂在
SCCO2萃取蒽醌、香豆素、多酚等化学成分中,也得到了广泛
应用(表5)。
表5 其他化合物SCCO2萃取条件
化合物类型 原料 夹带剂 加入方式
CO2流量
/L·h-1
时间
/min
萃取釜压力及
温度/MPa,℃
分离釜压力及
温度/MPa,℃
参考
文献
大黄素 虎杖 80%乙醇 直接加入和连续泵输入 25 120 25,40 - [25]
白芷总香豆素 白芷 无水乙醇 直接加入 22 180 35,45 Ⅰ,8,50;Ⅱ,5~6,40[26]
银杏叶多酚 EGB粉末 混合夹带剂,流量 连续泵输入 15 60 20,60 6,50 [8]
4 问题和展望
SCCO2萃取作为一种新兴的分离技术,已经在中草药研
究中得到了普遍的应用。但由于SCCO2萃取技术本身还有
不完善的地方,尤其是夹带剂的使用上,没有深入的研究理
论、规范,基础研究数据缺乏,造成了现有国内许多 SCCO2
萃取的研究只能靠自己做基础实验去发现问题、分析问题、
总结经验。
夹带剂是在SCCO2萃取中加入的一种少量的、可以与
之混溶的、挥发性介于分离物质与超临界组分之间的物质,
可以增加被分离组分在SCCO2中的溶解度。通常对某些溶
质来说,好的有机溶剂也是优良的夹带剂,最常用的低级醇
类、丙酮等。夹带剂与 SCCO2流量比,大约在3% ~5%(摩
尔分数)的范围内为好。SCCO2萃取中引入夹带剂,在实际
应用中会有一些不良后果:一方面对于整个萃取工艺来说增
加了夹带剂分离和回收过程。另一方面会造成对产品的污
染。因此要权衡利弊,选择使用。
新兴技术发展是一种不断改进的过程,SCCO2萃取相对
于传统分离方法,有很多优点,萃取温度低、萃取时间短、对
非极性成分提取效率高、溶媒用量少等,随着人们对SCCO2
萃取技术研究的逐步深入,相信不久的将来,SCCO2萃取技
术应用会更加广泛。
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EfectofentraineronsupercriticalCO2forextractionoftradition
andherbaldrugs
XIYanbin1,XIAXiaohui1,JINRan2,ZHANGYu1,YANGLiqin1,TANGShihuan3
(1.InstituteofDoubleCrane,BeijingDoubleCranePharmaceuticalCo.Ltd.,Beijing100102,China;
2.StateresearchcenterforresearchanddevelopmentofTCMMultiingredientdrugs,Beijing100075,China;
3.InstituteofChineseMateriaMedica,ChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,China)
[Abstract] Type,modeofafiliating,mechanismofactionofentrainerinSupercriticalCO2onextractionofChinesetraditional
andherbaldrugswerebrieflyreviewedApplicationofentrainerinSupercriticalCO2onextractionofflavones,terpenes,sterols,and
saponinsinChinesetraditionalandherbaldrugswererecommendedinparticular.Someproblemsanddirectionsinresearchofentrainer
inSupercriticalCO2onextractionofChinesetraditionalandherbaldrugswereshowninthispaper.
[Keywords] entrainer;supercriticalcarbondioxide;Chinesetraditionalandherbaldrugs;extraction
[责任编辑 周 驰]
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