天然产物的提取

概述•天然产物中的有生理活性的化学成分较为复杂,通常可分为生物碱、糖或苷类、醌类和蒽衍生物、苯丙素酚类、黄酮类化合物、萜类和挥发油、强心苷和其他甾类成分、皂苷、氨基酸、蛋白质、鞣质等,其中以生物碱、苷类、萜类和挥发油等为主要成分。•天然产物大多为细胞内产物,提取时需要将细胞破碎,常规提取方法有蒸汽法、溶剂提取法、压榨法、吸收法等。但是这些方法在不同程度上难于取得理想的破碎效果,因而存在提出率低、溶剂消耗量大、能耗高、生产周期长等缺陷。目录•蒸馏法•溶剂提取法•压榨法•吸收法•超临界流体萃取技术•超声波辅助提取方法•微波辅助提取技术•生物酶制剂辅助提取法蒸馏法•可分为共水蒸馏和水蒸气蒸馏。•共水蒸馏是将植物粗粉加水浸泡后,直接加热蒸馏出水和精油,冷却后,分离出精油。•该法简单方便,但植物原料直接受热,易使精油的某些成分分解并使部分原料焦化,从而影响精油的质量。•水蒸气蒸馏是将植物粉碎后放入蒸馏器中,通入水蒸气,精油随水蒸气一起馏出。它避免了共水蒸馏的过热或焦化。•适用于挥发性的、水中溶解度不大的成分的提取。•该方法设备简单、容易操作、成本低；但是水蒸气蒸馏也存在缺点,即由于操作温度较高会引起精油中热敏性化合物的热分解和易水解成分的水解。溶剂提取法•用低沸点有机溶剂如石油醚、乙醚等连续回流提取或冷浸提取,提取液蒸馏或减压蒸馏除去溶剂即可得粗制精油；•该法成本较高,不宜应用于工厂生产,仅适用于研究工作。压榨法•将含精油较丰富的原料(如柑、橘等)粉碎压榨,从植物组织中将精油挤压出来,然后静置分层或用离心机分出油分即得粗品；•该法在室温中操作,因此所得挥发油质量好,可保持原有的香味,国外大多采用该法。但该法所得产品不纯,可能含有水分、叶绿素、粘液质及细胞组织等杂质而呈混浊状态;同时很难将挥发油完全压榨出来,但可保持精油原有的新鲜香味。由于该法操作复杂,出油率低,因此不适用于工业生产。吸收法•是用油脂、活性炭或大孔吸附树脂等吸附性材料吸附植物的香气成分,再用低沸点有机溶剂将被吸收的成分提取出来的方法；•该法适用于热敏性的贵重挥发油的提取，另外，该法成本较高,但所得挥发油香味纯正。•天然产物有效成分复杂，含量低，难于富集，用传统的分离方法不仅步骤繁琐，能源及材料消耗大，而且产率及纯度不高，尤其难以分离结构和性质相似的组分。随着科技的发展，高新技术不断在天然产物方面得到应用。现将近年天然产物提取分离纯化新技术的进展做一个简单介绍。超临界流体萃取（SupercriticalFluidExtraction，SCFE）•它是以高压、高密度的超临界流体（SupercriticalFluid，SCF）为溶剂，从液体或固体中溶解所需的组分，然后采用升温、降压、吸收（吸附）等手段将溶剂与所萃取的组分分离，最终得到所需纯组分的操作。•任何一种物质都存在3种相态：气相、液相、固相。三相成平衡态状态的点叫三相点，液、气两相成平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力。不同物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。•超临界流体是指温度和压力均高于临界点的流体，高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。此时，气液两相性质非常接近，以致无法分别，所以称为超临界流体。•超临界流体的特点：密度接近于液体，有良好的溶解性能，其扩散系数接近于气体，黏度也接近于气体，表面张力接近于零，因而具有良好的穿透性，易进入固体的孔隙。超临界流体萃取的基本原理•在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来。•超临界流体的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加，极性增大，利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。•当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取、分离两过程合为一体。•目前在超临界流体萃取技术中使用最普遍的溶剂是CO2，因此超临界CO2流体萃取技术在天然产物的提取中得到了较为广泛的应用。•CO2价格便宜、纯度高、容易获得，而且对环境无污染。CO2临界温度为31.265℃，临界压力为7.18MPa，临界条件容易达到。•在超临界状态下，CO2流体兼有气液两相的双重特点，既具有与气体相当的高渗透能力和低黏度性质，又具有与液体相近的密度和对物质良好的溶解能力，且随着环境温度和压力的改变对溶质的溶解能力可在相当宽的范围内变化，所以可通过控制温度和压力改变物质的溶解度，因此CO2特别适合天然产物有效成分的提取。超临界流体萃取的特点（优点）•萃取温度低•超临界CO2萃取法要求的实验温度不高，反应温度一般为35~55℃，且整个反应过程处于CO2气体笼罩下进行，可有效防止热敏性成分的氧化和逸散，因此能较好地保存有效成分而不被破坏，不发生次生化，而且对于高沸点、低挥发性、遇热易分解的物质，由于萃取温度远低于其沸点，萃取效果更佳。•无残留由于在提取过程中不使用任何有机溶剂进行萃取，因此最终所得的提取物没有化学溶剂的残留，防止了残留物对人体的伤害和对环境的破坏，保证了提取物的纯天然性。•分离简单采用超临界CO2萃取法萃取物质时萃取和分离合二为一，当饱含提取物的CO2流体进入到分离器中时，受压力下降或温度变化的影响，CO2流体与提取物迅速分离为气液两相，不仅大大提高了萃取的效率，而且所耗费的能量也相对较少，降低了生产成本。•安全可靠CO2性质不活泼，在萃取过程中不会与萃取物发生化学反应，且CO2属于不可燃性气体，无味、无臭、无毒，安全性非常好。•生产成本低由于CO2的制取工艺成熟，制备比较简单，所以CO2气体的价格比较便宜，而且纯度较高，在生产中还可以循环使用，大大降低了生产成本。•工艺简单、提取速度快在萃取过程中，压力和温度都可成为调节萃取过程的参数，通过改变温度和压力这2个参数都可达到萃取的目的。压力固定时通过改变温度可以将物质分离开来；反之，将温度固定，通过降低压力也可使萃取物分离。因此萃取工艺简单，且萃取速度较快。超临界CO2萃取法在天然产物提取中的应用（一）天然色素的提取采用传统工艺生产的色素产品质量差、纯度低、有异味和溶剂残留，严重影响了食用天然色素的推广和使用。（二）食品工业中的应用•SC-CO2萃取技术在食品工业中的应用广泛，包括食品中有害物质的脱除、增味剂和动植物油脂的提取等都已走向工业化应用，采用该技术得到的产品纯天然、无污染，备受消费者的青睐。（三）天然香料的提取•天然香料具有独特、自然的香气，目前还难以用化学的方法来合成，所以天然香料的加工技术要力求保留天然香料的自然香气，尽可能减少在分离提取过程中对其天然成分的破坏。传统的提取方法包括水蒸气蒸馏法、溶剂浸提法和吸附法等，这些方法都难以保证香料的天然性，同时易造成有效成分的损失。（四）天然食品抗氧化剂的提取•抗氧化剂是指能防止食品成分因氧化而导致变质的一类食品添加剂，主要用于防止油脂及富脂食品的氧化酸败，以及由氧化所导致的褪色、褐变、维生素破坏等；•天然抗氧化剂多为黄酮类化合物和酚酸类物质，普遍取自天然的植物、农业食品和某些微生物的发酵产品；•王小梅等采用SC-CO2萃取茶叶中的茶多酚，结果表明是完全可行的，适宜的实验条件是：萃取压力为20MPa，萃取温度为50℃，分离压力为5MPa，分离温度为40℃，CO2流量为25L/h，萃取时间为5h，在此条件下，茶多酚的萃取率达9.0%。•注：茶多酚是茶叶中多酚类物质的总称，主要由儿茶素类、黄酮类、花青素类及酚醇类四大类组成，具有天然的抗氧化性。展望•虽然我国对SC-CO2萃取技术在天然产物的研究开发起步较晚，在应用过程中面临着设备一次性投资较大、工业化复杂等问题，但和传统的溶剂提取法相比，由于它在生产过程中投资较少，以及具有很多特有的优越性，所以随着高新技术的发展和人们研究的不断深入，SC-CO2萃取技术必然推动天然产物的研究开发向更高层次发展。超声波辅助提取方法(ultrasonic-assistedextraction，UAE)•超声波辅助萃取(ultrasonic-assistedextraction，UAE)是应用超声波强化提取植物的有效成分，是一种物理破碎过程。超声波的基本作用原理•（一）超声波空化作用机理•空化现象是指在超声波作用下,在液体中形成空腔的现象。•这些空腔随传播的声波频率而伸张和压缩。•声空化是液体中气泡在声场作用下所发生的一系列动力学过程,当足够强度的超声波通过液体时,当声波负压半周期的声压幅值超过液体内部的静压强时,存在液体中的微小气泡就会迅速增大,而在相继而来的声波正压相中,气泡会突然绝热压缩。•当压缩时,空腔的尺寸变小,同时他所产生的巨大压力可能使空腔完全消失,即可能使它们完全闭合。因为闭合之前的瞬间空腔及其周围微小的空间内出现热点,形成高温高压区(压力可达几百兆帕,温度超过5000℃),并伴有强大的冲击波和时速达400km/h的射流。所以在空腔完全闭合的瞬间,由于出现这种极端的物理环境,致使天然产物的细胞在溶剂中瞬时产生的空化泡的崩溃而破裂,以便溶剂渗透到细胞内部,而使细胞中的化学成分溶于溶剂之中。•同时,超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散及溶解（二）超声波热力学机理•由于介质吸收超声波以及内摩擦消耗,分子产生剧烈振动,超声波的机械能转化为介质的内能,引起介质温度升高。生成热能的多少取决于介质对超声波的吸收。所吸收能量大部分或全部将转化为热能,从而导致组织温度升高。这种吸收声能而引起温度升高是稳定的,所以超声波可以在瞬间使内部温度升高,加速有效成分的溶解,并且不改变成分的性质。（三）超声波机械作用机理•超声波在媒质中传播可使媒质质点在其传播空间内进入振动状态强化溶质扩散、传质,即超声波机械机制。超声波的机械作用主要是辐射压强和超声压强引起的。辐射压强可能引起两种效应,其一是简单的骚动效应,其二是在溶剂和悬浮体之间出现摩擦。这种骚动可使蛋白质变性,细胞组织变形。而超声压将给予溶剂和悬浮体以不同的加速度。即溶剂分子的速度远远大于悬浮体的速度,从而在他们之间产生摩擦,这力量足以断开两碳原子之健,使生物分子解体,使细胞壁上的有效成分溶解于溶剂中。•另外，还发现超声波能使悬浮于气体或液体中的微粒聚集成较大颗粒而沉淀,凝聚作用对提高提取率和缩短提取时间均起重要作用。凝聚作用与超声作用时间、强度、频率有关。声强高时,可在较短的时间取得好的凝聚效果。超声凝聚还与粒子的大小、性质和浓度有关。超声提取技术的特点•与常规的煎煮法、水蒸馏法、溶剂浸提法相比,具有如下特点:•提取温度低,避免了常规的煎煮法和回流法长时间加热对中药有效成分的不良影响,产物生物活性高,适合于热敏性物质的提取;•适用性广,超声提取与目标提取物的性质(如极性)关系不大,绝大多数中药材的各类成分均可用超声提取;•减少能耗,由于超声提取无需加热或加热温度低,提取时间短,因此能大大降低能耗,提高经济效益;•此外超声波还具有一定的杀菌作用,能保证萃取液不易变质。超声波在天然产物提取中的应用（一）生物碱类物质提取生物碱是一类来源于植物的碱性含氮有机化合物,通常是具有复杂结构的杂环化合物,常常有强烈的药理活性,是中草药中重要的有效成分之一；•1961年Bose等采用超声辅助和单一溶剂浸提两种方法从罗芙木属植物的根中提取生物碱,其中超声波提取法只需15min,而用溶剂浸提法则需8h,这是超声技术在天然药物提取中应用较早的报道；•之后,Demagglo等利用超声提取技术从曼陀罗叶中提取曼陀罗碱；Ovadia等用超声波和煎煮法从吐根中提取生物碱；郭孝武等用超声波和碱性浸渍法从黄连中提取小檗碱；•影响超声提取效果的因素包括:提取溶剂的种类与用量、天然产物种类、粒度、含水量、提取时间、次数、温度、超声频率、声强、空占比等。其中,声学参数(超声频率、声强度、提取时间、超声作用方式、空占比等)是影响超声提取效率的特有因素。所以在超声提取