王昌瑞, 徐 溢, 張子春, 盛 靜, 季金茍, 周小華
(重慶大學化學化工學院,重慶 400030)
虎杖Polygonum cuspidatum Sieb.et Zucc.為多年生灌木狀草本植物,分布于山東、河南、重慶等地。虎杖可以作為觀賞植物[1],其干燥根莖和根經過加工后入藥。其主要成分有蒽醌類、二苯乙烯類、黃酮類等。其中以白藜蘆醇為代表的二苯乙烯類化合物具有抗菌和改善心血管疾病的作用,近年來發現其還具有抗腫瘤抗自由基等活性,被廣泛應用于醫藥衛生、保健、化妝品等行業,具有巨大的商業價值。白藜蘆醇在花生、大豆、葡萄、葡萄酒等食品中均有發現,其中前三者中的白藜蘆醇多以葡萄糖苷的形式存在,葡萄酒是反式和順勢白藜蘆醇的重要來源,但不是所有人都適合飲酒,虎杖作為游離白藜蘆醇的另一個重要來源可以很好的替代葡萄酒發揮作用[2]。同時虎杖中還有大量的大黃素等蒽醌類物質。工業上對虎杖中的白藜蘆醇和大黃素的開發力度較大,可以生產20%~98%的白藜蘆醇和大黃素產品,但現行的工藝和方法存在著提取率低、生產成本相對較高等問題。因此,虎杖白藜蘆醇等成分提取效率的提高是當今醫藥工業亟待解決的問題之一。另外綜合提取是研發虎杖有效組分的基礎,充分研究和發現虎杖中的未知有效組分是推動虎杖資源合理利用的一個必要途徑,從這個角度講人們對虎杖資源的開發和挖掘尚顯不夠。本文將針對虎杖的提取分離和純化技術現狀,相關新技術及其應用等進行綜述,以期為虎杖的綜合利用、增加虎杖的研發深度和工業開發價值提供借鑒和依據。
對于虎杖的提取分離研究包括虎杖中單組分分離和一類或幾類物質的綜合提取研究。前者的深入研究可以提高某種組分的提取效率降低生產成本,后者有利于虎杖的綜合開發,發現新化合物,提高藥材的附加值。
2.1 常規溶劑提取技術 溶劑提取是中草藥中有效部位提取的通用方法。該方法利用溶劑對有效組分的溶解和植物細胞內外的濃差傳質達到提取的目的,所以在對目標組分或部位進行提取時溶劑的選擇至關重要。虎杖中有效組分的工業提取目前仍然采用常規溶劑提取法。用于虎杖中白藜蘆醇的提取溶劑主要有甲醇、乙醇、丙酮、石油醚-乙酸乙酯等,其中以乙醇為溶劑對虎杖進行回流提取為最常用。劉仁旺等[3]通過正交實驗優化了乙醇提取虎杖中白藜蘆醇的條件,用體積分數為80%乙醇為溶劑,藥材與乙醇質量體積比為1∶15(g/mL),溫度為70℃時提取2 h,從10 g虎杖中提取出白藜蘆醇及其苷186.36 mg;羅迎春[4]則用95%工業酒精對5 kg虎杖進行了綜合提取分離,提取液經不同極性的溶劑萃取和數次柱層析,得到了10種化合物,其中在三氯甲烷萃取相得到白藜蘆醇和虎杖苷,白藜蘆醇的含有量約為原植物藥材的0.28%;聶媛等[5]以乙醇為溶劑對白藜蘆醇、虎杖苷、大黃素等有效成分進行提取,確定出最佳工藝為溶劑80%乙醇,提取溫度70℃,料液比1∶20(g/mL),提取時間2 h,提取率白藜蘆醇為5.57%、白藜蘆醇苷為10.74%、大黃素為2.67%、未知物1為8.87%、未知物2為7.13%。總體來講利用醇提法對虎杖中的組分進行分離,溶劑相對便宜,而且提取效率較高。
2.2 雙水相提取技術(aqueous two phase extraction,ATPE) 雙水相萃取屬于液液萃取的范疇,指當物質進入雙水相體系后,由于表面性質、電荷作用和各種力(如憎水鍵、氫鍵和離子鍵等)的作用和溶液環境的影響,在分成的上、下相中具有不同的梯度,從而達到萃取目的的一種方法。具有分相時間短,易于連續化操作,易于放大,技術簡單經濟等特點。雙水相萃取技術主要應用于生物工程領域,表現為對酶、蛋白質等的分離,近幾年在天然產物分離中的應用也得到了快速的發展,尤其是分離黃酮、有機酸等物質的雙水相萃取技術逐漸成熟。常用的高聚物/無機鹽體系是聚乙二醇(PEG)/硫酸鹽或PEG/磷酸鹽體系、PEG/葡聚糖(Dectran)體系。雙水相萃取嚴格意義上講屬于分離技術而非提取技術,但是可以和提取環節相結合成為一個步驟,既節省時間又可以有針對性的提取組分。Wang H等[6]構建了乙醇/硫酸銨體系對虎杖進行了微波輔助雙水相提取分離的研究,以雙水相體系為提取溶劑,省去了傳統溶劑的再萃取過程,同時具備微波輔助提取和雙水相萃取的優點,把兩個操作步驟合為一步,提高了收率,降低了成本,比傳統的提取方法省去了1~2個步驟,更具優越性。應用該技術對虎杖白藜蘆醇和大黃素的提取效率較微波輔助提取和加熱回流提取分別提高了10%和20%,單從此收率來看其提高幅度不高,但是雙水相萃取技術作為分離技術與虎杖的提取技術的耦合應用較少,還有很大的潛力。
2.3 水解提取技術 由于虎杖中的白藜蘆醇、大黃素、黃酮等物質多以葡糖糖苷的形式存在,故在提取過程中為了提高目標物質收率,常常在提取時融合化學、生物等水解技術來展開。現階段水解劑主要有無機酸、微生物和酶等。
在虎杖的提取中的化學水解主要利用鹽酸、硫酸等無機非氧化性酸。劉新榮等[7]利用12%鹽酸-乙醇體系對反式白藜蘆醇苷在55~75℃進行水解1~3 h,實驗表明白藜蘆醇苷轉化率高達45%,反應時間為1~3 h,大大少于酶水解和酵解所需時間(最低約24 h)。此研究表明可以利用酸來輔助溶劑提取增加白藜蘆醇等目標物的提取量。酸水解具有轉化效率高,轉化時間短,轉化成本低等優點,但是由于酸水解相對比較劇烈,可能會催化某些副反應,破壞提取物中的相應組分。因而人們又將反應條件溫和,無副反應等優點的生物技術和酶技術應用到虎杖的提取分離中。李夢青等[8]利用纖維素酶對虎杖進行了酶解,酶解后用乙醇在50℃提取2 h,提高了白藜蘆醇提取率的同時還提取出白藜蘆醇苷和大黃素,其中白藜蘆醇得率達到1.50%;另有研究顯示[9],利用質量分數為20 mg/g纖維素酶,加入3倍量的水,水解6 h,再用9倍體積的甲醇提取可使白藜蘆醇的提取率從0.5%上升到0.82%;對虎杖進行酶解多用纖維素酶,當然利用復合酶對虎杖進行水解的研究也在進行,黃志芳等[10]利用復合酶酶解虎杖提取物后經水、乙醇-水、堿溶液分步溶解沉淀后,得到的白藜蘆醇粗品純度可達65%。酶法轉化率較高,但是酶的回收較為困難,目前的發展趨勢是將酶固定化,以提高酶的利用效率。
工業上對于虎杖的水解多采用微生物水解法,如利用酵母等微生物對糖苷鍵進行水解,水解后得到的苷元產量有較大程度的提高。呂之堯等[11]選取了幾種具有含糖苷鍵水解酶的微生物對虎杖進行直接作用篩選出四種優良菌株,經過TLC分析Aspergillus niger L.,菌株處理后的虎杖得率到達1.197%,與醇提和自酶解后醇提比較,提取效率顯著提高;鄒賢德等[12]將虎杖用水浸潤,控制溫度為35~45℃,酵母浸泡發酵72 h后,發酵液中白藜蘆醇量提高到原來的2.6~4.1倍;虎杖中的白藜蘆醇和大黃素等物質具有抑菌作用,對酵母等微生物的繁殖緩慢,造成發酵時間偏長,Wang H等[13]在發酵培養基中加入虎杖粉末,以此馴化食品級微生物米曲霉,得到的米曲霉能夠在虎杖提取物中快速繁殖,用米曲霉直接將虎杖粗藥材中的虎杖苷轉化為白藜蘆醇,白藜蘆醇的提取百分率提高到1.36%,是微波輔助提取的3.6倍,最為重要的是發酵12 h后白藜蘆醇的轉化率就達到了100%。在該研究中的米曲霉是一種β-葡萄糖苷水解酶的高效生產菌株,普通的β-葡萄糖苷水解酶對糖苷鍵的水解效果在起始階段較好,但是隨著葡萄糖量的增加抑制了該酶的活性,馴化后的米曲霉可以在虎杖提取液中快速繁殖,高效的生產出β-葡萄糖苷水解酶作用域虎杖苷產生的葡萄糖又被米曲霉作為碳源消耗掉,即節省了時間又提高了效率。
2.4 超聲提取技術 超聲技術在天然產物的分離純化過程中,通過產生的空化效應、騷動效應、熱效應,引起機械攪拌,從而破壞植物組織,加速溶劑穿透,促進有效組分溶出,提高提取率,同時還可以避免高溫提取對有效組分的破壞。虎杖中的白藜蘆醇極其不穩定,在70~80℃時會發生部分分解,利用超聲輔助可以在較低溫度下實現高效溶劑提取,保證組分的穩定性。鄭可利等[14]通過正交實驗優化了虎杖中白藜蘆醇的超聲輔助提取工藝,以80%的乙醇-丙酮(體積比為1∶1)水溶液為提取劑,料液比1∶10,pH為6,提取溫度30℃,提取50 min,白藜蘆醇的提取率為1.83%;超聲技術同樣也可以應用于虎杖中蒽醌類物質的提取,王欣等[15]采用正交設計優選了蒽醌類物質的超聲提取工藝,當提取溫度為50℃時,用藥材8倍量的80%醇溶液超聲提取30 min,在40 g虎杖原料中可提取出3.602 g蒽醌類物質。
由于超聲提取裝置的技術指標只有功率和頻率,所以選擇合適的溶劑及提取時間尤為重要。超聲輔助提取作為一個新的高效的輔助提取技術有著廣闊的應用前景,但是其對設備和能源的要求相對較高。
2.5 微波提取技術 微波萃取技術也是近年來應用到天然產物提取方面的新興技術,微波可直接作用于分子,使分子的熱運動加劇,從而引起溫度升高,這種熱效應可以快速破壞細胞壁,使有效成分更快的被分離提取出來。因此,其具有加熱時間短、加熱均勻、產品質量好、較易實現自動化控制等優點。而且不同極性的分子加熱速度不同,因此,微波技術可以通過控制條件來針對某種組分進行提取。公衍玲等[16]對虎杖中的色素進行微波輔助提取,實驗發現當采用30%乙醇溶劑,料液比1∶30(g/mL),超聲溫度25℃,功率50 W,提取20 min時,色價和提取率都明顯提高;孫娟等[17]利用微波技術提取虎杖苷,在最佳工藝條件下白藜蘆醇的提取率可達到了91%;微波提取技術和其它技術聯用時能得到更高的提取效率,蘭天路等[18]采用纖維素酶-微波聯合提取虎杖中的白藜蘆醇,以體積分數為80% 乙醇溶液為提取劑,料液質量比1∶20,酶解30 min,510 W功率下微波提取10 s,提取收率提高3倍,縮短了提取時間降低了生產成本;黎彧等[19]則將表面活性劑輔助提取與微波輔助提取技術相結合用于提取虎杖色素,以2 g虎杖干粉為原料,0.03%脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)-60%乙醇水溶液為提取劑,提取劑用量100 mL,微波功率800 W,提取時間0.0694 h,提取2次,與溶劑浸提取法(24 h)和索氏提取法(2 h)相比,提取率分別從77.2% 和61.8%增加到98.9%。由此可見,微波萃取技術應用已經相對成熟,與其它技術之間的聯用還有很大的潛力。
2.6 超臨界提取法 超臨界流體技術是近年來發展起來的一種分離新技術,尤其對生物資源的有效提取分離有獨特的特點和優勢。應用最多的超臨界流體是CO2,由于CO2不會對大氣造成污染,更不會對操作者帶來身體傷害,符合“綠色化學”的要求,因而得到廣泛應用。周錦珂等[20]用95%乙醇作為夾帶劑,在50℃的條件下以25 MPa的萃取壓力,萃取90 min,最終提取物中的白藜蘆醇量達到33%以上。倪網東等[21]使用超臨界CO2技術萃取虎杖中的白藜蘆醇、虎杖苷、大黃素等成分,當壓力為25 MPa、溫度為40℃、CO2體積流量為25 L/h、夾帶劑為200 mL的80%乙醇,萃取時間為90 min時,獲得較高萃取率。超臨界CO2作為溶劑極性相對較小,對虎杖中的極性較小的大黃素等蒽醌類物質提取率較高,而對白藜蘆醇等物質的提取率相對較差。但是由于虎杖中的有效組分蒽醌類物質較多,超臨界萃取殘渣中的其他組分也得到了相對的富集,因此,超臨界萃取對虎杖的開發和利用提供了一個很好的思路。但是超臨界提取裝置的成本較高,限制了它的大規模應用。
2.7 環糊精(Cyclodextrin,CD)提取技術 CD及其衍生物是近幾年來發展起來的一種新型材料,在改善藥物制劑方面的應用尤為廣泛,在中藥制劑中的應用表現為揮發油的固定化、增加藥物的穩定性及溶解性等。國內外學者對虎杖中白藜蘆醇CD技術的應用始于制劑[22-24],但近年CD技術也被用作特異性的提取分離材料應用到包括虎杖在內的天然產物的提取分離方向。研究發現[25]利用分子包含結晶法將水洗后的虎杖藥材加入β-CD后加熱攪拌,過濾,濾液在冰箱放置即可得到β-CD部位,該包合物的體外抗內毒素作用強于陽性對照多黏菌素B,此過程直接就可以形成制劑,減少了分離步驟,省去了制劑時間。環糊精分離技術用于分離純化研究較少,還有很大的潛力。
綜上所述,虎杖的提取以采取溶劑提取技術為主流,超聲、微波和超臨界等新技術的引入,能有效提高虎杖藥材的提取效率,對環境更加友好。
虎杖提取物的有效部位可以直接應用于臨床,但是藥理學和藥效研究則必須得到有效成分單體,這不僅是中藥發展和國際化的要求,也是提高產品附加值的有效途徑。而有效成分單體的獲取有賴于高效的分離純化技術,柱層析技術是目前天然產物分離純化的一個重要技術,傳統的柱層析技術包括硅膠柱層析和氧化鋁柱層析,兩者在醫藥工業發展過程中的貢獻不可抹殺,但是其針對性較差,單單靠洗脫劑的極性變化來進行分離純化,操作繁瑣,不容易控制。隨著材料技術的不斷發展,以大孔樹脂、膜分離、分子印記等分離純化技術被廣泛的應用于虎杖有效成分的分離和純化技術上,有的已經實現了產業化,大大的提高了生產效率。
3.1 大孔樹脂技術 大孔吸附樹脂是一種具有多空立體結構的合成聚合高分子吸附劑,其聚合單體一般是苯乙烯和二苯乙烯類物質,依靠分子篩和物理吸附作用對組分進行吸附,達到分離富集的作用。虎杖中的白藜蘆醇和虎杖苷等物質屬于二苯乙烯類物質,與大孔樹脂單體結構類似,因此分離富集作用較好。楊菊紅等[26]將虎杖被β-糖苷酶水解后的產物利用H1020型大孔樹脂進行了分離,其對白藜蘆醇的飽和吸附量高達51.4 mg/g,解吸率達到92.4%,純化后白藜蘆醇的純度達到71.5%(粗品中白藜蘆醇純度僅為8.71%),起到了很好的富集和純化的作用;劉丹等[27]則對虎杖有效部位進行了大孔樹脂吸附純化研究,以虎杖苷、白藜蘆醇、大黃素、大黃素甲醚和總蒽醌的吸附量和解吸率為評價指標,發現D101樹脂對虎杖各有效成分具有較好的吸附分離性能;向海艷等[28]同樣使用大孔樹脂對白藜蘆醇苷進行了分離純化,用乙醇回流對虎杖有進行提取后,提取液中白藜蘆醇苷的純度僅為5.71%,使用了AB-8型大孔樹脂進行分離純化后藜蘆醇苷的純度可達31.5%。目前商業化的大孔樹脂數量和種類已經基本上滿足了醫藥工業的需要,但是其分離純化的針對性和特異性還不是很強,因此,為了進行更好的分離純化,研發合成新的大孔樹脂材料也成為大孔樹脂發展的一個重要方向。
3.2 膜分離技術 膜分離技術是20世紀60年代后迅速崛起的一門分離新技術,由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能,又有高效、節能、環保、分子級過濾的優點,過濾過程簡單、易于控制,因此,其在天然產物分離領域應用和推廣速度驚人,并產生了巨大的經濟效益和社會效益。劉志昌等[29]用HPLC檢測到虎杖白藜蘆醇苷粗提物的純度為8.7%,采用微濾膜對其進行除雜處理后,白藜蘆醇純度達到30.5%,繼續采用超濾膜對微濾膜濾液進行濃縮分離處理,得到的白藜蘆醇的純度達到了55.8%,兩次膜分離過程膜通量均較高。他們還對膜清洗后的膜通量進行了研究發現,清洗后膜通量為原來的99%,膜可以多次使用;蔣明廉等[30]首先利用逆流萃取對虎杖提取液進行了初步純化后白藜蘆醇純度達到20%以上,然后選擇了截留相對分子量為4000 Da的超濾膜,起到了很好的分離效果,分離后白藜蘆醇純度可以達到95%。由于膜分離過程完全是物理分離作用,耗能低,無廢液產生,可以達到清潔生產的目的,但是提取物中的高分子物質可能會造成膜堵塞,所以要進行前處理過程,膜的相對造價較高,該方法適用于后端的分離純化。
3.3 分子印跡技術 分子印跡技術是近年來迅速發展起來的一種對特定目標分子具有高結合力的聚合物的制備技術,將功能單體在印跡分子上進行交聯,然后除去印跡分子,從而所合成的材料對目標物有特定的“契合”位置。故對待分離的物質具有很高的選擇性。一般合成的材料性質穩定,對各種環境的耐受性好,該技術應用到分離純化過程中效果顯著。向海艷等[31]以白藜蘆醇為模板分子,丙烯酰胺為功能單體,乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)為交聯劑,合成了對白藜蘆醇具有較好選擇性的印跡聚合物,將虎杖提取液上印跡聚合物柱后,對比上柱前后的HPLC譜圖發現白藜蘆醇峰消失,利用5%乙酸-甲醇溶液為洗脫劑,洗脫發現洗脫液中主要為白藜蘆醇和虎杖苷,達到了非常明顯的富集效果;張明磊等[32]則以表面修飾乙烯基團的SiO2微球為基體,白藜蘆醇為模板分子,丙烯酰胺(AA)為功能單體,EGDMA為交聯劑,采用表面印跡技術制備核-殼型白藜蘆醇印跡微球,成功用于分離虎杖提取液中白藜蘆醇,分離后白藜蘆醇純度由45.7%提高為89.3%;張艷芳等[33]則將分子印跡技術和膜分離技術結合起來,制備出白藜蘆醇分子印跡復合膜,解決了普通印跡聚合物對目標分子類似物的吸附作用,該印跡復合膜對模板分子白藜蘆醇的吸附量遠遠大于其它結構類似物,其飽和吸附量達1.72 μmol/g,為非印跡膜的3倍。分子印跡技術是一種不斷發展和創新的技術,但是分子印跡顆粒的合成則必須利用純度較高的目標產物作為模板分子。因此,成本相對較高,但是可以利用較為廉價的衍生物和結構類似物進行替代,因此分子印跡技術的產業化還有很長的路要走。
3.4 高速逆流色譜技術(High Speed Counter Current Chromatography,HSCCC) 經典色譜技術和高效液相色譜技術在現代天然產物分離和活性研究中發揮了非常重要的作用,已經成為了基礎性和標準性的技術。在這些技術中多以硅膠或鍵合硅膠作為固定相起到載體和支撐作用,固定相對樣品的吸附過程會引起樣品損失,組分變性,進而樣本回收率會有所下降。HSCCC技術則是構建一個兩相溶劑系統,以其中一相作為固定相,另外一相作為流動相,獨特的轉動系統帶動分離管道進行高速行星運動,形成無數個分液萃取過程,在短時間內實現樣品在兩相體系中分配。各組分在兩相中分配狀況不同從而被流動相帶出的順序也不同,由此達到分離的目的。HSCCC技術分離純度效率高,可以一步制備純品,很多標準品制備都用到該技術。HSCCC技術目前也已應用與分離黃酮、生物堿、多酚、醌類等,國內外學者對虎杖的HSCCC分離進行了廣泛的探索和研究。如Chen L等[34]利用HSCCC技術對虎杖中乙酸乙酯提取物和水提取部分進行了分離,其中乙酸乙酯提取物用三氯甲烷-甲醇-水(4∶3∶2)組成的溶劑系統進行分離得到白藜蘆醇,水提物則用乙酸乙酯-乙醇-水(10∶1∶10)和比例為70∶1∶70相同溶劑系統進行了分離,白藜蘆醇和虎杖苷的得率分別為2.18%和1.07%;Chu X等[35]利用HSCCC分離了虎杖中的五種化合物,以石油醚-乙酸乙酯-甲醇-水(2∶5∶4∶6)構建兩相系統,提取物進樣后從上相中得到了樣本1,從下相中得到了樣本2。利用石油醚-乙酸乙酯-水(1∶5∶5)系統處理200 mg樣本1后得到19.3 mg的虎杖苷,17.6 mg的大黃素-8-D-葡萄糖苷,用石油醚-乙酸乙酯-甲醇-水(3∶5∶4∶6),和石油醚-乙酸乙酯-甲醇-水(3∶5∶7∶3)系統梯度洗脫220 mg樣本2,得到了18.5 mg的白藜蘆醇,35.3 mg的大黃素和8.2 mg的大黃素甲醚,所得產品的HPLC純度均在95%以上;Fan P H等[36]對3種白藜蘆醇類似物進行了分離,虎杖的甲醇提取物利用半制備HSCCC,以環己烷-乙酸鹽-甲醇-水(1∶5∶1∶5)體系作為兩相體系,在500 mg提取物中經一步制備出虎杖苷23 mg,白藜蘆醇糖苷17 mg,白皮杉醇苷15 mg,純度均為80%以上。
3.5 各種聯用技術 由于分離原理的限制或樣本性質的特殊性,各種分離純化技術在應用中總是存在著一些缺陷,聯用技術可以保留各種技術的優勢,使各種技術特點實現互補,起到事半功倍的效果。所以,其成為當今藥物有效成分分離的一個重要的方法和發展趨勢。Zhang D L等[37]利用大孔樹脂-反相液相色譜技術將提取物中的虎杖苷、白藜蘆醇、大黃素甲醚的純度分別從7.5%、1.3%、2.4%提高到98.8%、98.2%和98.6%;Du F Y等[38]利用特殊狀態下的離子離子液體的不揮發、不可燃、性質穩定特性,結合微波輔助萃取,應用于虎杖的提取分離,取到了相當好的效果,將1-n-丁基-3-甲基咪唑基離子液體作為虎杖微波輔助提取反式白藜蘆醇的溶劑,在最優的條件下反式白藜蘆醇的提取率達到了92.8%。這些研究顯示出技術聯用帶來的強大效力。
隨著對中藥虎杖的不斷研究,其化學成分及其藥理作用逐漸的被人們所了解,針對虎杖的開發也將進入了一個嶄新的階段。目前新技術的大規模的推廣和利用還遠遠不夠,分離提取方面針對虎杖的提取和分離組分的多樣化,實現綜合提取,這是增加虎杖商品附加值的有效途徑,也是虎杖研發的重要方向。另外,虎杖在國內尚沒有一個有效的質量控制標準,這是以虎杖為代表的中藥走向世界,為國際醫學界所認可的瓶頸之一。隨著儀器技術的發展和材料科學的不斷進步,虎杖中有效成分的提取分離技術以及相應的質控技術也將得到不斷的更新和升級,我們有理由相信這些新生力量在不久的將來會成為降低生產成本、發展綠色經濟的強大引擎。
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