超臨界CO2流體萃取技術在生物堿萃取中的最新進展

孫亞偉

（安徽大學化學化工學院，安徽 合肥 230601）

生物堿（alkaloid）是存在于自然界動植物中的一類含氮有機化合物，絕大多數生物堿都具有生物活性。由于生物堿僅以含氮結構為分類特征，因此生物堿類物質的分子量、溶解性差別較大，少數可溶于水，多數則溶于氯仿、乙醚等有機溶劑，絕大部分生物堿可以溶于醇類。自然界中有些生物堿與酸根離子結合形成弱堿鹽，生物堿的鹽類大多溶于水。由于生物堿的這些特性，決定了傳統上提取生物堿往往采取有機溶劑提取或酸性水溶液提取，工業生產中最常用的溶劑是乙醇，但傳統提取方法存在著回收溶劑、處理廢液等工藝，造成成本高、能耗大、提取時間長，有效成分損失較多且易受破壞，提取率低，甚至還存在易燃易爆、安全性低等問題。近年來，超臨界二氧化碳流體萃取技術（SFE-CO2）在中藥提取中的應用日趨廣泛。為了探討生物堿的分子特性與超臨界CO2流體萃取條件的規律，為SFE-CO2提取生物堿提供參考和依據，筆者參考季宇彬著的《中藥有效成分》從生物堿溶解性及氮原子的結構[1]為切入點，對近幾年已報道的研究文獻作一分析。

1 提取原理與優勢

處于臨界狀態的CO2，兼有氣體和液體的雙重特點，既具有氣體的高擴散性和低黏度，又具有液體對物質的溶解力。萃取結束，當萃取物恢復到常壓和常溫時，溶解在CO2流體中的成分即與氣態的 CO2分離。超臨界 CO2萃取能力強，成本低，提取效率高，可保護被提取物的生理活性，無溶劑殘留，生產周期短，優勢明顯。從現有文獻資料看，雖然SFE-CO2在生物堿類成分提取中的應用越來越多，但是還不夠廣泛。從天然界中分離得到的生物堿有26 900多種，其中一部分具有生理活性，目前作為藥物用于臨床的有100余種[1]。迄今已報道用SFE-CO2提取的生物堿單體僅20多種，生物堿有效部位僅10余種，SFE-CO2的優勢在生物堿提取方面還沒有充分發揮出來。

2 水溶性生物堿的提取

2.1 苦參堿

苦參堿分子結構中有1個叔胺氮原子、1個酰胺氮原子，呈堿性，能溶于水、苯、氯仿、甲醇、乙醇，微溶于石油醚。劉修樹等[2]以苦參堿含量為指標，運用正交試驗法探討了超臨界CO2法萃取苦參中苦參堿最佳工藝:將苦參藥材粉碎后過60目篩，加0.5mL/L氨水溶液浸潤過夜，以4倍量75%的乙醇(V∶V)作為夾帶劑，萃取壓力 25 MPa、萃取溫度 60℃、萃取時間 3 h、CO2流量 40 kg/h時，萃取物中苦參堿含量最高，為 22.97 ～24.2 3mg /g。盛桂華等[3]以萃取物質量和萃取物中苦參堿含量為測定指標，通過4因素3水平的響應曲面試驗設計，研究分步超臨界CO2萃取法從山豆根中萃取苦參堿的最佳工藝，結果為:山豆根干燥、粉碎，按液料比2∶1加入0.1 mol/L氨水浸泡過夜，過濾，濾渣投入超臨界萃取釜中，每隔1.5 h取樣1次，共取2次。取得萃取物后計重，測定苦參堿含量。第1步，萃取溫度80℃，萃取壓力45 MPa，以100%乙醇(V∶V)為夾帶劑，用量 80 mL/100 g；第 2步，萃取溫度 30℃，萃取壓力25 MPa，以100%乙醇(V∶V)為夾帶劑，用量每100 g藥材用80mL。該萃取條件下苦參堿萃取率達96%。

2.2 小檗堿

小檗堿為季銨型生物堿，溶于水，可溶于乙醇，難溶于苯、丙酮和氯仿。張玉紅等[4]通過正交試驗設計研究了利用超臨界CO2萃取方法從黃檗樹皮中萃取小檗堿的工藝，最佳工藝為萃取壓力25 MPa，萃取溫度 50℃，萃取時間 60 min，夾帶劑為 95%乙醇（V/V）。在此條件下，小檗堿提取率為67.56%，收得率為0.5837%。對比試驗顯示，索氏提取法的提取率為 73.92%，收得率為0.864%；而超臨界萃取時間為 60 min，要遠遠短于索氏提取的480min。

2.3 檳榔堿

檳榔堿為叔胺型小分子生物堿，相對分子質量為155，可與水、乙醇或乙醚以任何比例混合。劉紅等[5]以檳榔生物堿萃取量為主要考察指標，通過正交試驗分析確定最佳萃取工藝:壓力60 MPa，溫度60℃，時間90min；檢測萃取物中檳榔堿的百分含量為 5 884.64μg/g，所得萃取物中檳榔堿的百分含量平均為29.77%。張春江等[6]為了優化超臨界 CO2萃取檳榔堿的工藝參數，采用三因素二次通用旋轉組合設計實施試驗，確定了檳榔堿萃取的最佳工藝參數為:檳榔粉碎，先用氨水堿化2min，以乙醇為夾帶劑，添加量為檳郎粉的5%，萃取溫度72℃，壓力57 MPa，時間 26 min。在此條件下，檳榔堿的萃取量為 6 143.71 μg /g，達到理論最大萃取量的95.3%，所得萃取物中檳榔堿的百分含量為 25.85% 。

2.4 秋水仙堿

秋水仙堿為酰胺類生物堿，易溶于水、乙醇、氯仿，幾乎不溶于石油醚。何純蓮等[7]采用SFE-CO2從百合中提取秋水仙堿，通過正交試驗對萃取條件進行了優化篩選，確定了適宜的工藝參數:百合粉經 28.0%氨水堿化30 min后，在 40℃及18 MPa條件下，以相同體積的乙醇作夾帶劑時萃取效果最佳，萃取物中秋水仙堿含量可由植物中的0.049%提高到6.40%。

2.5 咖啡堿

咖啡堿分子中含有2個叔胺氮原子，2個內酰胺氮原子，可溶于水、乙醇、丙酮、氯仿，易溶于熱水。尹志芳等[8]采用SFE-CO2提取黑茶中的茶多酚和咖啡堿，采用正交試驗優化最佳萃取條件:萃取溫度40℃，萃取壓力20MPa，夾帶劑為70%乙醇，用量為300mL∶150 g，咖啡堿得率為 0.457%。趙旭壯等[9]采用 SFE-CO2從茶葉中提取咖啡堿，采用正交試驗設計考察了壓力、溫度、時間和夾帶劑種類對咖啡堿提取率的影響。結果表明，30%乙醇為夾帶劑，萃取溫度為 40℃，萃取壓力為25 MPa，萃取 4 h，咖啡堿的提取率為3.95%。

3 脂溶性生物堿的提取

3.1 粉防己堿

粉防己堿分子中有2個叔胺氮原子，在生物堿中屬于較大的分子，相對分子質量623；易溶于甲醇、乙醇、丙酮、氯仿，溶于乙醚、苯等有機溶劑，幾乎不溶于水和石油醚。黃麗萍等[10]以粉防己中有效成分粉防己堿的提取率為指標，考察了熱回流提取法、超聲提取法、索氏提取法、SFE-CO2對粉防己堿提取效果的影響，結果SFE-CO2溶劑用量較少、提取率高，萃取率達索氏提取法的94.1%。萃取條件為:粉防己粉末加適量的氨水乙醇液拌勻，密閉24 h，以95%乙醇(V∶V)為夾帶劑，萃取壓力30 MPa、萃取溫度60℃。

3.2 青藤堿

青藤堿是叔胺類生物堿，溶于乙醇、丙酮、氯仿和稀堿，微溶于水、乙醚和苯。馮自立等[11]以青風藤藥材為原料，在單因素試驗研究的基礎上，采用Box-Behnken響應曲面分析法對影響青風藤藥材中青藤堿SFE-CO2得率的關鍵因素進行了優化，優化工藝條件為:樣品粉末，按樣品量50%（V/W）的氨水堿化2min，萃取壓力為 27.63MPa，萃取溫度為 50.68℃，萃取時間為 120.24min，該條件下青藤堿得率為1.372%。

3.3 加蘭他敏

加蘭他敏為叔胺生物堿，易溶于乙醇、丙酮、氯仿，微溶于熱水、苯、乙醚。耿中峰等[12]以加蘭他敏的提取率為考察指標，采用單因素試驗和正交試驗考察從石蒜中SFE-CO2加蘭他敏的條件，結果表明，萃取溫度 65℃，壓力 40 MPa，CO2流量 20 g/min，夾帶劑為 90%乙醇(V∶V)，流量 5 mL/min，萃取時間為 3 h，加蘭他敏提取率可達0.014 5%。

3.4 辣椒堿

辣椒堿為酰胺類生物堿，不溶于水，易溶于甲醇、乙醇、丙酮、氯仿及乙醚。鄧傳波等[13]以黃燈籠辣椒為原料，通過單因素試驗確定的最佳萃取條件為:萃取壓力30 MPa，萃取時間90 min，粉碎粒度80目、萃取溫度35℃，該條件下外加5%水(V∶V)為夾帶劑，辣椒堿一次萃取率為93%。

3.5 喜樹堿的萃取

喜樹堿含有1個叔胺氮原子，1個酰胺氮原子，微溶于乙醇、氯仿，難溶于水。阿依古麗·塔西等[14]運用正交試驗研究了萃取壓力、萃取溫度、萃取時間以及夾帶劑用量對超臨界CO2萃取技術從新疆辣椒中萃取辣椒堿萃取率的影響，確定了最佳工藝條件為:萃取壓力12 MPa，萃取溫度45℃，分離溫度45℃，萃取時間為40 min，無水乙醇為夾帶劑，料液比為1∶2，此條件下辣椒堿提取率為5.0 mg/g。張玉紅等[16]通過正交試驗設計驗證并確定了超臨界CO2萃取喜樹種子中喜樹堿的最佳工藝條件為:萃取壓力25 MPa，萃取溫度 50℃，萃取時間 120 min，90%乙醇(V∶V)為夾帶劑。在該條件下，喜樹堿平均提取率為76.98%，所得到的萃取物中喜樹堿的質量分數達43.68%。

3.6 吳茱萸堿和吳茱萸次堿

吳茱萸堿和吳茱萸次堿均含有1個叔胺氮原子、1個仲胺氮原子、1個酰胺氮原子，均溶于丙酮，微溶于乙醇、乙醚、氯仿，幾乎不溶于水、石油醚、苯。劉文等[16]的研究結果顯示，吳茱萸200 g粉碎，萃取壓力28MPa，萃取溫度40℃，夾帶劑為95%乙醇(V∶V)1 L，先在 CO2條件下萃取 2 h，后用夾帶劑萃取 2 h，得到的萃取物真空減壓，濃縮可得浸膏8.633 1 g。

3.7 胡椒堿

胡椒堿是酰胺類生物堿，溶于乙酸、苯、乙醇和氯仿，微溶于乙醚，不溶于水。王立紅等[17]以胡椒堿收率和浸膏中胡椒堿含量為指標，研究了胡椒中胡椒堿的SFE-CO2最佳工藝條件。采用正交試驗法對其SFE-CO2工藝進行優化，并與傳統提取工藝進行比較。結果最佳條件為:溫度60℃，壓力30 MPa，夾帶劑為95%乙醇(V ∶V)，用量 1 ∶0.5（W /V），CO2流量 5.6 L /h，萃取時間2 h。在此條件下，萃取物中胡椒堿含量達77%，物料中胡椒堿的收率可達83%。

3.8 延胡索乙素

延胡索乙素是叔胺類生物堿，在乙醚或氯仿中極易溶解，在水或堿溶液中幾乎不溶。劉丹等[18]以延胡索乙素提取量為考察指標，采用正交試驗優選SFE-CO2萃取工藝。結果樣品加適量堿性乙醇拌勻，密閉 24 h，萃取壓力 25 MPa、萃取溫度 55℃，以 95%乙醇(V∶V)為夾帶劑，萃取時間1.5 h，提取的延胡索乙素含量較乙醇回流提取高，而得膏率低。

4 小結

CO2是非極性物質，具有選擇性溶解。超臨界CO2對低分子、低極性、親脂性、低沸點的成分溶解性好，對大分子和極性基團多的物質溶解性差。為了提高萃取效率，需要加入適量夾帶劑來改變其溶解性。從以上文獻可知，無論水溶性還是脂溶性生物堿，大都以不同濃度的乙醇為夾帶劑，只有劉紅萃取檳榔堿[5]、馮自立萃取青藤堿[11]的研究中未加夾帶劑。鄧傳波在從黃燈籠辣椒中萃取辣椒堿時以水為夾帶劑[13]。在工業生產中，夾帶劑的引入就要增加回收、處理夾帶劑的工藝，不僅費時費力、增加能耗，還會增加污染。因此，對于小分子、低極性、脂溶性生物堿，還應通過調節萃取溫度、壓力、時間等條件，以減少甚至避免使用夾帶劑。

超臨界CO2具有溶劑的一般特性。在密閉容器中，當壓力升高時，溶解能力增大；溫度升高時，溶解能力降低，但受溶質在超臨界CO2中溶解溫度的影響，溶解能力與溫度的關系變得極為復雜，應以實驗數據為準。以上文獻的萃取條件均經正交試驗研究，具有一定科學性。其中水溶性生物堿的萃取壓力一般要高于脂溶性生物堿的萃取壓力，為保持CO2處于超臨界狀態，萃取溫度要相應提高，如劉紅萃取檳榔生物堿的萃取壓力為60 MPa，萃取溫度為60℃[5]；張春江萃取檳榔堿的壓力57 MPa，萃取溫度72℃[6]；阿依古麗·塔西萃取辣椒堿的萃取壓力12 MPa、萃取溫度 45℃[14]。

植物中的生物堿有一部分是以生物堿鹽的形式存在，因而在超臨界CO2流體中的溶解度低，需要用堿性試劑預處理，使生物堿鹽變為游離生物堿，增加在超臨界CO2流體中的溶解度，提高萃取效率，最常用的堿化劑是氨水。

影響生物堿萃取效率的因素很多，萃取條件要以試驗為依據。SFE-CO2在生物堿萃取中優勢明顯，應用前景廣闊，應進一步推廣應用。

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