天然植物中有效成分的提取、分离技术研究进展

第33卷第1期内蒙古民族大学学报（自然科学版）Vol.33No.1 2018年1月Journal of Inner Mongolia University for Nationalities Jan.2018
DOI:10.14045/ki.15-1220.2018.01.004
天然植物中有效成分的提取、分离技术研究进展
周佳儒1，李久明1，2，3，徐宁1，春英1，敖亮亮1
（1.内蒙古民族大学化学化工学院国家级实验教学示范中心，内蒙古通辽028043；
2.内蒙古自治区高校蓖麻产业工程技术研究中心，内蒙古通辽028000；
3.内蒙古自治区天然产物化学及功能分子合成重点实验室，内蒙古通辽028000）
〔摘要〕归纳了目前天然植物有效成分的提取分离和纯化技术中广泛应用的技术，主要分析了以下八种提
取分离技术：超临界流体萃取技术（SFE），微波萃取技术（MAE），超声波提取技术（UE），生物酶提取技术，膜
分离技术，大孔树脂吸附分离技术，高速逆流色谱分离技术（HSCCC）以及分子印迹分离技术（MIT），重点分
析这八种现代分离技术在天然植物中的应用，系统地介绍了现代提取技术的基本原理、特点、适用范围并举
例说明了现代提取技术在天然产物的提取分离中的研究进展和发展趋势.
〔关键词〕天然植物；有效成分；提取；分离；应用
〔中图分类号〕TQ28〔文献标识码〕A〔文章编号〕1671-0185（2018）01-0014-05
Progress in Extraction and Separation
of Effective Components from Natural Plants
ZHOU Jia-ru1，LI Jiu-ming1，2，3，XU Ning1，3，Chunying1，AO Liang-liang1
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Inner Mongolia University for Nationalities，
Tongliao028043，China；2.Inner Mongolia Industrial Engineering Research Center of Universities for
Castor，Tongliao028000，China；3.Inner Mongolia Key Laboratory for the Natural Products Chemistry and
Functional Molecular Synthesis，Tongliao028000，China）
Abstract:New methods of separation and purification technology of bioactive components in natural products are
presented.These include eight kinds of extraction and separation technologies:supercritical fluid extraction（SFE），
microwave extraction（MAE），ultrasonic extraction（UE），enzyme extraction，membrane separation，centrifugal
separation and macroporous resin adsorption separation，high-speed counter-current chromatography separation
（HSCCC）and separation of molecular imprinting（MIT）.The application of these eight modern separation tech-
niques is analyzed，systematically introducing the basic principle of modern extraction technology，characteristics，
scope of application and illustrating the research progress and development trend in the extraction and separation of
natural products.
Key words:Natural plant;Active ingredients;Extraction;Separation;Application
自然界中天然植物的种类很多，都含有多种有效而又复杂的化学成分.这些成分可分为有机酸、挥发油、香豆素、甾体类、苷类、生物碱、糖类、植物色素等.植物中有效成分的提取分离技术是根据植物中有效成分在不同条件下的存在状态、形状、溶解性等物理和化学性质来确定的，目前被广泛使用的分离技术可分为膜分离法和传统分离法两种，传统分离法又分为水蒸气蒸馏法、升华法、冷浸法、沉淀法、渗漉法、煎
基金项目：内蒙古自治区高校蓖麻产业工程技术研究中心开放基金（MDK2016001）；通辽市与内蒙古民族大学科技合作项目（SXYB2012049）；内蒙古民族大学国家基金培育项目（NMDGP1503）；内蒙古民族大学研究生科研立项项目（NMDSS1752）
作者简介：周佳儒，内蒙古民族大学化学化工学院硕士研究生.李久明为通讯作者.
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煮法、索氏提取法等.这些分离方法都具有一定的局限性，如效率低、溶剂用量大、操作复杂、提取时间长等.随着现代科学技术的飞速发展，一些新型提取分离技术应时而生，如超声波萃取技术（SE）、超临界萃取技术（SFE）、微波萃取技术（MAE）、大孔树脂吸附分离技术、生物酶解技术、分子印迹分离技术（MIT）、高速逆流色谱分离技术（HSCCC）等.
本论文对目前从天然植物中提取分离有效成分的一些新技术和方法进行了评价和综述，并分析了今后天然植物有效成分提取分离技术的研究动态和发展趋势.
1提取、分离纯化新技术
1.1超临界流体萃取技术（SFE）
超临界流体萃取技术是20世纪60年代兴起的一种新型分离技术，该技术所用的萃取剂是超临界流体（SF）.某一特定的物质存在一个临界点，在临界点以上物质处于介于气液之间的一种非气态又非液态的物态，这个范围之内的物质称为超临界流体（SF）.通常以二氧化碳作为超临界流体，因为二氧化碳具有无色、无毒、无腐蚀性、化学惰性、使用安全、廉价等优点.超临界流体萃取技术基本特点有以下几个方面：①萃取时间快、生产周期短，一般萃取20min便有成分分离出来，2.0~4.0h便可完全萃取.②超临界流体二氧化碳萃取操作的参数易控制，因此，所萃取的产物质量比较稳定.③萃取能力强，萃取率高.④超临界流体二氧化碳萃取操作温度低（30~70℃）能较好的保留中药有效成分.⑤在萃取过程中不使用任何有机溶剂，这样生产的产品无有害溶剂残留.
利用超临界CO2流体萃取技术可从药用植物中大量提取有效成分，尤其对脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油酯等具有特殊溶解作用.20世纪70年代末，日本的研究小组采用此法从药用植物苍术、黄连、蛇床子和菌陈蒿等植物中提取多种有效成分.相关研究资料显示用超临界流体CO2萃取技术从青蒿中提取分离出来蒿素、十八醇等有效成分，提取率比传统的溶剂法提高了10%~60%，提取时间明显缩短，同时降低了成本〔1-2〕.Manuel A.Falcão等〔3〕在压力为300bar的条件下，以乙醇作为辅助剂从长春花中提取具有抗肿瘤作用的长春碱，这种方法的提取率高达92%，提取效率远高于传统的固-液萃取法.超临界流体萃取技术除了在中草药有效成分的提取方面有着明显的优势外，也可应用于其它领域.虽然SFE设备有压力高、投资大等缺点，但随着工业技术的发展，超临界流体萃取技术在实际生产中的应用也在逐步扩大.
1.2微波萃取技术（MAE）
所谓微波萃取技术是利用微波能来提高提取率的一种新型技术，目前微波提取大多应用于水提、醇提等的项目.微波萃取主要有以下基本特点：①微波提取物纯度高，可采用水、醇、酯等常用溶剂进行提取，适用范围广.②溶剂量少（比常规法少50%~90%）.③由于微波采取穿透式加热，大大缩短了提取时间.微波提取设备可在几十分钟内完成常规的多功能萃取罐8.0h的提取工作，节省时间达到90%.④微波能有超强的提取能力，同样的原料在微波场下仅一次就可提净，而常规法则需多次才可提净，简化了工艺流程.⑤微波萃取更易于控制，能够实现即时停止和加热.
微波萃取技术在天然植物提取方面有重要的作用.此方法在提高生产率和萃取物纯度的同时又能降低萃取时间、能源及溶剂的消耗，又可降低废物的产生，是一种具有良好发展前途的新工艺.由于微波加热是一种“体加热”方式，是内外同时加热，因此在萃取时加热均匀，且升温迅速，在提高萃取效率同时显著缩短了萃取时间〔4〕.采用微波技术从羽扇豆种子中提取金雀花碱，提取率比传统的提取法提高了20%，在缩短了提取时间同时减少了溶剂用量〔5〕.用微波提取甘草黄酮，提取时间为1min，提取量为24.6g/L，而水提法的提取时间为5h，提取量为11.4g/L，大大缩短了提取时间，提高了提取量〔6〕.
1.3超声波提取技术（UE）
超声波提取技术是利用超声波振动作用来强化提取植物中的有效成分，超声波是频率高于20kHz 的声波.超声波可在提取过程中产生“空化效应”，超声波的机械作用可有效地破碎植物的细胞壁，使有效成分快速地溶解在溶剂中，超声提取药材不受成分极性、分子量大小的限制，适用于绝大多数种类中药材和各类成分的提取；另一方面超声波振动可加速分子运动，使得溶剂和植物中的有效成分快速混合.与传
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统萃取方式相比，超声波萃取技术用时短、适用性广、效率高.李颖〔7〕等利用超声波技术从银州柴胡中提取挥发性活性成分，同时采用多种溶剂混合冰浴，并应用高分辨气-质联用仪进行分析，鉴定出116种成分.利用超声波法从新鲜橄榄中提取总酚类化合物（TPC），萃取条件为固液比22mL/g，萃取温度47℃，萃取时间30min，提取率为7.01mg/g；而传统的浸渍提取法在50℃，4.7h，固液比为24mL/g的条件下，提取率只有5.18mg/g，因此超声波萃取法能有效增加橄榄中酚类化合物的提取率〔8〕.采用超声提取法从黄连中提取小檗碱，处理30min后所得的小檗碱提取率比采用传统的碱水浸泡法处理24.0h高50%以上〔9〕.采用超声波法提取平菇多糖，提取时间短，能量损耗低，也降低了高温对多糖的破坏〔10〕.采用超声波辅助方法从石榴子中提取石榴籽油，在以石油醚为溶剂，140W、40℃、36min和固液比为10mL/g的条件下，提取率高达25.11%，提取率明显高于传统的索氏提取法（SE，20.50%）〔11〕.黄晓辉等人以95%乙醇为溶剂，用超声波提取法提取水葫芦中的黄酮，在超声温度为45℃，料液比为1:45（g:mL），超声时间为35min，pH为8的条件下，测得黄酮提取率4.51%〔12〕.超声工艺虽应用广泛，但在大规模工业生产中的应用还较少，还有待进一步探索.
1.4生物酶提取技术
酶是由生物细胞产生的一种具有催化活性的蛋白质.生物酶提取技术是利用酶破坏植物细胞壁的结构，例如纤维素酶可以破坏植物细胞壁中的B-D-葡萄糖链.酶的催化效率高，具有高度的专一性，合适的酶可使植物组织通过酶反应温和地分解，提高有效成分的提取率.用纤维素酶提取黄连中的盐酸小檗碱，未经酶处理的的样品盐酸小檗碱平均含量为2.5%，而经过酶处理后盐酸小檗碱含量为4.2%〔13〕.郭海鹏等〔14〕利用酶提取法，将生物降解细菌产生的酶以1:3（V/V）的比例直接添加到新鲜海藻中处理48.0h，脂质提取产量增加了10.4%~43.9%，生物降解细菌产生的酶可以削弱和破坏藻类的细胞壁，促进藻类中脂质的释放.酶解技术具有操作简单、成本低廉、可大量生产等优点，也存在一定的局限性，虽然酶作用条件温和，但酶的活性受多种因素调节控制，导致实验条件（如温度、pH值及作用时间等）较难控制，使该技术的发展和应用也受到了相应地制约.
1.5膜分离技术
所谓膜分离是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在差异时，原料中组分可透过选择性膜而对混合物进行分离，目前已经研发出了多种膜分离工艺如超滤、纳滤、电渗析、渗透汽化和气体分离等.膜分离是一种新型的分离方法，与传统的分离方式相比，具有节能、单级分离效率高、环保、无相态变化、过滤过程简单等优点.由于膜分离过程中不需要进行加热，因此，该技术特别适用于分离对热敏感的物质.传统的水净化膜分离过程需要消耗大量的能量，但纳米膜分离过程能消耗的能量更少，消除了传统工艺的局限性.这种纳米膜可以除去水中的有机污染物同时对水进行消毒，简化了后续的工艺流程，一些纳米分离膜已经在水净化领域实现商业化〔15〕.相关的研究数据显示，使用超滤中空纤维膜分离分散染料等不溶性染料可达99%的脱色率，透过液可作为中性水可再循环利用，降低了成本同时也减少了环境污染〔16〕.董洁等〔17〕对黄连解毒汤模拟体系的超滤膜过程进行了分析，截留分子质量为5kDa的聚砜超滤膜对黄连解毒汤模拟溶液中药效物质小檗碱和栀子苷的透过率在90%以上，淀粉、果胶、蛋白质三种高分子物质的截留率为100%，能满足中药材纯化、精制的要求.随着膜分离技术的不断发展，它的巨大作用定会在未来的工业发展中显现出来，它将在人类工业的发展史上起到重要作用.
1.6大孔树脂吸附分离技术
大孔树脂又称全多孔树脂，其化学性质稳定，难溶于酸、碱及各种有机溶剂.大孔树脂现已广泛应用于医药、环保和食品等领域，尤其20世纪70年代末，被广泛应用于中草药研究的各个方面.该方法具有所需溶剂量少、可重复使用、操作方便、生产周期短、产品纯度高及不吸潮等优点，在各领域的应用日益广泛.应用XAD-7HP树脂纯化桑椹花青素提取物，相比于其他树脂，XAD-7HP有较高吸附/解吸能力，它的吸附容量为3.57mg/g，而吸附率及解吸率分别为86.45%和80.81%，用40%乙醇洗脱XAD-7HP纯度可达到93.6%，该方法可用于从水果以及其他植物中制备高纯度桑椹花青素〔18〕.大孔树脂吸附技术也有一些缺
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点的不足，如制备时需要加入一些由有机溶剂组成的致孔剂，而有机溶剂大多具有毒性，会残留在树脂的空隙中.如果不能清除残留的致孔剂，在长期使用的过程中会遇到树脂降解的问题.但目前我国已经探索出了树脂使用前对致孔剂、降解物的处理方法，已经通过了国家药品监督管理局的审评.
1.7高速逆流色谱分离技术（HSCCC）
高速逆流色谱技术（High-Speed Countercurrent Chromatography，HSCCC）是1982年由美国国立卫生院Ito博士研制开发的一种新型无固相载体的连续液－液色谱技术.它不用任何固态的支撑物或载体.目前HSCCC法的优点有以下几点：a.操作简便，容易掌握；b.应用范围很广；C.无需固体载体；d.重现性好，产品纯度高；e.适用于制备型分离.采用HSCCC法从萝卜籽中分离具有药理活性的萝卜籽素，选用正己烷-乙酸乙酯-甲醇-水（35:100:35:100，V/V/V/V）为两相溶剂体系.在分离柱转速为800rpm、流动相流动速率和分离温度分别为2mL/min和30℃的条件下，从约1000mg提取物中一步分离得到249.4mg的纯萝卜籽素.得到的萝卜籽素纯度达96.9%.这为后续的药理活性研究提供了较好的基础〔19〕.应用HSCCC法从山楂提取物中分离茶多酚（Crataeguslaevigata），将500mg的粗提物引入高速逆流色谱系统在260min后获得了超过9.7mg的产品，纯度为94.8%.因此，高速逆流色谱分离技术可以用来从天然植物中分离和纯化茶多酚〔20〕.该技术也成功应用于紫胶红酸、花青素等天然食用色素的提取分离和纯化〔21〕上.高速逆流色谱技术在天然产物方面有突出的作用，随着科学的发展，高速逆流色谱分离技术的应用范围也逐渐扩大.
1.8分子印迹分离技术（MIT）
分子印迹技术（Molecular imprinting technology）是一种在高度交联、刚性的聚合物母体中引入特定分子结合位点的技术.Southern在1975年首先提出了分子印迹的概念.MIT是一种有效、简便的分离技术，同时具有耐热、耐有机溶剂、耐酸碱的优点以及制备简单、可重复使用等特点.用环糊精分子印迹聚合物分离纯化葛根素，纯度可达到98%，收率高达80%以上，而传统的方法则需要6步才可完成，收率仅为10%左右，纯度也并不理想〔22〕.一种以半印迹方法合成的印记聚合物，可以从药用真菌干粉菌体的提取液中提取出麦角甾醇〔23〕.由于其具有特殊的识别功能，可以用来分离混合物，由于印迹聚合物在有机溶剂与水溶液中都可使用，与传统方法相比，具有独特的优点，随着科学的发展，未来分子印迹分离技术在天然植物有效成分提取分离研究中也会发挥越来越大的作用.
2结语
本文对分离植物活性成分中常用的八种提取和分离技术进行了比对和分析，这八种方法在分离不同物质时都有各自的特点和优势，但由于植物结构具有复杂性和差异性，上述八种常用提取、分离技术都有其各自的适用性和局限性，因此，对不同方法的应用范围也会有所不同〔24〕.一些新型技术在某些提取过程中分离效果比传统方法更具优势.但随着科技的全面发展，传统提取方法和上述的八种较新的提取分离技术必将共同发展，甚至还会在互补交叉的过程中诞生更方便快捷的分离技术〔25〕.在科研、生产实践中还需具体问题具体分析，才可以挑选出最佳的提取方式，不可盲目选择.未来天然植物有效成分提取技术会更加安全、高效、环保，天然植物中有效成分得以在更多领域中发挥作用.在生活中，随着人民生活水平的提高，回归自然的理念日益增强，天然提取物行业下游的食品添加剂、营养保健品、化妆品、饲料等行业都日益趋向绿色环保.天然、无污染的绿色产品在国内外均有巨大的发展空间和广阔的市场前景，这也必将带动天然植物提取物行业的快速发展.
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〔责任编辑郑瑛〕。