天然产物分离技术.docx

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天然产物分离技术

天然产物分离纯化技术进展

摘要：

本文综述了当前我国天然产物有效成分提取和分离纯化技术的进展，对超声波提取技术、微波提取技术、双水相萃取技术、液膜分离和反胶团萃取、超临界C02提取技术、膜分离技术、分子蒸馏技术、分子精馏和短程精馏、吸附分离技术和高效絮凝技术等进行了评述。

关键词：

天然产物；分离；纯化

DevelopmentofSeparationandPurificationofNaturalProducts

Abstract:

theauthormakeabriefintroductionofextractionandpurificationtechnologyoftheactiveingredientinnaturalproduct,andreviewtheultrasonicextraction,microwaveextraction,aqueoustwo-phaseextraction,membraneseparationandreversemicellesextraction,supercriticalCO2extraction,membraneseparationtechnology,moleculardistillation,moleculardistillationandshortdistillation,adsorption,flocculationseparationtechnology.

Keywords:

naturalproducts;separation;purification

1概述

天然产物是一大类从植物（包括天然和人工种植的）提取的对人体有益的植物化学成分；以家禽、家畜为代表的动物脏器生化制品及各种矿物质。

其中，植物化学提取物为最有代表性的一类天然提取物，主要用于植物药（包括中药）、饮料、食品、化妆品等的生产。

由于此类产品来源于大自然，对人体副作用小且对某些疑难病症具有特殊的疗效；因此深受人们的欢迎，同时也大大激发和推动了该领域技术的发展。

对天然植物药的认可，由单纯的治疗疾病向预防、保健、治疗、康复相结合的模式转变，以及“回归自然”的潮流，营造了巨大的天然植物产品市场。

在国际医药市场上，天然药物已占30％的市场份额，销售额约270亿美元。

天然产物有效成分分离纯化的难点在于：

天然产物有效成分含量低，难于富集；体系复杂，大分子和小分子，生命和非生命物质共存，特别是存在结构相近的异构体，分离纯化难点大；许多天然产物热敏，易水解等。

包括中药提取物在内的植物提取物是植物药制剂的主要原料，并可应用于营养补充剂、食品添加剂、保健食品、化妆品等，是天然医药保健品市场的核心产品，具有广阔的市场空间。

天然产物中最大也是最为重要的部类为植物提取物，即从植物提取的对人体有效的植物化学成分。

从成分组成十分复杂的植物体内将其提取分离纯化出来并达到某个应用目的所需的纯度是一个很困难的过程；而有效成分从药理学和生物学角度来看是指具有生物活性的物质，其产品应是“安全、高效、稳定、可控”的，对提取分离纯化技术要求很高。

天然产物的生产过程就是提取、分离及纯化的过程。

因此，开发和应用高效、与环境友好的天然产物提取、分离及纯化技术是当前天然产物开发与生产的核心问题，也是开拓市场的要求。

开发天然产物的提取分离纯化技术的根本目的就是为了能高效、低成本地生产出符合某种需要的产品。

从国内外的研究与发展情况看，主要有如下特点：

1.1提取工艺[1]

天然产物生产的第一步是从植物体内将有用成分高效地尽可能完全地提取出来，既是产品得率的关键部位，又直接影响下一步的纯化工艺。

因此，提取工艺的有效性是天然产物的生产工艺中十分重要的一步。

天然产物提取工艺发展状况：

（a）从提取用溶剂种类来看，已经从原来单纯的水提、醇提发展到目前的混合溶剂提取、超临界流体提取；（b）从提取技术来看，已经从传统的溶剂提取工艺发展到超临界流体萃取技术、超声波提取技术、微波提取技术、酶法提取技术、半仿生法提取技术、破碎提取技术、旋流提取技术、加压逆流提取技术等；（c）从提取设备及装置来看，已从敞口直火加热锅发展到夹层蒸汽加热锅、多功能提取罐，从静态提取发展到动态提取，从单元设备提取发展到多罐连续提取及兼备芳香性成分蒸馏提取等，最新开发推广的提取设备是逆流超声波组提取设备、恒温循环提取设备及多种工艺技术的组合提取设备。

1.2分离纯化技术

分离与纯化工艺是根据粗提物的物理化学性质，选择相应的分离纯化工艺，将无效和有害成分除去，尽量保留有效成分或有效部位，从而得到所需的天然产物成分。

传统分离纯化方法有：

沉降分离法、过滤分离法、离心分离法等；常见的精制方法有：

水提醇沉法（醇水法）、酸碱法、盐析法、离子交换法和结晶法等。

近年又开发出一些新的分离和纯化技术，如絮凝沉淀法、大孔吸附树脂法、膜分离法、高速离心法等。

传统的提取和分离纯化方法简便，在产品开发初期具有投资低的优点；但其物料处理时间长，往往会造成天然活性成分的分解，使收率和纯度降低，并有可能导致产品“污染”而影响产品品质。

2提取技术的新进展

2.1超临界CO2提取技术

超临界流体萃取技术（简称SFE）是一种以超临界流体（简称SCF或SF）代替常规有机溶剂对植物有效成分进行萃取和分离的新型技术。

其原理是利用流体（溶剂）在临界点附近的超临界区域内与待分离混合物中的溶质具有异常相平衡行为和传递性能，且对溶质的溶解能力随压力和温度的改变而在相当宽的范围内变动，利用超临界流体作溶剂，可以从多种液态或固态混合物中萃取出待分离组分，具有“定向提取分离”的能力。

常用的超临界流体为CO2。

因为CO2无毒，不易燃易爆，价廉，有较低的临界压力（7.38MPa）和临界温度（31.1℃），易于安全地从混合物中将目标成分分离出来。

超临界CO2萃取法与传统提取方法相比，最大的优点是可以在近常温的条件下提取分离，操作条件温和、几乎保留产品中全部有效成分、有效成分不受到破坏，无有机溶剂残留，产品纯度高，工艺简单，节能。

超临界萃取特别适合于从天然资源中提取脂溶性成分，如邓启焕等[2]采用甲醇作夹带剂用SFE技术从银杏叶中提取银杏黄酮，目前已建立了中试装置。

Rostagno[3]采用CO2超临界萃取分离大豆异黄酮，研究了多种参数如压力、温度等对萃取的影响，认为超临界萃取比传统的溶剂萃取好。

采用不同浓度的乙醇作夹带剂，对藏药雪灵芝进行总皂苷粗品及多糖的萃取，与传统的溶剂萃取工艺相比较，收率分别提高至1.9倍和1.62倍。

利用超临界CO2法萃取技术从黄花蒿中得到的萃取物中杂质（蜡状物）含量低，青蒿素提纯精制简单，收率高，产品质量好。

采用超临界CO2萃取技术对厚朴的有效成分进行萃取和分离，萃取物为淡黄色膏状物，经分析该萃取物由厚朴酚等11个化学成分组成，其中厚朴酚（Magnolod）、和厚朴酚（Honokio1）的相对含量高达46.81％和45.00％。

探讨了从黄山药中萃取薯蓣皂素的最佳条件，同时进行了中试放大，证明应用超临界CO2萃取薯蓣皂素进行工业化生产是可行的，与传统的汽油法相比，收率提高1.5倍，生产周期大大缩短，避免了使用汽油存在易燃易爆的危险。

采用超临界CO2法提取柴胡挥发油，与传统的水蒸气蒸馏法相比，能大大提高收率，缩短提取时间；而挥发油组成一致，只是各成分含量有差异。

原永芳等通过五因素四水平正交试验法，对超临界流体萃取技术从川芎中萃取挥发油的条件进行了优化选择，结果最佳萃取条件为：

压力34.8MPa，温度60℃，改性剂乙醇0.3mL，静态萃取时间10min，动态萃取量10mL。

与水蒸气蒸馏法相比，超临界CO2提取法具有耗时少、提取安全等优点。

SFE技术对于提取分离挥发性成分、脂溶性物质、高热敏性物质、贵重药材的有效成分和高附加值产品显示出独特的优点，但SFE设备属高压设备，一次性投资较大；因此，这一技术目前在工业生产中还难以普及。

超临界萃取技术是一种符合当代绿色潮流的洁净的高效提取技术，并能获得高品质的产品，随着技术装备的国产化、工艺技术的进一步开发和与其它技术的集成化，对SFE技术的开发和应用将展示出光明的前景。

2.2超声波提取技术

超声波是一种弹性波，其振动能产生强大的能量，给予媒质点以很大的速度和加速度，加速度随着声波频率的增大而增大，声波在植物组织细胞里，比电磁波穿透更深，停留时间也较长。

大能量的超声波作用于液体使其被撕裂成很多小空穴，小空穴（又称微气压泡）闭合时产生高达几千个大气压的瞬时压力，作用于叶肉组织，称为空化。

空化可加速植物中的有效成分进入溶剂，增加有效成分的提取率。

除空化作用外，超声波还具有机械振动、乳化、扩散、击碎等多级效应，有利于植物中有效成分的转移，并充分与溶剂混合，促进提取的进行。

目前应用超声波技术提取制备的天然产物或中药有：

在较低温度下最大限度地提取杜仲叶中的有效成分；大豆浓缩蛋白、核酸、异黄酮、皂苷、低聚糖产品的制备；金银花中主要有效成分绿原酸的提取；其它存在于各种天然产物或中药材中的生物碱、黄酮类化合物、甾体类化合物、糖苷化合物、苯丙素类化合物、醌类化合物、萜类化合物、鞣质、脂质及挥发油等的提取。

采用超声波提取技术可有效地强化萃取，减少萃取时间，降低活性物质的降解。

超声波提取技术在天然产物的提取中应用如表1所示。

表1超声波在天然产物提取中的应用

Table1Extractionofnaturalproductswithultrasonic

提取物质

效果

参考文献

茶多酚

比水提取率高40%

尹莲[4]

青蒿素

提取率达83%

赵兵[5]

姜黄素

改善溶剂萃取，提高浸取率和速率

秦伟[6]

葛根异黄酮

20min高于传统工艺10h的结果

张尊听[7]

黄酮

萃取率达94.6%

毕丽君[8]

2.3微波提取技术

微波萃取技术是利用微波能提高萃取率的一种新发展起来的技术。

其原理是利用在微波场中吸收微波能力的差异，使基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使被提取物从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的萃取剂中。

微波加热导致细胞内的极性物质尤其是水分子吸收微波能产生大量的热量，使胞内温度迅速上升，汽化水产生的压力将细胞壁及细胞膜冲成微孔，失水的细胞又因收缩而出现裂纹，微孔及裂纹的存在使胞外溶剂很容易地进入胞内，溶解并释放出内含物。

超声波提取技术能提高提取率，但它对提取瓶放置的位置和提取瓶的瓶壁玻璃厚薄要求较高，这两个因素直接影响超声效果，而且目前超声波提取技术主要用在小型实验室，要用于大规模的工业生产，还要解决有关工业设备放大的问题［9-10］。

微波萃取技术具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、溶剂用量少、污染小和投资少等特点；目前，除用于环境样品的处理外，还用于生化、食品、工业分析和天然产物提取等领域。

目前，国内微波萃取技术用于中草药提取的报道还较少。

有报道采用微波破壁法从高山红景天根茎中提取红景天苷，与传统的乙醇回流提取相比，该方法在保持较高的提取率的同时，大大缩短了提取时间，并显著降低了提取液中杂蛋白的含量。

采用微波技术对槐米（槐花花蕾）中芸香苷浸出量的影响，通过对药材粒径、浸出时间及微波输出功率进行正交试验，优选槐米中芸香苷最佳浸出方案，结果表明微波技术对槐米中芸香苷的浸出量明显优于常规煎煮方法。

将这一技术应用于药材浸出是一种省时便捷、值得推广普及的新方法。

微波萃取技术与传统煎煮法相比较，克服了药材细粉易凝聚和易焦化的弊病、提取时间极短、设备简单、投资较少、耗能低、质量稳定；但这一技术用于天然产物、中草药提取尚属起步，其萃取机理还需进一步研究。

微波在天然产物的提取中也有许多用途（见表2）

表2微波在天然产物分离纯化中的应用

Table2Theapplicationofmicrowaveinnaturalproductisolationandpurification

提取物质

效果

参考文献

鹰爪豆碱

溶剂法提取率52.3%提高到80.3%

Ganzler[11]

紫杉醇

传统方法溶剂成本380$/g,微波方法92$/g

Mattina[12]

甘草醇

12min3次提取相当于传统提取时间22倍

XuejunPan[13]

2.4双水相萃取技术

双水相萃取技术是瑞典PerAlbersson教授首先发现并研究的一种分离技术，由于其具有对生物产品稳定性好、易于放大的优点，而在生物大分子如蛋白质、核酸和细胞器等产品中得到广泛应用。

20世纪90年代以来，双水相萃取还用于天然产物的分离纯化，如表3所示。

表3双水相萃取技术在天然产物分离中的应用

Table3Theuseofaqueoustwo-phaseinextractionandseparationofnaturalproducts

分离天然产物

双水相体系

分离效率

参考文献

蜕皮激素

UNON/ReppalPES

88%-92%

Moddlin[14]

黄茯苓

EOPO/K3PO4

分配系数为30-35%

李伟[15]

谷胱甘肽

EOPO/K3PO4

产率80%以上

Mei[16]

甘草酸

EOPO/K3PO4

甘草酸单铵盐的总收率达68.4%

霍清[17]

甘草素

乙醇/K3PO4

收率91%，纯化倍数2.6

Tan[18]

银杏黄酮

PEG/K3PO4

相比为0.56，萃取率达98.2%

张春秀[19]

2.5液膜分离和反胶团萃取

液膜分离技术是美籍华人黎念之博士首先提出的方法，其主要特点是传质速度快、能耗低。

液膜分离技术已用于黄连素的分离[20]和北豆根碱的分离[21]。

黄连素提取量可达75％以上。

北豆根总碱提取率达86％。

2.6半仿生提取法

2.6.1半仿生提取的原理

“半仿生提取法”（Semi—BionicExtractionMethod，简称SBE）是近几年提出的新方法。

它是从生物药剂学的角度，将整体药物研究法与分子药物研究法相结合，模拟口服药物经胃肠道转运吸收的环境，采用活性指导下的导向分离方法；是为经消化道口服给药的制剂设计的一种新的提取工艺。

2.6.2半仿生提取的特点及应用[22]

半仿生提取法的主要特点是：

一是提取过程符合中医配伍和临床用药的特点和口服药物在胃肠道转运吸收的特点。

二是在具体工艺选择上，既考虑活性混合成分又以单体成分作指标。

这样不仅能充分发挥混合物的综合作用，又能利用单体成分控制中药制剂的质量。

三是有效成分损失少，成本低，生产周期短。

具体的操作方法是将提取液的酸碱度加以生理模仿，先将药粉以一定pH值的酸水提取，再用一定pH值的碱水提取，提取液分别滤过、浓缩、制剂。

对提取液的最佳pH值和其它工艺参数的选择用一种或几种有效成分结合主要药理作用为指标，用正交试验法、比例分割法进行优选。

在对多个单味中药和复方制剂的研究中，半仿生提取法已经显示出较大的优势和广泛的应用前景。

3分离纯化技术的新进度

3.1膜分离技术

膜分离技术起步于20世纪60年代，至今不过30多年。

由于它的分离过程无相态变化，基本在常温下进行，特别适合于热敏感物质的分离；分离范围可以从小分子到大分子、从细菌到病毒、从蛋白质、胶体到多糖；分离过程仅仅是简单的加压输送，具有易自控、占地面积小、特别是与蒸馏、冷冻、萃取等分离方法比较，节能效果显著。

因此，受到各工业发达国家的高度重视。

不少国家把膜分离技术作为关键技术纳入国家计划。

采用天然或人工合成的高分子膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法，统称为膜分离法。

膜分离主要包括渗透、反渗透、超滤、透析、电渗析、液膜技术、气体渗透、渗透蒸发等方法。

超滤过程由于是一种简单的物理分离，在操作过程中无相变化，不添加任何化学药剂；而且超滤设备的操作比较简单，滤膜可反复、多次使用；因此，在中药产业中应用具有独特的作用和较大的开发潜力。

日本等发达国家已将超滤技术应用于中药的加工，代替传统的分离制备工艺，以达到降低生产成本、提高药品质量的目的。

采用超滤工艺可滤除天然产物或中药水提取液中的高摩尔质量杂质，摩尔质量大于几万的中药无效成分，如纤维素、粘液质、树胶、果胶、淀粉、鞣质、蛋白质、树脂等。

它们在水提液中多数被溶解，有的以固体微粒形式存在（水提液在超滤前须采用压滤、离心或静置沉淀等方法，去除大部分团体物质），采用切割摩尔质量较大的超滤膜可以滤除这些物质，从而达到去除摩尔质量较大的无效成分的目的，尤其对去除蛋白质和多糖成分极其有效；此外超滤膜还能滤除醇沉法不能去除的树脂成分。

由于各种药材水提液中的成分不尽相同，而通过超滤既要去除高摩尔质量无效成分，又须保留水提液中摩尔质量较小的有效成分，为此须进行仔细的滤膜筛选试验工作，确定滤膜的材质和切割摩尔质量规格。

当滤膜选择合适，超滤设备的运行参数和清洗方法亦通过试验予以确定的条件下，就可采用超滤法代替醇沉法滤除水提液中绝大部分大摩尔质量物质，和其它工艺技术组合成高效率、低耗能的生产工艺。

3.2分子蒸馏技术[23]

分子蒸馏（moleculardistillation）也称短程蒸馏（short—pathdistillation），是一种在高真空度条件下进行分离操作的连续蒸馏过程。

分子蒸馏过程中操作系统的压力为0.133Pa，混合物可以在远低于常压沸点的温度下挥发；分子蒸发的距离和分子运动自由程相近，蒸发一冷凝过程是不可逆的，组分在受热情况下的停留时问很短（约0.1～1s）。

因此，具有高分辨率的分子蒸馏技术特别适用于分离低挥发度、高沸点、热敏性和具有生物活性的油溶性物料；除去液体中的低分子物质，如：

有机溶剂、臭味等，并有利于脱色。

因此，分子蒸馏技术能有效改善产品的色泽，去除污染物，保持终端产品的纯天然特性；分离能力强，可分离出常规蒸馏不易分开的沸点相近的物质，且分离后有效成分高度富集，可提高天然产物产品的质量。

分子蒸馏技术已作为成熟技术在天然产物的分离提纯中得到应用，目前已成功地应用于挥发油的精制，如山苍子油（制备高纯度柠檬醛）、玫瑰油、桂皮油、广藿香油、茴香油、香根油、香茅油等；从大豆油脂的脱臭馏分中分离提纯维生素E；从鱼油中分离二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）；天然维生素E的提取；羊毛脂衍生物的提取；辣椒红色素的提取和纯化；中药制剂中的残留农药、溶剂及重金属的脱除；天然药物标样的制备等。

3.3吸附分离技术及离子交换层析分离纯化技术

层析技术的应用与发展，对植物各类化学成分的分离鉴定工作起到重大的推动作用。

目前新的层析技术不断发展，随着层析理论和电子学、光学、计算机等技术的应用，层析技术已日趋完善。

大孔树脂吸附技术是20世纪70年代发展起来的一种新技术。

它是根据提取液的成分和提取物的不同，选择不同型号的树脂，通过吸附和解吸从提取液中有选择地分离提纯。

大孔吸附树脂，特别是非极性吸附树脂在吸附提取液中的有效成分时，主要是物理结构（如比表面积、孔径、孔分布等）起作用。

由于大孔吸附树脂具有其它吸附分离材料所不能比拟的优点，如树脂合成生产过程中的粒径、孔径、比表面积及极性的人为可调性，易于再生性及较长的使用寿命；因而，在天然产物产品的开发和生产中得到广泛的应用。

广泛存在于各种天然产物或中药材中的黄酮类物质、各种皂苷、生物碱等都可以用大孔吸附树脂分离纯化技术生产，是当前天然产物分离提纯中应用最广和十分有效的先进技术。

由于多种类型的吸附树脂的研发成功，使该项技术在天然产物有效成分的分离提纯中有较多的选择性和适应性，从而得到较为广泛的应用，并且取得了良好的效果，是当前应予重点开发和推广的新技术。

国内大孔吸附树脂生产厂家有5～8家，较为常用的牌号有南开大学的AB-8；中蓝晨光化工研究院的D-140、D-141、LD-605及脱色专用树脂BS-Ⅱ；天津农药厂的D-101；西安蓝深公司的LSA系列和XDA系列；山东鲁抗的DM-130以及河北宝恩公司的HPD系列等。

大孔吸附树脂用于天然产物的分离纯化如表4。

表4大孔吸附树脂用于天然产物的分离纯化

Table4Theuseofmacroporousresininseparationandpurificationofnaturalproducts

天然产物

大孔树脂

收率

参考文献

葛根黄酮

D102，DA201

收率85%

崔久成[24]

甘草黄酮

AB8

可综合提取甘草黄酮

周长凤[25]

淫羊藿苷

YF-1

可分离多个组分

乔晓云[26]

银杏黄酮

A1型

收率70%

陈冲[27]

SephardexLH-20和SephardexLH-60是凝胶过滤介质经过羟丙基改性后的适合小分子天然产物及药物分离纯化的介质。

其中SephardexLH-20适合小分子的分离纯化，SephardexLH-60适合中小分子的分离纯化。

这两种凝胶对天然产物和药物的负载量都达到20～100

mg／mL。

单纯用SephardexLH-20和SephardexLH-60分离天然产物还有一定问题，如凝胶容易产生涨落，使分辨率降低。

3.4高效絮凝技术

絮凝技术的主要原理一是凝结作用，即利用粒子（或分子）与粒子（或分子）问彼此微弱的范德华吸引力而形成凝聚作用，产生絮凝沉淀，达到物质问分离的目的；二是架桥作用，即在两个或多个固体微细粒子（或分子）间，利用絮凝剂起架桥作用，使微细粒子（或分子）凝聚成较大颗粒的絮体产生沉淀，达到分离目的。

絮凝剂有无机絮凝剂、有机絮凝剂及天然絮凝剂（天然澄清剂）3大类。

无机絮凝剂主要有硫酸亚铁、氯化亚铁、硫酸铝、明矾等；有机絮凝剂主要有聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸胺烷基酯季胺盐等；天然絮凝剂由天然物质提取分离，主要优点是来自天然产物，无毒害影响，可用于天然产物提取物和中药的生产。

代表产品有天津正天成澄清技术公司的ZTC系列。

高效絮凝剂技术在天然产物及中药制备中应用的优点是操作比较简单、效果明显、运行成本较低；缺点是在絮凝过程中有效成分损失较大，对有效成分的选择性不高，絮凝剂会残留在主成分中。

2.3分子精馏和短程精馏

分子精馏（moleculardistillation）和短程精馏（shortpathdistillation）都是在高真空下（残留气体压力<0.1Pa）进行的精馏技术，其中分子蒸发的距离和分子运动自由程相近。

因此分子精馏的分辨率较高，可以分离沸点相近、较高分子量的高沸点或热稳定性差的物质。

分子精馏特别适合于油溶性的天然产物的分离，可将产物分离纯化，王军武[28]对维生素D的提取回收率可以达到70%以上。

2.4分子印迹分离技术

分子印迹分离技术是制备和目标分子具有高度分子识别的分子印迹聚合物（molecularimprintingpolymer，MIP）为固定相进行的色谱分离技术。

分子印迹分离技术和其他色谱分离技术相比，具有分子识别性强，固定相制备简单的特点。

作者研究采用环糊精分子印迹聚合物分离纯化银杏黄酮、葛根黄酮等。

其中葛根素一步可纯化到98％，收率可达80％以上，而传统的葛根素分离纯化方法需要6步，收率仅为10％左右[29]。

谢健春等[30]研究了用黄酮化合物奎皮素作为膜板制备MIP，并将此MIP直接用于银杏叶提取液的分离，可以得到山奈酚和奎皮素，从而证明分子印迹是一种高效的天然产物分离技术。

4结语

综上所述，天然产物提取、分离及纯化技术的发展十分迅速。

其中有的技术在我国已经工业化应用，有的还刚刚起步。

开发高效的天然产物提取和分