新型綠色溶劑在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用研究進(jìn)展

郝 翠，翟立海，陳立宗，許亦真，劉玉智，陳 輝，程 燕，薛富民

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)藥學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省分析測(cè)試中心，山東省大型精密分析儀

器應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250014；3.魯南制藥集團(tuán)股份有限公司，山東 臨沂 276000；

4.國(guó)家手性制藥工程技術(shù)研究中心，山東 臨沂 276000)

天然產(chǎn)物傳統(tǒng)的提取主要使用石油醚、乙酸乙酯、丙酮等有機(jī)溶劑，采用煎煮法、回流法、浸漬法以及索氏提取法等方法進(jìn)行提取，傳統(tǒng)提取方法雖然工藝比較簡(jiǎn)單、成本較低，但是存在著提取效率低、污染環(huán)境、不可再生、易產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物等缺點(diǎn)[1].20世紀(jì)90年代初起，綠色化學(xué)興起，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)綠色化學(xué)產(chǎn)生極大的研究興趣，隨后，2012年，Chema[2]提出了“天然產(chǎn)物綠色提取”的概念，可用替代溶劑和可再生天然產(chǎn)物，并提出天然產(chǎn)物提取的六項(xiàng)原則，指出綠色提取主要是指在發(fā)現(xiàn)或設(shè)計(jì)提取工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，允許使用替代溶劑和可再生天然產(chǎn)物，確保安全和高質(zhì)量的提取產(chǎn)品.而對(duì)于多數(shù)提取相關(guān)研究來說，溶劑是提取過程中必不可少的媒介，因此，開發(fā)新型綠色溶劑對(duì)天然產(chǎn)物的提取具有重要意義.

現(xiàn)今，綠色溶劑主要有水、離子液體、低共熔溶劑、超臨界CO2等，因離子液體和低共熔溶劑提取效率高、溶劑可回收、易降解等優(yōu)點(diǎn)，在黃酮類化合物、酚酸類、強(qiáng)心苷類、生物堿等化學(xué)成分的提取過程中應(yīng)用較為廣泛[3-5].本文主要對(duì)新型綠色溶劑離子液體以及低共熔溶劑用于天然產(chǎn)物化學(xué)成分的提取進(jìn)行綜述，旨在為綠色溶劑的開發(fā)及天然產(chǎn)物的研究提供參考.

1 離子液體

1.1 離子液體的定義及分類

離子液體作為一種新型的綠色溶劑，是室溫離子液體(room-temperature ionic liquids)的簡(jiǎn)稱，主要由有機(jī)陽離子(有機(jī)含氮雜環(huán))和無機(jī)陽離子或有機(jī)陰離子構(gòu)成，通常是通過直接合成法和離子交換法合成，如圖1[6]所示，室溫狀態(tài)下呈液體狀態(tài)，1914年，硝基乙胺出現(xiàn)，離子液體大致分為兩類:第一類是根據(jù)陽離子結(jié)構(gòu)不同，分為咪唑陽離子(如1-丁基3-甲基溴化咪唑)、季銨陽離子(如四乙基溴化銨)、季膦陽離子(如四丁基溴化膦)以及吡啶陽離子(如溴化N-丁基吡啶)；第二類是根據(jù)陰離子結(jié)構(gòu)不同，分為鹵代與非鹵代兩種[7].

圖1 常見的離子液體的合成圖Fig.1 Synthesis diagram of common ionic liquids

1.2 離子液體在生物活性成分提取中的應(yīng)用

近年來，離子液體作為一種替代溶劑在天然產(chǎn)物高效提取化學(xué)成分的研究數(shù)量不斷增加.離子液體化學(xué)穩(wěn)定性高、綠色環(huán)保、溶劑可回收、不易燃燒，廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物活性成分的提取，如生物堿、木脂素、黃酮類、皂苷類、萜類、苯丙素類化合物等[8-9].

1.2.1 生物堿

生物堿類化合物約占天然產(chǎn)物化學(xué)成分中的15%，具有保護(hù)心血管系統(tǒng)、抗炎、抗菌、抗病毒、抗癌等功效.黃飛等[10]研究了咖啡因的提取效率，結(jié)果表明，離子液體[HSO3-pmim]+[HSO4]-的濃度為70%時(shí)，咖啡因的提取率為95.1 mg/5 g茶樣.Wang等[11]采用離子液體[C4mim]Br為提取溶劑，對(duì)生物堿成分的提取進(jìn)行相關(guān)研究，結(jié)果顯示，離子液體較傳統(tǒng)加熱回流提取的相對(duì)產(chǎn)率高6.7%，且該離子液體具有節(jié)能、省時(shí)、收率高、無污染等優(yōu)點(diǎn).劉婷婷等[12]以離子液體咪唑四氟硼酸鹽為溶劑提取鉤藤中的生物堿的含量提高到2.2 mg/g.

1.2.2 木脂素

木脂素少數(shù)和糖結(jié)合成苷，主要存在于植物的木部和樹脂中.Ana等[13]研究了離子液體甘氨酸甜菜堿(AGB-ILs)提取7-羥基間苯二酚(HMR)，比傳統(tǒng)索氏提取法(使用丙酮、水丙酮和水乙醇混合物等有機(jī)溶劑)提取效率高9.46%，并且經(jīng)回收后，抗氧化效果更顯著.史麗娟[14]以離子液體[C4mim]BF4為提取溶劑研究杜仲總木脂素的得率，并且采用超聲波輔助法，木脂素得率比乙醇超聲法提取效率高.

1.2.3 黃酮類化合物

黃酮類化合物大多來源于天然產(chǎn)物，離子液體的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有機(jī)溶劑提取的缺點(diǎn).Zhang等[15]以離子液體1-烷基-3-甲基偶氮唑類為溶劑，采用微波輔助技術(shù)相結(jié)合，成功提取黃芩苷、漢黃芩苷、黃芩素和漢黃芩素，提取效果與傳統(tǒng)的提取方法提取率提高22.28%.蘇適等[16]采用微波輔助離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯([BMIM]Cl)提取黑豆皮中的花青素，結(jié)果黑豆花青素的提取量為4.146 mg/g.王剛等[17]采用微波輔助離子液體[C6mim][PF6]提取石上柏穗花杉雙黃酮，效果顯著.李倩[18]以離子液體[Bmim]Br為提取溶劑，提取時(shí)間縮短為8 min，總黃酮的提取率仍然比傳統(tǒng)乙醇提取效率高.Cheng等[19]研究了32種離子液體分別提取葛根中的黃酮類化學(xué)成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)離子液體濃度影響提取效率，并呈現(xiàn)出一定的趨勢(shì)，不同溶劑對(duì)總黃酮的提取率的影響如圖2所示.

圖2 32種離子液體、水、甲醇、60%甲醇對(duì)總黃酮提取率的影響圖Fig.2 Total isoflavones extraction yields of 32 ILs，water，methanol，and 60% methanol

1.2.4 皂苷

皂苷類成分主要存在于高等植物中，離子液體對(duì)天然產(chǎn)物皂苷類成分的提取有重要意義.張?jiān)降萚20]以離子液體膽堿-組氨酸(ChOH-His)的水溶液為溶劑，得到梔子苷的含量比傳統(tǒng)溶劑(50%乙醇)提取出的梔子苷的含量高5.00%.高宇[21]研究離子液體提取甘草成分，發(fā)現(xiàn)甘草苷、甘草酸及甘草次酸三種化學(xué)成分的提取率最高，并且提取效果比傳統(tǒng)滲漉法好.劉迪[22]通過實(shí)驗(yàn)研究比較研究了離子液體和乙醇溶液提取紅景天中的紅景天苷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)離子液體提取的紅景天苷的含量較高，可能通過破壞細(xì)胞壁，降低了纖維素聚合度的能力，使活性成分快速溶出，從而提高提取效率.

1.2.5 香豆素

香豆素類化合物是自然界廣泛存在的一類芳香族化合物，具有抗腫瘤、抗氧化、抗炎、抗菌等藥理作用.王通[23]研究無花果葉中補(bǔ)骨脂素的綠色高效提取發(fā)現(xiàn)，采用超聲輔助pH基于離子液體1-丁基-3-基咪唑溴鹽-檸檬酸-水的雙水相技術(shù)，使補(bǔ)骨脂苷轉(zhuǎn)化為補(bǔ)骨脂素，補(bǔ)骨脂素的提取率為31.22 mg/g，這一研究可用于香豆素類成分的高效快速提取.姜國(guó)芳[24]等采用1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽作為提取溶劑提取香豆素，該離子液體為疏水性離子液體，結(jié)果提取率高達(dá)94.55%，并且經(jīng)反復(fù)萃取后溶劑還可重新利用，減少了溶劑的消耗，可為離子液體提取香豆素類成分相關(guān)研究提供參考.

1.2.6 其他成分

離子液體還可應(yīng)用于提取天然產(chǎn)物中的苯丙素類、酚類化合物、萜類等.周惠燕[25]等研究了金銀花中綠原酸的提取，發(fā)現(xiàn)離子液體可高效快速提取出金銀花中的綠原酸.馬銘研等[26]以離子液體[BMIM]PF6的甲醇溶液為提取溶劑，超聲輔助提取溫郁金中的姜黃素和吉馬酮，得到較好的效果，可為溫郁金中的有效成分的提取方法創(chuàng)新和質(zhì)量控制研究提供參考.李萬華等[27]研究了離子液體和傳統(tǒng)乙醇溶劑分別提取中藥中白樺脂酸衍生物，結(jié)果表明，溴化-1-乙基-3-甲基咪唑([EMIM]Br)提取效率比乙醇溶劑高0.100%.

2 低共熔溶劑

2.1 低共熔溶劑的定義及分類

低共熔溶劑，屬于離子液體類似物，其中以膽堿鹽為主形成的低共熔混合物備受研究學(xué)者的關(guān)注.2003年，低共熔溶劑由Abbott等[28-30]提出，是指將膽堿鹽和配位劑組合而成的低共熔混合物，離子液體在某些條件下是具有一定的毒性，而低共熔溶劑具有蒸汽壓低、性質(zhì)穩(wěn)定、易生物降解、綠色環(huán)保、價(jià)格低廉、無毒或者低毒并且在室溫下呈透明狀態(tài).

低共熔溶劑根據(jù)配體的形成可分為六類:一類是由無水金屬氯化物和季銨鹽的混合而成；二類是由含結(jié)晶水金屬氯化物和季銨鹽混合而成；三類是以季銨鹽作為氫鍵受體(HBA)，酰胺、羧酸、醇等作為氫鍵給體(HBD)通過加熱形成的混合物，如圖3所示[31]；四類是以金屬鹵化物(AlCl3、ZnCl2等)和有機(jī)配體(尿素、乙酰胺、乙二醇等)為原料合成得到的混合物；五類是天然氨基酸和天然植物酸合成的混合物；六類是三元組分體系，如:多元醇-酰胺-銨鹽、銨鹽-金屬氯化物-酰胺等[32-33].

圖3 常見的氫鍵供體與氫鍵受體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hydrogen bond acceptor and hydrogen bond donor structurecharts

2.2 低共熔溶劑在生物活性成分提取中的應(yīng)用

低共熔溶劑合成所需的不同化合物之間會(huì)形成氫鍵作用力、范德華力和π-π作用力等，從而提高化合物的溶出，提高提取效率.低共熔溶劑原料來源廣，價(jià)格低，可回收，是一種較為綠色的環(huán)境友好型溶劑，符合綠色化學(xué)的概念，在天然產(chǎn)物中應(yīng)用廣泛，如生物堿、黃酮類化合物、香豆素、皂苷、酚類化合物等[34].

2.2.1 生物堿

低共熔溶劑可用于生物堿的綠色提取.尚憲超等[35]首次將低共熔溶劑氯化膽堿-尿素用于煙堿的綠色提取中，結(jié)果顯示，煙堿的得率為22.89 mg/g，并且通過響應(yīng)面法確定了最佳提取工藝條件，可為煙堿及生物堿的綠色提取提供一定的指導(dǎo)意義.司悅悅[36]研究了二元和三元低共熔溶劑對(duì)生物堿白鮮堿、吳茱萸次堿、胡椒堿、槐定堿和氧化苦參堿五種化學(xué)成分含量的影響，并采用微波輔助技術(shù)提高提取效率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用離子液體提取比甲醇提取效率高，其中吳茱萸次堿的含量提高了118%，為生物堿成分的提取提供了一種新方向.

2.2.2 黃酮類化合物

黃酮類化合物具有較好的抗氧化、抗炎和抗腫瘤等作用.夏伯候等[37]通過合成不同類型的低共熔溶劑，研究夏枯草中黃酮類化合物提取效率的影響，發(fā)現(xiàn)氯化膽堿-甘油1∶4，AB-8大孔樹脂吸附總黃酮效果好.熊蘇慧等[38]研究發(fā)現(xiàn)醋酸鈉和乳酸(1∶5)合成的低共熔溶劑提取玉竹總黃酮時(shí)提取效率高，溶劑經(jīng)NAK-9樹脂吸附效果好.?？39]研究唐古特白刺籽柏花色苷的提取工藝，結(jié)果示氯化膽堿與多元醇形成的低共熔溶劑可高效提取花色苷.李婷婷[40]以氯化膽堿/乳酸(摩爾比1∶2)合成的低共熔溶劑為提取溶劑，成功同時(shí)應(yīng)用于提取黃芩中的黃芩苷、漢黃芩苷、黃芩素和漢黃芩素四種活性成分，提高提取效率，降低了能源消耗，另外，還可以采用輔助技術(shù)，如超聲波輔助萃取、微波輔助萃取、亞臨界水提取等，提高黃酮類化合物的提取效率[41-42].

2.2.3 多酚類化合物

多酚類化合物包括綠原酸及其衍生物、咖啡酸等，具有抗氧化，降低自由基的作用.尚憲超等[43]通過比較研究了11種低共熔溶劑對(duì)煙草中綠原酸和蕓香苷兩種多酚類化合物的提取效果的影響，氯化膽堿-蘋果酸較好.另有學(xué)者[44-45]對(duì)95%乙醇進(jìn)行綜合提取研究，提取率為93.65%.以氯化膽堿、甜菜堿、L-脯氨酸探討了12種低共熔溶劑與超聲波輔助萃取(UAE)聯(lián)合萃取桑葉中酚類化合物的可行性.

2.2.4 皂苷

陳冉等[46]以氯化膽堿/乳酸作為提取溶劑，采用響應(yīng)面法對(duì)皂苷的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究結(jié)果顯示，摩爾比為1∶4、含水量為25%，提取溫度為80℃，提取時(shí)間為64 min，液料比為56∶1時(shí)，皂苷的提取率高，并且比傳統(tǒng)提取溶劑提取效率高出96.4%，這一相關(guān)的研究可為皂苷成分的提取提供了一種高效綠色的新思路.王慧等[47]采用氯化膽堿∶乳酸(摩爾比為1∶1)為提取溶劑研究復(fù)方雙黃連中的連翹苷的含量，結(jié)果連翹苷的含量?jī)?yōu)于藥典方法.

3 結(jié)語與展望

近年來，綠色化學(xué)蓬勃發(fā)展，特別是離子液體和低共熔溶劑的出現(xiàn)，引起了各學(xué)者的研究熱潮.離子液體具有無污染、易從產(chǎn)物中分離、可反復(fù)循環(huán)使用、化學(xué)穩(wěn)定性高、不易燃燒等優(yōu)點(diǎn).但是在某些條件下，離子液體具有一定的毒性，在提取過程仍然存在著易殘留、回收難、存在安全性隱患等問題.基于上述問題，在選擇離子液體作為提取溶劑時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮組成離子液體的陰陽離子的結(jié)構(gòu)、陽離子的碳鏈的長(zhǎng)度及回收的難易程度等，綜合選擇最佳離子液體.低共熔溶劑不但具有離子液體的良好特性，還具有易生物降解、合成簡(jiǎn)便、安全性較好、在室溫下呈透明狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn).但低共熔溶劑在常溫下粘度較大，無揮發(fā)性，回收較難.因此，在選擇合適的低共熔溶劑提取天然產(chǎn)物中的化學(xué)成分時(shí)，應(yīng)綜合考慮被提取物質(zhì)的性質(zhì)、氫鍵供體和氫鍵受體的性質(zhì)、溶劑及回收的成本等因素.

另外，隨著國(guó)家對(duì)綠色化學(xué)的重視，綠色標(biāo)準(zhǔn)的建立也將成為未來綠色化學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，綠色溶劑的類型也將不斷被擴(kuò)展應(yīng)用.開發(fā)新型綠色溶劑，需要根據(jù)天然產(chǎn)物的特點(diǎn)；選擇合適的溶劑，可通過選擇可再生資源，使用替代溶劑，降低能源消耗，避免產(chǎn)生廢物，減少實(shí)驗(yàn)操作等原則達(dá)到理想的提取效果；還可結(jié)合一定的輔助萃取技術(shù)，如超聲波輔助、微波輔助萃取技術(shù)等.綠色溶劑的合理選擇及應(yīng)用將對(duì)天然產(chǎn)物化學(xué)成分實(shí)現(xiàn)綠色高效提取具有重要意義.