非熱技術(shù)用于中藥熱不穩(wěn)定成分提取研究進展

游越，楊菁菁，姜壯壯，趙陽，陶麗

(揚州大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

索氏法、熱回流法、煎煮法等傳統(tǒng)熱提取方法作為中藥有效成分提取的主流方法，但由于加熱溫度和時間的因素，常常導(dǎo)致中藥材不穩(wěn)定成分的熱降解或化學(xué)變化。研究表明高溫加熱導(dǎo)致的中藥熱不穩(wěn)定成分的破壞與其抗氧化、抗菌、抗炎等生物活性的喪失直接相關(guān)。因此，開發(fā)新的非熱力提取技術(shù)與方法，對最大程度保留中藥功效物質(zhì)基礎(chǔ)與新功效物質(zhì)基礎(chǔ)的發(fā)現(xiàn)與分析具有重大意義。

非熱提取技術(shù)發(fā)展迅猛，包括超臨界流體提取、機械化學(xué)輔助提取、超聲輔助提取、高壓脈沖電場提取、超高壓提取、真空提取以及不同技術(shù)的交叉結(jié)合等。非熱提取技術(shù)實現(xiàn)了中草藥中的生物活性成分免于熱降解損耗、能耗低、環(huán)境污染小等優(yōu)點，同時由于非熱提取技術(shù)通常在室溫或稍高于室溫的環(huán)境下工作，導(dǎo)致其對具有揮發(fā)性的活性物質(zhì)提取有了更加明顯的優(yōu)勢。由于超臨界流體提取技術(shù)已被文獻廣泛論述和應(yīng)用，本文對其簡要論述，并重點對其余各類非熱力提取技術(shù)的原理、特點及其在中藥活性成分包括熱不穩(wěn)定成分提取的應(yīng)用進展進行綜述。

1 超臨界流體提取

超臨界流體提取(supercritical fluids extraction,SFE)是利用處于臨界溫度和臨界壓力以上、介于氣體和液體之間的超臨界流體作為溶劑的提取技術(shù)。二氧化碳(CO2)是最常用的超臨界流體，其臨界溫度和壓力都較低，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適用于中藥熱敏物質(zhì)的分離。由于CO2是非極性溶劑，因此對極性物質(zhì)與離子化合物的提取分離能力較弱。影響SFE提取效率的主要因素數(shù)有：提取壓力、提取溫度、夾帶劑種類及含量、CO2流量、提取時間[1]。植物精油或揮發(fā)油是中藥熱敏性成分的主要來源，傳統(tǒng)采用水蒸氣蒸餾法提取獲得，但水蒸氣蒸餾法有著效率低、耗時長、活性成分易分解等缺點。揮發(fā)油化學(xué)成分的分子量小，在超臨界流體中的溶解度大，因此SFE在提取中藥揮發(fā)油方面已得到廣泛應(yīng)用[2]。如ZHOU等[3]利用水蒸氣蒸餾法、SFE、有機溶劑熱回流提取三種方法提取中藥桂枝的揮發(fā)油成分，發(fā)現(xiàn)SFE得率(5.914%)均高于水蒸氣蒸餾法(0.376%)與熱回流提取法(1.227%)。

2 機械化學(xué)輔助提取

2.1 技術(shù)原理

機械化學(xué)輔助提取(Mechanochemical assisted extraction,MAE)是在高性能研磨設(shè)備球磨罐內(nèi)將已初步粉碎的藥材與低磨耗、硬度高、表面拋光度好的研磨球(如氧化鋯)混合，借助高強度機械力作用對藥材進行充分的碾磨、剪切與擠壓形成超微粉狀態(tài)，使藥材顆粒比表面積增加、促進細(xì)胞破壁與理化性質(zhì)變化，從而提高活性成分的溶出度而提高提取率的提取技術(shù)。其工藝流程分為固相提取和固液提取階段：首先在球磨工藝中同時投入一定比例的弱堿性助磨劑，利用機械化學(xué)反應(yīng)，通過酸堿中和成鹽反應(yīng)以分離弱酸性目標(biāo)成分(亦可加入弱酸性助磨劑以分離弱堿性目標(biāo)成分)。進一步以水為提取溶劑與球磨產(chǎn)物混合再提取一定時間，對離心獲得的上清液進行酸化處理后再旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥，或不經(jīng)離心直接酸化處理后再離心收集并干燥沉淀以獲得目標(biāo)產(chǎn)物。影響MAE提取效率的主要因素有：球料比、助磨劑種類及其含量、球磨時間、提取時間、液料比、酸化pH值[4]。

2.2 技術(shù)特點

MAE主要在常溫下主要以水為提取溶劑，避免了活性成分的熱降解與傳統(tǒng)有機溶劑對環(huán)境的污染，反應(yīng)清潔、安全、效率高，可通過加入不同種類固相助磨劑選擇性分離目標(biāo)成分。但MAE常作為藥材有效成分提取的中間工藝，需對水提取分離的藥渣進一步結(jié)合下游有機溶劑提取工藝以獲得非極性活性成分[5]。此外，合理的工藝參數(shù)優(yōu)化模型與復(fù)雜機械化學(xué)反應(yīng)機理尚未明確，目前的研究僅限于實驗室小試研究，尚未進入工業(yè)化應(yīng)用階段[4]。

2.3 應(yīng)用舉例

MAE用于植物黃酮成分提取的報道最多[6]。如ZHU等[7]采用MAE從銀杏葉中提取銀杏黃酮并對比傳統(tǒng)熱回流提取效率。最佳工藝條件下，MAE的提取時間為30 min，提取溫度為室溫，提取溶劑為水，得率為(6.85 ± 0.02)mg/g；而傳統(tǒng)熱回流提取時間為240 min，提取溫度為70 ℃，提取溶劑乙醇溶液，得率為(6.43±0.05)mg/g，略低于MAE得率。張琦紅等[8]采用MAE實現(xiàn)了中藥苦參中黃酮成分的選擇性提取。因此，MAE提供了一種具有短提取時間、更低提取溫度和避免有機溶劑污染而替代傳統(tǒng)提取工藝的提取策略。

3 超聲輔助提取技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

超聲波輔助提取(Ultrasound-assisted extraction,UAE)是指將藥材放置在超聲換能器的超聲場中，利用超聲波帶來的振動加速被提取物擺脫固態(tài)基質(zhì)束縛，進而擴散到液態(tài)溶劑中，從而提高分離速率的一項提取技術(shù)。其原理主要是將超聲波振動帶來的空化效應(yīng)，強大的壓力使得植物的細(xì)胞壁瞬間破裂，促進細(xì)胞內(nèi)活性成分溶出。影響UAE提取效率的主要因素有：超聲波頻率與強度、超聲時間、提取溫度、溶劑類型[9]。

3.2 技術(shù)特點

超聲波在傳輸過程中，超聲波的部分能量被介質(zhì)與藥材吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起物料溫度升高產(chǎn)生熱效應(yīng)。大功率超聲熱效應(yīng)雖有助于有效成分地溶解，若不控制恒溫，可能會一定程度造成活性成分的破壞。此外空化效應(yīng)對溶劑水分子活化產(chǎn)生羥自由基，造成某些成分的氧化水解。因此，超聲提取維持物料的溫度控制在20～70 ℃范圍內(nèi)優(yōu)化溫度參數(shù)，對于還原性熱不穩(wěn)定成分，應(yīng)選擇更低的提取溫度，從而獲得最大提取率[10]。

3.3 應(yīng)用舉例

UAE的儀器裝置相對簡單、經(jīng)濟，成為了中藥提取的一種常規(guī)制備方法。UAE通常與色譜或質(zhì)譜串聯(lián)從而開展提取后續(xù)的質(zhì)量控制分析，如熱不穩(wěn)定青蒿素類成分的超聲提取與定量分析[11]。李易等[12]比較了傳統(tǒng)熱回流法和超聲法從金鈕扣花中提取揮發(fā)油，雖提取率相差無幾，但超聲法提取的樣品中總成分?jǐn)?shù)量和N-烷基酰胺類成分的數(shù)量遠(yuǎn)超于回流提取法。丹參主要水溶性活性成分丹酚酸的熱穩(wěn)定性較差[13]，采用UAE法在30 ℃低溫條件下提取25 min，丹酚酸B得率為33.93 mg/g，高于傳統(tǒng)熱回流提取工藝(28.76 mg/g)，同時避免了丹酚酸B分解為丹參素[14]。LI等[15]采用UAE結(jié)合綠色環(huán)保的膽堿類低共熔溶劑進一步提高了中藥黃柏中生物堿類成分的提取率與抗氧化活性。此外，UAE不受藥材中化合物極性、分子量大小的限制，廣泛適用于各類藥材，在中藥成分提取方面已得到工業(yè)級應(yīng)用。

4 高壓脈沖電場提取

4.1 技術(shù)原理

高壓脈沖電場(High intensity pulsed electric fields,HIPEF)是采用與容器絕緣的兩個電極通過高壓電流產(chǎn)生電脈沖使物料破壁的一種非熱加工或提取方法。目前，HIPEF的作用機理有著諸多假設(shè)，包括電崩解理論和電穿孔假說。電崩解理論認(rèn)為細(xì)胞膜在高壓電脈沖的作用下形成高電位差導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂。電穿孔理論是基于細(xì)胞膜的液態(tài)鑲嵌模型出發(fā)的，認(rèn)為生物膜結(jié)構(gòu)的不均勻性以及膜蛋白類似于半導(dǎo)體的特征，使得生物膜存在著動態(tài)的“導(dǎo)通”點，高壓脈沖電場在生物膜蓄積的能量可以高強度釋放并瞬時間擊穿生物膜系統(tǒng)，并強制打開蛋白質(zhì)通道，細(xì)胞膜失去半透膜的選擇透過性，促使細(xì)胞內(nèi)容物流出，細(xì)胞體破壁死亡。影響HIPEF用于中藥材有效成分提取效率的主要因素有：電場強度、脈沖數(shù)、液料比、溶液pH值[16]。

4.2 技術(shù)特點

HIPEF近年來最早應(yīng)用于液態(tài)食品非熱殺菌處理，主要用于食品加工領(lǐng)域。因其具有處理時間短、處理過程產(chǎn)熱小、不破壞活性成分、污染小等優(yōu)點逐漸應(yīng)用于中藥有效成分的提取。使用HIPEF法處理原料時，原料受到相同大小且均勻分布的電場強度處理，適用于能溶于水、乙醇等溶劑的各種中藥有效成分的提取。值得注意的是，當(dāng)電場強度過高或處理時間過長時，會對大分子化合物(大分子縮合物、生物酶等)的立體結(jié)構(gòu)造成破壞，引起溶解性降低故而影響提取效率[16]。

4.3 應(yīng)用舉例

HIPEF目前主流應(yīng)用于食品營養(yǎng)成分的提取與保存。RAHAMAN等[17]將其應(yīng)用到液體原材料杏汁中，經(jīng)處理后可以提高酚類、黃酮類與其它揮發(fā)性抗氧化熱敏性成分的含量與自由基清除活性，且對活性成分的功能結(jié)構(gòu)基團無顯著影響。ANDREOU等[18]將其應(yīng)用到半固體原材料橄欖油油渣中，發(fā)現(xiàn)HIPEF可以更高效地富集酚類化合物，富集時間從傳統(tǒng)方法的1 h縮短至12 min。葡萄籽中原花青素的穩(wěn)定性較差，李明月等[19]利用HIPEF法制備原花青素得率為8.23%，是常壓乙醇浸提的1.78倍。HOU等[20]從人參中提取人參皂苷，HIPEF僅需2 min而傳統(tǒng)熱回流提取需長達(dá)6 h。可見，HIPEF具有處理時間短、耗能低、提取率高的優(yōu)勢，并逐步應(yīng)用于中藥提取。

5 高靜壓提取

5.1 技術(shù)原理

超高壓(ultrahigh pressure,UHP)或高靜壓提取(high hydrostatic pressure extraction,HHPE)是指在室溫或稍高于室溫環(huán)境下以水、乙醇等液體作為介質(zhì)，通過增壓泵對密閉容器內(nèi)的物質(zhì)進行100～1 000 MPa加壓處理并維持一段時間，使植物物料內(nèi)外壓力達(dá)到平衡，然后迅速卸壓至常壓。在高壓差作用下，有效成分從藥材內(nèi)向周圍溶劑擴散的一項非熱提取技術(shù)。超高壓技術(shù)遵循兩個基本原理：勒夏特列原理和帕斯卡定律。根據(jù)勒夏特列原理，改變其壓強，則其體積也會產(chǎn)生相應(yīng)變化，所以如果對中藥進行加壓處理，則其體積會向最大壓縮體積進行改變，同時超高壓技術(shù)只作用于大分子物質(zhì)之間的非共價鍵等(范德華力、氫鍵、離子鍵等)，而對小分子物質(zhì)之間的共價鍵則沒有太大影響，因此果在冷藏或者室溫條件下進行超高壓處理可以有效避免熱提取會帶來的中藥有效成分的熱降解和活性改變等問題。根據(jù)帕斯卡定律，由于液體的流動性，當(dāng)對一密封容器內(nèi)的液體施加壓力時，壓強的變化將大小不變地傳遞到所有方向。所以在超高壓處理時，壓力的作用是同步的、均勻的，而不會受到處理中藥的形狀、大小等客觀因素的影響[21]。影響HHPE用于中藥材有效成分提取效率的主要因素有：壓力大小、保壓時間、升壓與卸壓時間、循環(huán)數(shù)、提取溫度、溶劑類型。

5.2 技術(shù)特點

HHPE最早用于食品的殺菌與貯存。HHPE儀器設(shè)備相對復(fù)雜，但操作時間極短，在密閉環(huán)境中沒有溶劑揮發(fā)。由于采用液體靜壓，如水分子的膨脹系數(shù)較小，與超臨界流體CO2相比，設(shè)備安全性遠(yuǎn)低于SFE。不足的是，超高壓破壞了大分子物質(zhì)之間的非共價鍵導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，因此不適于提取活性成分主要為蛋白質(zhì)或酶的動物類中藥[22]。

5.3 應(yīng)用舉例

中藥活性成分延胡索乙素為一種熱不穩(wěn)定成分，實驗溫度超過60 ℃時會加速延胡索乙素的氧化降解[23]。賀帥等[24]運用HHPE法提取中藥元胡中的延胡索乙素，僅用了30 s的提取時間，得率為0.596 mg/g，超出傳統(tǒng)回流提取率的25.2%。此外，人參皂苷在加熱條件下也會發(fā)生不同程度降解[25]。LEE等[26]在30 ℃實驗條件下采用HHPE提取鮮人參藥材得到的總皂苷含量為1.6 mg/mL，稍高于常規(guī)加熱提取獲得總皂苷濃度1.2 mg/mL，HHPE獲得39個揮發(fā)油類化合物，高于常規(guī)加熱提取得到的29個揮發(fā)油類成分。此外，HHPE法處理新鮮藥材還具有防腐防霉的作用。

6 真空提取

6.1 技術(shù)原理

減壓或真空提取(vacuum extraction,VE)是利用抽真空系統(tǒng)制造負(fù)壓條件，溶媒在負(fù)壓條件下沸點降低從而在較低溫度下使溶液處于沸騰狀態(tài)的提取方法。通過減壓處理，可以將水的沸點可以降低60 ℃以下或乙醇的沸點降低至50 ℃以下進行藥材提取，從而提高熱敏性成分的提取率。真空度、溶劑類型是VE用于中藥材有效成分提取效率的主要影響因素。

6.2 技術(shù)特點

由于常壓下沸騰處理的溶媒溫度高，夾帶的雜質(zhì)較多，因此VE提取的藥液也更加純凈[27]。雖然單純采用VE法提取中藥材的適宜用于熱不穩(wěn)定成分的提取，而熱穩(wěn)定成分的溶出率與上述其他方法相比效果較為局限。因此將VE與其他技術(shù)交叉結(jié)合進行優(yōu)勢互補，例如與超聲或微波提取技術(shù)相耦合，一方面克服了超聲提取無法加熱實現(xiàn)溶劑沸騰狀態(tài)的提取優(yōu)勢，另一方面降低溶劑沸點從而避免微波產(chǎn)生的高熱對熱敏性成分的破壞，從而進一步提高提取效率。

6.3 應(yīng)用舉例

羥基紅花黃色素A是中藥紅花的一種單查爾酮苷類活性化合物，熱穩(wěn)定性差[28]。劉濤等[29]采用減壓工藝提取羥基紅花黃色素A并比較傳統(tǒng)煎煮工藝，減壓提取轉(zhuǎn)移率為86.67%，高于常壓煎煮提取轉(zhuǎn)移率(66.79%)，且減壓提取能保持藥渣的完整性，減少了藥渣堵篩現(xiàn)象的發(fā)生率。李德海等[30]利用真空耦合超聲波提取龍牙楤木皂苷，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)超聲提取相比，真空條件可以縮短一半的提取時間，且真空耦合超聲波技術(shù)提取的龍牙楤木皂苷體外抗氧化和抑菌活性顯著高于常壓超聲輔助技術(shù)和溶劑提取技術(shù)制備的龍牙楤木皂苷。真空耦合超聲波非熱提取在實際生產(chǎn)中將帶來更廣泛的應(yīng)用。

表1 非熱提取方法技術(shù)特點與優(yōu)缺點比較

7 結(jié)論

“中藥綠色制造”成為了中藥制藥行業(yè)的新趨勢，非熱提取技術(shù)與傳統(tǒng)熱提取方法相比較，其主要優(yōu)點有操作簡便、耗時較短、安全，同時可以在稍高或低于室溫的條件下，用于提取中藥中具有熱敏性的活性成分時，對溶劑的要求也更加寬泛，各自的技術(shù)特點總結(jié)見表1。由于這些優(yōu)點的存在，使得非熱提取技術(shù)可用于提取更高濃度的目標(biāo)化合物，目前這些技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于諸多活性物質(zhì)如多酚、生物堿、皂苷、黃酮、揮發(fā)油、多糖等的提取過程。非熱提取技術(shù)的純凈、安全、保持有效成分活性、不易受熱分解、穩(wěn)定性強、提取率高，能夠提取生物活性更高以及質(zhì)量更佳的中藥提取物的特點，因而成為了中藥提取工業(yè)中一種具有相當(dāng)發(fā)展?jié)摿Φ母咝绿崛》蛛x方法。但是，某些新興的非熱提取工藝的提取反應(yīng)機理不明確，設(shè)備造假昂貴，維護成本較高，不同非熱提取工藝之間的提取物質(zhì)量差異大，提取量化難，常作為實驗室小試研究，難以大規(guī)模推廣普及。因此，非熱提取技術(shù)在中藥綠色制造的精細(xì)化、統(tǒng)一化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面任重道遠(yuǎn)。