超临界流体萃取技术在中药新药研发中的应用

发布：www.liulingling.com　来源：医学杂志

［摘要］介绍了超临界流体萃取技术在中药新药研发过程中的技术优势应用现状以及应注意的几个问题，同时
对该技术的应用前景和趋势作了简要阐述。
［关键词］超临界流体萃取(SFE)；中药新药；提取分离

    超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction，SFE)技术是20世纪70年代末80年代初发展起来的一项新型分离技术。
    虽相对于传统的分离技术起步晚，但是研究发展较快，应用日益广泛。由最初的萃取分离不断向其它诸多领域深入，如分离工程、反应工程、环境工程等。而今已勿庸置疑的成为中药新药研发中最重要的关键技术之一。

1　SFE 技术在中药新药研发中的应用
1 . 1 　在中药提取物( 有效部位)研究中的应用
    超临界流体萃取有效部位相关成果较多，往往提取物本身就是产品(标准提取物)，只要达到标准，便可进入市场。
1.2 在中药化学成分( 组分) 研究中的应用
    超临界CO2 萃取（SFE-CO2）技术进行中草药化学成分的研究，与传统溶剂法比较，可在简化提取分离工艺的同时得到一些传统方法得不到的组分，而对有效成分的萃取率大大高于传统提取法，对中药化学成分(组分)的研究有着积极的意义。
    在红豆杉紫杉烷类化学成分的研究中，进行红豆杉中紫杉烷类成分的提取分离，传统的植物化学分离要得到单体难度大、步骤繁琐。此过程中，要用多种有毒有机溶剂。而用SFE-CO2 对云南红豆杉(Taxusyunnensis)的化学成分进行3 h 提取所得粗浸膏，只需进行一次硅胶柱层析就能得到6个紫杉烷类单体和2 个其它单体，UV、IR、1H-NMR 和13C-NMR、MS等光谱分析和化学鉴定为紫杉醇(taxol)，taxuchin A，taxinineE，taxinine J，baccatin，1-hydroxybaccatin 及β - 谷甾醇和硬脂酸-1- 甘油酯。
    在姜黄(Curcuma longa)油化学成分的研究中采用SFE-CO2 技术，对所得的姜黄油进行GC / MS分离鉴定，确定了包括姜黄酮在内的26 个成分。
    在进行中药挥发油或脂肪油化学成分的研究中，采用SFE-CO2技术得到总成分后，直接进行GCMS-计算机联用技术分析，即可分析鉴定油中化学成分。采用SFECO2 技术提取黄花蒿、当归等挥发油，能提取分离出水蒸汽蒸馏法提取不出的成分。
1 . 3 联用技术的应用　
    单独采用SFE技术往往满足不了高纯度的要求。为此，人们进行了工艺改造，开发了SFE 技术与其他分离手段的联用。
    美国Schaeffer 等人用SFE技术从豆科植物美丽猪屎豆种子中萃取得到纯度为50% 单猪屎豆碱，然后结合阳离子交换树脂进行分离纯化，可将纯度提高到95%。意大利的Fabio 等人采用浓缩富集、离心分离、冷冻干燥等工艺从苜蓿中分离得到富含胡萝卜素和叶黄素的浓缩物，而后联用SFE 工艺，分别得到胡萝卜素和叶黄素。采用国产10L × 2SFE-CO2 装置及平板超滤器等联合生产工艺设备，以含量为10%～14% 的银杏黄酮粗品为原料，经联合工艺处理，得到黄酮含量大于30%、内酯为6%～8% 的产品。经检测，产品各指标均能达到国际质量标准。从银杏中提取银杏黄酮的方法中，单一溶剂法产物有残留，纯度难以提高，纯化工艺复杂，成本高；而单一SFE-CO2 法提取率低。如联合应用溶剂法和SFE-CO2法，则可避免和克服二者存在的问题和困难，省时省料，大大降低了生产成本。
    从获取蒜油的得率和品质上讲，SFE-CO2 法是最有效的，但就工业化而言，操作技术上有难点，大蒜头在高压萃取釜中难以实现连续加料，浆状蒜泥粘度大，且蒜头规模化打浆属放热过程，蒜素损失严重。臧志清等提出，由溶剂浸出与SFE-CO2 提纯结合提取的工艺。先用乙醇浸出，获取大蒜浸出液，再经SFE-CO2连续萃取分离大蒜精油，实现连续稳定的高压萃取操作。
1 . 4 在复方中药新药研发中的应用
    中药复方是传统中药的最主要的、也是中药与国际接轨难度最大的部分。迄今大量的研发工作几乎都集中在单味药物的提取方面，而中药复方由于其成分多而复杂，且各成分之间可能存在协同或拮抗作用，药理作用复杂。因此，利用SFE 技术研究复方难度较大，国内的研究报道也很少。但可以预计采用种分离技术能为中草药应用开辟出更为广阔的新领域。
    在对几味单方中药SFE 技术研究( 包括药效学) 的基础上，用SFE 技术对结合传统中医理论组成的复方新药研发过程中，葛发欢等人首次用SFE-CO2 技术对中药复方进行研究，并发现在合适的SFE-CO2 参数条件下，按处方比例混合四味中药一起提取，四味中药中的有效成分均被提出，有效部位( 浸膏) 收率比单味提取有所增加，复方浸膏收率比单味浸膏收率高。这有可能是因为复方提取时，一些中药成分的提取由于互溶作用，促进其它中药成分的提取。按照此类中药复方的传统用药和提取方法，进行了该复方的传统提取，发现此复方浸膏的收率比SFE 高0.34 倍，然而其中有效成分，比SFE 低近40倍。这说明传统复方提取杂质多，有效成分少，外观颜色差，且批与批间重复性较差，而复方的SFE，有效成分高度浓缩，杂质少，外观颜色较好，各批次之间重复性较好；药效学证明该复方的SFE 有效部位，具有传统中医所要求的药效，且复方后具有协同补充效果。
    研究证明，中药复方的研究与开发可以应用SFE 新技术，是改进中药复方生产工艺的有效途径，其工业化应用将有可能对中药复方的提取带来革命性的进展。
1 . 5 在中药质量标准化研究中的应用
    质量标准是影响中药进入国际市场的又一重要因素。采用先进、准确的分析方法进行中药质量控制有利于中药现代化。
曾有报道，分析型SFE-CO2 或超临界色谱用于药物分析具有省时、样品用量少、条件易于控制、不分解、不污染样品等优点，特别是能从复杂组分中分离、鉴定痕量组分。因此，对成分复杂的中药特别是复方中药的分析尤为适用。特别是它应用于分析更能为准确客观评价所要分析的有效成分的含量。

2　SFE 技术在中药新药研发过程中的应用局限性及应注意的问题
2 . 1 在中药新药研发过程中的应用局限性　
    当然SFE 技术对中药的活性成分提取也不是万能的，它同样具有自身固有的局限性：
2.1.1 SFE 技术的普适性不好。
    由于CO2的非极性和低分子量的特点，SFE-CO2 主要适合那些非极性或弱极性、分子量小的物质(如油脂、挥发油等) 的萃取。对于极性强、分子量较大的物质(如多糖类、皂苷类、黄酮类等) 的萃取，则有难度，要加提携剂或较高压力下分段进行萃取。不过国外已有报道应用全氟聚醚碳酸铵(PEPE)使SFE技术扩展到水溶性体系，使难以提取的强极性化合物如蛋白等由SFE 萃取。
2.1.2 萃取过程中的装卸料未实现
    连续化生产。中草药原料多为固体（切制成片状或捣碎成粒状等），装卸料多采用间歇式。同时萃取产物的收集必须在无菌箱中进行，为防止交叉污染，更换产品时，装置的清洗尤为重要，也较为困难，故存在萃取装置的转产问题。所以，在萃取过程中，装卸料的连续化生产成为有待解决的问题；
2.1.3 设备造价昂贵，一次性投资大。建一套500L× 3的国外进口超临界装置大约4 000 多万~5 000 万元，建一套1500L × 3 的超临界装置大约8 000 多万~1 亿元，实际投资还要更高。这导致产品成本较高，工业化普及困难。
2 . 2 在中药新药研发过程中应用应注意的问题　
    SFE 技术是一个非常新的、受到国内外高度重视的分离提取技术，但不是一项万能技术。这是所有从事这项技术研究开发的科技术工作者必须面对的现实。鉴于该技术还存在以上缺陷，在中药新药研发应用过程中应注意以下几方面的问题：
2.2.1 对癌症和心脑血管等疾病有显著疗效的多糖类、皂苷类、黄酮类等的提取，SFE-CO2 技术几乎无能为力，这种尴尬局面促使人们大胆地将SFE-CO2技术的长处与其它方法有机结合，从而取得了各种联用技术的成功。因此进一步开发和完善SFE-CO2和各种分离手段的联用技术，对于促进SFECO2 技术应用的发展具有重要意义。
2.2.2 在中药新药研发过程中，中药超临界萃取对象的多种多样，选择应视情况而定。从学术或科技立项的角度，应该是没人做过或有人做过但有创新的品种。从经济角度考虑，要有市场，要考虑成本，要符合药政要求。目前，搞中药标准提取物、中间体，用于出口，或注册后于国内销售；对现有品种进行二次开发，改革工艺；从头到尾采用该技术进行新药研发，根据新药的特点，这是难度最大，也最有竞争力的选择。这都是较好的研究方向。
2.2.3 虽然很多中药的超临界CO2萃取物可直接应用于中药制剂，也确实能解决质量、剂量、疗效等问题，但是在中药新药研发过程中，还是应以药理活性和药物疗效为核心。不能将所有的萃取产物均视为有效成分。如有研究发现，超临界CO2 容易萃取出的地肤子油抗菌效果不明显，而有效成分是在萃取出油之后加入乙醇作提携剂提出的部分。
2.2.4 迄今为止，可以说大量的工作都是集中在单味药物的提取方面，这显然与传统中药以复方为主的事是极不相称的。中药或中药复方是一个复杂体系，很多时候是多成分、多靶点起作用，而进行中药的超临界萃取时，不能将其中的一个部位代表该中药的全部有效部位。今后在复方提取或分组提取方面的工作，将是一个很有意义的方向。
2.2.5 在应用SFE技术进行中药新药研发过程中，无论是简单实验，或是单因素实验、正交实验，都要有考查指标，不能仅以指标性成分的得率或含量作为提取效果的判断指标，还要兼顾指标性成分与药理疗效的相关性。判断中药SFE 效果最好的方法是药理临床效果，药理的配合是超临界CO2萃取中药新药研发最好的方法。如：丹参酮类，当用作抗肝炎时，丹参酮ⅡA 就不是有效成分。
2.2.6 提携剂使用范围越来越宽，装置腐蚀问题应引起重视。不锈钢设备的腐蚀常为局部腐蚀，当处于钝态和活态边缘，在含有卤素离子的提携剂中可能产生孔蚀，在含有对应力腐蚀敏感离子(如Cl－、OH－等)的提携剂中，受应力的部分(如焊缝附板)则可能产生应力腐蚀。
2.2.7 由于天然药物种类很多，分子结构颇为复杂，其蒸汽压、粘度、表面张力等物系参数积累甚少，物系的溶解度曲线、状态方程与高压下的相平衡图等均需建立，所以超临界CO2 萃取的基础研究应予以加强。
2.2.8 在工业化方面，尽管目前在实验室已取得了大量的研究成果，然而要将这些初步成果转化为现实的生产力，还有许多问题需要解决。如将实验室的新的超临界CO2萃取物让中药学家进行必要的药理药效实验，并建立与之相应的质量标准体系，这就需要两类科学工作者之间建立良好而密切的联系；对于基础研究和化学工程方面，要力求能对获取目标成分的可能性进行良好的预测，能设计出最经济、最高效的工艺流程，能找到与其他方法最佳搭配的结合点。

3　SFE-CO2技术在中药新药研发过程中的应用前景和趋势
    SFE-CO2 技术是一项有生命力的技术，将会为种类繁多、组成复杂、性质差异很大的中药有效成分的提取提供一条新的途径，随着入世的深入，国际市场对中药标准提取物、中间体的需求越来越广泛，可以预计，将给超临界CO2 萃取进行的中药标准提取物或中间体带来更广阔的市场空间。就中草药原料而言，SFE 能用于各种植物固体原料和常规提取后的固体及液体粗品原料；就提取对象而言，可用于挥发油、各种含氧化合物[ 如醇、醛、酚、酮、酸、( 内) 酯等] 、色素及生物碱等的提取、各种常规提取粗品的纯化及去除有机溶剂和有害杂质。
SFE所具备的这些优点是其他现有各种方法无法比拟的，其萃取中药的优势及中药现代化的客观需求决定了该技术在中药研究开发及产业化中具有的广阔前景。在国外，特别是在日本，经过20 世纪80 年代的大量应用后，目前这一技术已在中草药研究和生产的许多方面得到了应用。
    近年来在我国，继其成功用于食品和香料的提取之后，SFE具备的良好设备和技术背景，利用SFE 技术对中草药的研究和开发也取得了很大进步，发展迅速。这一新技术在中药学领域正受到前所未有的普遍重视，早期萃取科学工作者与中药科学家正紧密地走到一起，已对近百种中药原料进行了实验室小试研究和近20 个品种的中间放大实验，有些产品已经走向工业化应用。国产SFE-CO2 设备已研制成功，具备生产分析型和生产型两档SFECO2 设备的能力。研究和开发出的成熟的SFE-CO2工艺技术(软件)的中草药有：银杏叶、金银花、紫草、紫杉、沙棘油、牛膝、乳香、没药、月见草、黄花蒿、白芍、生姜、当归、珊瑚姜、石菖蒲、飞龙掌血、长春藤、茵陈、光菇子、大蒜、木香等近30 种。同时国家的产业政策推进了该技术的的研究，如鼓励采用该技术进行新药的研究或二次开发、对一些提取物或中间体将采用简化注册的方式等。这将更加有利于该技术在中药中的产业化。
    就国产设备研发与工业化应用而言，应加强基础理论和化学工程方面的研究，完善和丰富超临界条件下各种物系的相平衡、物理化学和传热传质等数据，预测和建立起有关超临界萃取过程的热力学和动力学模型。在计划产业化之前，针对被开发对象的特点，深入做好应用基础研究和全面的优化设计，综合评估产品质量、环境影响、生产成本等各方面优势，兼顾该技术的适用性、安全性、节能性以及是否符合GMP 要求，将SFE 技术与其它分离技术集成。随着基础研究与应用研究的不断深入，国产化设备质量的进一步提高，中医药界与相关工程技术领域的专家强强联手、协同攻关，超临界萃取技术必将大量服务于中药的产业化、中药的现代化、中药的国际化。

作者:王承智，石荣，吴志宏，胡筱敏
来源:中药研究与信息

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