離子液體提取中藥有效成分的研究進展

李 嫚 朱 鑫 曾華輝 武香香

(河南中醫藥大學中醫藥科學院,鄭州,450046)

中藥化學成分復雜多樣,在提取分離環節普遍存在提取周期長、提取效率低、有機溶劑用量大、污染環境等問題,嚴重制約其發展和應用。因此,改進和優化中藥化學成分的提取分離技術是促進其健康可持續發展的關鍵。近年來,離子液體因其結構可調及其在中藥化學成分提取中的優勢而受到廣泛關注。本文將萃取中藥有效成分的常規方法、離子液體的特性、分類、萃取機制以及離子液體萃取中藥有效成分等方面介紹如下。

1 萃取中藥有效成分的常規方法

1.1 中藥有效成分提取的傳統方法 傳統中藥提取法有:升華法、壓榨法、溶劑提取法、水蒸氣蒸餾法,其優點及不足見表1[1]。

表1 各種萃取技術的特點

綜上所述,中藥傳統提取方法雖具有操作簡便、價格低廉等優點,但仍存在以下不足:1)有效成分損失較多,尤其是水不溶性成分;2)提取過程中有機溶劑有可能與有效成分作用,使其失去原有效用;3)非有效成分不能被最大限度地除去,濃縮率不高;4)提取液中除有效成分外,往往雜質較多,尚有少量脂溶性成分,不利于精制;5)高溫操作會引起熱敏性有效成分的大量分解。因此,中藥傳統提取方法已經不能滿足現代發展的需要。

1.2 中藥有效成分提取新技術 近年來,中藥有效成分提取的新技術層出不窮。主要包括:酶提取法、單滴微萃取法(Single Drop Microextration,SDME)、超臨界流體萃取法(Supercritical Fluid Extraction,SFE)、超聲波提取法、微波萃取技術、固相微萃取技術等[2-4]。見表2。

表2 各種萃取技術的特點

新興萃取技術大多具有工藝簡單、高效省時及溶劑用量少的優點，但其存在諸如設備復雜、運行成本高、有機溶劑易污染等問題，使其發展和應用受到限制。離子液體無污染、不易揮發、穩定性好、節約能源的優點，使其可以作為傳統有機溶劑的替代品提取中藥有效成分，擴大新興萃取技術的應用范圍。

2 離子液體的特性

離子液體(Ionic Liquid,IL,又稱室溫離子液體)由陰、陽離子構成,黏度高、密度大,在室溫或接近室溫附近溫度下呈液態。其密度與結構密切相關,一般會隨陰離子體積的增加而增大,隨陽離子體積的增大而減小;而其黏度主要受氫鍵、范德華力及靜電作用影響,一般烷基鏈較長、支鏈較多的離子液體黏度較高。與傳統有機溶劑比較,離子液體具有顯著優勢。見表3。

表3 離子液體與傳統有機溶劑的比較

3 離子液體的分類及其萃取機制

3.1 離子液體的分類 離子液體種類繁多,可將其根據不同條件進行分類[16-18]。根據陽離子的種類可分為吡啶類、咪唑類、季銨類和季磷類等,其結構見圖1。根據陰離子的種類可以分為BF4-、BF6-、CH3COO-、HSO4-、NO3-、Br-等。根據溶解性可分為:親水性離子液體和疏水性離子液體。(陰離子組成是決定離子液體溶解性的關鍵因素。一般來說,若陰離子組成為BF4-,則水溶性較好,且溶解能力會隨著烷基碳鏈的延長而增強;若陰離子組成為BF6-,因其與水之間很難形成氫鍵而呈疏水性。)

圖1 離子液體的分類

3.2 離子液體的萃取機制 離子液體的萃取機制主要體現在兩方面:其一,離子液體通過與個別基團發生諸如氫鍵作用、疏水作用、偶極相互作用和靜電作用等分子間作用力而實現萃取;其二,疏水性離子液體可通過改變其陰陽離子組成調節其疏水性實現目標化合物的有效溶解。

4 離子液體萃取中藥有效成分

近年來,離子液體萃取技術在中藥研究領域的應用越來越受到關注,以下主要介紹微波輔助萃取、超聲輔助萃取、雙水相萃取此3種萃取方式。

4.1 離子液體-微波輔助萃取

微波輔助萃取(Microwave Assisted Extraction,MAE)是指在目標化合物的提取過程中(或提取的前處理)加入微波場,利用微波場的特點來強化有效成分浸出的新型提取技術。在微波場中,被輻射物質的極性分子可快速轉向并定向排列,由此產生的撕裂和相互摩擦將引起物質發熱,從而產生強烈的熱效應。且在微波場中,介電常數不同的物質對微波能的吸收程度不同,利用這種差異可使萃取體系中的某些組分被選擇性加熱,從而使被萃取物質分離出來,進入到介電常數較小、微波吸收能力相對較差的萃取劑中。一般來說,溶質和溶劑極性越大,吸收微波能的能力越強,溫度越高,萃取率越大。微波輔助萃取具有加熱均勻、熱效率高的優勢,而微波場中的離子液體具有較強的吸收能力和熱轉換能力,因而,基于離子液體的微波輔助萃取有利于高效萃取中藥中的化學成分,如黃酮類、萜類、醌類、生物堿類等化合物。

4.1.1 黃酮類化合物 離子液體微波輔助萃取技術在黃酮類化合物中的萃取效果見表4。

表4 IL-微波輔助萃取技術在黃酮類化合物的應用

4.1.2 萜類及醌類化合物 FAN等[25]應用IL-微波輔助萃取技術萃取大黃中的大黃素和大黃酸。經對比研究,選擇1-丁基-3-咪唑甲磺酸鹽([BHim]MeSO3)為萃取劑。在最佳提取工藝下,大黃素和大黃酸的提取量分別為7.8、4.0 mg/g,是84%甲醇微波萃取的4倍。陳嘉曦和李尚德[26]采用MAE對穿心蓮中的穿心蓮內酯和脫水穿心蓮內酯的萃取進行研究。考察了溫度、時間、比較和原藥粒徑等因素對萃取效果的影響,且與傳統溶劑回流萃取法(Hot Reflux Extraction,HRE)進行比較,發現當以[Bmim]Tf2N為萃取劑,固液比1∶10,80 ℃萃取3 min,脫水穿心蓮內酯和穿心蓮內酯的萃取率分別為4.76 mg/g和16.08 mg/g;與HRE比較,萃取率分別提高33%和38%。

4.1.3 生物堿類化合物 吳玉花等[27]以5種咪唑類離子液體([EMIM]Ac、[BMIM]Ac、[HMIM]Ac、[OMIM]Ac、[DMIM]Ac)為萃取劑萃取黃連中的小檗堿,分別考察提取過程中離子液體種類及固液比、溶液pH、微波時間、微波功率等工藝條件對提取效率的影響。結果顯示,當以0.5 moL/L[OMIM]Ac為萃取劑,固液比1∶70,溶液pH 4.0,微波時間8 min,提取溫度60 ℃,微波功率300 W時,小檗堿的提取率最高可達58.9 mg/g。

4.1.4 其他類化合物 呂思雨等[28]選擇5種離子液體([C4MIM]BF4、[C6MIM]BF4、[C4MIM]Br、[C6MIM]Br和[C8MIM]Br)萃取厚樸中的厚樸酚與和厚樸酚。研究發現,當陰離子為Br-時,目標化合物的萃取率隨著烷基碳鏈的延長而增加——這可能是因為隨著烷基鏈的增長,IL與目標化合物之間的疏水作用和π-π堆積作用增強,有利于目標化合物的析出。當選擇0.28 g[C8MIM]Br為萃取劑時,厚樸酚的提取率為5.19 mg/g,和厚樸酚的提取率為3.54 mg/g。比較于傳統熱回流提取法和超聲提取法,不僅減少了萃取劑的用量,還縮短了萃取時間。楊玉良等[29]以[Bmim]Br為萃取劑,萃取秦艽中的獐牙菜苷、龍膽苦苷及獐芽菜苦苷。結果表明,在5 g秦艽與25 mL甲醇的混合溶液中加入5 g[Bmim]Br,微波功率300 W,提取溫度65 ℃,萃取15 min,萃取效果最好;在此條件下,三者的萃取量分別可達0.399 mg/g、0.338 mg/g和15.845 mg/g。

4.2 離子液體-超聲輔助萃取

超聲波輻射壓強可產生強烈的空化效應、機械效應和熱效應。超聲輔助萃取(Ultrasound Assisted Extraction,UAE)借此增大分子間的碰撞頻率,增加溶劑的穿透力,從而加速目標化合物進入溶劑,縮短萃取時間,提高萃取效率。超聲波的空化作用,使UAE具有相間傳質速率快、提取溫度低的優點;而離子液體具有不易揮發的特性,故基于IL的UAE有利于中藥化學成分的快速高效提取。

4.2.1 黃酮類化合物 離子液體超聲輔助萃取技術在黃酮類化合物中應用較多,其萃取效果見表5。

表5 IL-超聲輔助萃取技術萃取黃酮類化合物

4.2.2 萜類及醌類化合物 LIU等[38]采用離子液體-超聲輔助萃取技術提取八角石斛中的2種三萜類成分。通過對比不同離子液體的萃取效果,選用[BMIN]BF4/70%乙醇溶液為最佳萃取劑。在最佳條件下,2種三萜類化合物的總萃取量和萃取率分別為288.03 mg/g、28.80%,比70%乙醇(220 mg/g、22.0%)提取時高出6.80%。楊紅帥等[39]建立了離子液體-超聲輔助萃取茜草素與大葉茜草素的方法。對比不同IL發現,當以0.6 moL/L[HMIM]PF6甲醇溶液為萃取溶劑、固液比為1∶80(g/mL)時具有最高的萃取率,得率分別為0.030%和1.10%,明顯高于甲醇溶劑萃取的0.012%和0.546%,是其萃取率的2倍多高。且在該條件下茜草素進樣量在0.01～0.04 μg呈良好的線性關系(r=0.999 9),平均回收率為97.12%;大葉茜草素進樣量在0.41～1.35 μg呈良好的線性關系(r=0.999 9),平均回收率為98.10%。

4.2.3 生物堿類化合物 張小梅等[40]分別[BMim]Br、[BMim]BF4、[HMIm]BF4、[OMIm]BF4、[BMim]PF6、[HMIm]PF4為萃取劑,萃取昆明山海棠中生物堿成分。研究結果表明:雷酚內酯和雷公藤醌A的最佳萃取溶劑為0.6 moL/L[BMim]PF6甲醇溶液,在最優條件下二者得率分別為35.13 μg/g和86.77 μg/g;而雷公藤晉堿、雷公藤堿庚和雷公藤次堿的最佳萃取溶劑為0.6 moL/L[BMim]PF6無水乙醇溶液,在最優條件下得率分別為804.44 μg/g、77.93 μg/g和365.16 μg/g。該方法結合離子液體和超聲波提取法的優勢,有效的測定了昆明山海棠中5種活性成分,且方法穩定、簡單、綠色環保。

4.2.4 皂苷類化合物 吳謙等[41]建立了一種綠色、快速、高校萃取和富集中藥急性子中4種鳳仙萜四醇皂苷的方法。采用離子液體并結合超聲輔助萃取急性子中的化學成分,利用固相萃取小柱富集提取液中的鳳仙萜四醇皂苷。通過考察離子液體種類及用量、pH值、超聲時間、固相萃取劑和洗脫劑等實驗條件對提取率的影響,確立了最優萃取劑為[C6mim]Br,最優萃取條件:萃取劑用量為0.9 mL,提取液pH=7.0,超聲為30 min,最優富集條件:固相萃取小柱填料為0.9 g CHP20/P120,上樣流速為1.5 mL/min,洗脫劑為1.5 mL甲醇。在最優條件下,4種鳳仙萜四醇苷加標回收率在92.1%～108.2%之間,相關系數范圍為0.994 5～0.997 5,檢出限范圍為1.8～4.5 μg/mL,相對標準偏差(Relative Standard Deviation,RSD)<3.9%。本方法與傳統回流提取方法提取效果接近,可準確測定急性子中4種鳳仙萜四醇苷含量。

4.2.5 其他類化合物 李曉嚴等[42]分別以[Emim]Cl、[Emim]Br、[Emim]BF4、[Bmim]Cl、[Bmim]BF4、[Hmim]BF4的醇溶液為萃取劑,超聲波萃取梔子中的西紅花苷。研究發現,當陰離子為BF4-時,萃取效果明顯高于其他2種陰離子;當烷基鏈由C2增加到C4時,西紅花苷的提取率逐漸增加,而當增加到C8時萃取率明顯下降。這可能是因為:1)BF4-的親水性較其他2種陰離子高,從而使親水性的目標產物更容易溶出;2)離子液體黏度隨烷基鏈的延長而增大,因而不利于西紅花苷的溶出。當以0.8 moL/L[Bmim]BF4/70%乙醇溶液為提取溶劑,料液比1∶20,超聲40 min,提取率可達1.13%,比同等條件下70%乙醇的提取率(0.85%)高出0.23%。林志鑾等[43]應用離子液體-超聲輔助萃取技術提取白花葛莖中的多糖。通過掃描電鏡發現,離子液體對白花葛莖表面具有較強的破壞能力,其對細胞壁中的纖維素具有降解作用,導致纖維素分子發生斷裂而使其溶解,進而使細胞內的多糖更容易釋放出來。當選用6%的[Bmim]PF6為萃取劑時,僅3 mL,白花葛莖多糖的提取率就可達22.53 mg/g。SHI等[44]采用離子液體-超聲輔助萃取技術提取補骨脂中的7種有效成分。通過比較不同離子液體對提取總量的影響,最終選用[HMIM]PF6/70%乙醇溶液為萃取劑。最優工藝下,補骨脂中7種有效成分的總量達18.89 mg/g,高于75%乙醇溶劑萃取(萃取總量為14.72 mg/g)。蘆歡等[45]分別以[BMIM]Cl、[BMIM]BF4、[HMIM]BF4、[BMIM]PF6、[HMIM]PF6為萃取溶劑,萃取川芎中的阿魏酸。研究結果表明,[BMIM]BF4提取阿魏酸的效率最高:一方面是因為隨著BF4-、Cl-、BF6-3種陰離子親水性的降低阿魏酸的萃取率逐漸下降;另一方面則是較長的烷基鏈容易產生空間位阻效應,阻礙了阿魏酸與離子液體間的相互作用,進而導致其萃取率下降。當以1.0 moL/L[BMIM]BF4為萃取劑時,阿魏酸的提取率為0.0733%,是傳統溶劑超聲提取法(60%乙醇提取率為0.032 7%)的2倍多。MA等[46]采用[C12MIM]Br的水溶液萃取五味子中的木脂素。結果顯示,該方法所得的木脂素含量是回流提取的3.5倍。

此外,還有人選擇選用超聲-微波協同萃取法提取中藥化學成分。該方法克服了單一超聲和微波萃取的不足,實現了對固體樣品快速、高效的處理。如張露月等[47]采用超聲-微波協同萃取法萃取金釵石斛中的總黃酮和石斛堿。通過考察不同離子液體、微波功率、提取時間及料液比對金釵石斛總黃酮和石斛堿提取率的影響,確定最佳萃取條件為1.0 moL/L[Bmim]BF4、微波功率328 W、提取時間185 s、料液比1∶22;并與傳統加熱回流比較,在最佳萃取條件下,協同萃取得到的金石斛總黃酮和石斛堿的含量均明顯提高,且提取時間由90 min縮短到185 s,達到了高效、省時的提取效果。

4.3 離子液體雙水相萃取

離子液體雙水相系統一般是由親水性離子液體、水和無機鹽(常用的有KH2PO4、(NH4)2SO4等)組成。與傳統聚合物雙水相系統比較,該系統中的離子液體易于跟目標分子發生氫鍵作用,使其選擇性萃取能力增強。因此基于離子液體的雙水相萃取有利于中藥化學成分的高效提取。

4.3.1 苷類化合物 李納[48]采用離子液體[Cnmim]BF4(n=2、4、6、8)與Na2SO4、(NH4)2SO4組成的雙水相體系萃取紅旱蓮中的金絲桃苷。研究發現,[C8mim]BF4—(NH4)2SO4組成的雙水相體系萃取效果最佳,可達96%。究其原因:一方面是因為陽離子烷基側鏈的增長導致離子液體疏水性增強,有利于金絲桃苷的萃取;另一方面則是因為(NH4)2SO4呈弱酸性,根據“相似相溶”的原理,更有利于金絲桃苷的萃取。

4.3.2 皂苷及萜類化合物 JI等[49]采用離子液體-原位堿性雙水相體系萃取甘草中的三萜皂苷。通過對比,確定最佳萃取溶劑為[C4MIM]BF4;在優化條件下,提取效率及純化度分別達26.0 mg/g、81.5%。與傳統萃取方法比較,該方法獲得了更高的提取效率及三萜皂苷的總純化度。張喜峰等[50]以[Bmim]Cl—KH2PO4組成的雙水相體系為萃取劑,萃取分離鎖陽中的熊果酸。通過考察粗提液質量分數、pH、NaCl質量分數對鎖陽熊果酸萃取率的影響,確定其最佳萃取條件為:雙水相組成為25%[Bmim]Cl-21% KH2PO4、8.5%粗提液、1% NaCl、pH值4.7,在此條件下,熊果酸的萃取率可達97.85%。

4.3.3 其他類化合物 馮吉等[51]分別采用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)與[C4MIM][BF4]、[C6MIM][BF4]、[C8MIM][BF4]組成的雙水相系統提取虎杖中的虎杖苷及白藜蘆醇。研究發現,當以400 μL[C4MIM][BF4]-0.16 g SDBS組成的雙水相系統為萃取劑時,虎杖苷和白藜蘆醇的含量最高,可達37.78 mg/g和6.06 mg/g。曾杰等[52]分別采用[C2mim]Cl、[C4mim]Cl、[C6mim]Cl與K2HPO4形成的雙水相系統萃取無花果蛋白酶。在最佳萃取條件下,無花果蛋白酶酶活回收率為92.64%。初正帥等[53]通過用15種不同的離子液體與13種不同的無機鹽的結合篩選,發現離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽對桑葉多糖有很好的提取效果。并通過單因素試驗和響應面設計最終確定最佳工藝為:0.000 3 moL/L離子液體,料液比1∶20(g/mL),于76 ℃提取109 min。LI等[54]采用離子液體-雙水相體系萃取五味子中的木質素。產率由原來的8.73 mg/g提高到10.44 mg/g。蘇文斌等[55]采用[BPy]Br與K2HPO4形成的雙水相體系萃取姜黃中的姜黃素類化合物。在最佳萃取條件下,姜黃素的萃取率是傳統熱回流提取法(0.042%)的100多倍高。

綜上所述,離子液體尤其是咪唑類離子液體作為提取劑對于中藥中許多活性物質均有較好的提取效果,如黃酮類、萜類、醌類、生物堿類等化合物。相對于水、甲醇、乙醇等常規溶劑,咪唑類離子液體在中藥有效成分提取方面具有較大優勢,其作為萃取劑的提取率比常規溶劑的提取率高出不少,且耗時短。這是因為咪唑環2位上的C-H基團是主要的氫鍵酸性位點,其能夠與提取物中的氫鍵堿性位點發生氫鍵相互作用,從而促進目標化合物的溶解和萃取。因此,針對目標化合物的結構特點選擇適宜的離子液體是實現高效萃取的前提,研發更多適應于不同中藥有效成分的新型咪唑類離子液體也將是今后研究工作的主要內容。

5 離子液體在萃取中藥有效成分中存在的問題

雖然離子液體具有諸多優點,可以替代傳統有機溶劑應用于中藥有效成分的提取,但仍存在亟須解決的問題。

5.1 IL液體黏度較高,傳質阻力大 大多數IL具有較高的黏度,阻礙了IL對活性分子的溶解能力,影響了傳質速率。對此可通過增加有機溶劑降低黏度,從而改善活性物質在IL中的溶解度。如YANG等[56]通過對比己二酸二甲酯(DMA)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亞砜(DMSO)對離子液體黏度的影響,發現DMF降低黏度的作用更顯著,DMA次之;且少量的DMF即可將黏度顯著降低到原來的一半。

此外,由于離子液體的黏度隨取代基碳鏈的延長、烷基支鏈的增多而增大。因此,可選擇合適碳鏈長度的陽離子,設計出適宜的新型低黏度IL。

5.2 提取過程中IL的流失 大多數IL在水中具有良好的溶解性,使用過程中可能會有一部分流失到環境中,從而對環境造成污染。不同IL具有不同的毒性,通常咪唑基IL的生物降解能力較差,存在潛在的毒性[57]。因此,應開發毒性低、生物降解好的IL,對于IL流失問題,可通過吸附或共價鍵將IL負載在固體惰性載體上,減少其流失。

6 結語

離子液體中陰陽離子的可設計性是其優異理化性質和特定生物活性的決定性因素,更是其應用領域不斷擴大的主要驅動力。隨著對離子液體結構和功能的研究,其在生物醫藥研究領域中的應用不斷深化。目前,離子液體已經成功應用于藥學研究的多個方面并表現出傳統方法不可比擬的優勢。離子液體特別是新型手性離子液體能有效地促進多種反應的進行,顯著提高反應收率和選擇性,在中藥有效成分的提取和分離方面具有良好的應用前景。因此,設計合成新型功能化IL,解決IL在應用中存在的一系列問題,并將其與各種萃取分離手段聯合應用,構建新型萃取分離技術,對于中藥資源的開發利用具有重要的科學意義。

利益沖突聲明:無。