生物碱的提取和分离方法综述
B11070609 黄秀静
摘要
生物碱是一类具有生理活性的物质，是许多药用植物的重要有效成分之一。一些生物碱因其具有抗肿瘤、抗癌、低毒、低成本的特点,最近已经成为人们研究的焦点。利用现代分离技术把生物碱从天然产物中分离出来并对其进行纯化, 对于开发其药用价值, 以满足天然药物和天然保健品日益高涨的社会需求, 促进中药走向世界, 提高天然产物的经济和社会效益均具有非常重要的意义。
关键词：生物碱;药用植物; 有效成分;提取;分离纯化技术
生物碱是自然界中广泛存在的一大类碱性含氮化合物,具有广泛的生理功能,是许多药用植物的有效成分,目前运用于临床的生物碱药品已达80 种之多, 相当多的生物碱具有抗肿瘤活性、低毒性和成本低之特性, 因而引起了人们的广泛关注。与此同时,人们对生物碱的提取和分离方法研究也在不断地深入和加强。随着各类生物碱的市场需求量的增加,经济效益的提高,提取分离生物碱的方法也在不断改进和提高。本文综述了近年来,不同的提取和分离方法在生物碱提取分离中的应用和进展。随着大众对生物碱药用价值的认识提高,生物碱的提取与分离方法将更加高效、迅速、完善。
1. 生物碱的概述
生物碱 ( Alkaloids ) 一般指存在于生物体内的碱性含氮化合物, 多数具有复杂的含氮杂环, 有光学活性和显著的生理效应。生物碱的发现始于 19 世纪初, 是人们研究得最早、最多的一类天然有机化合物。据统计, 1952 年以前共发现生物碱 950 种,到 1962 年达到 2107 种, 1972 年又上升到了 3443种, 目前已发现生物碱约 6000 种, 并且仍以每年约 100 种的速度递增。多数生物碱具有显著的生理活性, 如黄连中的小聚碱 ( 黄连素) 具有抗菌消炎作用; 罗芙木中的利血平具有降压作用; 长春花中的长春新碱具有抗癌活性; 婴粟中的吗啡具有镇痛作用; 延胡索中的去氢紫碱具有抗
血栓的作用; 包公藤中的包公藤甲素具有缩小瞳孔、降低眼压的作用, 可用以治疗青光眼; 海洋生物海绵中的抗体生物碱具有抗菌的作用。生物碱化学的研究, 为合成药物提供了重要的线索, 例如古柯碱化学的研究导致了一些局部麻醉药如普鲁卡因等的合成。此外,在研究生物碱的结构时, 往往会发现新的杂体系,从而促进了杂环化合物化学的发展。正因为如此,生物碱一直是天然有机化学家的重要研究领域。生物碱大多具有明显的生物活性, 且往往是许多药用植物的有效成分之一。生物碱的分类方法较多,按其植物来源可分为茄科生物碱、百合科生物碱、婴粟科生物碱等; 按其生理作用可分为降压生物碱、驱虫生物碱、镇痛生物碱、抗疟生物碱等; 按其性质可分为挥发碱、酚性碱、弱碱、强碱、水溶碱等。但是, 最常用的分类方法是按其化学结构进行分类。结构已经研究清楚的生物碱可分为如下主要类型:吡啶类,主要是喹喏西啶类 ( 苦参所含生物碱,如苦参碱) ; 莨菪烷类 ( 洋金花所含生物碱, 如莨菪碱) ; 异喹啉类, 主要有苄基异喹啉类 ( 如罂粟碱) 、双苄基异喹啉类 ( 汉防己所含生物碱, 如汉防己甲素) 、原小檗碱类 ( 黄连所含生物碱, 如小檗碱) 和吗啡类( 如吗啡、可卡因) ; 吲哚类, 主要有色胺吲哚类 ( 如吴茱萸碱) 、单萜吲哚类 ( 马钱子所含生物碱, 如士的宁) 、二聚吲哚类 ( 如长春碱、长春新碱) ; 萜类, 如乌头所含生物碱 ( 如乌头碱) 、紫杉醇; 甾体, 如贝母碱; 有机胺类, 如麻黄所含生物碱 ( 如麻黄碱、伪麻黄碱)。[1]
2 生物碱的生理作用
大多生物碱往往是药用植物中的重要活性成分,它主要作用于抗肿瘤、神经系统、心血管系统和抗菌等方面。
2. 1 抗肿瘤作用
从石蒜科的几种植物中分离可得到 20 余种生物碱, 其中伪石蒜碱具有抗肿瘤活性, 豆科植物苦豆子根茎中获得的槐果碱也有抗癌作用。10- 羟基喜树碱、10- 甲氧基喜树碱、11- 甲氧基喜树碱、脱氧喜树碱和喜树次碱等, 对白血病和胃癌具有一定的疗效。而从卵叶美登木阴、云南美登木、广西美登木及它们的亲缘植物变叶裸实中分离得到的美登素、美登普林和美登布丁等 3 种大环生物碱, 具有较好的抗癌活性。掌叶半夏在民间用于治疗宫颈癌, 其中含葫芦巴碱, 对动物肿瘤有一定的疗效。从三尖杉、蓖子三尖杉和中国三尖杉中分离出近20 种生物碱, 其中三尖杉酯碱和高三尖杉酯碱对
急性淋巴性白血病有较好的疗[2].
2. 2 神经系统的应用
东乌头块根含多种生物碱,此药具有消炎镇痛、驱风除湿等功效。临床上可治疗风湿性关节炎、腰腿痛,也可作止痛剂。胡椒碱是胡椒的主要有效成分之一,这类化合物具有镇静、催眠、抗惊厥、骨骼肌松弛和抗抑郁等多方面的作用。中药马钱子有效成分为生物碱土的宁,有通络止痛、散结消肿之功效,常用于治疗风湿顽痹、跌打损伤、类风湿性关节痛等[3]。
2. 3 心血管系统的应用
莲心中的莲心碱和甲基莲心碱季胺盐有降压作用; 马兜铃和广玉兰叶中的广玉兰碱有显著的降压作用; 从钩藤中得到的钩藤碱, 有降血压、安神和镇静的作用[4]。从小叶黄杨中分离出的环常绿黄杨碱, 对典型心绞痛的改善、血清中胆固醇的降低及高血压都有较好的疗效。
2. 4 抗菌作用
豆科植物苦豆子有抗菌、抗病毒、平喘、镇咳等作用,其主要有效成分包括槐果碱、苦参碱及氧化苦参碱等生物碱。黄连为毛莨科( Ranunculaceae) 植物黄连、三角叶黄连、云南黄连的根茎, 本草具有抑菌、泻火、燥湿、解毒、驱虫等功效,其主要成分有小檗碱( Berbefine)、掌叶防己碱Pdmaine)、黄连碱( Copt- isine) 等生物碱[3]。
2.5 抗疟作用
从菊叶三七中分离得到的菊三七碱具有抗疟作用。除此而外, 昆明山海棠所含的总碱能治疗类风湿性关节炎[5]。
3.生物碱提取方法
3. 1 按所用溶剂不同可分为以下几种方法
3. 1. 1 水提取法(以水作溶剂)
直接以水作为溶剂 ,采用最佳的提取工艺来提取生物碱。此法操作简便 ,成本较低 ,但提取次数多 ,用水量大。如从苦豆子种子中提取生物碱[6]就是一个很好的例子。
3. 1. 2 酸性水溶液提取法
对于那些碱性较弱不能直接溶解于水的生物碱提取 ,就可采用偏酸性的水溶液 ,使生物碱与酸作用生成盐而得到提取。
3. 1. 3 碱性水溶液提取法
对于那些化学结构非常独特、化学性质与一般生物碱不同且在酸性或中性条件下不稳定的生物碱来说 ,可以采用此法。而原有的乙醇作为溶剂渗漉提取法 ,不仅存在成本高 ,而且存在防火等级高、提取时间长、能耗大等诸多问题 ,远不如使用稀NaOH溶液好。
3. 1. 4 有机溶剂提取法
(1) 乙醇提取法在生物碱的提取中应用较为普遍 ,对于游离生物碱及其盐类一般采用乙醇提取法。
(2) 其他有机溶剂法是根据相似相溶原理 ,对于不同性质的生物碱选取最佳的有机溶剂进行提取。可采用单一有机溶剂进行分步提取 ,用不同溶剂提取不同成分;也可采用混合溶剂、反应溶剂进行提取。
3. 2 按提取条件不同可分为
3. 2. 1 煎煮法
中药最早、最常用的制剂方法之一,将中药粗粉加水加热煮沸, 将中药成份提取出来的方法。此法简便易行, 适用于有效成分能溶于水, 且对加热不敏感的药材, 能够提取出相对较多的有效成分。但含挥发性及有效成分遇热易破坏的中药不宜用此法。
3. 2. 2 浸渍法
将处理过的药材用适当的溶剂在常温或温热的情况下浸渍获取有效成分。该法一般是在常温下进行, 对热敏性的物质的提取很有利, 操作简单, 但所需时间长, 溶剂用量大, 有效成分浸出率低。尤其是水作溶剂时易发霉变质。
3. 2. 3 热回流提取法
本法是加热回流来提取生物碱的一种方法。使用的回流溶剂一般有水、醇及混合溶剂。此法操作简便 ,但效率不够高 ,有时可能不能一次完全提取生物碱 ,要反复回流提取。此方面的文献报道也有一些【7】。
3. 2. 4 索氏提取法
此法是利用索氏提取器 ,多次提取生物碱 ,可以反复利用溶剂 ,提取效率高且操作方便。索氏提取生物碱的方法已广泛为人们所利用[8]。
3. 2. 5 超声波提取法
本法一般作为生物碱的辅助提取法 ,单纯采用超声波提取法不多见。像李慧等[9 ]使用超声波辅助浸提北草乌生物碱 ,可以大大提高生物碱的提取收率 ,缩短浸提时间 ,并且能很好地保持生物碱的特性和品质。
3. 2. 6 膜提取法
膜提取分离是一门高新技术 ,它对中草药提取浓缩、生物碱的提取分离及其他有效成分的提取分离具有不存在相转换、操作条件温和、提取分离效率高、不必添加化学试剂、不损坏热敏感物质、可极大的减少提取工序的优点 ,具有传统法无可比拟的优势[10]。
3. 2. 7 超临界提取法
超临界流体提取法有超临界流体萃取法和超临界流体色谱法等方法超临界流体萃取(Super2critical Fluids Extraction , SFE)是20世纪80年代发展起来的一项新的提取分离技术。利用超临界流体(Supercritical Fluids ,SCF)为萃取剂 ,从液体或固
体中萃取出待测组分。利用超临界流体是介于气体和液体之间的流体 ,同时具有气体和液体的双重特性。利用其在临界点附近体系温度和压力的微小变化 ,使物质溶解度发生几个数量级的突变特性来实现其对物质的提取分离。通过改变压力或温度来改变 SCF 的性质 ,达到选择性地提取各种类型的化合物的目的[11]。
繁多的 SCF 种类中以二氧化碳最为常用。超临界二氧化碳(SCF - CO2)具有超临界温度低 ,可在常温下操作 ,对大部分物质呈化学惰性 ,有效地防止热敏性和化学不稳定性成分的高温破坏和氧化;无色、无味、无毒 ,不残留于萃取物上 ,无溶剂污染;价廉易得 ,且易制成高纯度气体 ,不易燃烧 ,使用安全;从提取到分离一步完成 ,操作费用低;选择性好 ,通过调节温度和压力 ,可有针对性地萃取有效成分等特点。因而SFE(CO2)技术在天然产物有效成分的超临界流体萃取中应用较多。
4.生物碱分离方法的研究新进展
经过溶剂提取后的生物碱溶液除生物碱及盐类之外还存在大量其他脂溶性或水溶性杂质, 需要进一步纯化处理, 将生物碱成分从中分离出来。通常使用的是有机溶剂萃取、色谱和树脂吸附, 随着新技术如分子印迹、高速逆流色谱的发展和应用,大大简化了过程、提高了纯化效率。众所周知生物碱的分离方法的确很多 ,既有经典的分离方法 ,如溶剂萃取法、蒸馏法、沉淀法、盐析法、结晶法、膜渗透升华法等 ,也有较为现代、先进的分离方法 ,如色谱分离法。
4. 1色谱法
也称层析法, 是一种物理分离方法, 可以用于分离纯化和鉴定中药有效成分。色谱法包括纸色谱、薄层色谱和柱色谱, 其中常用吸附柱色谱纯化生物碱成分, 一般使用吸附剂为硅胶和氧化铝。
4. 1. 1 硅胶柱色谱分离法
主要是利用二氧化硅作为填料,是较为常用的柱色谱分离方法。硅胶是中性无色颗粒 ,其性能稳定。硅胶层析柱适用范围广 ,既能用于非极性生物碱也能用于极性生物碱 ,且成本低 ,操作方便 ,是常见的生物碱的分离方法。比如董新荣等利用 GF254硅胶自制的硅胶柱 ,对北美黄连中的主要生物碱进行分离 ,可以得到 99. 5 %的北美黄连
碱[12]。
4. 1. 2 氧化铝柱色谱分离法
以氧化铝作为填料的层析分离法 ,适合于酸性大、活化温度较高的生物碱的分离。比如采用氧化铝层析方法正向分离非酚性粉防己碱与粉防己若林碱[13],其 Rf 值适中 ,展开后放置 10 min 以显色剂喷湿润效果为最好且稳定 ,可得到较好的效果。这种柱色谱分离法也是较为常用的生物碱分离的方法之一。这是由于许多生物碱极性较小 ,氧化铝对它们吸附较小 ,而杂质常被吸附。
4. 2 大孔树脂分离法
大孔树脂是一类有机高聚物吸附剂,具有大孔网状结构和较大的比表面积 ,可通过物理吸附从水溶液(或其他溶液)中选择性的吸附有机物。近年来 ,大孔树脂在中药成分(如生物碱等)精制纯化等领域中应用越来越广泛。用大孔树脂分离提取生物碱 ,已有较多的研究[14 ]。例如Miller应用Amberlite XAD - 4 大孔树脂自吗啡溶液中提取吗啡; Payne 考察了 Am2berlite XAD - 4 ,XAD - 7 大孔树脂对吲哚生物碱的吸附作用; Robert 则应用 Amberlite XAD - 4 ,XAD - 7 大孔树脂在罂粟细胞培养中吸附血根碱;Hiroyuki 利用 Amberlite XAD - 4 ,XAD - 7 大孔树脂在阿拉伯咖啡细胞培养中富集咖啡因;刘俊红等利用D - 101 ,DA - 201 ,WID - II三种不同的大孔树脂分离提取延胡索生物碱。这些研究表明 ,大孔吸附树脂对于生物碱具有良好的吸附效能 ,与传统的分离方法相比 ,具有工艺简单 ,能耗较少 ,成品体积小 ,产品质量稳定且具有良好的生理活性等特点。
4. 3 离子交换树脂分离法
离子交换树脂对吸附质的作用主要是通过静电引力和范德华力达到分离纯化化合物的目的。随着人们对生物碱的认识和了解 ,离子交换树脂已应用于生物碱的分离提取中。离子交换技术设备简单 ,操作方便 ,生产周期短、能源省、成本低、产品纯度高、不吸潮、不加辅料就可以成型等特点。而传统的水煮法和水醇法提取分离得到的制剂总是又黑、又大、又粗 ,使用极不方便;有机溶剂萃取方法 ,溶剂用量大 ,环境污染严重。因而离子交换树脂法在生物碱的提取和分离的研究与生产中的应用日益广泛[15]。
4. 4 高速逆流色谱分离法
高速逆流色谱分离法(hight speed countercur2rent chromatography ,简称 HSCCC)是一种新的分离技术 ,它对生物碱的分离和制备具有很大的优势 ,特别是对进样量较大的样品具有独特的优点 ,其应用前景越来越引人注目。高速逆流色谱分离法具有两大突出优点:(1)线圈中固定相不需要载体 ,因而清除了气液色谱中由于使用载体而带来的吸附现象;(2)特别运用于制备性的分离 ,每次进样体积较大 ,进样量也较多。目前 ,运用高速逆流色谱分离法来分离提纯生物碱的实例也有不少 ,比如袁黎明等[16]利用高速逆流色谱分离苦参中的生物碱 ,分离效果良好。
5 生物碱的结构测定方法
生物碱结构测定的经典方法是采用霍夫曼降解、布朗反应、埃姆特降解、还原裂解C- N 键等各种化学方法将分子降解为几个稳定的碎片, 这些碎片通常是一些比较易于鉴别或可通过合成证明的简单化合物, 而后按降解原理合理地推导出原来可能的化学结构; 或用脱氢方法使化合物转为易于鉴别的芳香化台物, 再推导其结构。这些方法在历史上曾为生物碱结构的测定起过重要的作用, 但其往往费料费时, 且还得不到满意的结果。现在,对于红外光谱, 特别是质谱、核磁共振、园二色谱及 X线衍射等物理方法的应用, 即使对结构复杂的生物碱, 也能在较短的时间内分析得到其正确的结构。通过高分辨质谱或低分辨质谱配合元素分析, 能很快而准确地确定其分子式。利用红外光谱、紫外光谱、核磁共振及经典的霍夫曼降解等方法, 可确定分子中氮的官能团形式及分子中的其他官能团。园二色谱和 X 线单晶衍射则是确定分子绝对构型的有力工具[17]。
6.结论
生物碱有效成分的高效提取是天然产物开发的关键与难点，新技术的研究与开发能大大提高天然产物中生物碱的收率与质量，并节约大量的时间和能源但是，这些方法大多不够成熟，对于精确度以及自动化方面还需要更进一步的研究与改善。据此，我认为未来天然产物生物碱提取技术应考虑技术耦合联用。
由于生物碱种类繁多，理化性质差异较大，且不同的提取方法仅适合某类生物碱
的提取，具有一定的局限性。因此，不同方法的适度耦合可以互补优势，更有效的提取天然产物中的生物碱。如超声－液液萃取法，在液－液萃取法基础上辅以超声技术，利用超声波在超声过程中产生的空化效应、热效应、机械搅拌、强化扩散、乳化作用等一系列效应，提高了萃取效率，弥补了液－液萃取法提取生物碱的耗时长和耗材量大的不足; 超高压－酶提取法,酶提取法条件温和，提取时的液固比小，但生物酶的价格昂贵，若辅以超高压提取法可大大降低其成本，而且，超高压提取时间短、提取率高、杂质少等优点可进一步提高生物碱的提取效果;微波－超临界流体萃取法,利用微波辐射产生的高温和电磁场，可加速萃取组分溶解到溶剂中，再用超临界流体对其进行萃取，从而可以实现对一些热稳定的大分子生物碱的提取，弥补了超临界萃取的缺陷随着科学技术的高速发展，越来越多的新技术将会运用到生物碱的提取分离实际生产时应根据生物碱特有的理化性质，选择合适的提取与纯化技术。为了能够扬长避短，还可以多种技术联合使用，探寻最佳的工艺条件与作用机理，不断探索和完善提取技术，将中草药生物碱的提取向低碳环保的方向发展。
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