超临界CO2从黄山药中萃取薯蓣皂素的工艺研究
作者：葛发欢 史庆龙 林香仙 童新华 李青 黄芳
单位：广州市医药工业研究所 510240
关键词：超临界CO2萃取；薯蓣皂素；黄山药
中草药000311 摘 要 报道了超临界CO2萃取薯蓣皂素的工艺研究，主要探讨了萃取压力、温度、时间及流量、夹带剂、分离条件等对收率的影响，确定了超临界CO2萃取薯蓣皂素的最佳条件：萃取压力为29 MPa，温度55 ℃；分离Ⅰ压力为10 MPa，温度60 ℃；分离Ⅱ压力为5.6MPa，温度45℃；分离柱压力为18 MPa，温度为70 ℃；CO2流量为12 kg/kg原料.h；萃取时间3 h；夹带剂为药用酒精。同时还进行了超临界CO2萃取薯蓣皂素的中试放大，并和传统汽油法进行比较。超临界CO2萃取方法比汽油法优越，表现在收率高、提取时间短等方面，两种方法成本相差不大。
, 百拇医药
超临界CO2流体萃取(SFE-CO2)是一种较新的提取分离技术，已广泛应用于食品、香料、医药工业等领域[1]。和传统的溶剂法比，具有较大的优越性。
薯蓣皂素(diosgenin)是从薯蓣科薯蓣属(Dioscorea)植物中提取分离的薯蓣皂苷元，其结构为△，3-羟基，25R-螺甾烯。由于其结构与甾体激素类药物相近，因此，是合成甾体激素药物的重要起始原料。传统方法提取薯蓣皂素是用汽油或乙醇法，存在收率低、生产周期长、大量有机溶剂的使用存在易燃易爆的危险及环境污染等缺点。因此，用超临界CO2萃取工艺改革传统的生产工艺，具有重要意义。
1 实验材料、装置与仪器
1.1 实验材料：黄山药D.panthaica干燥物(水解物)，云南省永胜映华植化厂提供；薯蓣皂素对照品由云南植物药厂提供；薄层层析用硅胶(200～300目)为青岛海洋化工厂生产。
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1.2 实验装置与仪器：自行设计由华安超临界萃取有限公司加工生产的50 L超临界萃取装置(HA-9508型)；HP5988A型GC-MS/MSD气相色谱-质谱联用仪：12 m×0.2 mm HP-101柱，柱温 285 ℃，进样口温度310 ℃，柱前压30 kPa，熔点测定仪：日本MP-21型。
2 实验方法与步骤
2.1 SFE-CO2法流程：见图1。
图1 SFE-CO2流程示意图
将一定量的黄山药干燥水解物投入萃取釜中，对萃取釜、解析釜Ⅰ、解析釜Ⅱ、分离柱、贮罐分别进行加热或冷却，当达到所选定的温度时，开启CO2瓶，通过高压泵对系统加压，当萃取釜、解析釜Ⅰ、解析釜Ⅱ、分离柱压力分别达到所设定的压力时，关闭CO2瓶，开始循环萃取，同时加入一定量的夹带剂，并调节CO2的流量到一定量，保持恒温恒压。当达到所选定的萃取时间后，从解析Ⅰ出料口出料，得含薯蓣皂素的粗品，抽滤或者离心并用乙醇洗涤精制干燥即得薯蓣皂素产品。计算收率，并用GC、TLC和熔点测定仪检测质量。
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2.2 传统的汽油提取法：取同样的黄山药干燥水解物参照文献方法[2]用120＃汽油提取、回收、精制、干燥后得薯蓣皂素产品，收率以干燥水解物计为2.36%，提取时间30 h，并分析产品质量。
3 结果
3.1 萃取压力的影响：提取薯蓣皂素单体成分，要考虑总提取物的收率和合格产品的收率。实验结果表明，在一定条件下，薯蓣皂素的收率在26～29 MPa之间增加明显，因此，最佳萃取压力定为29 MPa。
3.2 萃取温度的影响：见图2。温度是十分重要的影响因素，由图2可见，在一定压力下，温度对薯蓣皂素单体提取的影响有两种趋势：一是随温度的升高，产品收率逐渐增加，当超过55 ℃时，又逐渐下降；二是随温度增加，产品收率呈降低趋势。这是由于温度升高，CO2流体的粘度下降，加强了其扩散能力，使得被萃取物在超临界CO2中溶解度增加，但温度再增加，杂质的溶解度也会增加，使精制过程复杂化，从而降低产品收率；同时，温度增加，CO2流体的密度降低，使得对溶质的溶解能力下降，降低产品收率，因此，最佳萃取温度为55 ℃。
, 百拇医药
图2 萃取温度对产品收率的影响
3.3 萃取时间的影响：见图3，可见，随着时间的增加，收率逐渐增高，前2 h增加显著，之后增加缓慢。为提高效率，节约能源，适宜的提取时间为3 h。
图3 萃取时间对产品收率的影响
图4 CO2流量对产品收率的影响
3.4 CO2流量的影响：见图4。结果表明，随着CO2流量的增大，薯蓣皂素的收率也增大。但流量的增大会增加操作费用，流量太低，相同时间内收率也较低，综合考虑薯蓣皂素萃取的最佳流速为12 kg/kg.h(原料)。
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3.5 分级分离条件的影响
3.5.1 分级分离及分离压力、温度的影响：由于所提取薯蓣皂素属单体成分，加之原料中存在很多和薯蓣皂素结构类似的其它化合物(这里称为杂质)，因此，设备的分离功能就显得十分重要。经多次试验，本实验采用三级分离(用一条分离柱和两个分离釜)，三级分离方式下分离压力对收率的影响见表1。最佳的分离压力为分离柱为18 MPa、解析Ⅰ为10 MPa、解析Ⅱ为5.6 MPa。
一般在分离压力不变时，随着分离温度的升高，萃取物容易分离出来，但分离选择性却降低了，不易得到较纯的单一物质。然而在本实验的3级分离中，有三个较为合适的温度分别为70 ℃，60 ℃，45 ℃。
表1 分离压力对薯蓣皂素收率的影响 批号
分离柱
(MPa)
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解析釜Ⅰ
(MPa)
解析釜Ⅱ
(MPa)
收率
(%)
1
18
10
5.6
6.75
2
14
, 百拇医药
9.2
5.5
5.16
3
20
14
8
4.50
3.5.2 分级分离与薯蓣皂素粗品的TLC和GC分析及其粗品的处理：变化分级分离条件，可改变粗品中薯蓣皂素与杂质的比例，最佳分离条件下，粗品中目标物的含量最高。
将SFE法提得的薯蓣皂素粗品进行薄层层析，绝大部分是薯蓣皂素，只是在斑点前有还带有少量的杂质；对该粗品用GC分析，薯蓣皂素含量在75%～95.9%之间，说明本实验已达到较高的分离效果。由于杂质少，采取简单的洗涤等方法即可得到合格产品。
, 百拇医药
3.6 夹带剂的选择：在不加夹带剂时，薯蓣皂素的萃取效果很差，难以提出。加入丙酮或药用酒精均可得到满意的提取效果。由于丙酮挥发易燃、危险性较大，从工业化方面考虑，选择药用酒精作夹带剂。
3.7 超临界CO2萃取薯蓣皂素中试放大：在50 L装置上进行薯蓣皂素的萃取，见表2。结果表明，收率基本和小试一致，证明薯蓣皂素超临界CO2萃取进行工业化生产是可行的。表2 超临界CO2萃取薯蓣皂素的中试放大结果
投料量
(kg)
产品收率
(%)
萃取时间
, 百拇医药 (h)
全流程时间
(h)
1
12
6.28
3
10
2
12
5.02
3
10
3
, 百拇医药
12
6.05
3
10
3.8 两种工艺比较：见表3。由表3可见，SFE-CO2法和汽油法相比，前者收率高，生产周期短，产品质量高，成本相差不多，还节约大量的有机溶剂，避免易燃易爆的危险，减少三废污染，工艺简便，节约劳动力等。表3 超临界CO2萃取法与汽油法的比较 项 目
SFE-CO2法
(按水解物计)
汽油法
(按水解物计)
, 百拇医药
产品收率(%)
5.78
2.36
产品质量
纯度95.9%，熔点184 ℃～189 ℃
纯度94.2%，熔点182 ℃～192 ℃
生产周期(h)
10
30
4 小结与讨论
4.1 超临界CO2从黄山药中萃取薯蓣皂素的最佳条件是萃取压力为29 MPa、温度55 ℃；分离Ⅰ压力为10 MPa、温度为60 ℃；分离Ⅱ压力为5.6 MPa、温度45 ℃；分离柱压力为18 MPa、温度70 ℃；CO2流量为12 kg/kg原料.h；萃取时间3 h；夹带剂为药用酒精。
, 百拇医药
4.2 超临界CO2从黄山药中萃取薯蓣皂素和传统的汽油法相比，收率提高1.5倍，生产周期大大缩短，避免使用汽油有易燃易爆的危险。和云南永胜映华植物厂成本比较，两者相差不大。
4.3 SFE-CO2从黄山药及其它同属植物中萃取薯蓣皂素的试验表明[3]，用SFE-CO2萃取薯蓣皂素是可行的。
葛发欢，男，36岁。1985年毕业于吉林农业大学中药材学院药用植物专业，学士。广州市医药工业研究所天然药物第二研究室主任，高级工程师。主要从事超临界CO2萃取技术在中草药中的应用研究与开发。主持过2项国家“八.五”科技攻关项目、5项广州科委重点项目、1项广东省“科技创新百项工程”项目，其中4项已通过国家、省、市级鉴定。荣获过 广东省科技进步二等奖、广东省医药科技进步三等奖、广州市科技进步一等奖、马来西亚国 际发明与设计金奖各1项。发明专利2项，发表学术论文40余篇，参加编写专著两部。
参考文献
1，葛发欢，等.中药材，1995，18(6)：316
2，孙文基，等主编.天然药物成分提取分离与制备.北京：中国医药科技出版社，1994：120
3，葛发欢，等.超临界流体萃取法从薯蓣植物提取薯蓣皂素的新工艺，发明专利98113267.7
(收稿日期：1999-01-20), http://www.100md.com
单位：广州市医药工业研究所 510240
关键词：超临界CO2萃取；薯蓣皂素；黄山药
中草药000311 摘 要 报道了超临界CO2萃取薯蓣皂素的工艺研究，主要探讨了萃取压力、温度、时间及流量、夹带剂、分离条件等对收率的影响，确定了超临界CO2萃取薯蓣皂素的最佳条件：萃取压力为29 MPa，温度55 ℃；分离Ⅰ压力为10 MPa，温度60 ℃；分离Ⅱ压力为5.6MPa，温度45℃；分离柱压力为18 MPa，温度为70 ℃；CO2流量为12 kg/kg原料.h；萃取时间3 h；夹带剂为药用酒精。同时还进行了超临界CO2萃取薯蓣皂素的中试放大，并和传统汽油法进行比较。超临界CO2萃取方法比汽油法优越，表现在收率高、提取时间短等方面，两种方法成本相差不大。
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超临界CO2流体萃取(SFE-CO2)是一种较新的提取分离技术，已广泛应用于食品、香料、医药工业等领域[1]。和传统的溶剂法比，具有较大的优越性。
薯蓣皂素(diosgenin)是从薯蓣科薯蓣属(Dioscorea)植物中提取分离的薯蓣皂苷元，其结构为△，3-羟基，25R-螺甾烯。由于其结构与甾体激素类药物相近，因此，是合成甾体激素药物的重要起始原料。传统方法提取薯蓣皂素是用汽油或乙醇法，存在收率低、生产周期长、大量有机溶剂的使用存在易燃易爆的危险及环境污染等缺点。因此，用超临界CO2萃取工艺改革传统的生产工艺，具有重要意义。
1 实验材料、装置与仪器
1.1 实验材料：黄山药D.panthaica干燥物(水解物)，云南省永胜映华植化厂提供；薯蓣皂素对照品由云南植物药厂提供；薄层层析用硅胶(200～300目)为青岛海洋化工厂生产。
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1.2 实验装置与仪器：自行设计由华安超临界萃取有限公司加工生产的50 L超临界萃取装置(HA-9508型)；HP5988A型GC-MS/MSD气相色谱-质谱联用仪：12 m×0.2 mm HP-101柱，柱温 285 ℃，进样口温度310 ℃，柱前压30 kPa，熔点测定仪：日本MP-21型。
2 实验方法与步骤
2.1 SFE-CO2法流程：见图1。
图1 SFE-CO2流程示意图
将一定量的黄山药干燥水解物投入萃取釜中，对萃取釜、解析釜Ⅰ、解析釜Ⅱ、分离柱、贮罐分别进行加热或冷却，当达到所选定的温度时，开启CO2瓶，通过高压泵对系统加压，当萃取釜、解析釜Ⅰ、解析釜Ⅱ、分离柱压力分别达到所设定的压力时，关闭CO2瓶，开始循环萃取，同时加入一定量的夹带剂，并调节CO2的流量到一定量，保持恒温恒压。当达到所选定的萃取时间后，从解析Ⅰ出料口出料，得含薯蓣皂素的粗品，抽滤或者离心并用乙醇洗涤精制干燥即得薯蓣皂素产品。计算收率，并用GC、TLC和熔点测定仪检测质量。
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2.2 传统的汽油提取法：取同样的黄山药干燥水解物参照文献方法[2]用120＃汽油提取、回收、精制、干燥后得薯蓣皂素产品，收率以干燥水解物计为2.36%，提取时间30 h，并分析产品质量。
3 结果
3.1 萃取压力的影响：提取薯蓣皂素单体成分，要考虑总提取物的收率和合格产品的收率。实验结果表明，在一定条件下，薯蓣皂素的收率在26～29 MPa之间增加明显，因此，最佳萃取压力定为29 MPa。
3.2 萃取温度的影响：见图2。温度是十分重要的影响因素，由图2可见，在一定压力下，温度对薯蓣皂素单体提取的影响有两种趋势：一是随温度的升高，产品收率逐渐增加，当超过55 ℃时，又逐渐下降；二是随温度增加，产品收率呈降低趋势。这是由于温度升高，CO2流体的粘度下降，加强了其扩散能力，使得被萃取物在超临界CO2中溶解度增加，但温度再增加，杂质的溶解度也会增加，使精制过程复杂化，从而降低产品收率；同时，温度增加，CO2流体的密度降低，使得对溶质的溶解能力下降，降低产品收率，因此，最佳萃取温度为55 ℃。
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图2 萃取温度对产品收率的影响
3.3 萃取时间的影响：见图3，可见，随着时间的增加，收率逐渐增高，前2 h增加显著，之后增加缓慢。为提高效率，节约能源，适宜的提取时间为3 h。
图3 萃取时间对产品收率的影响
图4 CO2流量对产品收率的影响
3.4 CO2流量的影响：见图4。结果表明，随着CO2流量的增大，薯蓣皂素的收率也增大。但流量的增大会增加操作费用，流量太低，相同时间内收率也较低，综合考虑薯蓣皂素萃取的最佳流速为12 kg/kg.h(原料)。
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3.5 分级分离条件的影响
3.5.1 分级分离及分离压力、温度的影响：由于所提取薯蓣皂素属单体成分，加之原料中存在很多和薯蓣皂素结构类似的其它化合物(这里称为杂质)，因此，设备的分离功能就显得十分重要。经多次试验，本实验采用三级分离(用一条分离柱和两个分离釜)，三级分离方式下分离压力对收率的影响见表1。最佳的分离压力为分离柱为18 MPa、解析Ⅰ为10 MPa、解析Ⅱ为5.6 MPa。
一般在分离压力不变时，随着分离温度的升高，萃取物容易分离出来，但分离选择性却降低了，不易得到较纯的单一物质。然而在本实验的3级分离中，有三个较为合适的温度分别为70 ℃，60 ℃，45 ℃。
表1 分离压力对薯蓣皂素收率的影响 批号
分离柱
(MPa)
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解析釜Ⅰ
(MPa)
解析釜Ⅱ
(MPa)
收率
(%)
1
18
10
5.6
6.75
2
14
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9.2
5.5
5.16
3
20
14
8
4.50
3.5.2 分级分离与薯蓣皂素粗品的TLC和GC分析及其粗品的处理：变化分级分离条件，可改变粗品中薯蓣皂素与杂质的比例，最佳分离条件下，粗品中目标物的含量最高。
将SFE法提得的薯蓣皂素粗品进行薄层层析，绝大部分是薯蓣皂素，只是在斑点前有还带有少量的杂质；对该粗品用GC分析，薯蓣皂素含量在75%～95.9%之间，说明本实验已达到较高的分离效果。由于杂质少，采取简单的洗涤等方法即可得到合格产品。
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3.6 夹带剂的选择：在不加夹带剂时，薯蓣皂素的萃取效果很差，难以提出。加入丙酮或药用酒精均可得到满意的提取效果。由于丙酮挥发易燃、危险性较大，从工业化方面考虑，选择药用酒精作夹带剂。
3.7 超临界CO2萃取薯蓣皂素中试放大：在50 L装置上进行薯蓣皂素的萃取，见表2。结果表明，收率基本和小试一致，证明薯蓣皂素超临界CO2萃取进行工业化生产是可行的。表2 超临界CO2萃取薯蓣皂素的中试放大结果
投料量
(kg)
产品收率
(%)
萃取时间
, 百拇医药 (h)
全流程时间
(h)
1
12
6.28
3
10
2
12
5.02
3
10
3
, 百拇医药
12
6.05
3
10
3.8 两种工艺比较：见表3。由表3可见，SFE-CO2法和汽油法相比，前者收率高，生产周期短，产品质量高，成本相差不多，还节约大量的有机溶剂，避免易燃易爆的危险，减少三废污染，工艺简便，节约劳动力等。表3 超临界CO2萃取法与汽油法的比较 项 目
SFE-CO2法
(按水解物计)
汽油法
(按水解物计)
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产品收率(%)
5.78
2.36
产品质量
纯度95.9%，熔点184 ℃～189 ℃
纯度94.2%，熔点182 ℃～192 ℃
生产周期(h)
10
30
4 小结与讨论
4.1 超临界CO2从黄山药中萃取薯蓣皂素的最佳条件是萃取压力为29 MPa、温度55 ℃；分离Ⅰ压力为10 MPa、温度为60 ℃；分离Ⅱ压力为5.6 MPa、温度45 ℃；分离柱压力为18 MPa、温度70 ℃；CO2流量为12 kg/kg原料.h；萃取时间3 h；夹带剂为药用酒精。
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4.2 超临界CO2从黄山药中萃取薯蓣皂素和传统的汽油法相比，收率提高1.5倍，生产周期大大缩短，避免使用汽油有易燃易爆的危险。和云南永胜映华植物厂成本比较，两者相差不大。
4.3 SFE-CO2从黄山药及其它同属植物中萃取薯蓣皂素的试验表明[3]，用SFE-CO2萃取薯蓣皂素是可行的。
葛发欢，男，36岁。1985年毕业于吉林农业大学中药材学院药用植物专业，学士。广州市医药工业研究所天然药物第二研究室主任，高级工程师。主要从事超临界CO2萃取技术在中草药中的应用研究与开发。主持过2项国家“八.五”科技攻关项目、5项广州科委重点项目、1项广东省“科技创新百项工程”项目，其中4项已通过国家、省、市级鉴定。荣获过 广东省科技进步二等奖、广东省医药科技进步三等奖、广州市科技进步一等奖、马来西亚国 际发明与设计金奖各1项。发明专利2项，发表学术论文40余篇，参加编写专著两部。
参考文献
1，葛发欢，等.中药材，1995，18(6)：316
2，孙文基，等主编.天然药物成分提取分离与制备.北京：中国医药科技出版社，1994：120
3，葛发欢，等.超临界流体萃取法从薯蓣植物提取薯蓣皂素的新工艺，发明专利98113267.7
(收稿日期：1999-01-20), http://www.100md.com