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第三节 中药有效成分常用分离方法
中药有效成分的分离是根据不同的目的与要求,针对中药不同组分采用不同的方法进行分离与结构表征,进而全方位阐述中药的药效物质基础。中药成分制备分离的流程主要包括提取物预处理、粗分离和精细分离几个部分,现将常用的分离方法分述如下。
一、酸碱法
该法是利用混合物中各组分酸碱性的不同而进行分离。如利用一定浓度的酸水溶液溶解难溶于水的生物碱性成分,从而与非碱性难溶于水的成分分离;或用一定浓度的碱水溶液溶解酚酸类成分,从而与非酸性难溶于水的成分分离。具有内酯或内酰胺结构的成分可被皂化溶于水,借此可与其他难溶于水的成分分离。
具体应用时,可将总提取物溶于亲脂性有机溶剂(三氯甲烷、乙酸乙酯等),用酸水、碱水分别萃取,将总提取物分成酸性、碱性、中性三个部位;也可将总提取物溶于水或以水分散,调节pH后用有机溶剂萃取。如此所得碱性或酸性部位中存在着碱度或酸度不同的成分,可进一步应用pH梯度萃取法分离这些成分。
应用酸碱溶剂法时要注意酸性或碱性的强度、加热温度和加热时间等,避免在剧烈条件下使某些化合物的结构发生变化。
二、萃取法
萃取法是利用混合物中各组成分在两相溶剂中分配系数不同而达到分离的方法。混合物中各成分在两相中分配系数相差越大,则分离效果越高。分离极性较大的成分时,一般选用正丁醇-水两相组合;分离中等极性成分时,一般选用乙酸乙酯-水两相组合,分离小极性成分时,一般选用三氯甲烷-水两相组合。
除常规实验室萃取操作外,一些新的液-液分配技术越来越多地应用到中药化学成分分离研究领域,取得了良好的分离效果,如液滴逆流色谱法(droplet counter current chromatography,DCCC,图 1-3)、高速逆流色谱法(high speed counter current chromatography,HSCCC)等。
图1-3 DCCC法原理示意图
基于该原理的系统溶剂萃取法常用于中药化学成分的初步分离。一般先将混合物溶于水或以水分散,依次以石油醚、三氯甲烷、乙酸乙酯、正丁醇萃取,然后分别减压回收各有机层溶媒,则得到相应极性的中药成分。将萃取后的水层减压浓缩至干,残留物用甲醇或乙醇处理,又可得到醇可溶部分及醇不溶部分,这样即可将总提取物依据极性不同分成若干个提取部位,达到初步分离。
三、沉淀法
沉淀法是基于某些中药化学成分能与特定试剂生成沉淀,或加入某些试剂后可降低某些成分在溶液中的溶解度而使其自溶液中析出的一种方法。如果目标成分被沉淀,则这种沉淀反应必须是可逆的;如果是不需要的成分,则可将生成的沉淀滤过除去,以达到除杂的目的。
根据沉淀过程中应用的溶剂类型不同以及具体操作的原理不同,沉淀法又分为专属试剂沉淀法、分级沉淀法等。
(一)专属试剂沉淀法
利用某些试剂选择性地沉淀某类型成分,即为专属试剂沉淀法。如雷氏铵盐试剂可以沉淀季铵碱类成分,可用于季铵碱与其他生物碱类成分的分离;胆甾醇试剂能与甾体皂苷形成稳定沉淀,从而可使其与三萜皂苷分离。另外,明胶能沉淀鞣质类成分,可用于分离或除去鞣质。
(二)分级沉淀法
在混合组分的溶液中逐步加入定量的与该溶液能互溶的溶剂,通过梯度改变混合组分溶液中某些成分的溶解度,使其逐步从溶液中析出的方法称为分级沉淀法。如在含有糖类或蛋白质的水溶液中,分次加入乙醇,使含醇量逐步提高,可逐级沉淀出分子量由大到小的蛋白质、多糖、多肽等;在含皂苷的乙醇溶液中分次加入定量的乙醚或乙醚-丙酮混合液,可使皂苷类成分依据极性的差异分级沉淀出来。
四、盐析法
在混合物水溶液中加入易溶于水的无机盐(最常用的是氯化钠)至一定浓度或达到饱和状态,使某些中药成分在水中溶解度降低而析出,也可用有机溶剂萃取出来。
有些成分如原白头翁素、麻黄碱、苦参碱等水溶性较大,在分离时亦常先在水提取液中加一定量的食盐,再用有机溶剂提取。
五、分馏法
此法是利用混合物中各成分的沸点不同而进行分离,适用于液体混合物的分离。分馏法可分为常压分馏、减压分馏、分子蒸馏等,可根据混合物中各成分沸点的情况及热稳定性等因素综合选用。
六、透析法
该法是以外加压力或化学位差为推动力,利用天然或人工合成的高分子膜对混合物溶液中的化学成分进行富集和分级纯化。小分子化合物能透过高分子膜而大分子化合物被膜截留,因此可以达到分离。不同类型和规格的膜能够截留的分子大小有区别,选用适当规格的膜可实现对中药提取液中多糖类、多肽类、蛋白质类的截留分离。
七、升华法
某些中药化学成分具有升华性(如某些小分子生物碱、香豆素等),可用升华法进行分离纯化。但升华过程中往往伴有热分解现象,而且产率较低,一般不适宜大规模操作。
八、结晶法
化合物由非晶形经过操作形成有晶形的过程称为结晶。初步析出的结晶往往不纯,需要进行多次结晶的过程称为重结晶。结晶法是纯化物质最后阶段常采用的方法,是利用混合物中各成分在溶剂中的溶解度不同而达到分离的方法。
结晶法的关键是选择适宜的结晶溶剂,常用于结晶的溶剂有甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、三氯甲烷、乙酸、吡啶等。当用单一溶剂不能得到结晶时,可选用两种或两种以上溶剂组成的多元溶剂系统进行结晶操作。
九、色谱法
色谱法是中药化学成分分离中最常应用的方法,具有分离效能高、操作快速简便的特点。通过选用不同色谱材料或将各种色谱技术组合应用,可达到对各类型中药成分的分离和精制。根据工作原理不同,现将常用于中药有效成分分离的色谱方法分述如下。
(一)吸附柱色谱
吸附柱色谱是利用吸附填料对被分离化合物分子的吸附能力的差异而实现分离的色谱方法。常用的吸附剂包括硅胶、氧化铝、活性炭、聚酰胺等。
硅胶吸附色谱的应用十分广泛,中药中各类化学成分大多均可用其进行分离。氧化铝吸附色谱的应用范围有一定限制,主要用于碱性或中性亲脂性成分的分离,如生物碱、甾体类、萜类化合物等。聚酰胺色谱以氢键作用为主(图1-4),主要用于黄酮类、蒽醌类及鞣质类等成分的分离。活性炭主要用于分离水溶性物质如氨基酸、糖类及某些苷类。
图1-4 聚酰胺分离原理示意图
(二)分配柱色谱
分配柱色谱是利用被分离成分在固定相和流动相之间的分配系数的差异而达到分离。在实际应用中,分配色谱法有正相与反相色谱法之分。在正相分配色谱法中,流动相的极性小于固定相的极性,主要用于分离中等及其以下极性的化合物;在反相分配色谱法中,流动相的极性大于固定相极性,常用的固定相有十八烷基硅烷(ODS)或C 8键合相,常用的流动相为甲醇-水或乙腈-水二元系统。主要用于中等以上极性的化合物的分离。
反相色谱法是应用最广的色谱法,因其键合相表面的官能团不易流失,流动相的极性可以在很大的范围内选择应用,且由它派生的反相离子对色谱法和离子抑制色谱法等亦可以用于分离有机酸、碱、盐等离子型化合物,应用范围十分广阔。
(三)凝胶柱色谱
凝胶柱色谱又称为分子筛色谱,其原理主要是分子筛作用,根据被分离化合物分子大小的差异达到分离。凝胶是具有多孔网状结构的固体颗粒,分子大小不同的化合物在凝胶色谱中的移动速率存在差异,分子大的化合物不被阻滞,保留时间则较短,分子小的化合物由于向凝胶颗粒内部扩散,移动受到阻滞,保留时间则较长,从而达到分离。
常用的商品凝胶主要有葡聚糖凝胶和羟丙基葡聚糖凝胶两大类。葡聚糖凝胶(Sephadex G)由葡聚糖和甘油基通过醚桥相交联而成,具亲水性,只适于水中应用。市售型号即以交联度大小分类并以吸水量(干凝胶每克吸水量×10)表示,如Sephadex G-25的含义即是此干凝胶吸水量为2.5ml/g。羟丙基葡聚糖凝胶(Sephadex LH)是在Sephadex G的羟基上引入羟丙基而成醚链的结合状态,既有亲水性又有亲脂性,不仅可在水中应用,也可在极性有机溶剂或它们与水组成的混合溶剂中使用,应用范围进一步扩大。
(四)离子交换柱色谱
离子交换柱色谱主要基于混合物中各成分解离度的差异进行分离。目前,离子交换剂主要有离子交换树脂、离子交换纤维素和离子交换凝胶等,离子交换树脂较为常用。
离子交换树脂交换能力的强弱除树脂本身因素外,还取决于化合物解离度大小、带电荷多少等因素。化合物解离度越大越易交换在树脂上,相对来说即较难洗脱。因此,当两种不同解离度的化合物被交换在树脂上,一般解离度小的化合物会先于解离度大的化合物被洗脱,由此实现二者的分离。此外,影响离子交换的因素还有溶液的酸碱度、被交换物质的浓度、温度以及树脂的交联度、颗粒大小等。
离子交换纤维素和离子交换凝胶是在纤维素或葡聚糖等大分子填料中引入能释放离子的基团所形成的,如二乙氨基乙基纤维素和羧甲基纤维素、二乙基氨乙基葡聚糖凝胶和羧甲基葡聚糖凝胶等,它们既有离子交换剂的性质,又具分子筛作用,主要用于蛋白质、多糖、生物碱和其他水溶性成分等的分离纯化。
(五)大孔吸附树脂柱色谱
大孔吸附树脂是一类没有可解离基团、具有多孔结构、不溶于水的高分子物质,可以通过物理吸附有选择地吸附有机物质而达到分离的目的,是继离子交换树脂之后发展起来的一类新型分离填料。
近年来,大孔吸附树脂柱色谱在中药有效成分或有效部位的分离、富集方面应用十分广泛,具有机械强度高、吸附速度快、选择性好、再生处理方便等特点。依据孔径、比表面积及构成类型不同,常用的大孔树脂有Amberlite系列、Diaion系列、GDX系列、SIP系列和AB-8、X-5、NKA-9等多种型号,应用时可根据具体情况进行选择。
中药是典型的复杂物质体系,如何对其物质组成进行科学系统的阐释一直是中药研究的难点之一。在中药现代化的研究进程中,中药化学成分的提取分离成为关键问题,只有综合利用多种提取分离技术手段并结合目标成分的具体性质设计提取分离工艺,才能够达到理想的分离效果。