新型绿色溶剂在天然产物提取中的应用研究进展

郝 翠，翟立海，陈立宗，许亦真，刘玉智，陈 辉，程 燕，薛富民

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)药学院，山东 济南 250014；2.齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省分析测试中心，山东省大型精密分析仪

器应用技术重点实验室，山东济南 250014；3.鲁南制药集团股份有限公司，山东 临沂 276000；

4.国家手性制药工程技术研究中心，山东 临沂 276000)

天然产物传统的提取主要使用石油醚、乙酸乙酯、丙酮等有机溶剂，采用煎煮法、回流法、浸渍法以及索氏提取法等方法进行提取，传统提取方法虽然工艺比较简单、成本较低，但是存在着提取效率低、污染环境、不可再生、易产生有毒副产物等缺点[1].20世纪90年代初起，绿色化学兴起，国内外研究学者对绿色化学产生极大的研究兴趣，随后，2012年，Chema[2]提出了“天然产物绿色提取”的概念，可用替代溶剂和可再生天然产物，并提出天然产物提取的六项原则，指出绿色提取主要是指在发现或设计提取工艺的基础上进行的，允许使用替代溶剂和可再生天然产物，确保安全和高质量的提取产品.而对于多数提取相关研究来说，溶剂是提取过程中必不可少的媒介，因此，开发新型绿色溶剂对天然产物的提取具有重要意义.

现今，绿色溶剂主要有水、离子液体、低共熔溶剂、超临界CO2等，因离子液体和低共熔溶剂提取效率高、溶剂可回收、易降解等优点，在黄酮类化合物、酚酸类、强心苷类、生物碱等化学成分的提取过程中应用较为广泛[3-5].本文主要对新型绿色溶剂离子液体以及低共熔溶剂用于天然产物化学成分的提取进行综述，旨在为绿色溶剂的开发及天然产物的研究提供参考.

1 离子液体

1.1 离子液体的定义及分类

离子液体作为一种新型的绿色溶剂，是室温离子液体(room-temperature ionic liquids)的简称，主要由有机阳离子(有机含氮杂环)和无机阳离子或有机阴离子构成，通常是通过直接合成法和离子交换法合成，如图1[6]所示，室温状态下呈液体状态，1914年，硝基乙胺出现，离子液体大致分为两类:第一类是根据阳离子结构不同，分为咪唑阳离子(如1-丁基3-甲基溴化咪唑)、季铵阳离子(如四乙基溴化铵)、季膦阳离子(如四丁基溴化膦)以及吡啶阳离子(如溴化N-丁基吡啶)；第二类是根据阴离子结构不同，分为卤代与非卤代两种[7].

图1 常见的离子液体的合成图Fig.1 Synthesis diagram of common ionic liquids

1.2 离子液体在生物活性成分提取中的应用

近年来，离子液体作为一种替代溶剂在天然产物高效提取化学成分的研究数量不断增加.离子液体化学稳定性高、绿色环保、溶剂可回收、不易燃烧，广泛应用于天然产物活性成分的提取，如生物碱、木脂素、黄酮类、皂苷类、萜类、苯丙素类化合物等[8-9].

1.2.1 生物碱

生物碱类化合物约占天然产物化学成分中的15%，具有保护心血管系统、抗炎、抗菌、抗病毒、抗癌等功效.黄飞等[10]研究了咖啡因的提取效率，结果表明，离子液体[HSO3-pmim]+[HSO4]-的浓度为70%时，咖啡因的提取率为95.1 mg/5 g茶样.Wang等[11]采用离子液体[C4mim]Br为提取溶剂，对生物碱成分的提取进行相关研究，结果显示，离子液体较传统加热回流提取的相对产率高6.7%，且该离子液体具有节能、省时、收率高、无污染等优点.刘婷婷等[12]以离子液体咪唑四氟硼酸盐为溶剂提取钩藤中的生物碱的含量提高到2.2 mg/g.

1.2.2 木脂素

木脂素少数和糖结合成苷，主要存在于植物的木部和树脂中.Ana等[13]研究了离子液体甘氨酸甜菜碱(AGB-ILs)提取7-羟基间苯二酚(HMR)，比传统索氏提取法(使用丙酮、水丙酮和水乙醇混合物等有机溶剂)提取效率高9.46%，并且经回收后，抗氧化效果更显著.史丽娟[14]以离子液体[C4mim]BF4为提取溶剂研究杜仲总木脂素的得率，并且采用超声波辅助法，木脂素得率比乙醇超声法提取效率高.

1.2.3 黄酮类化合物

黄酮类化合物大多来源于天然产物，离子液体的出现，弥补了传统有机溶剂提取的缺点.Zhang等[15]以离子液体1-烷基-3-甲基偶氮唑类为溶剂，采用微波辅助技术相结合，成功提取黄芩苷、汉黄芩苷、黄芩素和汉黄芩素，提取效果与传统的提取方法提取率提高22.28%.苏适等[16]采用微波辅助离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯([BMIM]Cl)提取黑豆皮中的花青素，结果黑豆花青素的提取量为4.146 mg/g.王刚等[17]采用微波辅助离子液体[C6mim][PF6]提取石上柏穗花杉双黄酮，效果显著.李倩[18]以离子液体[Bmim]Br为提取溶剂，提取时间缩短为8 min，总黄酮的提取率仍然比传统乙醇提取效率高.Cheng等[19]研究了32种离子液体分别提取葛根中的黄酮类化学成分，结果发现离子液体浓度影响提取效率，并呈现出一定的趋势，不同溶剂对总黄酮的提取率的影响如图2所示.

图2 32种离子液体、水、甲醇、60%甲醇对总黄酮提取率的影响图Fig.2 Total isoflavones extraction yields of 32 ILs，water，methanol，and 60% methanol

1.2.4 皂苷

皂苷类成分主要存在于高等植物中，离子液体对天然产物皂苷类成分的提取有重要意义.张越等[20]以离子液体胆碱-组氨酸(ChOH-His)的水溶液为溶剂，得到栀子苷的含量比传统溶剂(50%乙醇)提取出的栀子苷的含量高5.00%.高宇[21]研究离子液体提取甘草成分，发现甘草苷、甘草酸及甘草次酸三种化学成分的提取率最高，并且提取效果比传统渗漉法好.刘迪[22]通过实验研究比较研究了离子液体和乙醇溶液提取红景天中的红景天苷，结果发现离子液体提取的红景天苷的含量较高，可能通过破坏细胞壁，降低了纤维素聚合度的能力，使活性成分快速溶出，从而提高提取效率.

1.2.5 香豆素

香豆素类化合物是自然界广泛存在的一类芳香族化合物，具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎、抗菌等药理作用.王通[23]研究无花果叶中补骨脂素的绿色高效提取发现，采用超声辅助pH基于离子液体1-丁基-3-基咪唑溴盐-柠檬酸-水的双水相技术，使补骨脂苷转化为补骨脂素，补骨脂素的提取率为31.22 mg/g，这一研究可用于香豆素类成分的高效快速提取.姜国芳[24]等采用1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐作为提取溶剂提取香豆素，该离子液体为疏水性离子液体，结果提取率高达94.55%，并且经反复萃取后溶剂还可重新利用，减少了溶剂的消耗，可为离子液体提取香豆素类成分相关研究提供参考.

1.2.6 其他成分

离子液体还可应用于提取天然产物中的苯丙素类、酚类化合物、萜类等.周惠燕[25]等研究了金银花中绿原酸的提取，发现离子液体可高效快速提取出金银花中的绿原酸.马铭研等[26]以离子液体[BMIM]PF6的甲醇溶液为提取溶剂，超声辅助提取温郁金中的姜黄素和吉马酮，得到较好的效果，可为温郁金中的有效成分的提取方法创新和质量控制研究提供参考.李万华等[27]研究了离子液体和传统乙醇溶剂分别提取中药中白桦脂酸衍生物，结果表明，溴化-1-乙基-3-甲基咪唑([EMIM]Br)提取效率比乙醇溶剂高0.100%.

2 低共熔溶剂

2.1 低共熔溶剂的定义及分类

低共熔溶剂，属于离子液体类似物，其中以胆碱盐为主形成的低共熔混合物备受研究学者的关注.2003年，低共熔溶剂由Abbott等[28-30]提出，是指将胆碱盐和配位剂组合而成的低共熔混合物，离子液体在某些条件下是具有一定的毒性，而低共熔溶剂具有蒸汽压低、性质稳定、易生物降解、绿色环保、价格低廉、无毒或者低毒并且在室温下呈透明状态.

低共熔溶剂根据配体的形成可分为六类:一类是由无水金属氯化物和季铵盐的混合而成；二类是由含结晶水金属氯化物和季铵盐混合而成；三类是以季铵盐作为氢键受体(HBA)，酰胺、羧酸、醇等作为氢键给体(HBD)通过加热形成的混合物，如图3所示[31]；四类是以金属卤化物(AlCl3、ZnCl2等)和有机配体(尿素、乙酰胺、乙二醇等)为原料合成得到的混合物；五类是天然氨基酸和天然植物酸合成的混合物；六类是三元组分体系，如:多元醇-酰胺-铵盐、铵盐-金属氯化物-酰胺等[32-33].

图3 常见的氢键供体与氢键受体结构图Fig.3 Hydrogen bond acceptor and hydrogen bond donor structurecharts

2.2 低共熔溶剂在生物活性成分提取中的应用

低共熔溶剂合成所需的不同化合物之间会形成氢键作用力、范德华力和π-π作用力等，从而提高化合物的溶出，提高提取效率.低共熔溶剂原料来源广，价格低，可回收，是一种较为绿色的环境友好型溶剂，符合绿色化学的概念，在天然产物中应用广泛，如生物碱、黄酮类化合物、香豆素、皂苷、酚类化合物等[34].

2.2.1 生物碱

低共熔溶剂可用于生物碱的绿色提取.尚宪超等[35]首次将低共熔溶剂氯化胆碱-尿素用于烟碱的绿色提取中，结果显示，烟碱的得率为22.89 mg/g，并且通过响应面法确定了最佳提取工艺条件，可为烟碱及生物碱的绿色提取提供一定的指导意义.司悦悦[36]研究了二元和三元低共熔溶剂对生物碱白鲜碱、吴茱萸次碱、胡椒碱、槐定碱和氧化苦参碱五种化学成分含量的影响，并采用微波辅助技术提高提取效率，结果发现采用离子液体提取比甲醇提取效率高，其中吴茱萸次碱的含量提高了118%，为生物碱成分的提取提供了一种新方向.

2.2.2 黄酮类化合物

黄酮类化合物具有较好的抗氧化、抗炎和抗肿瘤等作用.夏伯候等[37]通过合成不同类型的低共熔溶剂，研究夏枯草中黄酮类化合物提取效率的影响，发现氯化胆碱-甘油1∶4，AB-8大孔树脂吸附总黄酮效果好.熊苏慧等[38]研究发现醋酸钠和乳酸(1∶5)合成的低共熔溶剂提取玉竹总黄酮时提取效率高，溶剂经NAK-9树脂吸附效果好.桑俊[39]研究唐古特白刺籽柏花色苷的提取工艺，结果示氯化胆碱与多元醇形成的低共熔溶剂可高效提取花色苷.李婷婷[40]以氯化胆碱/乳酸(摩尔比1∶2)合成的低共熔溶剂为提取溶剂，成功同时应用于提取黄芩中的黄芩苷、汉黄芩苷、黄芩素和汉黄芩素四种活性成分，提高提取效率，降低了能源消耗，另外，还可以采用辅助技术，如超声波辅助萃取、微波辅助萃取、亚临界水提取等，提高黄酮类化合物的提取效率[41-42].

2.2.3 多酚类化合物

多酚类化合物包括绿原酸及其衍生物、咖啡酸等，具有抗氧化，降低自由基的作用.尚宪超等[43]通过比较研究了11种低共熔溶剂对烟草中绿原酸和芸香苷两种多酚类化合物的提取效果的影响，氯化胆碱-苹果酸较好.另有学者[44-45]对95%乙醇进行综合提取研究，提取率为93.65%.以氯化胆碱、甜菜碱、L-脯氨酸探讨了12种低共熔溶剂与超声波辅助萃取(UAE)联合萃取桑叶中酚类化合物的可行性.

2.2.4 皂苷

陈冉等[46]以氯化胆碱/乳酸作为提取溶剂，采用响应面法对皂苷的提取工艺进行优化，研究结果显示，摩尔比为1∶4、含水量为25%，提取温度为80℃，提取时间为64 min，液料比为56∶1时，皂苷的提取率高，并且比传统提取溶剂提取效率高出96.4%，这一相关的研究可为皂苷成分的提取提供了一种高效绿色的新思路.王慧等[47]采用氯化胆碱∶乳酸(摩尔比为1∶1)为提取溶剂研究复方双黄连中的连翘苷的含量，结果连翘苷的含量优于药典方法.

3 结语与展望

近年来，绿色化学蓬勃发展，特别是离子液体和低共熔溶剂的出现，引起了各学者的研究热潮.离子液体具有无污染、易从产物中分离、可反复循环使用、化学稳定性高、不易燃烧等优点.但是在某些条件下，离子液体具有一定的毒性，在提取过程仍然存在着易残留、回收难、存在安全性隐患等问题.基于上述问题，在选择离子液体作为提取溶剂时，应当考虑组成离子液体的阴阳离子的结构、阳离子的碳链的长度及回收的难易程度等，综合选择最佳离子液体.低共熔溶剂不但具有离子液体的良好特性，还具有易生物降解、合成简便、安全性较好、在室温下呈透明状态等优点.但低共熔溶剂在常温下粘度较大，无挥发性，回收较难.因此，在选择合适的低共熔溶剂提取天然产物中的化学成分时，应综合考虑被提取物质的性质、氢键供体和氢键受体的性质、溶剂及回收的成本等因素.

另外，随着国家对绿色化学的重视，绿色标准的建立也将成为未来绿色化学发展的趋势，绿色溶剂的类型也将不断被扩展应用.开发新型绿色溶剂，需要根据天然产物的特点；选择合适的溶剂，可通过选择可再生资源，使用替代溶剂，降低能源消耗，避免产生废物，减少实验操作等原则达到理想的提取效果；还可结合一定的辅助萃取技术，如超声波辅助、微波辅助萃取技术等.绿色溶剂的合理选择及应用将对天然产物化学成分实现绿色高效提取具有重要意义.