CN111228356B - 一种青花椒生物碱的纯化方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种青花椒生物碱的纯化方法，以生物碱提取物为原料，使用阳离子交换柱进行上样纯化，上样结束后进行淋洗和洗脱，最后减压浓缩，干燥得到产品。该方法能得到更高比例的总生物碱；分相速度快，从而改善了生物碱提取物的纯度和性能。

Description

一种青花椒生物碱的纯化方法
技术领域
本发明属于生物化工产品技术领域；涉及一种绿色环保的青花椒纯化方法，更具体地，涉及一种青花椒生物碱的纯化方法。
背景技术
青花椒是芸香花椒属植物(Zanthoxylum Bungeanum Maxim)，通常所述的花椒是指这类植物的干燥果实。该属植物在全世界共约250种，分布在亚洲、非洲、南美洲和大洋洲等热带和亚热带地区。我国是全世界花椒种植面积最大的国家之一，主要分布在四川、重庆、甘肃、山东和河北等省份。
青花椒最常见的用途是作为调味品，是我国人民喜爱的香辛料，被誉为八大味之一。除了果皮可作为食用和药用外，其它部分如果梗、种籽，以及根、茎、叶均可入药治病，有健胃、止痛、解毒、止痒、解腥、腹泻等作用，民间用来治疗风湿筋骨疼痛、跌打损伤、牙痛、毒蛇咬伤等病症。从现代医学的角度来讲，花椒的作用主要包括抗溃疡、抗腹泻、保肝、对肠肌活动的双向作用、保护心脏、降血压、抗凝血、抑制病原微生物、抗癌等作用。
青花椒中含有多种化学成分，研究表明，主要化学成分包括生物碱、挥发油、多烯酰胺、木质素、脂肪酸，等等。
其中，生物碱一般指的是一类含氮有机化合物(不包括氨基酸、多肽、蛋白质和核苷酸等生物体必需的含氮化合物)。这类化合物的氮原子通常为成环氮原子，具有较复杂的含氮杂环母核结构(绝大多数为稠环结构)，同时具有生理活性和弱碱性。按照母核结构划分，青花椒中的生物碱主要分为喹啉衍生物、异喹啉衍生物、苯并菲啶衍生物和喹诺酮衍生物等几大类。不同品种和产地的青花椒生物碱组成和含量存在较大差异，此外，不同提取和纯化方法对生物碱的组成和含量也存在较大影响。
常见的提取方法有：水或酸液-有机溶剂提取法；醇-酸液提取法；碱液-有机溶剂提取法；超声波辅助提取法；微波辅助提取法和亚临界流体提取法，等等。
例如，中国专利申请CN103356789A公开了一种竹叶椒总生物碱提取物及制备方法，其方法步骤为：将竹叶椒的粗分用50％-95％的乙醇提取，浓缩后得到乙醇提取物，然后调pH到1-5，静置过滤，调pH为9-12，静置；再使用氯仿萃取得到总生物碱提取物。然而，该方法的总生物碱在提取过程中损失较大，导致提取率不高。
中国专利申请CN102041175A公开了一种从刺壳花椒中提取总挥发油和总生物碱的方法，工艺方法是将刺壳花椒原料粉碎，加入萃取釜中经过第一梯度超临界CO2萃取总挥发油成分，再加入适量夹带剂再进行第二梯度超临界CO2萃取总生物碱成分，氧化铝柱分离得总生物碱。该方法无污染，经过两次萃取得到两类有效成分，提高了原料利用率。然而，该方法得到的生物碱纯度不高。
为了进一步改善提取率，同时避免有机溶剂残留并且最大限度保证提取物的生物活性，近年来，人们逐渐发展出双水相提取的方法。例如，王凤薇等人(《精细化工》，2015年6月，第32卷，第6期，P642-645)利用聚乙二醇和硫酸铵形成的双水相体系萃取黄连生物碱。通过双水相体系的改变，分别对黄连中4种主要生物碱在双水相中的分配行为以及PEG的分子量和质量分数、盐的种类和质量分数对萃取黄连生物碱的影响进行了研究。然而，该方法使用的生物碱对照品纯品，实际应用时仍然存在提取率不高的缺陷。另外，双水相体系的分相速度较慢，总生物碱与待分离物的分离效果不稳定，从而影响总生物碱的纯度和性能。
然而，无论单纯使用上述任一提取方法，总生物碱的纯度和性能都难以令人满意。例如，使用乙醇进行提取时，无论对弱极性还是强极性组分均有着较佳的溶解性，在提取水溶性生物碱的同时也不可避免地带来了多糖、黄酮和色素等其它杂质。超临界二氧化碳存在类似缺点。另外，在使用酸性水溶液进行提取时，往往仅提取得到水溶性的生物碱，而难以提取脂溶性的生物碱。
然而，当生物碱用作革兰氏阳性菌(例如金黄色葡萄球菌)的抑菌剂时，不仅希望提取物中的总生物碱比例更高，而且希望其中含有更高比例的青椒碱、白鲜碱等抑菌成分。抑菌成分的比例通常与其抑菌效果呈正相关关系。
因此，为了满足抑菌剂的使用需要，迫切需要针对上述技术缺陷，针对各种方法提取的生物碱提取物进行纯化或精制，进一步提高抑菌成分的含量比例。
发明内容
本发明目的是提供一种总生物碱比例更高且抑菌成分的含量比例更高的青花椒生物碱的纯化方法。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种青花椒生物碱的纯化方法，以生物碱提取物为原料，使用阳离子交换柱进行上样纯化，上样结束后进行淋洗和洗脱，最后减压浓缩，干燥得到产品。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述生物碱提取物由双水相萃取溶剂提取得到。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述原料使用磷酸溶液溶解，并且上样前过0.22微米滤膜。
有利地，所述磷酸溶液的浓度为1-5wt％。
在一个具体的实施方式中，所述磷酸溶液的浓度为3wt％。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述阳离子交换柱为混合阳离子交换柱MCX。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述阳离子交换柱在上样之前进行活化和平衡。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述活化和平衡使用的溶剂分别为甲醇和去离子水。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述上样速度为0.6-2.4mL/min。
优选地，所述上样速度为0.8-1.6mL/min。
在一个具体的实施方式中，所述上样速度为1.2mL/min。
根据本发明所述的纯化方法，其中，上样结束后，使用2-6wt％甲酸水溶液进行淋洗，然后使用真空泵将交换柱内剩余溶液抽干。
优选地，使用3-5wt％甲酸水溶液进行淋洗。
在一个具体的实施方式中，使用4wt％甲酸水溶液进行淋洗。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述洗脱使用体积比1:1的甲醇/乙腈溶液。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述甲醇/乙腈溶液进一步含有1-4wt％氨水。
优选地，所述甲醇/乙腈溶液进一步含有2-3wt％氨水。
在一个具体的实施方式中，所述甲醇/乙腈溶液进一步含有2.5wt％氨水。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述双水相萃取溶剂选自pH＝5.5-6.5的烷基醇醚糖苷/磷酸氢二钾双水相体系。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述生物碱提取物通过包括如下步骤的提取方法得到：
将青花椒粉末与双水相萃取溶剂在微波萃取装置进行微波萃取，得到萃取液；
所述萃取液过滤后静置分相，得到上相和下相；
对上相进行超滤和纳滤操作，得到纳滤液；
所述纳滤液浓缩后喷雾干燥，得到青花椒生物碱提取物。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述青花椒粉末的粒径为80-120目。
在一个具体的实施方式中，所述青花椒粉末的粒径为100目。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述烷基醇醚糖苷具有下列化学结构式：
Figure BDA0002395574870000051
其中，n表示糖苷单元的平均聚合度且n＝1.0-1.8；m表示乙氧基的平均加合度且m＝2.0-4.0；R为C10-C16烷基。
优选地，n＝1.2-1.4；m＝2.5-3.5；R为C10-C14烷基。
在一个具体的实施方式中，n＝1.3；m＝3.0；R为C12烷基。也就是说，在该实施方式中，所述烷基醇醚糖苷选自AEG30，其具有下列化学结构式：
Figure BDA0002395574870000052
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述双水相萃取溶剂包括16-20wt％的烷基醇醚糖苷和20-24wt％的磷酸氢二钾。
在一个具体的实施方式中，所述双水相萃取溶剂包括18wt％的烷基醇醚糖苷和22wt％的磷酸氢二钾。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述双水相萃取溶剂进一步包括1.0-2.0wt％的氯化钾。
在一个具体的实施方式中，所述双水相萃取溶剂进一步包括1.5wt％的氯化钾。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述青花椒粉末与双水相萃取溶剂的料液比为1:(10-14)g/mL。
在一个具体的实施方式中，所述青花椒粉末与双水相萃取溶剂的料液比为1:12g/mL。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述微波萃取条件为：微波功率240-280W；萃取时间18-22min。
在一个具体的实施方式中，所述微波萃取条件为：微波功率260W；萃取时间20min。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述超滤操作为：使用截留分子量为1000道尔顿的聚砜超滤膜在0.2-0.4MPa的操作压力和室温条件下纯化上相，得到超滤液。
在一个具体的实施方式中，所述超滤操作为：使用截留分子量为1000道尔顿的聚砜超滤膜在0.3MPa的操作压力和室温条件下纯化上相，得到超滤液。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述纳滤操作为：使用截留分子量450道尔顿的聚酰胺纳滤膜在0.8-1.2MPa的操作压力和室温条件下进一步纯化超滤液，得到纳滤液。
在一个具体的实施方式中，所述纳滤操作为：使用截留分子量450道尔顿的聚酰胺纳滤膜在1.0MPa的操作压力和室温条件下进一步纯化超滤液，得到纳滤液。
根据本发明所述的纯化方法，其中，所述喷雾干燥条件为：进风口温度130-160℃、出风口温度60-80℃。
在一个具体的实施方式中，所述喷雾干燥条件为：进风口温度140℃、出风口温度70℃。
本发明的有益技术效果是：现有方法得到的产品相比，本申请纯化方法所得到的产品对革兰氏阳性菌尤其是金黄色葡萄球菌的抑菌效果更佳，可以作为其抑菌剂使用。
不希望局限于任何理论，本发明纯化方法在提取方法基础上，进一步提高了总生物碱比例和抑菌成分的含量比例，所得到的产品中总生物碱比例更高，而且含有更高比例的青椒碱、白鲜碱等抑菌成分。
具体实施方式
必须指出的是，除非上下文另外明确规定，否则如本说明书及所附权利要求中所用，单数形式“一”、“一个/种”和“该/所述”既可包括一个指代物，又可包括多个指代物(即两个以上，包括两个)。
除非另外指明，否则本发明中的数值范围为大约的，并且因此可以包括在所述范围外的值。所述数值范围可在本发明表述为从“约”一个特定值和/或至“约”另一个特定值。当表述这样的范围时，另一个方面包括从所述一个特定值和/或至另一个特定值。相似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应当理解，所述特定值形成另一个方面。还应当理解，数值范围中每一个的端点在与另一个端点的关系中均是重要的并独立于另一个端点。
在说明书和最后的权利要求书中提及组合物或制品中特定元素或组分的重量份是指组合物或制品中该元素或组分与任何其它元素或组分之间以重量份表述的重量关系。
除非具体指出有相反含义，或基于上下文的语境或所属技术领域内惯用方式的暗示，否则本发明中提及的所有分数以及百分比均按重量计，且组分的重量百分比基于包含该组分的组合物或产品的总重量。
本发明中提及的“包含”、“包括”、“具有”以及类似术语并不意欲排除任何可选组分、步骤或程序的存在，而无论是否具体公开任何可选组分、步骤或程序。为了避免任何疑问，除非存在相反陈述，否则通过使用术语“包含”要求的所有方法可以包括一个或多个额外步骤、设备零件或组成部分以及/或物质。相比之下，术语“由……组成”排除未具体叙述或列举的任何组分、步骤或程序。除非另外说明，否则术语“或”是指单独以及以任何组合形式列举的成员。
此外，本发明中任何所参考的专利文献或非专利文献的内容都以其全文引用的方式并入本发明，尤其关于所属领域中公开的定义(在并未与本发明具体提供的任何定义不一致的情况下)和常识。
在本发明中，除非另外指明，否则份数均为重量份，温度均以℃表示或处于环境温度下，并且压力为大气压或接近大气压。存在反应条件(例如组分浓度、所需的溶剂、溶剂混合物、温度、压力和其它反应范围)以及可用于优化通过所述方法得到的产物纯度和收率的条件的多种变型形式和组合。将只需要合理的常规实验来优化此类方法条件。
提取实施例1
将青花椒(产地：山东莱芜)干燥至含水率≤10％，粉碎至粒径100目，得到青花椒粉末。配制双水相萃取溶剂，将18wt％的烷基醇醚糖苷AEG30、22wt％的磷酸氢二钾和1.5wt％的氯化钾和余量的去离子水，调节pH＝6.0；然后在40℃下混合均匀，恒温静置。按照1:12g/mL的料液比，称取100目的青花椒粉末，将其置于密闭的微波萃取装置中，加入双水相萃取溶剂，在60℃条件下进行萃取，得到萃取液。微波萃取条件为：微波功率260W；萃取时间20min。萃取液使用0.22μm滤膜过滤，加入分液漏斗中静置分相，得到上相和下相。使用截留分子量为1000道尔顿的聚砜超滤膜在0.3MPa的操作压力和室温条件下纯化上相，得到超滤液；然后使用截留分子量450道尔顿的聚酰胺纳滤膜在1.0MPa的操作压力和室温条件下进一步纯化超滤液，得到纳滤液。将纳滤液浓缩至相对密度为1.10-1.15进行喷雾干燥，得到青花椒生物碱提取物；其中，喷雾干燥条件为：进风口温度140℃、出风口温度70℃。
提取实施例2
将青花椒(产地：山东莱芜)干燥至含水率≤10％，粉碎至粒径80目，得到青花椒粉末。配制双水相萃取溶剂，将20wt％的烷基醇醚糖苷AEG30、20wt％的磷酸氢二钾和1wt％的氯化钾和余量的去离子水，调节pH＝6.5；然后在45℃下混合均匀，恒温静置。按照1:10g/mL的料液比，称取80目的青花椒粉末，将其置于密闭的微波萃取装置中，加入双水相萃取溶剂，在65℃条件下进行萃取，得到萃取液。微波萃取条件为：微波功率240W；萃取时间18min。萃取液使用0.22μm滤膜过滤，加入分液漏斗中静置分相，得到上相和下相。使用截留分子量为1000道尔顿的聚砜超滤膜在0.4MPa的操作压力和室温条件下纯化上相，得到超滤液；然后使用截留分子量450道尔顿的聚酰胺纳滤膜在1.2MPa的操作压力和室温条件下进一步纯化超滤液，得到纳滤液。将纳滤液浓缩至相对密度为1.10-1.15进行喷雾干燥，得到青花椒生物碱提取物；其中，喷雾干燥条件为：进风口温度160℃、出风口温度80℃。
提取实施例3
将青花椒(产地：山东莱芜)干燥至含水率≤10％，粉碎至粒径120目，得到青花椒粉末。配制双水相萃取溶剂，将16wt％的烷基醇醚糖苷AEG30、24wt％的磷酸氢二钾和2wt％的氯化钾和余量的去离子水，调节pH＝5.5；然后在35℃下混合均匀，恒温静置。按照1:14g/mL的料液比，称取120目的青花椒粉末，将其置于密闭的微波萃取装置中，加入双水相萃取溶剂，在55℃条件下进行萃取，得到萃取液。微波萃取条件为：微波功率280W；萃取时间22min。萃取液使用0.22μm滤膜过滤，加入分液漏斗中静置分相，得到上相和下相。使用截留分子量为1000道尔顿的聚砜超滤膜在0.2MPa的操作压力和室温条件下纯化上相，得到超滤液；然后使用截留分子量450道尔顿的聚酰胺纳滤膜在0.8MPa的操作压力和室温条件下进一步纯化超滤液，得到纳滤液。将纳滤液浓缩至相对密度为1.10-1.15进行喷雾干燥，得到青花椒生物碱提取物；其中，喷雾干燥条件为：进风口温度130℃、出风口温度60℃。
提取比较例1
将烷基醇醚糖苷AEG30替换为相同重量的PEG1000，其余条件同实施例1。
提取比较例2
将烷基醇醚糖苷AEG30的重量份数由18wt％调整为8wt％，其余条件同实施例1。
提取比较例3
将烷基醇醚糖苷AEG30替换为相同重量的正丙醇，其余条件同实施例1。
质量评价
计算提取实施例1-3和提取比较例1-3所得青花椒生物碱提取物的提取率和纯度，提取率公式为：青花椒生物碱提取物重量/青花椒粉末重量×100％；纯度公式为：总生物碱测定含量/青花椒生物碱提取物重量×100％；其中，总生物碱测定含量(g)按照石雪萍等人(《食品科学》，2008，29(10)，P273-276)第1.3.1节建立的酸性染料比色法进行测定。此外，记录提取实施例1-3和提取比较例1-3加入分液漏斗中静置分相的分相时间。
结果如表1所示。
表1
样品 提取率/％ 纯度/％ 分相时间/min
提取实施例1 6.07 43％ 8.6
提取实施例2 6.68 38％ 10.2
提取实施例3 6.32 36％ 11.3
提取比较例1 5.65 31％ 47
提取比较例2 3.44 27％ *
提取比较例3 6.61 22％ 63
*表示未分相，直接使用未分相的萃取液进行后续步骤。
由表1可以看出，与提取比较例1-3相比，本申请提取实施例1-3的提取方法能够得到更高比例的总生物碱(即提取率×纯度)；而且分相速度较快，总生物碱与待分离物的分离效果较稳定，从而改善了生物碱提取物的纯度和性能。不希望局限于任何理论，本申请的特定双水相萃取溶剂和微波萃取的联合使用共同对提取率的改善产生了积极效果，而随后的超滤和纳滤操作除去了上相中绝大多数的烷基醇醚糖苷和多糖等杂质，从而进一步改善了纯度。而分相速度主要决定于特定的双水相萃取溶剂。
纯化实施例1
首先使用3wt％的磷酸溶液溶解提取实施例1的样品，样品上柱前过0.22微米滤膜，得到样品滤液。使用5mL甲醇活化阳离子交换柱MCX(Waters Oasis MCX，500mg/6mL)，再用5mL去离子水平衡阳离子交换柱。然后使用样品滤液进行上样，上样速度为1.2mL/min。上样结束后，使用4wt％甲酸水溶液进行淋洗，随后将阳离子交换柱置于真空泵中，将交换柱内剩余溶液抽干。最后，使用含有2.5wt％氨水的体积比1:1的甲醇/乙腈溶液进行洗脱，减压浓缩干燥后得到纯化实施例1产品。
纯化实施例2-3和纯化比较例1-3
分别按照纯化实施例1相同方法处理提取实施例2-3和提取比较例1-3的样品，最终得到纯化实施例2-3和纯化比较例1-3产品。
抑菌试验
抑菌试验采用金黄色葡萄球菌作为指示菌。培养基为：葡萄糖0.2wt％，牛肉膏1wt％，蛋白胨1wt％，食盐0.5wt％，余量为水，pH＝7.4。无菌接种一环斜面菌种至培养基上，37℃，200rpm振荡培养18h，将对数生长期菌液稀释，得到活菌数1.0-1.5×107CFU/mL的菌悬液。
使用无菌水将纯化实施例1-3和纯化比较例1-3产品以及未经纯化的提取实施例1产品配制成25mg/mL溶液；然后使用滤纸片法测定抑菌圈直径(mm)，测量3次取平均值。
结果如表2所示。
表2
Figure BDA0002395574870000121
Figure BDA0002395574870000131
由表2可以看出，与纯化比较例1-3以及未经纯化的提取实施例1产品相比，本申请纯化实施例1-3所得到的产品对于金黄色葡萄球菌的抑菌效果更佳。不希望局限于任何理论，本发明纯化方法在提取方法基础上，进一步提高了总生物碱比例和抑菌成分的含量比例，所得到的产品中总生物碱比例更高，而且含有更高比例的青椒碱、白鲜碱等抑菌成分。
此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明的技术方案作出各种改动、替换、删减、修正或调整，这些等价技术方案同样落于本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种青花椒生物碱的纯化方法，以生物碱提取物为原料，使用阳离子交换柱进行上样纯化，上样结束后进行淋洗和洗脱，最后减压浓缩，干燥得到产品；所述阳离子交换柱为混合阳离子交换柱MCX；其中，所述原料使用磷酸溶液溶解，并且上样前过0.22微米滤膜；
所述生物碱提取物由双水相萃取溶剂提取得到；所述双水相萃取溶剂选自pH=5.5-6.5的烷基醇醚糖苷/磷酸氢二钾双水相体系；其中，所述烷基醇醚糖苷具有下列化学结构式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，n表示糖苷单元的平均聚合度且n=1.0-1.8；m表示乙氧基的平均加合度且m=2.0-4.0；R为C10-C16烷基；
所述双水相萃取溶剂包括16-20wt%的烷基醇醚糖苷和20-24wt%的磷酸氢二钾，并且进一步包括1.0-2.0wt%的氯化钾；
所述生物碱提取物的提取方法包括如下步骤：
将青花椒粉末与双水相萃取溶剂在微波萃取装置进行微波萃取，得到萃取液；
所述萃取液过滤后静置分相，得到上相和下相；
对上相进行超滤和纳滤操作，得到纳滤液；
所述纳滤液浓缩后喷雾干燥，得到青花椒生物碱提取物。
2.根据权利要求1所述的纯化方法，其中，所述磷酸溶液的浓度为1-5wt%。
3.根据权利要求1所述的纯化方法，其中，所述阳离子交换柱在上样之前进行活化和平衡。
4.根据权利要求3所述的纯化方法，其中，所述活化和平衡使用的溶剂分别为甲醇和去离子水。
5.根据权利要求1所述的纯化方法，其中，所述上样速度为0.6-2.4mL/min。
6.根据权利要求1所述的纯化方法，其中，上样结束后，使用2-6wt%甲酸水溶液进行淋洗，然后使用真空泵将交换柱内剩余溶液抽干。
7.根据权利要求1所述的纯化方法，其中，所述洗脱使用体积比1:1的甲醇/乙腈溶液。
8.根据权利要求7所述的纯化方法，其中，所述甲醇/乙腈溶液进一步含有1-4wt%氨水。
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超声辅助双水相体系提取花椒果皮总生物碱研究;张丙云等;《食品工业科技》;20151231(第1期);第202-206页 *

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