间歇精馏_柱层析耦合法分离纯化苍术挥发油

间歇精馏-柱层析耦合法 分离纯化苍术挥发油 吴明一1, 3,赵金华2,梁 � 慧2, 康 � 晖2,徐世民1, 3 ( 1.天津大学化工学院,天津 300072; 2.深圳市海王生物工程股份有限公司,广东 深圳 518057; 3.精馏技术国家工程研究中心,天津 300072) 摘要:采用真空间歇精馏与柱层析耦合技术对苍术挥发油进行分离纯化实验研究,考察了间歇精馏过程中的工艺参数, 确 定了适宜的操作策略,研究了柱层析法分离茅术醇和 �-桉叶醇单体的实验过程。实验结果表明:真空间歇精馏过程采用改变 回流比操作,操作压力不超过 7�0 kPa,釜温低于 205� , 产品中茅术醇和 �- 桉叶醇两醇质量分数可达到 90% 以上, 收率达到 53%以上。选用茅术醇含量与 �- 桉叶醇含量之比较高的精馏样品为原料,经过柱层析纯化过程,得到了茅术醇单体,其红外光 谱和 1H- NMR核磁共振谱图与文献值一致。该耦合方法用于分离纯化中药、天然产物挥发油是可行的,其工艺稳定可靠,便于 控制,具有实现工业化的潜力。 关键词:间歇精馏;柱层析;挥发油;苍术;茅术醇; �-桉叶醇 中图分类号: TQ028. 3; TQ233. 3� 文献标识码: A � 文章编号: 0253- 4320( 2008) S1- 0105- 03 Separation and purification of volatile oil from Chinese traditional herb by vacuum batch distillation and liquid chromatography WUMing-yi 1 , ZHAO Jin-hua 2 , LIANG Hui 2 , KANGHui 2 , XU Shi-min 1, 3 ( 1. School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Shenzhen Neptunus Bioengineering Holdings Co . , Ltd. , Shenzhen 518057, China; 3. National Engineering Research Center for Distillation Technology, Tianjin 300072, China) Abstract: The experimental research was performed on the technical conditions to separate and purify volatile oil from Chinese traditional herb rhiz oma atractylodis by vacuum batch distillation and liquid chromatography. In the process of vacuum batch distillation, some important factors were investigated. The optimal operation condition for purification of the volatile oil was that: the pressure of operation system was less than 7�0 kPa and temperature of the reboiler was less than 205� with variable reflux ratio. The concentration and average yield of the product can be up to 90% and 53% , respectively. Then employing liquid chromatography to purify the product, high purity hinesol was obtained. Spectral data ( IR and 1H-NMR) of hinesol are consistent with literature values. The process for separation and purification of volatile oil from Chinese tradition herb may be credible, convenient for control and easy to achieve industrialization. Key words: vacuum batch distillation; liquid chromatography ; volatile oil; rhizoma atractylodis ; hinesol; �- eudesmol � 收稿日期: 2008- 04- 21 � 作者简介:吴明一( 1982- ) ,男,博士生;徐世民( 1953- ) ,男,研究员,博士生导师, 主要研究方向为精馏技术与中药天然产物分离提纯, 通讯联 系人, 022- 27404701, xusm2002@ 163. com。 � � 苍术为菊科植物茅苍术 [ Atractrlodes lancea (Thunb. ) DC. ]或北苍术[ Atractylodes chinensis ( DC. ) Koidz. ]的干燥根茎,性温, 味辛、苦,归脾、胃、肝经, 其具有燥湿健脾、祛风散寒、明目的功能, 用于脘腹 胀满、泄泻、水肿、脚气痹痛、风寒感冒与夜盲等 症[ 1]。而苍术中含有的挥发油, 为其主要药理活性 物质[ 2] , 主要化学成分为茅术醇、�- 桉叶醇、苍术 素、苍术酮等。现代药理学研究表明,苍术挥发油中 相对含量较高的茅术醇、�-桉叶醇具有利尿[ 3]、健 脾燥湿[ 4]的疗效作用。 已报道的苍术挥发油的相关文献[ 5- 6]多从挥发 油的化学成分、药效药理角度入手,介绍化学成分的 分析测试方法和药理作用的研究情况。相关纯化制 备高纯度茅术醇、�-桉叶醇的工艺方法的深入研究 报道较少。目前, 有研究者[ 3]直接以苍术挥发油为 原料,采用柱层析的方法制备少量茅术醇、�- 桉叶 醇的分析样品。然而, 苍术挥发油是多组元复杂料 液,其中茅术醇、�-桉叶醇的极性、相对含量等都很 接近,对于较低纯度的原料,直接采用柱层析的方法 虽能分开,但时间长、效率低。间歇精馏具有分离效 �105� 第 28卷增刊( 1) 现代化工 June 2008 2008年 6月 Modern Chemical Industry 率高、技术成熟可靠易于放大等特点, 近年来在中 药、天然产物等领域得到了较广泛应用[ 7- 8]。本研 究拟采用真空间歇精馏和柱层析串联耦合的方法, 发挥两者的优势, 探讨从苍术挥发油纯化茅术醇、 �-桉叶醇制备过程的可行性以及试验工艺条件和 影响因素。 1 � 实验部分 1�1 � 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与试剂 苍术挥发油(产地为湖北英山,由二氧化碳超临 界萃取法制得, 得率为 9�8% ) , 层析用硅胶 ( 200~ 300目, 青岛海洋化工厂)、硝酸银、石油醚 ( 60 ~ 90 � )、乙酸乙酯、正己烷等试剂均为分析纯。 1�2 � 分析方法 1�2�1 � 含量测定 气相色谱法分析测定样品中的茅术醇、�-桉叶 醇等的含量。Agilent 6890N 色谱分析仪 (美国 Ag-i lent公司) , HP- 5 型色谱柱( 30 m � 0�25 mm � 0�32 �m) , FID检测器,温度为 300 � , 进样器温度 230 � , 分流进样, 分流比 20�1; 载气为高纯氮气, 流速 2�0 mL/ min;采用程序升温: 80 � 保持 1min, 10 � / min升 到 220 � ,然后15 � /min升到250 � ,维持 2 min。峰 面积归一法计算各组分的相对含量。 1�2�2 � 结构确证的分析方法 红外色谱分析:干燥样品与 KBr 研磨混合后压 片,采用Magna 550红外光谱仪 (美国 Nicolet 公司) 扫描分析,波长范围为 4 000~ 400 cm- 1。 核磁共振分析: 将样品用 CDCl3 溶解, 用 AVANCE AV 400超导核磁共振谱仪(瑞士 Bruker 公 司400 MHz)测定。温度为 30 � ,谱宽为 8 223�8, 采 样时间为 4�121 s,延迟时间为 4�0 s。 1�3 � 真空间歇精馏 1�3�1 � 实验装置 实验装置如图 1所示, 其中有效填料段高度 m, 塔柱直径 30 mm, 内装 2�5 mm� 2�5 mm 的高效不锈 钢 �环填料;精馏釜容积 500 mL, 采用电热套加热, 加热总功率 1�5 kW, 通过调压器调节加热功率; 冷 凝器为蛇管式, 换热面积 0�05 m2;真空泵, 抽气速率 2 L/ s,极限真空 20 Pa(绝压)。 1�3�2 � 实验操作过程 由原料组成可知,目标成分茅术醇和 �-桉叶醇 在原料中属于中间组分。分离纯化的目的就是既脱 除比它们沸点高的组分又脱除比它们轻的组分, 使 总醇 (茅术醇和 �- 桉叶醇之和) 含量大于 80% , � � � � 1 � 升降台; 2� 加热套; 3 � 玻璃釜; 4 � 温度计; 5 � 精馏塔; 6 � 套管; 7 � 冷凝器; 8 � 分配锤; 9� 集液瓶; 10 � 缓冲瓶; 11 � 水银压差计; 12 � 真空泵 图 1 � 间歇精馏装置图 同时增大茅术醇含量与 �-桉叶醇含量之比,以 利于柱层析能把这两个极性相近的同分异构体分开 得到茅术醇单体。选用的试验方法为, 开始阶段采 用全回流比操作(约 120 min) , 使轻组分在塔顶富 集;然后, 采用较大的回流比将沸点较低的未知杂质 切除,同时又避免大量有效成分茅术醇和 �-桉叶醇 被蒸出,此阶段为杂质脱除段;当塔顶馏出物中的总 醇含量达到要求时, 开始收集,此后采用恒定回流比 操作一段时间, 到分离后期, 样品的采出量明显减 小,调整回流比,保持总醇含量和茅术醇含量与 �- 桉叶醇含量之比在一定的范围内。 1�4 � 柱层析试验 取层析柱( 40 mm � 800 m)和硅胶 200~ 300目, 石油醚湿法装柱。真空间歇精馏结果较好的样品 (表1中样品编号2)为硅胶柱层析的原料, 20 g原料 样品与硅胶(质量比为 1�1�1)拌样干燥后, 采用干 法上样,其上样量大小为 1�20(质量比)。用不同梯 度的石油醚与乙酸乙酯洗脱液( 99�1, 90�1, 80�1, 70�1, 60�1)洗脱, 并收集洗脱液, 每 125 mL 收集 1 瓶,薄层色谱TLC检测收集液,合并收集液, 气相色 谱定性分析。其中洗脱液梯度为 70�1的收集液, 减 压浓缩干燥得样品 5�0 g。将得到的样品, 再经过 5%硝酸银硅胶柱、石油醚与乙酸乙酯洗脱液洗脱, 减压干燥后,最终得到白色针状晶体2�0 g。 2 � 实验结果 2�1 � 间歇精馏实验结果 表1表明不同的试验条件下,总醇的含量(茅术 醇含量与 �-桉叶醇含量之和)和两醇含量比(茅术 醇含量与 �- 桉叶醇含量之比)与原料相比都得到了 �106� 现代化工 第 28卷增刊( 1) 较大程度的提高。4组样品中总醇含量均接近或超 过了 80%,这为不同含量有效成分药效作用的筛选 提供了物质基础。其中样品 2中茅术醇的相对含量 最高, 两醇含量比为 4�71,比原料中的两醇含量比 提高了 5�7倍, 此样品可为柱层析纯化制备茅术醇 单体提供原料。 表1 � 真空间歇精馏试验结果 样品 1 2 3 4 原料 塔顶温度/ � 108 112 118 97 � 塔釜温度/ � 195 204 193 170 � 塔釜压力/ kPa 7�0 5�0 2�2 2�1 � 回流比 1�0 5�0 15�0 10�0 � 总醇含量/ % 79�23 82�53 90�17 82�93 56�78 茅术醇含量/ % 61�40 68�08 55�55 54�82 24�99 �-桉叶醇含量/ % 17�83 14�45 34�62 28�11 30�24 两醇比(质量比) 3�44 4�71 1�60 1�95 0�826 总醇收率/ % 57�1 62�3 53�0 63�2 � 2�2 � 茅术醇的结构确证 通过实验柱层析分离纯化得到的样品的红外 ( IR)色谱图和 1H-NMR图谱。实验结果表明 IR 特 征峰为3 350, 1 640, 1 380 cm- 1和 1H-NMR特征峰为 0�92, 1�20, 1�68, 5�32 ppm 和文献中茅术醇的数 据[ 9, 3]一致。 3 � 讨论 3�1 � 真空度的影响 苍术挥发油是热敏性物料,系统压力越低塔顶 塔底的物料温度越低,越有利于待分离物料的稳定, 越有利于减少发生热敏反应的可能。表 1数据显 示,真空度对目标产品中茅术醇含量与 �- 桉叶醇含 量以及两者质量之比均有影响。系统的真空度主要 从物料的热敏性、系统的稳定性、真空泵的压头 3个 方面考虑确定。为了降低物料沸点,保证物料不发 生热敏反应, 精馏过程中控制系统压力稳定在 7�0 kPa以下。 3�2 � 塔顶和塔釜温度的变化以及对总醇含量的 影响 图2给出了塔顶、塔釜温度的变化以及对总醇 含量的影响。在全回流阶段, 塔顶温度、塔底温度和 总醇含量均升高; 120~ 360 min较大回流比操作过 程为杂质脱除阶段,釜温、顶温有所升高, 随着轻组 分的切除, 总醇含量达到 80�0%以上; 360~ 720 min 为产品收集阶段,恒回流比操作,塔顶与塔釜温度分 别稳定在 112 � 和 185 � 左右, 总醇含量稳定在 82�0%以上, 茅术醇含量与 �-桉叶醇含量之比大于 1�0; 630 min以后, 塔釜温度开始明显上升, 产品纯 度有所下降;到 720 min时,茅术醇含量与 �-桉叶醇 含量之比小于 1�0,停止采出。 1� 塔釜釜温度; 2 � 总醇含量; 3 � 塔顶温度 图 2 � 塔顶、塔釜温度的变化以及对 总醇含量的影响 3�3 � 回流比的影响 表1结果表明,回流比由 1�0增大到 15�0,总醇 含量增加了 14%, 但这势必会增加了精馏时间, 增 大了能耗。综合考虑精馏周期、产物中总醇含量与 收率、茅术醇含量与 �-桉叶醇含量之比 4个方面的 因素,最终试验采用如图 3所示的回流比方案,回流 比变化试验结果满足既定目标。 图 3 � 回流比变化过程示意图 4 � 小结 (1)采用真空间歇精馏和柱层析串联耦合的方 法分离纯化苍术挥发油, 间歇精馏得到了总醇含量 大于 80%的产品, 其中茅术醇含量与 �-桉叶醇含 量之比为 4�71, 用该样品经过柱层析纯化得到了茅 术醇单体。 ( 2)真空间歇精馏过程的适宜条件是,塔釜温度 范围为165~ 205 � ,系统压力不超过 7�0 kPa。 (3)该耦合方法用于分离纯化中药或天然产物 挥发油是可行的, 其工艺稳定可靠, 便于控制, 具有 实现工业化的潜力。 � � (下转第 109页) �107�2008年 6月 吴明一等: 间歇精馏-柱层析耦合法分离纯化苍术挥发油 成薄膜,并不断能使物料更新; �蒸发表面与冷凝表 面的距离很短(约为 2~ 5 cm) ,有助于缩短物料气化 分子处于沸腾状态的时间,使之迅速被冷凝冷却, 从 而缩短物料的受热时间; �由于分子蒸馏具有较高 的分离效率,可从混合物料中分离低含量成分,也可 从蒸馏残液中分离微量的挥发成分; �由于受热时 间短可用于热敏性物料的浓缩和提纯。 1�2 � 实验部分 实验原料为经水蒸气蒸馏实验获得的含 1, 8- cineole成分约为 �( 1, 8- cineole) = 54�73%的桉叶油 粗油。实验设备见表 1, 实验装置如图 1所示。 表 1� 试验设备一览表 � � 设备名称 型号 产地 刮膜式分子蒸馏设备 VKL70 德国 VTA公司 恒温槽 LAUDA Compacthermostat K6 KS 德国 VTA公司 旋片式真空泵 PFEIFFER DUO 2�5AC 德国 VTA公司 1 � 转子驱动马达; 2 � 加热夹套; 3� 冷凝管; 4 � 刮膜转子; 5 � 冷凝水出口; 6 � 冷凝水入口; 7� 重组分收集瓶; 8 � 轻组分 收集瓶; 9 � 冷肼; 10 � 进料器; 11 � 油扩散泵; 12 � 真空泵 图 1 � 刮膜式分子蒸馏装置图 分子蒸馏装置主要由进料系统、蒸发系统、冷凝 系统、真空系统、恒温系统和控温系统等 6个部分组 成。其中真空系统由旋片式真空泵和油扩散泵共同 达到实验所需的真空度。装置的真空度由精密调节 阀调节,通过压力传感器和变送器,由数字仪表以绝 对压力的方式显示, 最低能达到 0�1 Pa。分子蒸馏 实验操作参数见表 2。 表 2� 分子蒸馏设备的操作参数 � � 名称 范围 � � 名称 范围 进料通量 0�1~ 2 L/h 系统压力 0�1 Pa 进料物质黏度 < 1000 mPa�s 蒸发面面积 0�0430 m2 蒸发温度 300 � 冷凝面面积 1�0169 m2 冷凝器温度 10~ 90 � 蒸发-冷凝面间距 0�023 m 预热温度 10~ 90 � 刮膜器转速 0~ 400 r/min 图 2 � 桉树油的多级分子蒸馏工艺流程图 实验对桉叶粗油进行了三级分子蒸馏(如图 3)。并收集系统每级蒸馏出来的轻组分, 标记为 1# 、2# 、3# 。 2 � 测试结果与分析 2�1 � 实验仪器及条件 仪器采用Agilent 6890N 型气相色谱仪, 氢火焰 检测器, HP- 5 色谱柱; 色谱柱: HP- 5 柱; 柱温: 70 � ;气化温度: 170 � ; 检测温度: 170 � ; 载气 ( N2) 流量: 1�0 mL/ min;氢气流量: 40 mL/ min; 空气流量: 400 mL/ min;进样量: 0�1 �L。分流比: 50/ 1。 2�2 � 实验结果 图3为蒸馏液 1# 、2# 、3# 色谱图, 其各组分质 量含量见表3。 � � (上接第 107页) 参考文献 [ 1] 国家药典委员会. 中华人民共和国药典[ S] . � 部.北京:化学工 业出版社, 2005: 111. 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