一种用于从东方红雪松（Juniperus virginiana L.）中提取鬼臼毒素并富集大孔树脂的可扩展工艺

《Infant Behavior and Development》：A scalable process for extraction and macroporous resin enrichment of podophyllotoxin from eastern red cedar ( Juniperus virginiana L.)

本研究开发了从入侵性东部红杉叶中规模化提取长春花碱（ptox）的方法。通过优化20%乙醇在60°C下1小时的提取条件，结合三种不同孔径的聚苯乙烯树脂（PAD900、PCG900C、PCG900M）的富集工艺，发现PCG900M树脂吸附ptox能力最强（57 mg/g干树脂），但纯度较低（13.1%）。PAD900树脂纯度最高（19.7%），但吸附量最低（29 mg/g干树脂）。该工艺可减少溶剂使用11-12倍，并有助于控制东部红杉的入侵扩张。

　　### 植物来源的药物成分提取研究：以东部红柏为原料提取鬼臼毒素

鬼臼毒素（Podophyllotoxin，简称ptox）是一种从植物中提取的药物成分，被广泛用于治疗炎症性疾病、癌症等多种疾病。这项研究的重点是开发一种可扩展的提取方法，从东部红柏（Eastern Red Cedar，ERC；学名Juniperus virginiana L.）的叶片中提取鬼臼毒素。ERC原产于北美，其叶片中虽然含有较低浓度的ptox（0.1-0.7%），但其快速生长和较高的生物质产量使其成为一种可再生资源。研究团队发现，使用20%乙醇，在60°C下进行1小时的提取，再结合三种不同粒径的疏水性大孔树脂进行富集，可以实现高纯度的ptox提取。其中，粒径较小的PCG900M树脂表现出最高的ptox结合能力（57 mg/g干树脂）和溶剂减少效果（11-12倍），而粒径较大的PAD900树脂则在ptox纯度方面表现最佳（19.7%），但在提取回收率方面较低（60.0%）。这种优化的提取和富集过程不仅提高了ptox的纯度和回收率，还为控制东部红柏在美国中东部地区的过度扩散提供了新的思路。

#### 背景与意义

鬼臼毒素最初是从印度鬼臼（Podophyllum emodi Wall.）的根茎和美国鬼臼（Podophyllum peltatum L.）的叶片中提取的。然而，由于过度采收，印度鬼臼已被列为濒危物种，而美国鬼臼的野外种群也面临同样的威胁。因此，寻找替代的、可持续的ptox来源变得尤为重要。东部红柏因其较高的生物量和快速的生长速度，成为一种潜在的替代资源。尽管其ptox浓度低于其他传统来源，但其可再生性使得从ERC叶片中提取ptox成为一种可行的策略。此外，这项研究还提出了一种利用ERC叶片作为原料，通过可扩展的提取和富集方法生产抗癌和抗病毒药物的思路，为控制这种入侵性植物提供了新的经济激励。

#### 实验方法与优化过程

研究团队首先对东部红柏叶片进行了收集和预处理。叶片在田间自然晾干至少三个月后，再进行人工干燥处理以提高其脆度，从而便于后续的提取和分离。在预处理过程中，研究人员测试了两种方法：一种是将叶片研磨成细粉，另一种是将其压成薄片。结果显示，研磨成细粉的叶片在使用20%乙醇提取时，ptox的提取量最高（6.51 mg/g叶片），而压成薄片的叶片提取量稍低（5.81 mg/g叶片），但通过过滤可以更高效地分离提取物。此外，重新湿润叶片后再进行压片处理，可以进一步提高提取效率，同时减少因细小颗粒造成的过滤困难。

在提取优化方面，研究人员测试了多种参数，包括乙醇浓度、提取温度、提取时间和溶剂与原料的比例。结果表明，使用20%乙醇在60°C下进行1小时的提取，能够获得最高的ptox提取量（5.27 mg/g干叶片）。此外，溶剂与原料的比例为20:1（即20 mL乙醇/1 g干叶片）时，ptox的提取效率最高，且溶剂使用量相对较少，符合可扩展生产的需求。提取后，通过过滤获得澄清的提取液，再利用三种不同粒径的疏水性大孔树脂进行富集。研究发现，粒径较小的树脂（PCG900M）在结合ptox方面表现出色，但其纯度较低；而粒径较大的树脂（PAD900）在纯度方面表现最佳，但结合能力较弱。因此，研究人员选择了在结合能力、溶剂减少效果和纯度之间取得平衡的树脂进行后续实验。

在树脂富集过程中，研究团队采用了一种梯度洗脱方法。对于PAD900树脂，洗脱溶剂浓度从40%甲醇逐步增加到100%甲醇，其中70%甲醇洗脱步骤获得了最高纯度（15.2%）。而对于PCG900C和PCG900M树脂，研究人员优化了洗脱步骤，去除了50%甲醇洗脱环节，使得80%甲醇洗脱步骤能够回收93.4%的ptox，并且纯度达到14.8%或13.1%。这些优化措施不仅提高了ptox的纯度和回收率，还降低了溶剂的使用量，从而减少了生产成本和环境影响。

#### 实验结果与分析

实验结果显示，从东部红柏叶片中提取的ptox纯度在不同树脂中存在显著差异。PAD900树脂在70%甲醇洗脱步骤中纯度最高（19.7%），但其结合能力较低（29 mg/g干树脂），导致溶剂减少效果较弱（6-7倍）。相比之下，PCG900M树脂虽然纯度最低（13.1%），但其结合能力最强（57 mg/g干树脂），溶剂减少效果最佳（11-12倍）。PCG900C树脂在纯度和结合能力之间取得了较好的平衡，纯度为14.8%，结合能力为35 mg/g干树脂，溶剂减少效果为8倍。这些结果表明，不同粒径的树脂在提取和富集过程中表现出不同的性能，需要根据实际需求进行选择。

此外，研究还发现，不同洗脱步骤对ptox的回收率和纯度有显著影响。例如，对于PCG900M树脂，80%甲醇洗脱步骤能够回收89.8%的ptox，并且纯度达到13.1%。而对于PAD900树脂，70%甲醇洗脱步骤回收了81.4%的ptox，纯度为19.7%。这些结果表明，虽然不同树脂在纯度方面存在差异，但它们都能在一定范围内实现高效的ptox提取和富集。

#### 讨论与应用前景

这项研究的一个重要发现是，随着树脂粒径的减小，其结合能力显著提高，但同时ptox的纯度有所下降。这一现象在其他植物提取物的富集过程中也有所体现，例如从鼠尾草中提取的carnasol和carnosic acid。粒径较小的树脂虽然结合能力更强，但其对杂质的吸附能力也更强，导致最终产品的纯度相对较低。因此，在选择树脂时，需要在结合能力和纯度之间进行权衡。

此外，研究团队还发现，使用较小粒径的树脂可以显著减少溶剂的使用量，从而降低生产成本和环境影响。例如，PCG900M树脂能够将提取液的体积减少至原来的11-12倍，而PAD900树脂只能减少6-7倍。这一发现为大规模生产提供了重要的参考价值，因为减少溶剂使用量不仅可以降低生产成本，还能减少对环境的影响。

从实际应用角度来看，这项研究为控制东部红柏的过度扩散提供了新的经济激励。东部红柏在美国中西部地区广泛分布，其过度生长可能对农业和生态系统造成威胁。通过从其叶片中提取ptox，并将其用于制药行业，可以为东部红柏的清除提供经济回报，从而促进生态恢复。此外，这项研究还为其他植物提取物的富集和纯化提供了参考，展示了如何通过优化提取和富集条件，提高目标化合物的纯度和回收率。

#### 结论

综上所述，这项研究开发了一种可扩展的提取和富集方法，用于从东部红柏叶片中提取鬼臼毒素。通过优化提取条件（20%乙醇、60°C、20:1溶剂与原料比），研究人员获得了较高纯度的ptox提取物，并通过三种不同粒径的疏水性大孔树脂进一步提高了其纯度和回收率。尽管粒径较大的树脂在纯度方面表现更优，但粒径较小的树脂在结合能力和溶剂减少效果方面更胜一筹。这些发现为东部红柏的控制和利用提供了新的思路，也为其他植物提取物的富集和纯化提供了有价值的参考。未来的研究可以进一步探索如何提高ptox的纯度，以满足制药行业的严格要求。