基于水性亲水溶剂的生物碱绿色提取方法：对机制的深入理解及以黄连（Coptis chinensis）为对象的实验研究

《Separation and Purification Technology》：Aqueous hydrotrope-based green extraction of alkaloids: insights into mechanism and experimentation with Coptis chinensis

本研究利用水基增溶剂钠水杨酸盐高效提取黄连生物碱，通过响应面法优化得最佳条件为46.4% SS，液固比26.7 mL/g，温度60℃，此时黄连碱、掌叶防己碱、小檗碱及总生物碱得率分别为1.85%、1.39%、8.97%和15.57%。分子动力学模拟表明SS通过离子-π相互作用和色散力高效提取生物碱，且吸附树脂HPD-400可循环使用5次以上，环境评估显示其可持续性。

　　

Nhan Trong Le|The-Huan Tran|Vy Khanh Thi Nguyen|Tuong Cat Chau Mai|Hoai Thi Nguyen

越南顺化市顺化医科大学药学院

摘要

寻找对环境友好的溶剂已成为天然产物研究的核心任务，因为传统的有机溶剂在安全性和可持续性方面仍存在问题。亲水性溶剂（HTs）作为一种有吸引力的替代品出现，因为它们可以显著提高难溶化合物在水中的溶解度。本研究探讨了使用亲水性溶剂溶液提取生物碱的方法，以Coptis chinensis为例。初步筛选表明，水杨酸钠（SS）是一种特别有效的溶剂，其提取的黄连素、 palmatine、 berberine和总生物碱的产量高于传统溶剂或其他绿色溶剂。通过响应面方法确定了最佳条件（46.4% SS，液固比26.7 mL/g，时间21.8分钟，温度60°C），在该条件下，黄连素、 palmatine、 berberine和总生物碱的产量分别达到了1.85%、1.39%、8.97%和15.57%。结合静电势图、相互作用区域指示图和分子动力学模拟的机制分析表明，SS的优异性能源于阴离子–Cδ⁺之间的静电相互作用以及分散力和弱氢键。提取过程遵循二阶动力学模型（E_a = 26.14 kJ/mol），表明溶解和扩散都起到了作用。重要的是，使用大孔树脂（尤其是HPD-400）可以高效回收生物碱，并且SS和树脂可以至少重复使用五次而效率损失可忽略不计。进一步使用AGREEprep指标对可持续性进行了定量评估。总体而言，这些发现表明水杨酸钠是一种实用、可重复使用且对环境负责的溶剂系统，适用于可持续的生物碱提取，其中berberine的机制也得到了验证。

引言

药用植物的开发和利用作为生物活性化合物的宝贵来源，支持了制药、营养补充剂和化妆品行业的增长。然而，传统的提取方法主要依赖于乙醇、甲醇、氯仿和己烷等有机溶剂，这些溶剂对人类健康和环境都存在潜在风险[1]。此外，这些溶剂的有限可回收性增加了加工成本，削弱了提取过程的总体可持续性[2]、[3]。

在可持续发展的背景下，绿色溶剂已被广泛研究并作为有机溶剂的环保替代品[3]。其中，亲水性溶剂（HTs）作为水溶液中的增溶剂，在绿色提取过程中受到了广泛关注。HTs能够提高难溶性生物活性化合物在水中的溶解度，已在制药、化妆品、食品和化工行业得到应用[4]、[5]。常用的亲水性溶剂包括水杨酸钠、苯磺酸钠和尿素，最近也探索了烷二醇[4]、[6]。从结构上看，HTs通常同时具有亲水性和疏水性基团，能够形成能够溶解难溶化合物的微环境。与表面活性剂不同，HTs在低浓度下不会形成胶束，而是通过特定的分子相互作用来提高溶解度[7]、[8]。在提取过程中，多项研究强调了HTs在从植物材料中提取酚类和萜类化合物方面的应用[9]、[10]、[11]、[12]。然而，关于亲水性溶剂溶液提取生物质中生物碱潜力的综合研究仍然较少，这一领域存在显著的知识空白。

生物碱是一类结构多样的含氮天然产物，具有广泛的生物活性。由于它们的普遍存在和药理学意义，从植物基质中高效提取生物碱仍然是一个重要的研究课题[13]、[14]。传统的生物碱提取方法主要依赖于有机溶剂和酸碱处理，这通常涉及大量的溶剂消耗、漫长的处理时间和环境问题。尽管现代强化技术（如微波辅助和超声波辅助提取）提高了提取效率，但它们仍然主要依赖挥发性或有害溶剂[15]。因此，人们越来越关注能够高效提取生物碱同时减少环境影响的绿色溶剂系统。在这方面，深共晶溶剂、离子液体和其他基于水的系统已成为可持续生物碱提取的有希望的候选者[16]、[17]、[18]。关于HTs在生物碱提取中的应用，已有研究报道使用水杨酸钠烷基苯磺酸盐和丁基单乙醇硫酸钠的水溶液从Piper nigrum（黑胡椒）果实中高效提取了胡椒碱[19]，以及结合HTs和表面活性剂的水溶液[20]。此外，还使用水杨酸甲苯磺酸钠溶液成功从Rauwolfia vomitoria中提取了利血平[21]。然而，之前的报告主要集中在提取效率上。尚未建立将实验研究与机制解释（包括溶剂筛选、工艺优化、化合物回收和可重复性评估）相结合的全面工作流程。因此，HTs在生物碱提取方面的潜力尚未得到全面和系统的评估。

Coptis chinensis是一种属于毛茛科的珍贵药用植物，数千年来一直被用于传统处方[22]。在传统医学中，Coptis chinensis的根茎（CCR）被用于治疗胃肠道疾病和与热相关的炎症症状。现代药理学研究进一步证明，CCR具有抗菌、抗炎、抗氧化、抗糖尿病和抗癌作用。这些治疗作用主要归因于其丰富的原小檗碱类生物碱，特别是berberine、 palmatine和黄连素[23]。鉴于其潜在的药理作用和化学合成的实际限制，天然提取仍然是获取这些生物碱的一种可行且可持续的方法。因此，开发高效且对环境友好的提取策略非常重要，而水基HTs溶液为生物碱的提取提供了一种有前景的绿色替代方案。

因此，本研究旨在开发一种综合且可持续的方法，利用水基HTs从药用植物中提取生物碱。通过以CCR为案例的研究，进行了实验优化、机制建模和回收评估，以证明这种方法的可行性。研究结果不仅强调了亲水性溶剂作为生物碱提取的有前景的绿色溶剂，还提供了机制见解和可重复性的证据，为天然产物提取的规模化和环境友好应用奠定了基础。

部分内容片段

植物材料和化学品

CCR从越南顺化市的一家传统药店购买，然后干燥、研磨、过筛（0.71毫米），并在避光条件下储存。参考标准品[黄连素（COP）、 palmatine（PAL）、 berberine（BER）从Macklin Inc.（中国广州）获得。亲水性溶剂包括水杨酸钠（SS）、苯磺酸钠、柠檬酸钠、尿素、几种烷二醇、γ-戊内酯和乳酸乙酯，以及有机溶剂和酸碱从Macklin Inc.购买

溶剂筛选

选择亲水性溶剂从生物质中提取生物碱的动机有几点：(i) 需要探索一类可以替代传统有机溶剂的新型绿色溶剂；(ii) 尽管离子液体、深共晶溶剂和水基有机酸等绿色溶剂已被广泛用于生物碱提取，但关于HTs的系统和全面研究仍然较少；(iii) HTs已经显示出显著的效果

结论

本研究证明了水杨酸钠作为绿色高效溶剂在从药用植物中提取生物碱方面的显著潜力，以Coptis chinensis作为案例研究。与传统有机溶剂和其他报道的绿色溶剂相比，水杨酸钠始终获得了更高的提取产量（总生物碱：15.57%），这一结果得到了实验验证和机制证据的支持。提取过程遵循二阶动力学模型

CRediT作者贡献声明

Nhan Trong Le：撰写 – 原稿、方法学、实验。The-Huan Tran：撰写 – 审稿与编辑、软件、实验。Vy Khanh Thi Nguyen：实验、形式分析。Tuong Cat Chau Mai：实验、形式分析。Hoai Thi Nguyen：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了顺化大学核心研究计划的支持，授权号：NCM.DHH.2023.01 (2026-2028)