中药提取第六章-超高压提取技术(1)

第六章超高压提取技术超高压第一节超高压提取的原理及特点中药所含的成分十分复杂,既有有效成分,又有无效成分,而有效成分多为细胞内物质。有效成分的提取实际上是目标成分从细胞内释放,经多孔细胞膜壁扩散到溶剂中的过程,无论是那种提取方式,目的都是强化目标成分从基质向提取溶剂的扩散,同时保持目标成分的活性。第一节超高压提取的原理及特点一、超高压提取的原理药材浸润和溶质溶解过程就是溶剂通过药材颗粒表面进入细胞内,使细胞内部充满溶剂,从而使其中的可溶物逐步溶解于溶剂中,形成溶液。药材浸润和溶质溶解过程的速度与溶剂性质,固体药材内毛细孔状况、大小、分布,细胞壁的结构和性质,以及药材的表面状态、比表面积、提取温度、压力等因素有关,一般说温度越高,压力越大,浸润速度越快。压力提取效率升压阶段:压力在几分钟内(一般小于5min)迅速由常压升为几百兆帕,固体组织细胞内外形成了超高的压力差,提取溶剂在超高压力推动下迅速渗透到植物内部维管束和腺细胞内。随着压力迅速升高,细胞体积被压缩,如果超过其形变极限,会导致细胞破裂,细胞内的物质与溶剂接触被溶解;如果没有超过细胞的形变极限,提取溶剂在高压作用下,进入植物细胞内,有效成分溶解在提取溶剂中。保压阶段:一般几分钟之内即可完成。超高压力引起体系的体积变化,推动了化学平衡的移动,溶剂的渗透、溶质的溶解快速达到平衡。因此保压阶段时间很短,卸压阶段:卸压一般在几秒钟之内即可完成(一般卸压时间2s),组织细胞的压力从几百兆帕的超高压迅速减小为常压,在反方向压力作用下,发生流体以及药物基质体积的爆破膨胀,对细胞壁、细胞膜、质膜、核膜、液泡、微管等形成强烈的冲击致使发生变形。如果变形超过了其变形极限,导致细胞结构出现松散、孔洞、破裂等结构变化,有效成分和溶剂充分接触,溶解了有效成分的溶液会向细胞外迅速扩散;如果在反方向压力作用下细胞壁的变形没有超过其变形极限(在高压作用下通透性增大),细胞内部已经溶解了有效成分的溶剂在高渗透压差下快速转移到细胞外,达到提取的目的。在压力一定的情况下,卸压时间越短,细胞内流体在向外扩散的同时产生的冲击力越强,形成的孔洞、碎片越多.一定质量的药物有效比表面会越大,有效成分扩散的传质阻力就会越小、与溶剂接触也就会更充分,提取效率会更高。二、超高压提取的特点1.提取时间短:以人参皂苷提取为例，超高压回流索氏提取超声法超临界微波51803604018015min。2.溶剂消耗少：完全封闭，没有溶剂的挥发消耗，而且目标成分由固体组织向周围溶剂的扩散，不是单纯的靠浓度梯度提供传质动力，而是主要靠由压力差提供，因此超高压提取选择的固体原料与提取溶剂的比例较其他方法都要小，能明显地降低溶剂的消耗。3.提取效率高：超高压提取压力最高可达700MPa，在这样高的压力下，可以显著地提高提取效率。以人参总皂苷的提取为例，提取得率比较。回流、超声、超临界CO2萃取、超高压5.75、5.89、2.32、7.33(％)。4.节能：在升压阶段：流体压缩消耗消耗较小能量。在保压、卸压阶段，无能量消耗，也无能量传递。以溶剂水为例：从理论上分析，100L水加热到90℃需要热量293×105）J，100L水加压到400MPa耗能仅为18.84×105J,在回流提取过程中，溶剂还需要不断地吸收能量，使提取溶剂维持在沸腾状态，大量能量消耗于液体的汽化，而且由电能转化为热能的效率要远低于转化为压缩能，因此高压提取消耗的能量相对较低，仅占热回流提取的1/15左右，实际运行时扣除各种因素的影响，至少节能80％以上。5.提取温度低：在绝热条件下，压力每提高100MPa,水的温度升高3℃左右。实际提取时，由于高压容器壁与周围环境有热交换，温度升高的程度远小于上述数值。因此可以说高压提取可以维持在接近常温的条件下进行。这对于天然产物中的热敏性成分、易挥发性成分的提取是极为有利的；同时由于高压提取使用的是流体静压力，压力传递是在瞬间完成的，容器内任何方向和位置的压力相等，因此超高压提取对物料的作用是均匀一致的，这就避免了像微波提取、热回流提取过程中的局部受热不均，造成目标成分的结构变化和损失，从而保证了有效成分具有更高的生物活性。6.工艺操作简单、安全：高压提取技术使用的是液体传质，因此液体受压时体积变化较小。如20℃的水，在压力为800MPa时体积减少17％，压力为400MPa时体积减少12％。由此可知，只要提取溶剂泄漏5％，超高压容器的压力就会从800MPa下降为400MPa，如果继续泄漏5％，系统的压力将下降到100MPa左右，也就是说系统的少量泄漏将引起压力的大幅度下降，因此超高压提取不存在爆炸的危险，可见高压提取设备的安全性和操作方便性远高于超临界CO2萃取设备；高压提取时升压、保压、卸压、加料这些单元的操作，都可以借助机械完成，整个提取操作非常简单，适于现代化大生产。7.提取液稳定性好：由于高压提取的同时生物体大分子立体结构中的氢键结合、疏水结合、离子结合等非共有结合发生变化，使蛋白质变性、酶失活、细胞膜破裂、菌体内成分泄漏生命活动停止、微生物菌体破坏而死亡。一般情况下200^300MPa病毒灭活；300～400MPa霉菌、酵母菌灭活；300～600MPa细菌、致病菌灭活；800～1000MPa芽孢灭活。由于溶液中的菌体绝大部分已经灭活，提取液稳定性较常规的提取方法明显提高，且澄清度好，保持期延长，一般水煮提取液4d后出现浑浊、沉淀，而高压提取液40d后无明显变化。这为提取液的保存、后续的分离纯化，甚至提取液的直接使用提供了极为有利的条件。第二节超高压提取的影响因素一、溶剂的影响：根据相似相溶的原理来选择合适的提取溶剂。例：人参皂苷提取，精确称取015g已脱脂样品4份,分别准确加水25mL、甲醇25mL、50%乙醇25mL、水饱和正丁醇25mL,密封混匀,加压500MPa,保压2min,取上层液离心,在550nm处测定A值,计算提取得率(表1)二、溶剂浓度的影响精确称取015g已脱脂样品5份,分别准确加入10%、25%、75%、90%乙醇25mL(料液比为1∶100)密封,加压500MPa,保压2min、取上层液离心,在550nm处测定A值,计算提取得率(表2)。。选择合适的溶剂体积分数,可以提高得率乙醇体积分数为90%时,人参皂苷的提取收率明显降低。因此,选择乙醇的最佳体积分数为30%～70%。三、固液比的选择:精确称定015g已脱脂样品5份,分别准确加入70%乙醇5mL(固液比1∶10)12.5mL(固液比1∶25)、25mL(固液比1∶50)、37.5mL(固液比1∶75)、50mL(固液比1∶100)密封,加压500MPa,保压2min,取上层液离心,在550nm处测定A值,计算提取收率(表3)可以看出当固液比在1∶10～1∶100,随着固液比的增加,人参皂苷的提取收率逐渐增加。但考虑到有效成分提取分离的后处理的工作量以及经济性。选择最佳固液比范围为1∶25～1∶75。三、超高压提取温度的影响温度:是超高压提取中重要的影响因素之一。温度升高溶剂的溶解性能增加。温度升高可以加快分子扩散的速率,从而加快整个提取过程的传质速率。温度的改变还可以影响表面平衡,提取过程所提供的热能可以提供解吸附过程所需要的活化能,破坏目标成分与基质间的交互作用,如范德华力、氢键、偶极矩等。同时,溶剂的黏度和表面张力会因温度的升高而降低,溶剂黏度和表面张力越低,其渗透性越好,润湿基质的能力就越强。四、提取压力的影响提高压力有利于加快溶剂浸润过程以及有效成分的传质速率,同时超高压力对流体密度、活度、药材基块结构都会有不同程度的影响,从而有利于以后溶质的扩散。压力的选择:精确称定0125g已脱脂样品5份,分别准确加入70%乙醇25mL(固液比1∶100),密封混匀,加压50、200、350、500、650MPa,保压2min、取上层液离心,在550nm处测定A值,计算提取收率(表4)压力是超高压提取人参皂苷的一个重要参数,压力大小影响皂苷的溶解平衡速率和细胞的破坏程度[6]。可见,随着提取压力的升高,提取收率逐渐增加。在100～500MPa时,两者呈线性正相关关系。当压力达到600MPa时,提取收率有所降低.。由此可以得到最佳压力为:100～500MPa。五、提取时间的选择:在超高压提取过程中,提取时间也是一个重要参数。在相同条件下,结果见图1。由于提取过程中压力较高,溶剂能够在极短的时间渗透到细胞内部,且人参皂苷能够快速达到溶解平衡,因此提取时间较短(几分钟)。可以看到延长提取时间并不能明显增加人参皂苷的提取收率。正交试验设计结果与数据分析:在单因素试验的基础上,按照尽量减少试验次数和寻求设计最优的原则,选择提取压力(A)、溶剂体积分数(B)和固液比(C)作为因素,每个因素各取3个水平,正交试验方案及结果见表5。人参皂苷的超高压最佳提取工艺参数:提取压力500MPa、溶剂体积分数为50%、固液比1∶50、时间为2min;最高提取收率为7176%。为天然产物有效成分的提取提供了一种新工艺。与传统提取法相比,超高压提取具有下列优点:①提取时间短、得率高:超高压提取人参皂苷收率比传统乙醇回流提取方法增加25%,但提取时间为2min,是乙醇回流的1%;②能耗低:超高压提取过程中在升压阶段溶液体积压缩(压缩量较小),消耗一部分能量,在保压和卸压过程都没有能量的消耗,也没有能量的传递,超高压提取能耗的能量只有回流提取的1%左右;③常温提取:超高压提取过程中,溶液在被压缩时产生的热量较少,基本可以维持在室温下进行,因此人参皂苷不会因热效应损失和降低活性;④杂质含量少:实验中发现超高压提取液中杂质含量明显低于水煮的,且提取液澄清度、稳定性也远远高于水煮;⑤该提取工艺操作简单,机械化程度高,适宜于现代化大生产,为人参皂苷工业化生产提供了一种新技术。第三节超高压提取工艺流程及设备一、超高压提取工艺流程:超高压提取过程主要有以下几个步骤组成:预处理、升压、保压、卸压、分离纯化等,其工艺流程见P187图6-6.二、样品的预处理干燥、粉碎、脱脂、浸泡等。样品处理:样品(人参干根)干燥,粉碎过40目筛,按1∶40加三氯甲烷回流3h脱脂,回收溶剂,残渣挥干溶剂,备用。三、超高压处理四、超高压提取设备超高压提取设备见P189图6-7将药物原料按照一定的料液比混合,浸泡一定时间,装在耐压、无毒、柔韧的软包装内密封,然后放入高压容器内;启动高压泵,将容器内的空气排出,然后迅速升高到所需的压力,并在此压力下保持一定的时间;快速打开控制高压回路的阀门,卸除压力;取出高压处理后的料液,进行分离、纯化、测试。(超高压提取设备产品分实验机和生产设备两大类。实验机的压力范围较大，容积较小，配备完善的检测、记录和分析手段，适于研究单位使用；生产设备的容量较大，压力仅控制在生产工艺所要求的数值以下，开启式的可以处理软包装的食品，封闭式的仅能处理泵输送的流体物料。超高压生物处理设备的成本与其工作压力，工作容积有直接关系，合理选择工作参数，按照实际需要进行专门设计，能大大降低成本，提高设备的性能价格比。下面以HPB.A2系列实验机为例进行介绍。天津市华泰森淼生物工程技术有限公司压力容量价格400Mpa50升88万400Mpa25升68万600Mpa15升68万400-600Mpa6.5-4.5升45万本设备运行维护费用低，维护快速简单。自动化程度高，操作简单省时省力。第四节超高压技术在中药提取中的应用超高压技术提取总黄酮刘春明等