超高壓超臨界微射流技術(shù)提取中藥有效成分新方法

1、超高壓超臨界微射流技術(shù)提取中藥有效成分新方法【摘要】 闡述了超高壓超臨界微射流技術(shù)提取中藥有效成分的方法及基本原理，對工藝流程進行了研究，優(yōu)化了裝置的結(jié)構(gòu)，提高了提取效率。傳統(tǒng)的方法不能有效提取中藥有效成分，并且破壞了其中大部分熱敏性物質(zhì)，利用效率極低，應(yīng)用超高壓超臨界微射流技術(shù)以中藥牛蒡為例對其中的有效成分進行提取效果十分明顯，具有常溫提取有效成分，無因受熱而產(chǎn)生的有效成分變性，提取得率高、提取液中的雜質(zhì)少、提取時間短、節(jié)能等一系列優(yōu)點，在純度與提取率相同的條件下，提取時間由原來的至少1 h縮短為10 min。 【關(guān)鍵詞】 超高壓； 微射流； 超臨界流體； 提取 Abstract：The r

2、esearch introduced the method and fundamental of extraction of effective components from plant cells, researched the process flow, optimized the structure of the device and increased the efficiency of the extraction. The effective components can not be extracted by conventional method and the heat-s

3、ensitive materials may be destroyed. The conventional method is low in effiency. With the aid of supercritical fluid jet under ultra-high pressure, the effective components in the Chinese herb, for example the burdock, can be effectively extracted. The characteristics of this method are featured as

4、high efficient extraction of effective components, no effective components influenced by heat, low impurity in extracts, time-saving extraction and high energy efficiency. Under the circumstance of the same purity and extraction efficiency, the extraction time can be shortened from 1 hour to 10 minu

5、tes. Key words：Hyper high pressure； Micro jet； Supercritical fluid； Extraction 中藥提取方法的選擇應(yīng)根據(jù)處方藥料特性、溶劑性質(zhì)，劑型要求和生產(chǎn)實際等綜合考慮，以往常用的方法主要有煎煮法、浸漬法、滲漉法、回流法、水蒸氣蒸餾法等。近年來，比較先進的提取工藝新方法已開始引入中藥提取的研究與開發(fā)中，這些新工藝的應(yīng)用，使得中藥提取既符合傳統(tǒng)中醫(yī)理論，又能達到提高有效成分的收率和純度的目的。 超臨界流體萃取(Supercritical fluid extraction，簡稱SCFE)，超臨界CO2萃取技術(shù)是近20年來發(fā)展起來的較

6、為迅速的高新提取分離技術(shù)。葛發(fā)歡等1探討了從黃山藥中萃取薯蕷皂素的最佳條件，同時進行中試放大。微波提取2(Microwave Assisted Extraction，簡稱MAE)是Ganzlert于1986年首先提出的利用微波能進行萃取的方法。Mattinom等3利用MAE法從紅豆杉中提取紫杉醇，與固相萃取相比，效果相當(dāng)，但顯著降低提取時間和花費。超聲波提取是利用超聲波的空化作用，機械作用，熱效應(yīng)等，增大物質(zhì)分子運動頻率和速度，增加溶劑穿透力，從而提高藥材有效成分浸出率，與煎煮法等傳統(tǒng)的提取法比較，具有省時，節(jié)能，提取效率高等優(yōu)點。郭孝武等4研究了不同效率超聲波對提取黃芩苷成分的影響。中藥酶法

7、輔助提取法是在傳統(tǒng)的溶劑提取方法的基礎(chǔ)上，利用酶反應(yīng)具有高度專一性等特性，根據(jù)植物藥材細胞壁的構(gòu)成，選擇相應(yīng)的酶，將細胞壁的組成成分水解或降解，破壞細胞壁結(jié)構(gòu)，使有效成分充分暴露出來，溶解、混和膠溶于溶劑中，從而達到提取細胞內(nèi)有效成分的目的的一種新型提取方法，李道榮等5研究了蒲黃花粉的酶法破壁條件，得出最佳破壁條件。半仿生提取法(Semi-bionic extraction method，簡稱：SBE法)是既符合藥物經(jīng)胃腸道轉(zhuǎn)運過程，適合工業(yè)化生產(chǎn)、體現(xiàn)中醫(yī)治病綜合成分作用的特點6,7，又有利于單體成分控制制劑質(zhì)量的一種中藥復(fù)方制劑提取新技術(shù)。 以上方法大大推動了中藥的利用與開發(fā)，但他們都存在

8、一個共同的問題就是提取時間過長，超高壓超臨界微射流技術(shù)可以很好地解決這一問題。該方法提取的有效成分的生物學(xué)活性和藥理作用優(yōu)于其它提取方法，特別是優(yōu)于傳統(tǒng)的蒸煮和回流提取方法，提取率(收率)最高，提取液中雜質(zhì)含量較低，時間最短僅為10 min，是回流提取時間的2%，超臨界CO2提取時間的1%。 1 提取原理 超高壓超臨界微射流技術(shù)，綜合了超高壓技術(shù)，超臨界萃取技術(shù)和撞擊流技術(shù)的特點，是一種全新的提取方法與理論。 1.1 超高壓技術(shù)當(dāng)壓力超過100 Mpa時，即可稱為超高壓，在國內(nèi)的發(fā)展源于20世紀80年代中期，最早僅局限于切割技術(shù)， 20世紀90年代后期至今國內(nèi)相繼開發(fā)了超高壓技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、醫(yī)

9、藥領(lǐng)域及滅菌、滅毒、催陳、保鮮等項目的研究實驗，且獲得了驚人的效果，對某些行業(yè)的發(fā)展起到了推動作用。 傳統(tǒng)的中藥提取方法使有效成分長時期煮沸受熱，藥效下降，含量較低，例如：中藥當(dāng)歸屬熱敏性藥物，其藥效主要成分阿魏酸遇熱揮發(fā)，因此當(dāng)歸在加熱煮沸以后，已無藥效8。 現(xiàn)有的超高壓提取工藝是在常溫下，將粉碎至一定粒度的中藥材，浸泡于一定比例的水中，置于超高壓反應(yīng)釜中，進行受壓處理。當(dāng)壓力升到設(shè)定值時，瞬間卸壓，利用細胞壁內(nèi)外巨大的壓力反差將細胞組織破裂粉碎，使其有效成分全部溶于水中，而對于那些不溶于水的脂溶性物質(zhì)可以將其置于酒精溶液中，然后作二次提取，但這種方法工業(yè)化存在一定困難，因為所得提取溶液濃度

10、較低，必須提純處理才可以應(yīng)用，而且整個反應(yīng)過程是間斷的，不能連續(xù)工作，對于那些具有堅硬外殼和特殊結(jié)構(gòu)的物料處理結(jié)構(gòu)還是不夠理想，例如靈芝孢子粉，而采用超高壓超臨界撞擊流技術(shù)相結(jié)合的工藝，開發(fā)的一套中藥提取裝置可以很好的解決這些問題。 1.2 超臨界萃取技術(shù)目前研究較多的超臨界流體是二氧化碳，因其具有無毒、不燃燒、對大部分物質(zhì)不反應(yīng)、價廉等優(yōu)點，最為常用。在超臨界狀態(tài)下，CO2流體兼有氣液兩相的雙重特點，既具有與氣體相當(dāng)?shù)母邤U散系數(shù)和低粘度，又具有與液體相近的密度和物質(zhì)良好的溶解能力。其密度對溫度和壓力變化十分敏感，且與溶解能力在一定壓力范圍內(nèi)成比例，所以可通過控制溫度和壓力改變物質(zhì)的溶解度。

11、1.2.1 超臨界流體萃取的基本原理超臨界流體萃取分離過程是利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關(guān)系，即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進行的。當(dāng)氣體處于超臨界狀態(tài)時, 成為性質(zhì)介于液體和氣體之間的單一相態(tài), 具有和液體相近的密度, 粘度雖高于氣體但明顯低于液體, 擴散系數(shù)為液體的10100倍，純物質(zhì)相圖如圖1所示，因此對物料有較好的滲透性和較強的溶解能力, 能夠?qū)⑽锪现心承┏煞痔崛〕鰜?。 在超臨界狀態(tài)下，將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸，使其有選擇性地依次把極性大小、沸點高低和分子量大小的成分萃取出來。并且超臨界流體的密度和介電常數(shù)隨著密閉體系壓力的增加而增加, 極性增大, 利用程序

12、升壓可將不同極性的成分進行分步提取。當(dāng)然，對應(yīng)各壓力范圍所得到的萃取物不可能是單一的，但可以通過控制條件得到最佳比例的混合成分，然后借助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體，被萃取物質(zhì)則自動完全或基本析出，從而達到分離提純的目的，并將萃取分離兩過程合為一體，這就是超臨界流體萃取分離的基本原理。 物質(zhì)的擴散速率可借用Fick's第一擴散公式來說明： ds=-DF dc/dxdt （1） 上式中，dt為擴散時間，ds為在時間內(nèi)物質(zhì)(溶質(zhì))擴散量。F為擴散面，代表藥材的粒度及表面狀態(tài)，dc/dx為濃度梯度，D 為擴散系數(shù)，負號表示擴散趨向平衡時濃度降低，擴散系數(shù)D值隨藥材而變化，與浸出溶

13、劑的性質(zhì)亦有關(guān)，可按下式求得： D=RT/N×ry /6 （2） 上式中，R為摩爾氣體常數(shù)，T為絕對溫度，N為阿伏加德羅常數(shù)， r為擴散物(溶質(zhì))分子半徑，y為粘度。 圖1 純物質(zhì)相圖 二氧化碳的三相圖 1.2.2 超臨界二氧化碳萃取在中藥開發(fā)方面的優(yōu)點用超臨界CO2萃取技術(shù)進行中藥研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，和中藥傳統(tǒng)提取方法相比，具有許多獨特優(yōu)點： 二氧化碳的臨界溫度在31.2 ,能夠比較完好地保存中藥有效成分不被破壞或發(fā)生次生化, 尤其適合于那些對熱敏感性強、容易氧化分解的成分的提取，圖2為二氧化碳三相圖。 流體的溶解能力與其密度的大小相關(guān), 而溫度、壓力的微小變化會引起流體密度的大幅度

14、變化, 從而影響其溶解能力。 所以可以通過調(diào)節(jié)操作壓力、溫度, 從而可減小雜質(zhì)使中藥有效成分高度富集，產(chǎn)品外觀大為改善, 萃取效率高, 且無溶劑殘留。 根據(jù)中醫(yī)辨證論治理論, 中藥復(fù)方中有效成分是彼此制約、協(xié)同發(fā)揮作用的。超臨界二氧化碳萃取不是簡單地純化某一組分, 而是將有效成分進行選擇性的分離, 更有利于中藥復(fù)方優(yōu)勢的發(fā)揮。 超臨界CO2還可直接從單方或復(fù)方中藥中提取不同部位或直接提取浸膏進行藥理篩選，開發(fā)新藥，大大提高新藥篩選速度。同時，可以提取許多傳統(tǒng)法提不出來的物質(zhì)，且較易從中藥中發(fā)現(xiàn)新成分，從而發(fā)現(xiàn)新的藥理藥性，開發(fā)新藥。 二氧化碳無毒、無害、不易燃易爆、粘度低 ,表面張力低、沸點低

15、, 不易造成環(huán)境污染。 通過直接與GC，IR，MS，LC等聯(lián)用 ,客觀地反映提取物中有效成分的濃度,實現(xiàn)中藥提取與質(zhì)量分析一體化。 提取時間快、生產(chǎn)周期短。 超臨界CO2萃取，操作參數(shù)容易控制，因此，有效成分及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。 經(jīng)藥理、臨床證明，超臨界CO2提取中藥，不僅工藝上優(yōu)越，質(zhì)量穩(wěn)定且標準容易控制，而且其藥理、臨床效果能夠得到保證。 超臨界CO2萃取工藝，流程簡單，操作方便，節(jié)省勞動力和大量有機溶劑，減小三廢污染。 1.3 撞擊流技術(shù) 1.3.1 撞擊流技術(shù)原理及其應(yīng)用撞擊流的概念于20世紀60年代初由以色列學(xué)者Elperin首先提出并進行試驗。撞擊流方法采用特殊的流動結(jié)構(gòu)，即兩股很靠近

16、的等量氣-固兩相流沿同軸相向流動，并在中點處撞擊，其基本原理如圖3所示。相向流體碰撞的結(jié)果產(chǎn)生一個較窄的高度湍動區(qū)，為強化熱質(zhì)傳遞提供極好的條件。同時，在該區(qū)域內(nèi)顆粒濃度最高。隨著懸浮體流出撞擊區(qū)，顆粒濃度逐漸降低。該技術(shù)也可用于氣-液、液-液和固-液體系。懸浮體相向流動結(jié)構(gòu)還促進多顆粒相互碰撞，相互穿透和顆粒多次重復(fù)從一股流體滲入另一股流體。顆粒的滲透是因其慣性引起的，而在滲入另一股流體后又因相向流動流體的阻力而減速，最后又被流體加速，再次回到原來的流體中。經(jīng)過這樣若干次振蕩運動后，顆粒的軸向速度消失，最終排出撞擊區(qū)10，11。撞擊流中最重要的現(xiàn)象是顆粒在相向流體中往返滲透。撞擊流技術(shù)對強化

17、熱、質(zhì)傳遞過程尤其是外擴散控制的傳遞過程非常有效。因此，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)領(lǐng)域12。 圖3 撞擊流原理 本文開發(fā)的新技術(shù)應(yīng)用超高壓超臨界流體技術(shù)與撞擊流原理相結(jié)合，采用二氧化碳為萃取劑乙醇為夾帶劑，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖4。 1.物料噴嘴 2.連接體 3.靶距調(diào)裝置 4.靶板 5.支架 6.密封件 7.外管連接件 8.壓緊螺母 9.物料出口 圖4 微射流反應(yīng)器 1.3.2 反應(yīng)器的射流特性反應(yīng)器內(nèi)的射流是典型的受約束射流，可以表示為半徑為r的圓形噴嘴與半徑為R的管道同軸，噴射速度為u0，管道內(nèi)同向初速度為u1，在完全發(fā)展的流動條件下，其射流特性可以分為四個階段，見圖5所示。 2 超高壓超臨界撞擊

18、流技術(shù)的結(jié)合 2.1 實驗設(shè)備及工作介質(zhì)的選擇由于超高壓超臨界撞擊流技術(shù)要求將工作介質(zhì)加壓到300 mPa以上，使用普通的二氧化碳壓縮機或用于液體加壓的高壓柱塞泵都無法實現(xiàn)這一目標。故用超高壓氣動泵來產(chǎn)生實驗系統(tǒng)所需的超高壓，氣動泵具有如下的優(yōu)點：(1)由壓縮空氣驅(qū)動，除空氣壓縮機需要電能外不需額外的電力供應(yīng)；(2)工作過程中不產(chǎn)生熱量，可避免熱敏性物質(zhì)發(fā)生熱降解；(3)升壓速度快，由壓縮空氣的壓力和流量控制產(chǎn)生的高壓，易于操作，便于實現(xiàn)自動控制；(4)當(dāng)有壓力損失時可自動補償；(5)無外部潤滑系統(tǒng)，可有效阻止?jié)櫥驼魵鈱Νh(huán)境造成污染；(6)體積小巧，便于安裝、維護。系統(tǒng)的所有管道、閥門及連接

19、件均為不銹鋼材質(zhì)，符合醫(yī)藥衛(wèi)生標準。原料罐、原料混合罐、超高壓撞擊流粉碎器及產(chǎn)品分離罐均為自行設(shè)計制造，充分考慮了超高壓容器的安全性和實用性。噴嘴選用用于水射流切割的孔徑為0.1mm的寶石噴嘴，保證整個系統(tǒng)的使用壽命；靶板為硬質(zhì)合金材質(zhì)。 由于超臨界流體具有與液體相近的密度和對物質(zhì)良好的溶解能力，因此，超臨界流體可以代替液體作為撞擊流粉碎技術(shù)中物料加速、撞擊的載體。同時，由于液體在超高壓下粘度很高、擴散性較差。而超臨界流體卻具有與氣體相當(dāng)?shù)母邤U散系數(shù)和低的粘度，這樣使用超臨界流體代替液體，撞擊流粉碎可以在超高壓下進行。另一方面，由于植物細胞中含有不溶于水的酯類物質(zhì)，所以選用無水乙醇作為夾帶劑，

20、與超臨界二氧化碳共同作為工作介質(zhì)，且大大降低了噴嘴在工作過程中堵塞的可能性，故實驗裝置中使用了超小孔徑的噴嘴。這也就意味著粉碎能量的更高度集中，能量的利用率得到了有效提高。 圖5 反應(yīng)器的內(nèi)部射流特性 2.2 工藝流程采用中藥牛蒡為原料，牛蒡中主要有效成分是牛蒡苷與菊糖，由于苷類極性較大，因此大多數(shù)方法采用乙醇來提取。應(yīng)用超高壓超臨界微射流技術(shù)相結(jié)合開發(fā)的裝置對牛蒡進行處理，試驗裝置如圖6所示，圖7為進料部分示意圖。 3 結(jié)論 從圖8前后的對比照片可以看到，未處理前，牛旁顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則的外形，且不透明，處理以后，顆粒明顯變化，呈半透明狀，細胞外壁明顯撕裂，周圍剝落絮狀組織，在夾帶劑的作用下，細

21、胞內(nèi)有效成分可以全部提取，從而達到了工業(yè)化要求。 對實驗數(shù)據(jù)采用線性逐步回歸，得出回歸方程，最高指標時各個因素組合為：提取時間為10 min，壓力220 MPa,醇濃度80%，料液質(zhì)量比為120，反應(yīng)在常溫進行，物料以60目為宜，主要考慮分離比較容易，此時最高提取率由苯酚-硫酸法測定總糖含量13，DNS法測定還原糖含量，菊糖含量(%)=總糖含量-菊糖含量，最高提取率95%。 超高壓超臨界微射流技術(shù)提取方法不僅明顯提高了菊糖的提取率，大大縮短了提取時間僅為10 min，這對中藥有效成分提取的工業(yè)化提供了更好的方法，并且整個提取過程是在常溫下進行的，不損害植物細胞中的熱敏性物質(zhì)，這種方法為植物細胞有效成分的提取指明了方向?！緟⒖嘉墨I】 1 葛發(fā)歡，史慶龍超臨界CO2從黃山藥中萃取薯蕷皂素的工藝研究J.中草藥，2000，31(3)：181.2 K.Ganzler,Microwave extraction-a novelsample preparation method for chromatogr