中药提取第六章超高压提取技术.ppt

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 第一节超高压提取的原理及特点 一 超高压提取的原理 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 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 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 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 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 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http cn made in 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用70 乙醇水溶液作溶剂 采用超高压技术从朝鲜淫羊蕾中提取淫羊藿总黄酮 提取率为9 67 提取时间5min 而70 乙醇回流提取率为6 14 提取时间为4h Zhang等利用乙醇水溶液从蜂胶中提取黄酮 超高压提取1min的得率高于浸提7d 热回流提取4h 第四节超高压技术在中药提取中的应用 例 超高压提取山楂叶中黄酮类化合物作者将超高压提取技术应用于山楂叶黄酮提取 建立了一种省时 高效的山楂叶黄酮提取的新工艺 设备 DL700超高压等静压机1 材料的处理将山楂叶置于70真空干燥箱中恒温干燥6h 取出后粉碎成40目粉末 混和均匀 置于黑色塑料袋内避光保存 2 山楂叶黄酮类化合物的提取 精密称取山楂叶粉末1g 准确加入一定量的溶剂 塑封 混匀 按预先设计的高压参数处理 过滤 定容 用分光光度法测吸光光度值 3 山楂叶黄酮的测定对照品溶液的制备 精密称取干燥至恒重的芦丁对照品25mg 置50mL量瓶中 加乙醇适量 于30水浴锅中加热 使之溶解 放冷 加乙醇至刻度 摇匀 精密量取20mL 置50mL量瓶中 加水至刻度 摇匀 得对照品标准液 标准曲线的制备 精密量取对照品溶液1 2 3 4 5 6mL 分别置于25mL量瓶中 各加水至6mL 加5 亚硝酸钠溶液1mL 摇匀 放置6min 加10 硝酸铝溶液1mL 摇匀 放置6min 加4 氢氧化钠溶液10mL 再加水至刻度 摇匀 放置15min 以相应试剂为空白 立即用分光光度法在500nm的波长处测吸光度 A 值 以吸光度为纵坐标 质量浓度 C 为横坐标 绘制标准曲线 回归方程为 C 0 077A r 0 9998 样品测定 精密量取上述待测液1mL并置于25mL容量瓶中 加水至6mL 加5 亚硝酸钠溶液1mL 摇匀 放置6min 加10 硝酸铝溶液1mL 摇匀 放置6min 加4 氢氧化钠溶液10mL 再加水至刻度 摇匀 放置15min 以相应试剂为空白 立即按照紫外 可见分光光度法 在500nm的波长处测吸光度 A 值计算山楂叶黄酮提取率Y Y 0 077 A V V1 m 100 式中 A为吸光度值 V为过滤后定容总体积 V1为检测时所取溶液体积 m为山楂叶样品质量 4 单因素试验及结果 1 溶剂体积分数的选择精密称取2g山楂叶干燥粉末 40目 6份 分别加入体积分数为0 10 30 50 70 90 的乙醇 料液比为1 20 g mL 密封 加压300MPa 提取时间5min 温度为25 卸压后过滤 定容于100mL容量瓶 摇匀 在500nm处测定吸光度值 计算黄酮提取率 如图1所示 从图1可以看出 乙醇对山楂叶黄酮提取率影响显著 当乙醇体积分数达到50 时 可以获得较高的提取率 通过实验可以发现 在提取过程中乙醇的体积分数对总黄酮的提取有较大影响 乙醇的体积分数增高有利于总黄酮的提取 这与黄酮类物质的结构有关 乙醇体积分数增大 黄酮苷元类化合物的溶解性增大 脂溶性黄酮类化合物的溶解性也随之增大 因此 在乙醇体积分数为0 50 内 总黄酮的提取率随乙醇体积分数的增大而增加 但黄酮苷类化合物随乙醇体积分数的增大反而降低 当乙醇体积分数超过一定的范围 随乙醇体积分数的增大 总黄酮的提取率反而降低 2 压力的选择 精密称取2g山楂叶干燥粉末6份 分别加入体积分数为50 的乙醇 料液比为1 20 g mL 密封 分别加压100 200 300 400 500 600MPa 提取时间5min 温度为25 卸压后过滤 定容于100mL容量瓶 摇匀 在500nm处测定吸光度值 计算提取率 如图2所示 从图2可以看出 压力对提取率有影响 压力从100MPa变化到600MPa的过程中 在400MPa时提取率最高 压力大于400MPa后 随压力增大 提取率有降低的趋势 3 料液比的选择 精密称取2g山楂叶干燥粉末6份 分别加入体积分数为50 乙醇 固液比为1 10 1 20 1 30 1 40 1 50 1 60 g mL 密封 加压400MPa 温度为25 提取时间5min 卸压后过滤 定容于100mL容量瓶 摇匀 在500nm处测定吸光度值 计算提取率 如图3所示 4 温度的选择 精密称取2g山楂叶干燥粉末6份 分别加入浓度为50 乙醇 密封 加压400MPa 料液比1 40 g mL 提取时间5min 温度分别为30 40 50 60 70 80 卸压后过滤 定容于100mL容量瓶 摇匀 在500nm处测定吸光度值 计算提取率 如图4所示 5 提取时间的选择 精密称取2g山楂叶干燥粉末6份 分别加入浓度为50 的乙醇 固液比为1 40 g mL 密封 加压400MPa 温度60 提取时间分别为1 2 3 5 7 9min 卸压后过滤 定容于100mL容量瓶 摇匀 在500nm处测定吸光度值 计算提取率 如图5所示 图 6 正交试验结果与数据分析 在以上单因素试验基础上 对影响山楂叶黄酮类化合物超高压提取效果的因素乙醇浓度 A 提取压力 B 料液比 C 温度 D 进行L9 3 4正交试验设计 并对试验结果分析 如表1所示 在正交试验所选条件范围内 4个因素对提取效果影响的顺序为 A 乙醇浓度 B 提取压力 C 料液比 D 温度 最佳工艺条件为 溶剂为50 浓度乙醇 压力为400MPa 山楂叶粉末质量与溶剂体积比为1 45 温度为60 提取时间为3min 超高压提取多酚类物质 张格等用60 乙醇 200MPa压力 浸泡0 5h 保压时间为3min的工艺条件 从茶叶中超高压提取茶多酚 得率28 92 较回流提取高出25 3 朱俊杰等利用超高压技术进行了破壁提取灵芝抱子多糖的研究 发现该方法在降低提取费用的同时提高了灵芝孢子多糖提取得率 前景 超高压提取是近几年来发展起来的一个较为理想的提取方法 具有的快速 高效 能耗低 绿色环保等优点 已广泛地应用于食品 材料 生物 医药等诸多领域 在中药有效成分提取中的应用是超高压技术发展的一个新的领域 其适用范围的选择 工艺条件的优化 机制的探讨以及超高压提取设备的研制等都有待深入研究 随着中药热在全球的兴起 以及超高压提取技术研究的深入 相信这项技术将在中药有效成分提取中有着广阔的应用前景