天然活性成份的超声波连续动态逆流提取法

       在植物资源的深度开发与利用中, 植物有效成分的提取 是十分重要的环节之一, 提取方法和提取设备的选取是决定 能否实现植物资源高效、高值化利用的关键。目前 , 植物资 源有效成分的加工提取方法仍以间歇单罐(多功能提取罐 ) 分批提取为主, 虽然一些多能罐中设有搅拌器、超声波发生 器或微波加热装置, 但有效成分多在封闭单元中完成浸出 , 随着浸出过程的进行, 浸出液浓度加大, 物料浓度减小(指物 料中可溶性物质浓度),浸出速率减慢, 并逐步达到一定的平 衡状态。因此要保持一定的浸出速率必须更新溶剂以替换 已近饱和的浸液。且这些工艺存在提取率低、药材浪费大 、 提取时间长、出液系数大、能耗高等缺陷 。相比之下, 近年来 出现的动态逆流提取应用前景十分广阔。 动态逆流提取(DynamicCountercurrentExtraction, DCE) 是指药材与溶剂在浸出容器中沿相反方向运动 ,连续而充分 地进行接触提取的一种方法 [ 1] 。逆流提取能够充分利用固 液两相的浓度梯度, 逐级将有效成分扩散至起始浓度较低的 套提溶液中 ,使出料的提取液达到较高的平衡浓度, 既可保 证被提取物的提取率, 又可节省能源, 缩短提取时间,并大大 减少后续浓缩工艺的工作量和能耗 ,可全面解决目前广泛使 用的单罐间歇浸出存在的问题。因此, 笔者对 DCE的原理 、 特点、设备及其在天然活性成分提取中的应用进行了综述 , 以促进该技术的进一步发展,并扩大其应用范围。 1 动态逆流提取的基本原理 天然产物有效成分的提取过程包括湿润 、渗透、解析、溶 解 、扩散和置换等, 有效成分提取过程的实质是物料中的溶 质由固相传递到液相的传质过程。用扩散理论解释, 就是溶 质从高浓度向低浓度渗透的过程, 其浸出扩散力来源于液态 提取溶剂和固态物料组织内有效成分的浓度差, 浓度差越 大 ,其扩散传质的动力越大, 浸出速度越快, 有效成分浸出速 率越大 [ 2 -3] 。所以 , 在提取过程中, 保证物料周围始终存在 最大的浓度差是关键。逆流提取即是根据这一原理设计的 。 提取时 ,物料与溶剂分别从提取器的两端加入, 两者作逆向 运动, 其接触界面始终处于高浓度差状态下 ,经过动态渗溶 提取后, 固体料渣被排出,而溶剂则逐级渗入,变成高浓度的提取液 ,从相反的方向流出。动态逆流提取充分利用了固液 两相的浓度梯度差,逐级将物料中有效成分扩散至起始浓度 相对较低的提取溶液中, 达到了最大限度转移天然产物中有 效成分的目的。 2 动态逆流提取过程的理论分析 假设每一级提取均达平衡, 所用新鲜溶剂中不含被提取 物质 ,且忽略各级提取中物料吸水体积的微小变化, 则动态 逆流提取的提取率可用下式表示 [ 2] : ρ= M 1 +M (1) 式中, M与液比 n、提取级数 N和物料的吸水率 AW 有关, 即: M= + 2 +… + N (2) 式中, 可通过下式计算 : = n-AW AW (3) 式(1)表明 ,提取率 ρ随 M的增大而增加, 且与提取级数 N、 液比 n有关。另外,提取温度、时间、物料粒度等影响每级提 取是否达到平衡以及达到平衡的时间 ,从而间接影响整个提 取过程 。 对罐组式动态逆流提取而言, 在开始正常的多级逆流提 取前 ,必须首先建立合适的浓度梯度, 造成一组浓度差较大 的提取溶剂。罐组式逆流提取过程由与提取单元数相等的 几个阶段提取过程组成, 每个阶段提取单元进行独立作业, 各单元物料和溶剂中有效成分的含量依次递减 (或递增 )。 在每个独立单元中, 物料进行着独立的液体湍流式动态提 取。当某一阶段提取过程结束时, 有效成分被提取干净的单 元进行排渣和加料作业, 有效成分未被提净的单元仍在各自 的提取罐中继续进行下一步提取;饱和溶剂排放至后续浓缩 工艺, 不饱和溶剂按有效成分含量递减的方向向隔 1个单元 迁移(共进行 N-1次 );新鲜溶剂加入无溶剂的单元(即物 料中有效成分最低的单元)。 3 动态逆流提取的特点 动态逆流提取是动态、煎煮提取工艺的结合, 在保留多 种传统工艺优点的同时 ,创造了传统工艺所不具备的诸多 优点 [ 4] : (1)有效成分得率高。由于提取过程中固液两相浓度梯 度大, 从提取开始到结束, 溶液始终不会达到饱和状态。同时溶剂与物料间存在着相对运动 , 溶剂与物料界面层更新 快 。有效成分浸出速率快 ,有效成分提取充分,提取效率高。 (2)可连续作业, 生产效率高。动态逆流提取设备适于 大规模生产, 连续工作不间断, 产量大, 节约能源, 安全可靠 。 单套连续逆流提取设备提取能力每 1 h可达 5 000多 kg, 单 套连续逆流超声提取设备提取能力可达 1 300多 kg, 特别适 合于规模化生产提取。 (3)应用范围广。动态逆流提取作业温度低, 一般在 25 ～ 100 ℃可任意选择。既适于热稳定性好的物料的提取, 又 适于热敏性物料的提取;物料在提取器中的移动速度可调 , 可根据物料的特性调节提取时间;物料和溶剂在不断逆流翻 动中加热, 受热均匀, 保持热敏性成分不被破坏, 有利于热敏 性药物成分的提取, 减少杂质含量,降低能耗。 (4)生产成本低。动态逆流提取出液系数小, 物料与溶 剂沿相反的方向运动 ,固液两相不断地更新 ,所需提取溶剂 少 ,浸出液浓度高, 节省溶剂 ,同时,节约蒸发、浓缩等后续处 理工艺的生产成本。据报道,采用动态连接逆流提取工艺可 节约溶剂用量 50%以上, 降低能耗约 30%, 有效成分提取率 提高 10%以上, 最终溶剂的有效成分含量是通常提取法的 2 倍以上 。 相对于传统提取罐 ,连续动态逆流提取技术的最大缺点 是设备一次性投资较高。尽管逆流提取存在一些缺点 ,但目 前对于部分品种, 厂家已有成功经验, 特别在茶叶和甜菜提 取等行业已被广泛使用, 并取得较好的效果。 4 动态逆流提取设备 近年来, 国内外研究生产出了多种逆流提取设备, 且这 些设备已被广泛用于天然产物的提取。根据提取过程是否 能够连续进行, 动态逆流提取设备主要分为 2类:①间歇进 料和排液的罐组式动态逆流提取设备 ;②是可连续生产的连 续动态逆流提取设备。 4.1 罐组式动态逆流提取设备 罐组式动态逆流提取设备 出现于 20世纪 90年代初, 进入 21世纪后, 人们对该类设备 的研究逐渐增多, 先后出现了多段罐式连续逆流提取机 组 [ 5] 、中药逆流连续浸出机 [ 6] 、三级四罐式中药逆流浸出 机 [ 7] 、中药材的动态逆流提取装置 [ 8]以及液体湍流式动态循 环罐组式逆流提取装置(图 1)等。

罐组式动态逆流提取设备是对传统罐式提取设备的改 造 ,可采用普通提取罐组进行串联组装而成 ,具有出液系数 小 、有效成分得率高等优点。该设备适用于提取次数较多且 相对耐热的物料的提取。但其存在明显的不足 ,工艺仍属于 间歇分批浸出, 需要反复添加和排出物料与浸出液, 生产连 续性差,提取时间不易控制, 产品的品质得不到保证。 4.2 连续动态逆流提取设备 连续动态逆流提取的整个提 取过程在密闭状态下进行 ,提取过程达到了连续、逆流、动态 和自动化、智能化 。与罐组式逆流提取技术组相比 , 连续动 态逆流提取的最大优点是不存在中间切换及重复繁重的出 渣和投加新药材等过程。提取实现连续化后, 药渣自然呈细 水长流均匀排放,容易通过较小的螺旋出渣机进行隔离管道 排放, 所需加热蒸汽也连续稳定, 不会给工厂蒸汽热网制造 压力波动, 输出提取液不仅浓度高且几乎定流量输向蒸发装 置 ,在浓度和流量方面不存在波动 ,为此可大幅度削减提取 液的中间贮槽, 使生产各环节平稳进行 [ 4, 9] 。 按传动机构形式划分,连续逆流提取主要包括螺旋推进 式、链式和平转式等方式。其中应用较广泛的是螺旋推进 式。此外,为了更好地发挥连续动态逆流提取法的优势 , 超 声波 、微波的机械效应、空化效应、热效应等也被引入了此类 设备。代表性的连续动态逆流提取, 设备 [ 10 -12] 如图 2 ～ 4 所示。 连续逆流提取设备可采取智能控制系统, 实现自动化、 智能化提取, 达到提取过程中工艺参数的自动控制, 以及工 艺参数在线分析、优化控制、智能控制及智能生产管理,减少 人为干扰,稳定控制提取产品的质量和均一性, 提高生产效 率和产品收率, 降低原料和能源消耗, 使提取过程达到高效 稳定、可控、节能、安全的效果。相对罐组式逆流提取, 该设 备主要具有如下优点:①生产规模大、效率高;②劳动强度 小, 产品质量稳定, 均一性好;③环境污染小。主要缺点是:注:1.进料机构;2.提取滚筒;3.螺旋推进器;4.排渣机构;5.电 动机。 Note:1 Standsforfeedingappliance;2 Standsforextractrollers;3 Standsforspiralthrusters;4 Standsforslagdischargeappliance; 5 Standsforelectromotor 图 2 螺旋筒式逆流提取设备示意 Fig.2 SpiralfeederDCEinstrument 注:1.电机和变速器;2.密封件;3.进料口;4.螺旋推进器;5.进料筒; 6.出液口;7.排液管;8.过滤网;9.进气管道;10.排液阀门;11.排 液口;12.提取罐;13.超声波发生器;14.温度调节夹层;15.排渣 口;16.排渣管;17.液位控制器;18.进液口;19.排渣通道。 Note:1 Electromotorandtransmission;2Sealant;3Feedingtap;4Spiralthruster;5Feedingroller;6 extractoutflowtag;7 extractdischargepipe;8 FilterScreen;9 airinlettap;10 extractdischarge valve;11 extractdischargetap;12 extractroller;13 Ultrasonic generator;14 Interlayerfortemperaturecontrol;15Slagdischarge tap;16Slagdischargeroller;17 LevelController;18 Solventinlet tap;19 Slagdischargeconduit. 图 3 超声波辅助动态逆流提取设备示意 Fig.3 Sonic-assistantDCEinstrument ①不适应小批量和复方品种的生产 ;②清洗不方便。 5 多级逆流提取技术的应用 目前 ,中药材有效成分的多级逆流提取技术已引起专家 和学者的广泛关注, 并已在植物多糖 、萜类、黄酮类 、蒽醌类 、 生物碱等各类有效成分的提取中得到了应用。 孙达锋等 [ 13]对干制白芨(鳞茎 )中粗多糖的逆流提取工 艺进行了研究, 并与传统的单罐批次提取工艺进行了比较 。 发现连续逆流提取的提取率较单罐批次提取提高了 8.5%, 提取时间缩短了 3 h, 提取用水量减少了 10 kg/kg(原料), 同 时降低了浓缩过程的蒸发水量。邓启华等 [ 14]建立了超声波 连续逆流提取青蒿素的新工艺, 取得了较理想的效果。戚毅 等 [ 15]将动态罐组式逆流提取工艺用于虎杖药材中大黄素的 提取,获得最佳工艺参数为 :70%乙醇 , 10倍药材量溶剂, 单 提时间 35 min,提取温度 65 ℃。同时, 他们将热回流、渗漉 、 索氏提取工艺与动态罐组式逆流提取工艺进行了比较, 发现 与索氏回流提取工艺相比 ,动态罐组式逆流提取工艺单位药 注:1.提取液出口;2.进料斗;3.进料螺旋推进器;4.变压器油箱; 5.微波磁控管;6.清洗出水口;7.溶媒入口;8.出渣螺旋推进 器;9.出渣口;10.提取滚筒;11.支架。 Note:1Extractdischargetap;2 Feedinghopper;3 Spiralthrusterfor feeding;4 Transformergasolinetank;5 microwavemagnetron;6 Cleaningwateroutlet;7 Solventinlettap;8 Spiralthrusterfor slagdischarge;9 Slagdischargetap;10 Extractroller;11 Leg. 图 4 微波逆流提取机示意 Fig.4 Wave-strengthenedDCEinstrument 材的溶剂消耗量减少 37.5%,提取时间减少 92.5%;与渗漉 提取工艺相比, 动态罐组式逆流提取工艺的大黄素提取率提 高 26.6%, 单位药材的提取时间节省 88%;与热回流提取工 艺相比 ,动态罐组式逆流提取工艺的提取率提高 12.5%, 单 位药材的溶剂消耗量减少 50%, 提取时间节省 85%。以上 结果充分显示了动态罐组式逆流提取工艺在节省溶剂 、提高 提取率和生产效率等方面的优势。韩平等 [ 16]以二参健脾和 胃合剂为研究对象, 对罐组式逆流提取工艺和传统 GMP提 取工艺进行了深入研究。认为罐组式逆流提取既符合 GMP 的要求, 又使所提产物质量的可控性得到了保证, 适合广大 医院制剂室的中药提取, 具有推广、应用价值。熊雯等 [ 17] 采 用三效动态逆流提取工艺, 以提取物中总黄酮、总多酚、清除 DPPH自由基能力以及提取率为优化指标, 获得了白花蛇舌 草的最佳提取工艺参数:阶段提取时间 70 min,固液比 1∶14, 乙醇体积分数 50%,提取温度 85 ℃。李页瑞等 [ 18]以红花药 材为原料,采用双罐组式逆流提取技术提取羟基红花黄色素 A, 并与传统浸提法和药典所述方法进行了比较。结果表明, 最佳提取工艺为:用 10倍药材质量的 30%乙醇 ,在室温下每 阶段提取 120 min。在此最佳工艺条件下,羟基红花黄色素 A 的提取率为 1.56%, 浸出物中羟基红花黄色素 A的纯度为 6.06%。与传统浸提法和药典中所述的超声提取法相比, 提 取率分别提高 6.12%和 9.09%, 纯度分别提高 42.9%和 27.0%。黄鑫等 [ 19]对荷叶生物碱的罐组式逆流提取工艺进 行了研究, 确定了罐组式逆流提取荷叶中生物碱的最佳工 艺:提取时间 25 min, 提取温度 80 ℃,固液比 1∶50,乙醇体积 分数 70%。 6 展望 多级逆流提取具有快速 、高效、节能、节约溶剂、工艺实 用性强等特点, 适用于天然活性成分的提取, 并可克服传统 单罐间歇提取的不足, 是一种比较科学的有效成分提取方 法, 值得推广应用。微波 、超声波等强化提取手段应用于动态逆流提取的阶段提取过程,可进一步体现动态逆流提取技 术的优势, 势必会对中药有效成分提取技术的革新产生重大 影响 。目前, 我国中药有效成分的提取仍以单级浸出工艺为 主 ,连续逆流提取工艺只在少数生产厂家的典型品种中使 用 。因此,加强连续逆流提取工艺及其设备的研究开发是今 后我国中药研究者和生产者面临的共同任务。