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,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5m in) 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
2、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 2 s) , 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
3、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 5 180 360 40 180 15 min。,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
4、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700 MPa，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，100 L水加热到90需要热量293105）J，100 L水加压到400 MPa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
5、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100 MPa,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
6、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 800 MPa时体积减少17，压力为400 MPa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800 MPa下降为400 MPa，如果继续泄漏5，系统的压力将下降到100 MPa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
7、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 200300 MPa病毒灭活；300400 MPa霉菌、酵母菌灭活； 300600 MPa细菌、致病菌灭活；8001 000 MPa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40 d后无明显变化。这为提取液的保存、后续的
8、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015 g 已脱脂样品4份, 分别准确加水25 mL、甲醇25 mL、50% 乙醇25mL、水饱和正丁醇25mL , 密封混匀, 加压500M Pa,保压2 m in, 取上层液离心, 在550 nm 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015 g 已脱 脂样品5 份, 分别准确加入10%、25%、75%、90% 乙醇25 mL (料液比为1100) 密封, 加压500M Pa, 保压2 m in、取
9、上层液离心, 在550 nm 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015 g 已脱脂样品5份, 分别准确加入70% 乙醇5 mL (固液比110)12.5 mL (固液比125)、25 mL (固液比150)、 37.5 mL (固液比175)、50 mL (固液比1100) 密封, 加压500M Pa, 保压2 m in, 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110
10、 1100, 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 125 175。,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
11、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0125 g 已脱脂样品5 份, 分别准确加入70% 乙醇25mL (固液比1100) ,密封混匀, 加压50、200、350、500、650 M Pa, 保压2m in、取上层液离心, 在550 nm 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 500M Pa 时, 两者呈
12、线性正相关关系。当压力达到600M Pa 时, 提取收率有所降低. 。由此可以得到最佳压力为: 100 500M Pa。,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,
13、 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500M Pa、 溶剂体积分数为50%、固液比150、 时间为2m in; 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2 m in, 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;,
14、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4
15、0 目 筛, 按140 加三氯甲烷回流3 h 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- 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
16、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 400Mpa 50升 88万 400Mpa 25升 68万 600Mpa 15升 68万 400-600Mpa 6.5-4.5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
17、藿总黄酮，提取率为9.67，提取时间5 min,而 70乙醇回流提取率为6.14，提取时间为4 h。Zhang等利用乙醇水溶液从蜂胶中提取黄酮，超高压提取1 min的得率高于浸提7 d、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6 h, 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1 g, 准确加入一定
18、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25 mg, 置50 mL 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50 mL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、6 mL, 分别置于25 mL量瓶中, 各加水至6mL, 加5%亚硝酸钠溶液1mL, 摇匀, 放置6m in;加10% 硝酸铝溶液1 mL, 摇匀, 放置6 m in; 加4
19、% 氢氧化钠溶液10 mL, 再加水至刻度, 摇匀,放置15 m in。以相应试剂为空白, 立即用分光光度法在500 nm 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6 mL, 加5% 亚硝酸钠溶液1mL, 摇匀, 放置6m in; 加10%硝酸铝溶液1 mL, 摇匀, 放置6 m in; 加4% 氢氧化钠溶液10mL, 再加水至刻度, 摇匀, 放置15m in。以相应试剂为空白, 立即按照紫外可见分光光度法, 在5
20、00nm 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2 g 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120( gmL)。密封, 加压300MPa, 提取时间5 m in, 温度为25 。卸压后过滤, 定容于100mL容量瓶, 摇匀, 在500 nm 处测定吸光度值
21、, 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
22、的选择,精密称取2 g 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5 m in, 温度为25 。卸压后过滤, 定容于100 mL容量瓶, 摇匀, 在500 nm 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100 MPa 变化到600 MPa 的过程中, 在400 MPa时提取率最高, 压力大于400 MPa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2 g 山楂叶干燥粉末6份, 分别加入
23、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5 m in。卸压后过滤, 定容于100 mL容量瓶, 摇匀, 在500 nm 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2 g 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5m in, 温度分别为30、40、50、60、70、80 。卸压后过滤, 定容于100 mL容量瓶, 摇匀, 在500 nm处测定吸光度值, 计算提取率(
24、如图4所示)。,(5)提取时间的选择,精密称取2 g 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、9 m in。卸压后过滤, 定容于100 mL容量瓶, 摇匀, 在500 nm 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
25、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3m in。,超高压提取多酚类物质,张格等用60乙醇、200 MPa压力、浸泡0.5 h、保压时间为3 min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。,
