超高压超临界微射流技术提取中药有效成分新方法

【摘要】  阐述了超高压超临界微射流技术提取中药有效成分的方法及基本原理，对工艺流程进行了研究，优化了装置的结构，提高了提取效率。传统的方法不能有效提取中药有效成分，并且破坏了其中大部分热敏性物质，利用效率极低，应用超高压超临界微射流技术以中药牛蒡为例对其中的有效成分进行提取效果十分明显，具有常温提取有效成分，无因受热而产生的有效成分变性，提取得率高、提取液中的杂质少、提取时间短、节能等一系列优点，在纯度与提取率相同的条件下，提取时间由原来的至少1 h缩短为10 min。

【关键词】  超高压； 微射流； 超临界流体； 提取

    Abstract：The research 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-sensitive 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 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 minutes.

    Key words：Hyper high pressure；  Micro jet；  Supercritical fluid；  Extraction

    中药提取方法的选择应根据处方药料特性、溶剂性质，剂型要求和生产实际等综合考虑，以往常用的方法主要有煎煮法、浸渍法、渗漉法、回流法、水蒸气蒸馏法等。近年来，比较先进的提取工艺新方法已开始引入中药提取的研究与开发中，这些新工艺的应用，使得中药提取既符合传统中医理论，又能达到提高有效成分的收率和纯度的目的。

    超临界流体萃取(Supercritical fluid extraction，简称SCFE)，超临界CO2萃取技术是近20年来发展起来的较为迅速的高新提取分离技术。葛发欢等［1］探讨了从黄山药中萃取薯蓣皂素的最佳条件，同时进行中试放大。微波提取［2］(Microwave Assisted Extraction，简称MAE)是Ganzlert于1986年首先提出的利用微波能进行萃取的方法。Mattinom等［3］利用MAE法从红豆杉中提取紫杉醇，与固相萃取相比，效果相当，但显著降低提取时间和花费。超声波提取是利用超声波的空化作用，机械作用，热效应等，增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，从而提高药材有效成分浸出率，与煎煮法等传统的提取法比较，具有省时，节能，提取效率高等优点。郭孝武等［4］研究了不同效率超声波对提取黄芩苷成分的影响。中药酶法辅助提取法是在传统的溶剂提取方法的基础上，利用酶反应具有高度专一性等特性，根据植物药材细胞壁的构成，选择相应的酶，将细胞壁的组成成分水解或降解，破坏细胞壁结构，使有效成分充分暴露出来，溶解、混和胶溶于溶剂中，从而达到提取细胞内有效成分的目的的一种新型提取方法，李道荣等［5］研究了蒲黄花粉的酶法破壁条件，得出最佳破壁条件。半仿生提取法(Semi-bionic extraction method，简称：SBE法)是既符合药物经胃肠道转运过程，适合工业化生产、体现中医治病综合成分作用的特点［6,7］，又有利于单体成分控制制剂质量的一种中药复方制剂提取新技术。

    以上方法大大推动了中药的利用与开发，但他们都存在一个共同的问题就是提取时间过长，超高压超临界微射流技术可以很好地解决这一问题。该方法提取的有效成分的生物学活性和药理作用优于其它提取方法，特别是优于传统的蒸煮和回流提取方法，提取率(收率)最高，提取液中杂质含量较低，时间最短仅为10 min，是回流提取时间的2%，超临界CO2提取时间的1%。

    1  提取原理

    超高压超临界微射流技术，综合了超高压技术，超临界萃取技术和撞击流技术的特点，是一种全新的提取方法与理论。

    1.1  超高压技术当压力超过100 Mpa时，即可称为超高压，在国内的发展源于20世纪80年代中期，最早仅局限于切割技术， 20世纪90年代后期至今国内相继开发了超高压技术应用于医学、医药领域及灭菌、灭毒、催陈、保鲜等项目的研究实验，且获得了惊人的效果，对某些行业的发展起到了推动作用。

    传统的中药提取方法使有效成分长时期煮沸受热，药效下降，含量较低，例如：中药当归属热敏性药物，其药效主要成分阿魏酸遇热挥发，因此当归在加热煮沸以后，已无药效［8］。

    现有的超高压提取工艺是在常温下，将粉碎至一定粒度的中药材，浸泡于一定比例的水中，置于超高压反应釜中，进行受压处理。当压力升到设定值时，瞬间卸压，利用细胞壁内外巨大的压力反差将细胞组织破裂粉碎，使其有效成分全部溶于水中，而对于那些不溶于水的脂溶性物质可以将其置于酒精溶液中，然后作二次提取，但这种方法工业化存在一定困难，因为所得提取溶液浓度较低，必须提纯处理才可以应用，而且整个反应过程是间断的，不能连续工作，对于那些具有坚硬外壳和特殊结构的物料处理结构还是不够理想，例如灵芝孢子粉，而采用超高压超临界撞击流技术相结合的工艺，开发的一套中药提取装置可以很好的解决这些问题。

    1.2  超临界萃取技术目前研究较多的超临界流体是二氧化碳，因其具有无毒、不燃烧、对大部分物质不反应、价廉等优点，最为常用。在超临界状态下，CO2流体兼有气液两相的双重特点，既具有与气体相当的高扩散系数和低粘度，又具有与液体相近的密度和物质良好的溶解能力。其密度对温度和压力变化十分敏感，且与溶解能力在一定压力范围内成比例，所以可通过控制温度和压力改变物质的溶解度。

    1.2.1  超临界流体萃取的基本原理超临界流体萃取分离过程是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。当气体处于超临界状态时, 成为性质介于液体和气体之间的单一相态, 具有和液体相近的密度, 粘度虽高于气体但明显低于液体, 扩散系数为液体的10～100倍，纯物质相图如图1所示，因此对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力, 能够将物料中某些成分提取出来［9］。

    在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来。并且超临界流体的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加, 极性增大, 利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取分离两过程合为一体，这就是超临界流体萃取分离的基本原理。 物质的扩散速率可借用Fick's第一扩散公式来说明：

    ds=-DF dc/dxdt                  （1）

    上式中，dt为扩散时间，ds为在时间内物质(溶质)扩散量。F为扩散面，代表药材的粒度及表面状态，dc/dx为浓度梯度，D 为扩散系数，负号表示扩散趋向平衡时浓度降低，扩散系数D值随药材而变化，与浸出溶剂的性质亦有关，可按下式求得：

    D=RT/N×πry /6              （2）

    上式中，R为摩尔气体常数，T为绝对温度，N为阿伏加德罗常数， r为扩散物(溶质)分子半径，y为粘度。

    图1  纯物质相图                二氧化碳的三相图

    1.2.2  超临界二氧化碳萃取在中药开发方面的优点用超临界CO2萃取技术进行中药研究开发及产业化，和中药传统提取方法相比，具有许多独特优点： 　　

    ①二氧化碳的临界温度在31.2℃ ,能够比较完好地保存中药有效成分不被破坏或发生次生化, 尤其适合于那些对热敏感性强、容易氧化分解的成分的提取，图2为二氧化碳三相图。

    ②流体的溶解能力与其密度的大小相关, 而温度、压力的微小变化会引起流体密度的大幅度变化, 从而影响其溶解能力。 所以可以通过调节操作压力、温度, 从而可减小杂质使中药有效成分高度富集，产品外观大为改善, 萃取效率高, 且无溶剂残留。

    ③根据中医辨证论治理论, 中药复方中有效成分是彼此制约、协同发挥作用的。超临界二氧化碳萃取不是简单地纯化某一组分, 而是将有效成分进行选择性的分离, 更有利于中药复方优势的发挥。

    ④超临界CO2还可直接从单方或复方中药中提取不同部位或直接提取浸膏进行药理筛选，开发新药，大大提高新药筛选速度。同时，可以提取许多传统法提不出来的物质，且较易从中药中发现新成分，从而发现新的药理药性，开发新药。

    ⑤二氧化碳无毒、无害、不易燃易爆、粘度低 ,表面张力低、沸点低, 不易造成环境污染。

    ⑥通过直接与GC，IR，MS，LC等联用 ,客观地反映提取物中有效成分的浓度,实现中药提取与质量分析一体化。

    ⑦提取时间快、生产周期短。

    ⑧超临界CO2萃取，操作参数容易控制，因此，有效成分及产品质量稳定。

    ⑨经药理、临床证明，超临界CO2提取中药，不仅工艺上优越，质量稳定且标准容易控制，而且其药理、临床效果能够得到保证。

    ⑩超临界CO2萃取工艺，流程简单，操作方便，节省劳动力和大量有机溶剂，减小三废污染。

    1.3  撞击流技术

    1.3.1  撞击流技术原理及其应用撞击流的概念于20世纪60年代初由以色列学者Elperin首先提出并进行试验。撞击流方法采用特殊的流动结构，即两股很靠近的等量气-固两相流沿同轴相向流动，并在中点处撞击，其基本原理如图3所示。相向流体碰撞的结果产生一个较窄的高度湍动区，为强化热质传递提供极好的条件。同时，在该区域内颗粒浓度最高。随着悬浮体流出撞击区，颗粒浓度逐渐降低。该技术也可用于气-液、液-液和固-液体系。悬浮体相向流动结构还促进多颗粒相互碰撞，相互穿透和颗粒多次重复从一股流体渗入另一股流体。颗粒的渗透是因其惯性引起的，而在渗入另一股流体后又因相向流动流体的阻力而减速，最后又被流体加速，再次回到原来的流体中。经过这样若干次振荡运动后，颗粒的轴向速度消失，最终排出撞击区［10，11］。撞击流中最重要的现象是颗粒在相向流体中往返渗透。撞击流技术对强化热、质传递过程尤其是外扩散控制的传递过程非常有效。因此，该技术广泛应用于化工行业领域［12］。

    图3  撞击流原理

    本文开发的新技术应用超高压超临界流体技术与撞击流原理相结合，采用二氧化碳为萃取剂乙醇为夹带剂，反应器结构见图4。

    1.物料喷嘴   2.连接体   3.靶距调装置   4.靶板

    5.支架  6.密封件  7.外管连接件  8.压紧螺母  9.物料出口

    图4  微射流反应器

    1.3.2  反应器的射流特性反应器内的射流是典型的受约束射流，可以表示为半径为r的圆形喷嘴与半径为R的管道同轴，喷射速度为u0，管道内同向初速度为u1，在完全发展的流动条件下，其射流特性可以分为四个阶段，见图5所示。

    2  超高压超临界撞击流技术的结合

    2.1  实验设备及工作介质的选择由于超高压超临界撞击流技术要求将工作介质加压到300 mPa以上，使用普通的二氧化碳压缩机或用于液体加压的高压柱塞泵都无法实现这一目标。故用超高压气动泵来产生实验系统所需的超高压，气动泵具有如下的优点：(1)由压缩空气驱动，除空气压缩机需要电能外不需额外的电力供应；(2)工作过程中不产生热量，可避免热敏性物质发生热降解；(3)升压速度快，由压缩空气的压力和流量控制产生的高压，易于操作，便于实现自动控制；(4)当有压力损失时可自动补偿；(5)无外部润滑系统，可有效阻止润滑油蒸气对环境造成污染；(6)体积小巧，便于安装、维护。系统的所有管道、阀门及连接件均为不锈钢材质，符合医药卫生标准。原料罐、原料混合罐、超高压撞击流粉碎器及产品分离罐均为自行设计制造，充分考虑了超高压容器的安全性和实用性。喷嘴选用用于水射流切割的孔径为0.1mm的宝石喷嘴，保证整个系统的使用寿命；靶板为硬质合金材质。

    由于超临界流体具有与液体相近的密度和对物质良好的溶解能力，因此，超临界流体可以代替液体作为撞击流粉碎技术中物料加速、撞击的载体。同时，由于液体在超高压下粘度很高、扩散性较差。而超临界流体却具有与气体相当的高扩散系数和低的粘度，这样使用超临界流体代替液体，撞击流粉碎可以在超高压下进行。另一方面，由于植物细胞中含有不溶于水的酯类物质，所以选用无水乙醇作为夹带剂，与超临界二氧化碳共同作为工作介质，且大大降低了喷嘴在工作过程中堵塞的可能性，故实验装置中使用了超小孔径的喷嘴。这也就意味着粉碎能量的更高度集中，能量的利用率得到了有效提高。

    图5  反应器的内部射流特性

    2.2  工艺流程采用中药牛蒡为原料，牛蒡中主要有效成分是牛蒡苷与菊糖，由于苷类极性较大，因此大多数方法采用乙醇来提取。应用超高压超临界微射流技术相结合开发的装置对牛蒡进行处理，试验装置如图6所示，图7为进料部分示意图。

    3  结论

    从图8前后的对比照片可以看到，未处理前，牛旁颗粒呈现不规则的外形，且不透明，处理以后，颗粒明显变化，呈半透明状，细胞外壁明显撕裂，周围剥落絮状组织，在夹带剂的作用下，细胞内有效成分可以全部提取，从而达到了工业化要求。

    对实验数据采用线性逐步回归，得出回归方程，最高指标时各个因素组合为：提取时间为10 min，压力220 MPa,醇浓度80%，料液质量比为1∶20，反应在常温进行，物料以60目为宜，主要考虑分离比较容易，此时最高提取率由苯酚-硫酸法测定总糖含量［13］，DNS法测定还原糖含量，菊糖含量(%)=总糖含量-菊糖含量，最高提取率95%。

    超高压超临界微射流技术提取方法不仅明显提高了菊糖的提取率，大大缩短了提取时间仅为10 min，这对中药有效成分提取的工业化提供了更好的方法，并且整个提取过程是在常温下进行的，不损害植物细胞中的热敏性物质，这种方法为植物细胞有效成分的提取指明了方向。

【参考文献】
  ［1］ 葛发欢，史庆龙．超临界CO2从黄山药中萃取薯蓣皂素的工艺研究［J］.中草药，2000，31(3)：181.

［2］ K.Ganzler,Microwave extraction-a novelsample preparation method for chromatography［J］.Jchromatography,1 986，371：299.

［3］ M．J Mattina,W．A．I Berger and C．L Denson，Microwaveassisted extraction of taxanes from taxus biomass［J］．Joumal of Agriculture and Food chemistry，1977，45：4691.

［4］ 郭孝武．超声技术在中草药成分提取中的应用［J］.中草药，1 993，24(10)：548.

［5］ 李道荣,段雪梅.蒲黄花粉多糖提取工艺研究［J］.郑州工程学院学报，2002，23(4)：55.

［6］ 张兆旺，孙秀梅．试论“半仿生提取法”制备中药口服制剂［J］.中国中药杂志，1995，20(11)：670.

［7］ 张瑞丰，张兆旺，孙秀梅．思维方式的转换与中药“半仿生提取法”［J］.中国中药杂志，l977，22(9)：542.

［8］ 高 峰，何高让，汪 亮.微射流流场原理性实验研究［J］.空军工程大学学报（自然科学版）， 2002，3：8.

［9］ 郭金基，陈 海，谢旭时.液体旋转和喷射流体的流场分析及其应用［J］.中山大学学报，2002，41（增刊）：21.

［10］ 徐 立，汪志明，王瑞和.高速超高压水射流喷管内外湍流流场的数值模拟 ［J］.石油大学学报，1997，21（4）：34.

［11］ 伍 沅，杨阿三，程 榕.撞击流及其在干燥中的应用［J］.化学工程，1998，26（4）：14.

［12］ 黄 翔，卢 迅,许世刚，撞击流技术与流体动力式喷水室的研究进展［J］.西安工程科技学院学报，2002，16（3）：4.

［13］ 熊善柏.菊糖的提取与精制［J］.冷饮与速冻食品工业，2001,12：1.