（机械设计及理论专业论文）强化连续动态逆流提取的研究.pdf

摘要 摘要 连续动态逆流提取法对植物有效成分的提取具有提取率高，溶剂用量少等一系列优 点，但提取时间仍然比较长，导致设备整机体积比较大、外观笨重、占地面积比较大及 一次性投资大等缺陷，阻碍了动态逆流在实际中的应用和推广。本研究的目的主要是将 动态逆流和其它强化提取技术相结合，以便减少提取时间，减小设备的长度。 设计制造了强化连续动态逆流提取的整个实验装置，该装置由真空微波设备、挤压 设备、连续动态逆流提取设备等三部分构成。其中真空微波设备的真空度、微波功率和 时间都是可调的；挤压设备为单螺杆挤压设备，体积压缩比2 ：l ；连续动态逆流提取设 备的螺旋推进器为多孔的螺旋板，储液罐设计成夹套式，利用水浴循环装置来使溶液达 到提取温度。 本文以灵芝和竹叶为研究对象，在实验室模拟逆流提取的基础上，研究比较常规浸 润预处理、真空微波预处理、挤压预处理、真空微波+ 挤压预处理对连续动态逆流提取 的强化效果，通过比较不同预处理方法得到的灵芝多糖和竹叶黄酮的提取率，并得到各 阶段提取液粘度和浊度，得出上述4 种预处理方法对强化连续动态逆流提取的效果为： 真空微波+ 挤压预处理 真空微波预处理 挤压预处理 常规浸润预处理。并对几种不同的 预处理方法的灵芝和竹叶进行电镜扫描，从扫描微观细胞结构观察分析到细胞壁的破坏 程度顺序为：真空微波+ 挤压预处理 真空微波预处理 挤压预处理 常规浸润预处理。研 究结果表明真空微波+ 挤压预处理对连续动态逆流提取的强化效果最好。 以f i c k 第一定律为基础分别建立了竹叶黄酮经过常规浸润预处理和真空微波+ 挤压 预处理的连续动态逆流提取的动力学数学模型。通过实验验证了浓度变化率的对数 fr r 、 i n l 兰冀l 与时间t 成良好的线性关系。 lc 一一c 本课题研究表明：真空微波+ 挤压预处理是一种强化连续动态逆流提取的很好的方 法，两者的有机结合将产生一种高效、快速的提取新技术和装备。 关键词：灵芝，竹叶，强化，连续动态逆流提取，真空微波，挤压，动力学 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n t i n u o u sc o u n t e r - c u r r e n te x t r a c t i o ni sw i d e l yu s e df o rt h ee x t r a c t i o no fs e c o n d a r y m e t a b o l i t e sf r o mp l a n t s t h ea d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a lb a t c he x t r a c t i o nm e t h o di n c l u d ea d e c r e a s ei ns o l v e n tc o n s u m p t i o na n das h o r t e rh a n d i n gt i m e b u tt h el o n g e ra p p e a r a n c e ，m o r e o c c u p a t i o n a la r e aa n dh i g h e re q u i p m e n tc o s ta r en e e d e db e c a u s eo ft h ec o n t i n u o u so p e r a t i o n a n dn e c e s s a r ye x t r a c t i o nt i m e t h i sl i m i t st h ea p p l i c a t i o no fc o n t i n u o u sc o u n t e r - c u r r e n t e x t r a c t i o ni nt h ep h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y , t h ep e r f u m es e c t o r , a n dt h ef o o da n dh u m a n n u t r i t i o nf i e l d t h eo b j e c t i v eo ft h i sw o r kw a ss t u d y i n gt h ec o m b i n e do fc o n t i n u o u sc o u n t e r - c u r r e n t e x t r a c t i o nw i t ho t h e re n h a n c e m e n tm e t h o d ss oa st or e d u c i n ge x t r a c t i o nt i m ea n de q u i p m e n t l e n g t ha sw e l la si t sc o s tf u r t h e r al a b o r a t o r ys c a l ec o n t i n u o u sc o u n t e r - c u r r e n te x t r a c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e da n d c o n s t r u c t e d ，a n dt h es y s t e mc o n s i s t so fv a c u u m - m i c r o w a v er a d i a t i o no v e n ，e x t r u d e ra n d c o n t i n u o u sc o u n t e r - c u r r e n te x t r a c t o r v a c u u md e g r e ea n dm i c r o w a v ep o w e ro fv a c u u m - m i c r o w a v eo v e na r ea d ju s t a b l e e x t r u s i o ne q u i p m e n ti s s i n g l es c r e ww i t ht h ev o l u m e c o m p r e s s i n gr a t i oi so f2 ：1 t h es p i r a lp l a t eo fc o n t i n u o u sc o u n t e r - c u r r e n te x t r a c t o ri sw i t h m a n ys m a l lh o l e ss ot h a tt h es o l v e n tc a nb ei na n do u t f u r t h e r , t h el i q u i ds t o r a g et a n kh a s ja c k e ta n dt h ew a t e rc i r c u l a t i o nt a n ke n s u r e st h es o l v e n ti nd e s i r a b l et e m p e r a t u r e t h ee n h a n c e m e n to f c o n t i n u o u sc o u n t e r - c u r r e n te x t r a c t i o nb yf o u rp r e t r e a t m e n tm e t h o d s ： w e t t i n g ，v a c u u m m i c r o w a v er a d i a t i o n , e x t r u s i o na n dc o m b i n e dv a c u u mm i c r o w a v er a d i a t i o n w i t he x t r u s i o nw a ss t u d i e du s i n gg a n o d e r m al u c i d u ma n db a m b o ol e a v e sa st e s t e dm a t e r i a l s t h ev a l u e so fe x t r a c t i o nr a t eo fg a n o d e r m al u c i d u mp o l y s a c c h a r i d ea n db a m b o ol e a f f l a v o n o i d s ，t h ev i s c o s i t ya n dt u r b i d i t ya td i f f e r e n ts t a g e sw e r et e s t e da n dc o m p a r e d t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m b i n e dv a c u u m m i c r o w a v er a d i a t i o nw i t he x t r u s i o n p r e t r e a t m e n th a dr e s u l t e d i nt h eh i g h e s te x t r a c t i o nr a t e ，a n df o l l o w i n gw e r ev a c u u m m i c r o w a v er a d i a t i o n ，e x t r u s i o na n dw e t t i n g o nt h eo t h e rh a n d ，t h es c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ym a p sa l s os h o w e dt h ee x t e n to fw a l lo fc e l l sb r e a k i n gw a sg r e a t e rf o rt h e c o m b i n e dv a c u u m m i c r o w a v er a d i a t i o nw i t he x t r u s i o np r e t r e a t m e n t ，t h ef o l l o w i n gw e r et h e s a m ea sa b o v e a c c o r d i n gt ot h ek i n e t i cm o d e lw h i c hw a se s t a b l i s h e do nt h ef i c kf i r s tl a we q u a t i o n ，t h e e x t r a c t i o nk i n e t i c sm o d e l sf o rb a m b o ol e a ff l a v o n o i d s ，w h i c hh a sp r e t r e a t e db yw e t t i n ga n d c o m b i n a t i o no fv a c u u m - m i c r o w a v er a d i a t i o nw i t he x t r u s i o n ，f o rc o n t i n u o u sc o u n t e r - c u r r e n t e x t r a c t i o nw e r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n c e n t r a t i o no fb a m b o o k a rn a v o n o i d sa n at i m e 一删i e a t h er e s u l t ss h o w e am a t h ( 鱼c 。玉- c w e 川i n e a r w i t h t t h er e s u l to ft 1 1 j sw o r ks h o w st h a tc o m b i n e dv a c u u m m i c r o w a v er a d i a t i o nw i t h e x t r u s i o np r e t r e a t m e n t si so n eo ft h eb e s tm e t h o d sf o re n h a n c i n gc o n t i n u o u sc o u n t e r - c u r r e n t e x t r a c t i o n t h ec o m b i n a t i o no ft h i sp r e t r e a t m e n tm e t h o dw i t h c o n t i n u o u sc o u n t e r - c u r r e n t e x t r a c t i o nw i l lb r i n gt h em o r ee f f i c i e n ta n dr a p i de x t r a c t i o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：g a n o d e r m al u c i d u m ，b a m b o ol e a v e s ，e n h a n c e m e n t ，c o n t i n u o u s c o u n t e r - c u r r e n te x t r a c t i o n ，v a c u u m m i c r o w a v er a d i a t i o n ，e x t r u s i o n ，k i n e t i c i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：工吏 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件牵磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：王吏导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究植物有效成分提取的意义 随着社会的进步，健康的概念已经被赋予了新的内涵，以西医为代表的现代医药面 临新的挑战，在许多情况下化学药物对一些身心疾病无能为力，其毒副作用和抗药性也 常常难以克服，时间证明单纯依靠化学药物不能满足要求，现代医学开始由单纯的治疗 疾病向预防、保健、治疗、康复相结合的模式转变，博大精深的传统中医药日益受到重 视，崇尚天然药物正在成为一种世界性潮流，天然产物提取产业正处于一个前所未有的 大发展中。 目前，随着人们对天然产物的药用和营养价值认识的逐步深入，世界范围内掀起了 天然产物中活性成分研究的热潮，国家自然科学基金资助项目中就有很多项是关于此课 题的研究。然而天然产物的成分十分复杂且有些物质含量甚微，提取时又要求活性成分 不能被破坏，由于植物中有效成分的含量相对较少，浸提( 提取、浸出或萃取) 过程需 要耗费大量的溶剂和能量，因此提取是植物生产中的最重要的工序，直接影响产品的质 量、生产成本及原料的利用率等。目前天然产物有效成分的提取大多以溶剂间歇式提取 或连续动态逆流提取为核心，并与分离、浓缩、干燥等现有技术构成生产工艺路线，其 提取能耗大、效率低、得率少，资源得不到充分利用。如何快速、高效、简捷、低成本 地将植物中的药用或营养保健有效成分提取出来一直是植物提取生产的“瓶颈”，因此 开发高效节能的提取新技术和提取设备是一个关键点和突破口，对加快中药生产现代化 进程，有效开发和利用中草药资源，有着重要的意义【l j 。 中药的提取是天然物提取中的主要组成的部分。中药是中华民族的古典药物，它的 历史悠久。目前中药及其产业发展还存在着一些制约因素和弊病，提取中大都采用多功 能提取罐，这种提取方法在设备上存在许多缺陷，因为中药材在溶剂中呈静止状态，无 浓度差，中药材中的有效成分就很难通过渗透、扩散到溶剂中去，由此造成其有效成分 的收率不到一半，使得宝贵的中药材被大量浪费，也使经济效益遭受损失；另外，提取 温度高会造成热能浪费，也由于中药材呈静止状态，出渣也非常困难，劳动强度大，且 难免使环境污染。要克服这些不利因素，从根本上说必须实现中药生产现代化，克服传 统中药理论与实践中的种种弊端，引入现代科学理论，其中，提取技术创新是重要内容。 改革中药剂型和生产工艺，减少药材原料的消耗，提高利用效率，走提取和纯化的道路。 运用现代化学工程理论、技术和设备改造我国的中药工业，进一步提高天然产物的质量 和疗效，也就是把化工原理的传质、传热理论引进到中药提取生产中来。中药提取生产 技术要与现代天然产物提取理论相互渗透、交叉、综合，是中药提取成为现代天然产物 提取技术的一个组成部分。是中药生产工艺高效率、科学化，建立先进的生产流水线， 逐步实现专业化大生产。鉴于中药发展的以上需求，本课题研究和开发天然产物的高效、 快速提取技术及其设备。 江自大学顾十学位论女 1 2 植物提取的扩散传质原理 传质是植物浸提中的基本问题，圈1 - 1 是植物细胞结构图，新鲜植物经采摘干燥后， 细胞组织内水分蒸发，液泡腔中的活性物质沉积于细胞内：植物细胞出原生质体和细胞 壁两部分组成，原生质体是由生命物质( 原生质) 所构成，它是细胞各种代谢活动进行的 主要场所，是细胞最重要的部分，包括叶绿体、线粒体、高尔基体、核糖体、内质网、 太液泡等，这些统称为细胞器。细胞壁是包围在原生质体外面的坚韧外壳。从图中看出， 细胞壁是植物细胞的显著特征之一，由纤维素、半纤维素和果胶等组成，它的组织结构 比较坚硬且不溶于大部分溶剂，加之细胞的体积非常小，一般的处理难以破坏细胞壁， 而且大部分生物活性成分或药用成分存在于细胞内，仅少量存在于细胞间隙。因此植物 的细胞壁是细胞内部有效成分浸出的主要障碍。 图1 - 1 植物细胞结构图 f i g 1 - 1 mb u l l c t u i e o f m a n f sc e l l 植物提取就是使有效成分通过细胞壁扩散到溶液中，是利用适当的溶剂和方式把有 效成分从植物细胞中溶解出来，这种提取方式也叫做浸提，浸提是一种处理固体混合物 的固液萃取，也叫浸出、浸沥等，得到的液体称为浸出液。浸提是植物提取工艺中重 要的单元操作，植物的有效成分的提取过程是一个固一液传质的过程，是固相原料向低浓 度液相浸出的传质过程。植物和溶剂中有效成分的浓度差是影响提取过程的主要因素之 一，浓度差越大，则浸出传质的推动力越大口i ，传质的速度就越快，有效成分的浸出率 越大。 1 3 影响植物提取速度的主要因素 传统的植物提取对象主要是各种中草药。通过长期对中草药提取的研究得知，中草 药中含有多种成分，是一个复杂的体系；不同植物中的同类成分的存在形态都有很大差 异。因此需要选用一定的溶剂对植物进行综合提取，提取过程是十分复杂的。提取过程 中植物中的有效成分扩散到溶剂中至植物细胞内外的浓度达到平衡。因此，植物提取过 程中，物料的性质及预处理、溶剂的选取、提取温度、提取压力、提取液和物料的运动 状态等均是影响提取速度的因素，需要通过控制影响因素来尽可能的提高有效成分的提 取率。 ( 1 ) 物料的性质及前处理。 植物进行提取之前，需要进行除杂质、干燥、粉碎等处理。粉碎的目的是为了增大 植物的比表面积，使得植物颗粒充分的接触溶媒，有效成分更加容易浸出，提高植物提 取的速率。但粉碎过细，物料的比表面积太大，吸附作用增强，反而影响扩散的速度， 尤其是含有蛋白、多糖类成分较多的植物，过度的粉碎，在用水提取时容易产生黏稠现 象，影响提取效率。 ( 2 ) 预浸润 待提取的植物大多比较干燥，为了加速溶质的溶解和浸出，可以对植物进行浸润， 使组织细胞膨胀。 ( 3 ) 溶剂的选取 植物有效成分的提取为溶剂提取，影响提取速度的关键是溶剂的选取以及提取的方 式。在植物浸提时，根据有效成分的物理化学性质，按照“相似相容”理论，就可选取 分子结构和功能团、极性、或介电常数和有效成分的极性和分子结构中的功能团相似的 溶液，从而使有效成分更加容易溶出。 ( 4 ) 溶剂的用量和提取次数 选定了溶剂以后，溶剂的用量和提取的次数对提取率和提取效率也有很大的影响。 因此溶剂的用量既要保证可以将有效成分从分溶出、提高得率，又要尽量使系数最小。 因为浸出液的体积太大会造成动力的消耗，增加后处理的困难，增加生产成本。多次提 取可以提高有效成分的得率，但也相当于增大了溶剂的用量，同样会使生产成本增加。 ( 5 ) 提取温度 浸提的温度对植物有效成分的浸出有很大的影响，浸出温度越高，植物中有效成分 的扩散速度越快，从而提高提取速率。因为温度的升高也会使植物细胞膨胀，组织软化。 同时提取温度的升高，还可以消灭微生物，提高浸取液的质量。但对于一些对热敏感的 化学物质，过热会破坏其化学成分。因此，要针对不同的物料，选取合适的提取温度是 十分重要的。 ( 6 ) 提取压力 对于一些有效成分不容易浸出的植物，增大压力可以增加传质的速度。在较高的压 力下，可以让植物内部的一些细胞壁发生破坏，加速润湿渗透过程，使得物料组织内部 的毛细孔更快地充满溶剂，从而利于后续的溶质的扩散，形成较浓的浸出液，与周围的 溶剂形成浓度差，提高浸出的速度。 ( 7 ) 物料和提取液的运动状态 在植物的提取过程中，植物细胞内外的浓度差是提取的动力，因此，不断的更新提 取液可以提高有效成分的提取率和提取效率。连续动态逆流提取就是一种利用连续不断 的更新提取液以提高提取率的方法【1 3 1 。 江雨大学帧十学位论文 1 4 植物提取的方法 1 4 1 传统方法 对天然产物中活性成分进行提取，最常用的是溶剂萃取法。所用溶剂包括水和有机 溶剂；水能够溶出的成分较多，会导致后处理困难。有机溶剂分亲水性和亲脂性两种， 选择性好，但挥发性大且一般有毒。提取方法主要有压榨、浸渍、渗漉、煎煮、回流等。 压榨提取是用机械加压方法使含液固体组织发生体积变化和组织碎裂，也称榨取法。它 是植物提取的古老法，目前仍是天然产物生产的重要方法之一。有些中药材的特殊性状， 使其不适于浸取处理而更适于压榨处理。浸渍和渗漉简单易行，一般在常温或温热条件 下操作，适于热不稳定成分的提取，但溶剂消耗量大，费时长，提取效果差。水煎煮法 是我国最早使用的传统方法，大部分成分可被不同程度的煎出，但具有挥发性以及遇热 易破坏的成分不宜用此法；对易挥发的有机溶剂加热提取，则需采用回流法。为了弥补 回流提取中溶剂消耗量大，操作麻烦的不足，可采用索氏提取法，这是溶剂萃取中最常 使用的方法，提取效率较高，但提取液加热时间比较长，热不稳定成分容易分解【4 】。近 年来发展的自动索氏提取，方法是高温渗漉与常规索氏提取相结合，溶剂用量比常规索 氏提取减少近一半，且所需时间大幅度缩短1 5 j 。水蒸气蒸馏也是一种比较常用的提取方 法，需要提取的成分具有容易挥发的性质，并且在沸腾期间与水不发生化学变化，难溶 或不溶于水p j 。 上述传统方法普遍存在着缺点，如：有机溶剂的使用而产生的废液废渣，对环境的 破坏和污染很严重，并且残留的有机溶剂会影响目标提取物的品质；提取效率低、得率 低、不易操作；提取温度高，破坏热敏性成分，耗能大等。因此，借助其它的处理方法 来强化提取是目前提取技术的重要发展方向之一。 1 4 2 强化提取方法 如今，一些辅助的提取技术层出不穷，很大程度上拓宽了中药浸提技术手段。不仅 加快了浸提过程，提高浸提效果，而且有助于提高提取液的品质，目前主要的强化提取 方法有：超声强化提取、微波辅助提取、超临界c 0 2 萃取法、酶解提取等。这些方法都 显示了良好的前景，同时符合发展快速、高效、少用有害试剂的绿色样品处理技术的重 要研究目标【6 j 。 1 4 2 1 超声强化提取 超声强化提取是指在原有中药和天然产物浸提与煎提的基础上加以超声波发生装 置，利用超声波产生的强烈振动、空化效应、搅拌作用等，可加速药物的有效成分进入 溶剂，提高提取率，缩短提取时间，节约溶剂，并且免去了高温对提取成分的影响。武 正才等采用超声波提取法和回流提取法以及水提醇沉法提取灯盏花中总黄酮，比较3 种 方法的提取率及提取时间。结果发现超声波提取法与回流提取法相比较，乙醇消耗和提 取率相等，高于水提醇沉法，但超声波提取法提取时间为4 0m i n ，较其它方法提取时间 较大幅度缩短【_ 7 1 。王延峰等研究了超声提取法提取银杏叶黄酮，并且和索式提取进行比 4 较，得出超声提取法优于索式提取法博j 。 超声提取显示了定的优势，受到日益重视。超声提取技术能避免高温高压对有效 成分的破坏，但它对容器壁的厚薄及容器放置位置要求较高，否则会影响药材浸出效果。 而且目前实验研究都是处于小规模，要用于大规模生产，还有待于进一步解决有关工程 设备的放大问题。 1 4 2 2 酶解提取法 酶解提取法是利用适当的酶作用于药用植物材料，如水解纤维素的纤维素酶、水解 果胶质的果胶酶等等，可以使细胞壁及细胞间质中的纤维素、半纤维素、果胶质等物质 降解，破坏细胞壁的致密构造，减小细胞壁、细胞间质等传质屏障对有效成分从胞内向 提取介质扩散的传质阻力，从而有利于有效成分的溶出。酶法作用条件温和，通过酶法 破壁去除杂质可以明显提高收率，王晖等研究了酶法提取银杏叶中的黄酮，将银杏叶经 纤维素酶预处理后浸提，总黄酮提取率提高到2 0 1 嘣9 1 。藤利荣等研究了水提法和复合 酶法提取百合多糖的最佳条件，对两种方法得到的多糖的生物活性进行了比较分析，研 究得出符合酶法可以显著提高百合多糖的提取率，且生物活性高于热水提取的多糖【l 们。 但该技术存在的优点的同时也存在着一定的局限性，( 1 ) 酶的最佳温度及最佳p h 值往往 在一个很小的范围内，为使酶的活性最强，必须严格控制酶反应时的温度及p h 值，反应 时条件的很小的变动，都会使酶的活性得到很大的降低，对实验设备的要求就很高；( 2 ) 酶法提取的过程中，由于中药中的成分复杂，酶可能和中药中的某些成分发生化学反应， 产生新的化学物质，从而影响产物的纯度及得率。 1 4 2 3 超临界二氧化碳萃取技术 超临界流体是指其温度与压力均高于其临界温度与临界压力的流体【l l 】，超临界流体 萃取( 简称s f e ) 是一种以超临界流体代替常规有机溶剂，对天然物有效成分进行萃取和 分离的新技术。s f e 的主要原理是利用流体在超临界状态下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黏度，又具有与液体相近的密度和对溶质良好的溶 解能力，通过控制超临界流体在高于临界温度和临界压力的条件下，从目标中萃取有效 成分，当恢复到常压常温时，溶解在超临界流体中的成分立刻和气态的超临界流体分开。 这种提取方法对挥发性成分、脂溶性成分以及热敏性物质等提取较传统方法有很多优越 性【l2 1 。由于相变过程中不需要高温加热、不需回收溶剂，因此操作方便，大大缩短了工 艺流程，降低成本，节约能耗。葛发欢等研究应用超临界c 0 2 流体技术萃取柴胡挥发油 的工艺，结果表明与传统水蒸气蒸馏法相比较，应用超临界c 0 2 流体技术提取柴胡挥发 油，可以大大提高收率，缩短提取时间，而挥发油的组成一致，只是部分成分的含量稍 有差异l l 引。作为一项新技术，该法在天然物提取中的应用也有其局限性。超临界流体萃 取技术的设备属高压设备，一次性投资较大运行成本高，生产能力低，目前只能提取脂 溶性的物质，对水溶性物质提取效果差。因此这一技术目前在工业生产中还难以普及。 江南大学硕十学位论文 1 4 2 4 微波萃取技术 微波辅助提取是在传统的溶媒提取技术的基础上发展的一种新型萃取技术，1 9 9 4 年p a r e l l 4 】创造性地提出了“细胞破壁理论”，认为微波可以透过萃取剂达到植物内部， 因物料的细胞内含水量高，当受到微波辐射时，细胞迅速升温，使细胞内压增大。当内 压超过细胞壁承受能力时，细胞壁破裂，则其内部的有效成分自由流出，进入萃取剂而 被溶解，达到去渣存液的目的。微波具有比激光低得多的能级，却能在相同的温度甚至 更低的温度下，产生比常规方法高几倍甚至几十倍的效率。因此微波辅助提取技术具有 选择性高、操作时间短、溶剂耗量少、有效成分收率高的特点，在药材的浸取、中药活 性成分的提取方面受到广泛的关注。 f u l z e l e 禾t j 用微波从n o t h a p o d y t e sf o e t i d a 中提取喜树碱，并且比较了回流、索氏、超 声波提取，得出微波辅助提取仅需3 m i n ，而回流提取许要3 0 m i n ，超声波提取需3 0 m i n ， 索氏提取需要1 2 0 m i n l l 5 】。g a n z l e r 等首次将大功率微波应用在浸取方面【l 刚，用微波浸取 了羽扇豆、玉米等中的油脂、棉籽酚等有效成分。实验表明微波辅助提取在用含水的溶 剂提取极性化合物比索式提取效果好，可避免热敏性物质分解【l7 1 。而传统方法( 索氏抽 提法) 则需3 h 才能提取完全。借助微波浸取具有应用价值的化学、医药组分，在2 0 世纪 9 0 年代受到研究人员的广泛重视，王平艳等【l8 】用微波法提取美国葵花籽油，发现用压榨 法所得饼粕中还有大量的油不能压榨出来，而用微波法可将其提取出来，从产品油的油 品质量来看，两种方法所得油的色泽、清亮度及成分都相差不大。 1 5 连续动态逆流提取 连续逆流提取就是溶剂和物料分别从设备两端连续加入，物料向出渣口方向运动， 而溶剂从另一端( 靠近出渣e l 一侧) 加入，向药材运动的反方向流动，两者逆流接触，浓 度梯度可以始终保持在较高水平，从而形成较大的传质推动力，药液出来即可达到较高 浓度。连续逆流提取由湿润、渗透、解析、溶解、扩散和置换等相互关联的过程组成。 提取过程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，有效成分浸出速率越大，所以要 快速完全地提取出物料中的有效成分，就必须经常更新固液两相界面层，使两相的浓度 差保持在较高的水平。动态逆流提取与一般的提取方法相比，具有显著的优点【l9 1 。( 1 ) 有效成分浸出速率快，有效成分得率和提取效率高：( 2 ) 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；( 3 ) 动态逆流提取作业温度低， 一般在2 5 。c 1 0 0 。c 之间可任意选择，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，物料在提取器中移动速度可调，可根据物料的特性调节提取时间，适于不同 物料的提取；( 4 ) 所需的提取溶剂少，浸出液浓度高，节省溶剂，同时，节省后道工序 的生产成本。据资料统计，采用动态逆流提取天然产物有效成分的得率可提高1 5 - 4 0 提 取时间可减少1 5 以上，连续逆流提取是一项很有发展前途的技术，具有很好的应用前 景【2 0 】。 6 1 5 1 对根茎类药材的提取 王溶溶【2 l 】用动态逆流连续循环的方法，选用l 9 ( 3 4 ) 正交表，以测定固含物的量为指 标，对以乙醇为溶媒，对鸡血藤药材进行提取工艺的研究，对优选出的工艺以鸡血藤醇 的含量为指标，用高效液相法对药材的提取率和有效成分的转移率进行考察，并对新旧 工艺进行对比。结果表明，乙醇的用量比回流工艺下降5 0 以上，有效成分的转移率达 8 4 以上。乙醇用量从回流工艺的1 0 倍量减少到动态逆流连续循环工艺的4 倍量，故使 生产过程中乙醇周转量和实际消耗量大大下降。因此，节省能耗，降低了生产成本，提 高了生产的安全度。蔡铭掣2 2 j 采用正交实验设计，考察提取时间、溶剂用量、提取温度 和粒度等因素对丹参素得率的影响，并比较了该工艺与普通热回流提取工艺的优劣，获 得四效逆流提取丹参中丹参素的最佳工艺条件，与热回流提取工艺相比提取率提高1 9 4 ，溶剂用量减少3 4 ，提取时间大大缩短。孙达峰等人【2 3 1 采用螺旋式连续逆流提取工 艺进行了提取白芨多糖的研究，将连续逆流提取与单罐二次提取进行比较，提取率提高 了8 5 ，提取时间缩短了3h ，每公斤原料的用水量减少1 0k g 。同时也相应降低了浓缩 过程的蒸发水量。k i m 等【2 4 j 等对螺旋式连续逆流浸取器提取软木中的半纤维素糖进行 研究，结果得出连续逆流浸取器不适合较小颗粒的物料。 1 5 2 对全草类药材的提取 王坤【2 5 】采用罐组式动态逆流提取工艺提取益母草中的盐酸水苏碱的研究，验证了该 灌组式动态逆流提取设备的工艺应用于工业化生产的可行性。此外，他们还进行了罐组 式动态逆流提取与传统单罐提取工艺在产品有效成分含量、各项工艺参数及经济指标等 方面的比较，比较结果显示罐组式动态逆流提取工艺是一种提取效率高、节约能源、生 产周期短、实用的中药提取方法。 1 5 3 对果实类药材的提取 w i e s e n b o m 2 6 】用0 7 5 的磷酸钠、为提取剂提取向日葵头部的果胶质，结果表明连 续逆流浸取与间歇提取相比，虽然最大的胶质浸取率相差不大且分别为4 5 、4 3 ，但 单位时间内、单位浸取器容积可以获得的胶质的量却为间歇提取的1 5 3 倍。田辉等1 2 7 j 人 研究的连续逆流法提取橙皮果胶，结果表明在其他条件相同的情况下( p h l 5 ，温度8 5 ， 固液e l 2 0 ) ，分别用批量法和连续逆流提取法提取橙皮果胶，批量法的提取时间为9 0m i n ， 而连续逆流提取法仅为5 0m i n 。并且提取液中果胶含量还要远远高于批量法。接近于分 步提取法。王松等【2 8 j 通过连续逆流提取法，对大豆异黄酮的提取工艺进行了优化，得出 连续逆流提取法在提取得率、提取时间、溶液用量上都明显优于单级提取，提取率提高 1 4 2 2 、缩短提取时间7 6m i n ，节省溶剂用量约5 0 。 1 6 连续动态逆流的提取技术和设备的发展 近几年出现的槽式连续逆流提取机，拖链式连续逆流提取设备，螺旋式连续逆流提 取设备等的设备形状结构都是在一个平面内构成的，连续逆流提取是整机体积比较大、 外观笨重、并且螺旋式逆流提取设备较长，占地面积比较大，这样由于设备长而电机的 7 江南人学硕二l 学位论文 最大功率有限，导致一部分物料无法带动，物料搅拌不均匀，提取率下降。这也是连续 逆流提取技术至今没有很好推广的重要原因。 该螺旋式连续逆流提取设备有对植物有效成分提取率较高，并且节省能源，是比较 经济的提取设备。p o i r o tr a c h e 掣1 9 】利用类似的装置研究了从分段提取到连续逆流提取 的实现。研究得出使用该提取设备的物料应该具有的几个方面： ( 1 ) 物料颗粒要足够大，以确保物料不会从提取设备中出来。 ( 2 ) 在传质过程中，干的物料不会因为溶剂的流动而飞起来或结块。 ( 3 ) 湿物料不会粘在螺杆上或筒壁上。 要想更好的发挥连续动态逆流的提取方法提取天然产物有效成分的优势，就需要去 其它方法结合，来达到将细胞壁破碎的效果。而通常的升高温度是有利于提取的，但提 取温度升高，杂质的溶出率也相应增大，同时也容易破坏热不稳定成分。因此就需要借 助一些外界的机械效应、空化效应、热效应等来强化提取效率。对连续逆流提取的强化 分为两种，一种是通过处理样品，使植物细胞破壁来提高连续动态逆流提取的效果，这 种方法提取时间短、耗能较少，另外一种是将其它外场加在整个逆流提取过程中，目前 已经研究出的有微波连续逆流提取机、超声波强化连续逆流提取装置以及离心式连续逆 流提取机等。 1 6 1 微波逆流提取机 跟据微波辅助提取的机理，考虑可以将微波发射装置安装到逆流提取器上，如图1 2 所示的是李晟等人【2 9 j 发明的微波逆流提取机，该设备是一种改进了的螺旋式连续逆流提 取设备。主要技术特征是主机滚筒上设有微波磁控管或中小微波发射管；主机滚筒呈“v ” 字型设置，主机滚筒的两叉筒内腔中分别设有进料螺旋推进器和出渣螺旋推进器。该设 备采用了微波技术取代了传统的以蒸汽等热传导、热辐射由外向内传导热量的加热方 式。克服了传统提取设备存在的加热不均、中心物料还没有被加热而外层物料已经糊化 而造成的物料浪费。 图1 2 微波逆流提取机 f i g 1 - 2 m i c r o w a v ec o u n t e r - c u r r e n te x t r a c t i n ge q u i p m e n t 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 一微波磁控管 6 清洗出水1 27 一溶媒入口8 出渣螺旋推进器9 出渣口1 0 主机滚筒1 1 支架 1 6 2 超声波强化逆流提取机 与超声装置结合是连续逆流提取发展的又一改进方法，目前出现的超声波强化的螺 旋推进式连续逆流提取器主要有超声换能器在浸出器壁上的和在主轴内的。如图1 3 为 白中明【3 0 】设计的中药逆向渗漉超声波连续化提取器，该连续提取器提供一种连续化中药 逆向渗漉超声波连续化提取器，工作时，在物料在进行逆流提取的过程中，超声波振子 向药材和提取液混合体中发出超声能量，利用超声的空化破碎细胞壁以及超声加速提取 液和药材成分的作用，从而大大的提高物料的提取率和提取效率。具有降低提取温度， 缩短设备长度等优点。但这种超声辅助提取的超声波利用率较低，原因在于超声场范围 是有限的，这一缺点对于螺旋式连续逆流超声波浸出提取设备也存在。而对于螺旋式逆 流超声辅助提取器，由于超声波换能器基元在空心转轴中并随转轴进行转动，就可以向 周围发出扫射式超声波束，提高了超声波的利用率。但是该提取设备的一次性投资还比 较高。 图1 - 3 逆向渗漉超生波连续提取器 f i g 1 3 s e e p i n gc o u n t e r - c u r r e n te x t r a c t i o ne q u i p m e n t 1 电机和变速器2 一密封件3 一进料口4 螺旋推进器5 进料管6 出液口7 排液管 8 过滤网 9 进气管道1 0 排液阀门 11 排液口 1 2 提取管1 3 超声波振子 1 4 温度调节夹层1 5 一排渣口1 6 排渣管1 7 液位控制器1 8 一进液口1 9 排渣通道 1 6 3 离心式连续逆流提取机 离心技术与连续动态逆流提取装置的结合，也是一种较为新颖的连续逆流提取设备 的改进方法。赵秀栩【3 1 1 等人研制的离心式连续逆流提取设备，如图1 4 所示，该设备结 合了渗漉式和浸渍式的混合方式，包括渗漉提取段、离心分离段、浸渍逆流提取段。物 料在螺旋推进器的推动作用下由向上运动，然后进入到离心装置中。物料与溶媒在离心 装置的前部实现渗漉式的提取，这样保证了较高的提取效率。在浸渍提取阶段，提取溶 剂与物料的运动方向相反，为连续逆流提取。离心式连续逆流提取机出液系数小，提取 时间也明显减小，处理能力大。 9 江南人学硕上学位论文 膏心装置 两。 图1 4 离心式连续动态逆流提取装置 f i g 1 4 c e n t r i f u g a lc o u n t e r - c u r r e n te x t r a c t i o ne q u i p m e n t 1 7 本课题研究内容 尽管动态逆流提取具有提取率高，溶剂用量少等一系列优点，但提取时间仍然比较 长，导致设备整机体积比较大、外观笨重、占地面积比较大及一次性投资大等缺陷，阻 碍了动态逆流在实际中的应用和推广。本研究目的主要是动态逆流和其它强化提取技术 相结合，以便减少提取时间，减小设备的长度。具体的研究内容如下： ( 1 ) 比较常规浸润、真空微波、挤压、真空微波+ 挤压4 种预处理方法对连续动态 逆流提取的强化效果； ( 2 ) 研究连续动态逆流系统装置； ( 3 ) 建立动态逆流提取动力学方程，比较不同预处理方法的模型参数。 1 0 第二章实验装置的设计 第二章实验装置的设计 2 1 实验装置设计背景 提取设备的配置和提取的工艺流程是一个复杂的问题，影响因素很多，通常可以从 以下几个方面进行考虑【l 】： ( 1 ) 物料的性质。这是进行设备配置的一个重要的因素，主要包括：物料的形态( 如 根茎类、树皮类、灌木类、全草类、种子类、果实类等) 、植物内部的微观结构( 孔隙 率和微孔结构) 、粒度、挥发性、热敏性、溶质含量和性质等。针对物料的这些性质， 就需要采用适当的设备和工艺方法。例如微波辅助提取就可以克服物料细小而容易凝 聚、焦化等弊端。 ( 2 ) 处理量。这也与工艺流程和设备配置有着重要的关系，如为了满足生产的需要， 就需要设备适合大批量生产。 ( 3 ) 设备投资、操作周期和设备的维护。这几个方面也直接影响着设备配置的可行 性。 ( 4 ) 需要场地和操作的难易程度。 目前中药提取主要采用单级间歇式和多级接触式操作，所采用的提取设备主要为提 取罐和多罐组合。由于在单级间歇式和多级接触式操作提取过程中，物料是静止的，溶 剂和物料不能够充分的接触，提取率较低。连续动态逆流提取具有有效成分浸出速率快， 溶剂用量少、有效成分提取率高等优点。但是连续逆流提取具有整机体积比较大、外观 笨重、并且螺旋式逆流提取设备较长，占地面积比较大等缺点。 本实验的目的就是针对连续逆流提取设备存在的缺点，通过对物料的预处理来强化 动态逆流提取，从而达到缩短提取时间、减小设备长度、提取