（化学工程与技术专业论文）葛藤异黄酮的浸取与分离过程研究.pdf

摘要 葛藤异黄酮具有重要的药用价值。论文研究了葛藤异黄酮的浸取分离过程的 影响因素，建立了常规浸取和超声强化浸取的数学模型。在此基础上，得到了大 豆苷元和葛根素两种异黄酮单体制各工艺，并对葛根素的浊点萃取进行了初步考 察。 主要内容如下： ( 1 ) 采用不同组成的乙醇水溶液和正丁醇水两相系统常规浸取葛藤异黄酮，考察 了浸取时问、浸取温度和溶剂组成对总异黄酮得率的影响。通过假设细胞势 垒呈指数分布，并结合f i c k 第二定律，建立了常规浸取模型。该模型反映了 浸取时间、浸取温度与总异黄酮浸取得率的定量关系。模型关联结果与实验 值吻合良好。 ( 2 ) 采用不同组成的乙醇水溶液和正丁醇水两相系统超声强化浸取葛藤异黄酮， 考察了浸取时间、超声电功率和溶剂组成对总异黄酮得率的影响。建立了超 声强化浸取模型。该模型反映了浸取时间、超声电功率与总异黄酮浸取得率 的定量关系。模型关联结果与实验值吻合良好。 ( 3 ) 研究了以l ：1 正丁醇水两相系统作浸取剂来制备大豆苷元的过程，考察了 超声电功率对大豆苷元得率的影响。结果表明，浸取与液液萃取耦合过程比 常规过程获得更高得率的大豆苷元晶体。 ( 4 ) 考察了p h 值和葛根素初始浓度对葛根素的萃取和反萃效率的影响，优化了 葛根素的制备工艺。考察了温度、表面活性剂浓度和无机盐浓度对浊点萃取 的相比r 、葛根素的分配系数芷和萃取率e 的影响。 最后，对全文进行了总结，并对异黄酮浸取分离的进一步研究提出了一些建 议。 关键词 葛藤，总异黄酮，大豆苷元，葛根素，超声空化，浸取，分离，传质 a b s t r a c t l s o f l a v o n c sf r o ms t e m o fp u e r a r i a l o h a t a ( w i u d ) o h w ih a v es i g n i f i c a n t p h a r m a c e u t i c a l v a l u e t h ef a c t o r si n f l u e n c i n go nt h ee x t r a c t i o na n d s e p a r a t i o n p r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h ec o n v e n t i o n a l e x t r a c t i o na n dt h eu l t r a s o n i c a l l ye n h a n c ee x t r a c t i o nw e r eb u i l t o nt h ea b o v eb a s i s , t h ew a y st og e td a i d z c i na n dp u e r a r i nw e r eo t a i n e da n dt h ed i s t r i b u t i o no f p u e r a r i nb y m e a n so f c l o u dp o i n te x t r a c t i o nw a si n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a i o na l ea sf o i l o w s ( 1 ) t h ec o n v e n t i o n a le x t r a c t i o nw a ss t u i d e du s i n ge t h a n o la q u e o u ss o l u t i o na n d n - b u t a n o l w a t e rt w o - p h a s es y s t e m 勰s o l v e n t s t h ee f f e c t so fe x t r a c t i o nt i m e e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r ea n ds o l v e n tc o m p o s i t i o no nt h ey i e l do ft o t a l - i s o f l a v o n e s w e r ei n v e s t i g a t e d b yt h ea s s u m p t i o no ft h ee x p o n e n t i a ld i s t r i b u t i o nf o rt h ec e l l e n e r g yb a r r i e r sa n dw i t ht h ef i c kd i f f u s i o nl a w , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f c o n v e n t i o n a le x t r a c t i o nw a sb u i l t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e y i e l do f t o t a l - i s o f l a v o n e sw i t ht h ee x t r a c t i o nt i m ea n de x t r a c t i o n t e m p e r a t u r ew a s e x p r e s s e dq u a n t a t i v e l y i tw a sf o u n dt h a tt h ec o r r e l a t i o nr e s u l t so f t h em o d e lw f f r e i na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ( 2 ) t h eu l t r a s o n i c a l l ye n h a n c e de x t r a c t i o nw a sa l s os t u i d e du s i n ge t h a n o la q u e o u s s o l u t i o na n dn b u t a n o l w a t e rt w o - p h a s es y s t e m 嬲s o l v e n t s t h ee f f e c t so f e x t r a c t i o nt i m e ，e l e c t r i c a lp o w e ri n p u ta n ds o l v e n tc o m p o s i t i o no nt h ey i e l do f t o t a l - i s o f l a v o n e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fu l t r a s o n i c a l l y e n h a n c e de x t r a c t i o nw a sb u i l t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ey i e l do f t o t a l - i s o f l a v o n e sw i t ht h ee x t r a c t i o nt i m ea n de l e c t r i c a lp o w e ri n p u tw a se x p r e s s e d q u a n t a t i v e l y i tw a sf o u n dt h a tt h ec o r r e l a t i o nr e s u l t so ft h em o d e lw e r ei n a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ( 3 ) t h ep r o c e s st oo b t a i nd a i d z e i nu s i n gn - b u t a n o l w a t e rt w o - p h a s es o l v e n ts y s t e ma s as o l v e n tw a gs t u d i e d t h ee f f e c to f e l e c t r i c a lp o w e ri n p u to nt h e y i e l do f d a i d z e i n i i w a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l ts h o w st h a th i g h e ry i e l do fd a d i z e i nc a nb eo b t a i n e d b yt h ei n t e g r a t i o no f s o l i d - l i q u i de x t r a c t i o na n dl i q u i d l i q u i de x t r a c t i o nc o m p a r e d t ot h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s ( 4 ) t h ee f f e c t so f p ha n dp u e r a r i ni n h i a lc o n c e m r a t i o no nt h ee x t r a c t i o na n ds t r i p p i n g e f f i c i e n c yw e r ei n v e s t i g a t e da n dt h ec o n d i t i o n st os e p a r a t e p u e r a r i nf r o mt h e w a t e rp h a s ee x t r a c tw e r eo p t i m i z e d f o rc l o u dp o i n te x t r a c t i o no fp u e r a r i n ，t h e e f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o no fs u r f a e t a n ta n ds a l tc o n c e n t r a t i o no nt h e p h a s er a t i o ( r ) ，d i s t r i b u t i o nc o e f f i c e mo f p u e r a r i n a n de x t r a c t i o ne f f i c i e n c y w e r es t u d i e d f i n a l l y , s e v e r a ls u g g e s t i o n sw e r er a i s e dt of u r t h e rs t u d yo ne x t r a c t i o na n d s e p a r a t i o no fi s o f l a v o n e s k e y w o r d s s t e mo f p u e r a r i al o b a t a ( w i l l d ) o h w i , t o t a b i s o f l a v o n e s ，d a i d z e i n , p u e r a r i n , u l t r a s o n i c c a v i t a t i o n , e x t r a c t i o n , s e p a r a t i o n , m a s st r a n s f e r i l l 前言 植物有效成分因其对治疗复杂疾病有特殊疗效、毒副作用小，且来源于天然 资源，便于推广等特点，弥补了合成药之不足而倍受关注。异黄酮，作为一类重 要的植物有效成分，其制备方法的研究日益增强。制备方法的好坏直接影响异黄 酮的得率及产品质量，在中药现代化生产中起着举足轻重的作用；制备工艺的优 劣不仅与产品的疗效有关，还直接影响物耗和成本。 同获取其它植物中有效成分一样，通常要获得异黄酮需经过两大环节：( i ) 用溶剂浸取植物原料，得到含异黄酮及大量杂质的混合物；( 2 ) 对上述混合物进 行分离，常涉及的分离操作包括萃取、过滤、层析等。但存在的主要问题有：第 ( 1 ) 步中浸取速率较慢；第( 2 ) 步中分离步骤多，操作复杂，导致目标产物的最终 得率低。因此要高效获得异黄酮，必须解决浸取速率慢、分离步骤多这两个问题。 浸取和分离一直是中药行业的研究热点，不过大多数研究重点均集中在各种 新的有效成分的发现及分析上，而对浸取和分离过程本身的共性问题，如新溶剂 系统的开发、高效浸取方法与设备的研制，则研究很少，导致浸取与分离过程的 技术水平进展缓慢。就浸取设备而言，目前中药生产企业仍普遍采用传统浸取设 备，原料处理能力小、手工操作多、生产强度低( 过程效率不高) 、能耗大；就溶 剂系统来说，浸取过程仅采用单相溶剂系统( 如水、乙醇水溶液等) ，导致杂质浸 取率较高，例如浸取物中常富含糖类等多种可供微生物滋生的营养成分，增大了 下游工段的分离难度和负荷，同时在生产和应用过程中容易被污染，达不到卫生 标准，很难长期保存。可以说，浸取与分离过程较落后的技术水平已严重影响着 中药产业的发展，必须尽快解决。 围绕怎样提高有效成分的产率、降低生产成本，本论文拟以中药材葛藤为对 象，研究其含有的异黄酮的浸取与分离过程，并期望能为其它植物有效成分的生 产提供参考。 第一章植物有效成分浸取与分离研究进展 1 1 植物有效成分的浸取方法 植物在生长和发育过程中进行一系列的新陈代谢，会形成和积累很多化学物 质，即植物的化学成分。植物的化学成分种类繁多，概括起来可分为【1 】：有效成 分，是指那些有着很强的生物活性，具有重要的药理作用的化学成分，如黄酮类 化合物、生物碱、挥发油；辅助成分，指本身没有特殊疗效，但能增强或缓和有 效成分作用的物质，如洋地黄中的皂苷可帮助洋地黄苷溶解或促进其吸收；无效 成分，指本身无效甚至有害的成分，它们往往影响溶剂的浸出效果、制剂的稳定 性，外观以致药效；组织物，是构成药材细胞或其他不溶性物质，如纤维素、栓 皮等。对于有效成分和无效成分的划分是相对的。随着科学技术的发展，某些过 去被认为无效的成分，现在已经发现了它们的生物活性。 植物中有效成分的浸取是指采用适当的方法和步骤，将植物中的有效化学成 分浸取出来的过程。药用植物的开发利用包括浸出、澄清、浓缩、色谱分离、结 晶和干燥等许多单元操作，而其中浸取单元运作的优劣直接关系到药用植物中有 效成分的得率和后续加工的难易程度，因此浸取过程是开发利用药用植物的重要 环节。合理的浸取方法不但能将植物体中的有效成分充分浸取出来，而且有利于 随后的分离和提纯，降低生产成本。 浸取一个或多个有效成分时，需掌握以下原则【2 】： 一、首先查阅国内外文献资料，掌握被浸取原料中所含的化学成分、目标成分的 稳定性、共存杂质的类型。了解被浸取原料的基源、产地、浸取部位、质量 优劣，进行基源和质量鉴定。 二、根据浸取原料的质地选择粉碎条件；，依据被浸取成分的极性大小，共存杂质 的理化特性选择适宜的浸取溶剂和确定溶剂的用量。 三、根据被浸取成分的稳定性和溶剂的溶解性设定浸取温度、浸取时间、浸取次 数、除杂方法、溶剂回收的要求以及注意事项。 四、制定浸取标准操作规程、检测标准以及浸取物验收标准。 五，根据目标成分的要求，设计分离方案，达到预期目标。 2 1 1 1 传统浸取方法及其原理 从植物中浸取其有效成分的传统方法有溶剂浸取法，水蒸气蒸馏法和升华法 等。由于后两种方法的应用范围有限，一般采用溶剂浸取法。 溶剂浸取法是根据植物中各种成分在溶剂中的溶解性质，选用对活性成分溶 解度大，对不需要溶出成分溶解度小的溶剂，将有效成分从植物组织内溶解出来 的方法。当溶剂加到经处理的植物原料中时，溶剂由于扩散、渗透作用逐渐通过 细胞壁透入到细胞内，溶解了可溶性物质，而造成细胞内外的浓度差，于是细胞 内的浓溶液不断向外扩散，溶剂又不断进入植物组织细胞中，如此多次往返，直 至细胞内外溶液浓度达到动态平衡时，将此饱和溶液滤出，继续多次加入新溶剂， 就可以把所需要的成分近于完全溶出或大部溶出。 1 1 1 1 浸取溶剂的选择 溶剂浸取法的关键是选择适当的溶剂。溶剂选择适当，就可以比较顺利地将 需要的成分浸取出来。通常只要植物有效成分的亲水性和亲脂性与溶剂的此项性 质相当，就会在其中有较大的溶解度，即所谓“相似相溶”的规律，这是选择适 当溶剂的依据之一。 溶剂的极性常以介电常数来表示，大的溶剂极性强，反之，小的溶 剂极性弱。常见的溶剂可分为三类：极性溶剂、中等极性溶剂和非极性溶剂。 极性溶剂是含有羟基或羧基等极性基团的溶剂。极性溶剂有水、甲酸等。水 是典型的强极性溶剂，且价廉易得，使用安全，故为常见溶剂。 水对极性成分的溶解情况很复杂，水分子除通过偶极作用，使极性分子溶剂 化而溶解外，还涉及形成氢键的问题。水分子之间以氢键相互缔合，物质对水分 子问氢键的作用能力，或与水分子形成氢键的能力是它的亲水性强弱的重要标 志。分子中含有羟基或羧基基团以及低分子量的氮原子也可与水形成氢键而溶 解。分子结构的特点如分子中极性与非极性基团的比例对形成氢键有直接影响。 用水作为浸取剂，其优点是价廉易得，使用安全，它能用于浸取植物体中多种化 学成分，被广泛应用。缺点是水浸取液易变质、发霉，不易保存，而且水的沸点 垂裔商塑垩查兰竖主兰堡堡兰一墨：二兰堕塑立垫堕坌堡壁兰坌塞翌壅丝墨 w 高，水浸取液蒸发浓缩时间长，同时水浸取液中常含有大量的蛋白质和果胶、黏 液质、鞣质、糖类、无机盐等杂质成分，给分离日标成分或药物制剂带来不便。 另外，在实际工作中，为了能使某些成分溶出，常常使用酸水或碱水进行浸取。 用水浸取时若采用加热的方法，还可以增加被浸取物的溶解度，并且由于植物中 其他物质可产生“助溶”现象，使一些在水中溶解度小的亲脂性成分溶出，这在 中药制剂的生产中被广泛利用【3 1 。 中等极性溶剂也称亲水性有机溶剂，例如甲醇、乙醇、丙酮等，具有较大的 介电常数，它们既能溶于水，又能诱导非极性物质产生一定的偶极距，使后者的 溶解度增加。由于极性有机溶剂有这些性质，所以它们对天然产物具有良好的溶 解性，这类溶剂具有较强的细胞穿透能力，浸取成分比较全面。例如，乙醇溶液 具有水和醇两者的浸取性能，既能用来浸取极性成分，又可用来浸取某些亲脂性 成分。如果改变乙醇的浓度，更可以广泛用于浸取植物中的许多有效成分。例如， 9 5 乙醇适宜浸取生物碱、挥发油、树脂、叶绿素；6 0 - 7 0 乙醇适宜浸取黄 酮苷、三萜皂苷、蒽醌苷等成分。高浓度的乙醇可使一些水溶性的极性成分，如 蛋白质、果胶、树胶、黏液质、多糖类、鞣质等溶解度变小，使其从浸取液中沉 淀出来。因此，增加水浸取液中乙醇的浓度可使这些水溶性杂质沉淀，有利于有 效成分的富集和分离。乙醇浸取液中高分子胶体含量少，粘度小，易过滤，沸点 低，回收方便，同时不易发霉变质。因此，乙醇是目前实验室及生产中最常见的 溶剂。丙酮是良好的脱脂溶剂，常用于脂溶性物质的浸取。不同浓度的丙酮水溶 液是浸取的常用溶媒，但易挥发燃烧，具有一定的毒性。 非极性溶剂也称亲脂性有机溶剂，包括石油醚、苯、乙醚、氯仿、乙酸乙酯 等介电常数小的有机溶剂。这类溶剂选择性强，容易得到纯品，可浸取亲脂性成 分，如挥发油、油脂、叶绿素、树脂、植物甾醇、内酯等。非极性溶剂的沸点较 低，浓缩回收方便。但这类溶剂挥发性大，损失较多，大多数易燃，有毒，价格 昂贵，而且它们的亲脂性强，不易溶胀植物组织，浸取时间较长，用量较大。 1 1 1 2 浸取方法的选择 常用的溶剂浸取法包括回流法、浸渍法、渗漉法、煎煮法和连续浸取或索氏 浸取法等。 4 回流浸取法是用乙醇等易挥发的有机溶剂浸取原料成分，将浸出液加热蒸 馏，其中挥发性溶剂馏出后又被冷却，重复流回浸取容器中浸取原料，这样周而 复始，直至有效成分回流浸取完全的方法。为避免溶剂挥发损失，浸取容器上要 装一冷凝器，这样溶剂蒸汽经冷凝器冷凝后，又变为液体回流到容器中。因为溶 剂能循环使用，回流法溶剂消耗量少。回流法浸取液受热时间较长，故不适用于 受热易破坏的原料成分的浸取。 浸渍法是将原料用适当的溶剂在常温或温热条件下浸泡出有效成分的一种 方法。具体操作是：取适量粉碎后的原料，置于加盖容器中，加入适量的溶剂并 密封，间断式搅拌或震荡，浸渍至规定时间使有效成分浸出。浸渍法适用于粘性、 无组织结构的、新鲜而易于膨胀的原料的浸取，尤其适用于有效成分遇热易挥发 或易被破坏的原料。但该法操作时间长，浸取溶剂用量大，若以水作溶剂易霉变。 因为溶剂的用量大，且呈静止状态，溶剂的利用率低，有效成分浸出不完全。 渗漉法是将原料湿润膨胀后装入渗漉器内，顶部用砂布覆盖，压紧，浸取溶 剂连续地从渗漉器的上部加入，溶剂渗过原料层往下流动过程中将有效成分浸出 的一种方法。不断加入新溶剂，可以连续收集浸取液，由于原料不断与新溶剂或 含有低浓度浸取物的溶剂接触，始终保持一定的浓度差，浸取效果比浸渍法高， 浸取比较完全，但溶剂用量大，对原料的粒度及工艺要求较高，并且可能造成堵 塞而影响正常操作。 煎煮法是指用水作溶剂，将被浸取物加热煮沸一定时问，以浸取其所含成分 的一种常用方法。该法是将原料适当地切碎或粉碎成粗粉放入适当容器中，加水 浸没原料，充分浸泡后，加热煎煮至适当时间。煎煮法可分为常压煎煮法和加压 煎煮法。煎煮法适用于有效成分能溶于水，对湿、热均稳定且不易挥发的原料， 传统制备汤剂皆用煎煮法，同时也是制备一部分中药散剂、丸剂、冲剂、片剂或 注射剂的基本方法之一。但用水煎煮，煎出液中除有效成分外，往往杂质较多， 给精制带来不便。 当浸取的有效成分在所选溶剂中不易溶解时，若用回流浸取法需要十几次， 既费时又过多消耗溶剂，此时可用连续回流浸取法，用较少的溶剂一次浸取便可 浸取较完全。连续浸取器常有上、中、下三部分组成，上部是冷凝器；中部是带 有虹吸管的浸取器，下部是烧瓶。应用时将盛有原料粉的滤纸置于中部，内装物 垂蔫；a 塑翌查兰璺! 兰丝苎一 苎：主堕塑立墼堕坌堡垒兰坌查堕壅丝墨 蟛 高度不得超过虹吸管，溶剂由上部加入烧瓶中，烧瓶置于水浴上加热，溶剂受热 气化，通过中部浸取器旁的通气侧管到达上部冷凝器，遇冷变为液体滴入浸取器 中，当滴入的溶剂到一定高度时，因虹吸作用使浸取液又流入烧瓶中，其中溶剂 可因再受热而气化，浸出的成分留在烧瓶中，如此连续操作，可浸取大部分有效 成分。该法的优点是以较少的溶剂一次加入便可将有效成分浸取完全，效率高。 但该浸取器容量小，只适于少量原料的浸取。大量浸取可根据此原理设计类似装 置。另外，对受热易分解的成分不宜用此法。 1 1 2 新型浸取方法及其原理 传统方法在不同程度上存在得率较低、溶剂用量很大、耗时长等缺陷，对其 进行改进一直是研究开发的熟点。近年来，一些新型技术已开始引入植物有效成 分浸取的过程中，如超临界流体萃取、超声强化浸取、微波辅助浸取，酶法浸取 等技术。许多研究表明，与传统技术相比，这些新技术的引入具有速度快、得率 高、纯度高、能耗少等优点，有着广阔的应用前景。 超临界萃取是一种以超临界流体代替常规有机溶剂对植物有效成分进行萃 取和分离的新型技术，它利用流体( 溶剂) 在临界点附近某区域( 超临界区域) 内， 与待分离混合物分离中的溶质具有异常相平衡行为和传递性能，且对溶质的溶解 能力随压力和温度的改变而在相当宽的范围内变动，这种流体可以是单一的，也 可以是复合的，添加适当的夹带剂可以大大增加其溶解性和选择性1 4 1 。利用这种 超临界流体作溶剂，可以从植物组织中萃取出待分离的组分。常用的流体为c 0 2 。 超临界萃取技术与传统的浸取方法相比，最大的优点是可在近常温条件下浸取分 离不同极性、不同沸点的化合物，几乎保留产品中全部有效成分，无有机溶剂残 留，因此，其产品纯度高，收率高、操作简单和节能。通过改变萃取压力、温度 或添加适当的夹带剂，还可改变萃取剂的溶解性和选择性。但是超临界浸取所需 设备价格昂贵生产成本高，目前仍不能进行规模化生产。 超声浸取是应用超声波来强化浸取植物的有效成分，是一种物理破碎过程。 它利用超声波的振动空化、机械粉碎、搅拌等作用，使植物组织在溶剂中瞬时产 生的空化泡崩溃，而使组织中的细胞破裂，利于溶剂渗透到植物细胞内部，使细胞 中的成分进入溶剂中，加速相互渗透、溶解，以增加有效成分在溶剂中的溶解。超 6 、墨矽 声萃取技术的优点是可以提高有效成分的得率，缩短浸取时间，节省溶剂。 微波辅助法是利用微波能来提高萃取率的一种新技术 5 1 。微波在传输过程中 遇到不同的物料会依物料性质不同而产生反射、穿透、吸收现象。在快速振动的 微波电磁场中，被辐射的极性物质分子吸收电磁能，以每秒数十亿次的高速振动 产生热能。微波浸取过程中，微波辐射导致植物细胞内的极性物质，尤其是水分 子，吸收微波能，产生大量热量，使细胞内温度迅速上升，液态水汽化产生的压 力将细胞膜和细胞壁冲破，形成微小的孔洞；进一步加热导致细胞内部水分减少， 细胞收缩，表面出现裂纹。孔洞和裂纹的存在使胞外溶剂容易进入细胞内，溶解 并释放出胞内产物，从而使细胞内的有效成分的提取分离变得容易嘲。由于不同 物质的结构不同，吸收微波能的能力各异，因此，在微波的作用下，某些待测组 分被选择性地加热，使之与基体分离，进入微波吸收能力较差的萃取剂中。由于 微波加热的热效率较高，升温快速而均匀，故显著缩短了萃取时间，提高了萃取 效率。与传统方法相比，微波辅助浸取法具有加热时间短、加热均匀、产品质量 好、较易实现自动化控制等一系列优点。 酶法浸取是近几年来用于浸取方面的一项生物工程技术。植物成分复杂，有 有效成分，也有如蛋白质、果胶、淀粉、植物纤维等其他成分。这些成分一方面 影响植物细胞中活性成分的浸出，另一方面也影响药物制剂的澄清度。传统的浸 取方法浸取温度高，浸取率低，成本高；而选用恰当的酶，可通过酶反应较温和 地将植物组织分解，加速有效成分的释放浸取；选用相应的酶可将影响药物制剂 的杂质如淀粉、蛋白质、果胶等分解去除，也可促进某些极性低的脂溶性成分转 化为糖苷类等易溶于水的成分而有利于浸取。这是一项很有前途的新技术，完全 适用于工业化生产。由于酶具有专一性和选择性的特点，然而植物成分多而杂， 酶的选择相对困难，有必要进一步探讨研究。 1 2 植物有效成分的分离纯化方法 浸取后的有效成分的纯度仍比较低，如果要投入实际应用，必须将浸取物进 行分离精制处理。这里主要介绍黄酮类化合物的分离纯化方法。黄酮类化合物的 浸膏，可以用液液萃取、梯度p h 萃取、大孔树脂吸附、超滤法、双水相萃取等 方法精制。 7 ( 1 ) 液液萃取法 利用粗浸膏中各类成分的极性不同，选择不同溶剂依次萃取，不仅可以使异 黄酮与杂质分离，还可以使苷类与昔元或极性苷元与非极性苷元相互分离。例如 醇浸液用石油醚萃取，可以除去叶绿素和胡萝i - 素等脂溶性色素；水提液浓缩后 加入3 4 倍量的正丁醇，可以沉淀蛋白质、多糖等水溶性杂质。 ( 2 ) 梯度p h 萃取法 梯度p h 萃取适合酸性强度不同的黄酮苷元的分离。将黄酮混合物溶于乙醚或 其他亲脂性有机溶剂，然后依次用不同碱性强度的碱溶液进行萃取以达到分离目 的。梯度p h 萃取法萃取黄酮类化合物的一般规律如下【7 l ： 酸性： f 丁 t 溶于5 碳酸氢钠 溶于5 碳酸钠溶于不同浓度的氢氧化钠 ( 3 ) 大孔树脂吸附法 大孔吸附树脂是继离子交换树脂之后又一新型分离介质，既不同于离子交换 树脂，又有别于凝胶分子筛，同时兼有吸附性和筛选性，是以吸附作用和筛选作 用相结合的分离材料，其吸附作用是由于范德华引力或产生氢键的结果，而筛选 作用则是由树脂本身多孔性结构所决定。大孔树脂空隙度比较大，具有很大的比 表面积。根据树脂骨架材料的不同，可分为非极性、中极性和极性三大类。根据 分离物质极性大小的差异，通过选择与之相适应的大孔吸附树脂的选择性就能达 到分离的目的。 大孔树脂具有物理化学稳定性高、吸附选择性独特、不受无机物存在的影响、 再生简便、解吸条件温和、使用周期长和节省费用等诸多优点，避免使用有机溶 剂浸取分离而造成的有机溶剂损耗大、成本高、易燃易爆和对环境污染严重等缺 点。近年来该法受到越来越多的重视，研究也越来越深入，被认为是一种新的有 效的黄酮精制方法。其中a b 8 型号的大孔吸附树脂被认为分离黄酮、皂苷效果 较好。 “) 超滤法 本法是以超滤膜两侧的压力差为驱动力，选用不同孔径的膜截流不同分子量 8 物质，进行超滤分离植物有效成分的一种方法。它可以有效地除去浸取液中蛋白 质、多糖、高分子单宁以及部分原花色素等杂质。它的特点是在常温下进行、除 杂效率高、分离过程中无柏变、有效成分理化性能稳定，结果重复性好和准确性 高，但同时对超滤膜的要求也相当高。 ( 5 ) 双水相萃取 双水相现象是当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一溶剂时，由于 聚合物之问或聚合物与盐之间的不相溶性，当聚合物或盐达到一定值时，就会分 成不互溶的两相，因使用的溶剂是水，因此称为双水相。 1 3 浸取数学模型进展 植物有效成分的浸取动力学研究对揭示植物物料中有效成分的浸取过程规 律、优化浸取工艺参数以及研究相关的加工工艺具有重要意义。近年来随着植物 功能产品生产的规范化和产品有效成分的标准化进程的推进，浸取工艺优化的基 础研究逐步深入，其中植物有效成分浸取过程动力学研究日益得到重视。有关浸 取的理论主要包括扩散边界层理论、双膜理论、表面更新理论、相际湍动理论和 溶质渗透理论。通常植物浸出过程中有效成分的传递机理与一般传质过程相似， 但也有其本身的特征。 植物有效成分均为细胞内物质，所以其浸取过程实际上是利用溶剂使有效成 分从细胞内释放，再扩散到溶剂中的非稳态非平衡过程。目标分子将经历透过细 胞膜和细胞壁等复杂的传质过程。若细胞壁和细胞膜没有破坏，浸取作用是靠渗 透作用来进行的，速率很慢。细胞壁和细胞膜破裂后，传质阻力减少，目标产物 比较容易进入到浸取剂中。 从传质角度，植物有效成分浸取过程是其从植物内部向溶液进行扩散的两相 问传质过程，可以看作是由溶剂扩散进入物料颗粒，颗粒内部有效成分被溶剂溶 解后向表面扩散，以及溶质由颗粒表面向溶液主体扩散等3 个同时发生的过程组 成。其中所涉及到的基本原理为f i c k 定律，其中，f i e k 第一定律基于扩散的稳 态过程，而第二定律是基于扩散的不稳态过程。 溶质在药材内、外的扩散过程在浸取过程中起主导作用，其中内扩散更是整 个浸取过程最主要的阻力，其受植物本身结构如内部孔的长度、大小以及空隙率 9 等的影响；此外溶剂的性质、温度、压力和植物粉碎的粒度及液体的流动状态也 影响着有效成分的扩散速率。 s p i r o 和s i d d i q u e 嗍从f i e k 第一定律出发，推导出浸取动力学基本模型，即 l n ( 旨一， 式中：c 为r 时刻溶液中有效成分的浓度；c ：为平衡时的溶液浓度；皇。为 速率常数。该模型形式简单，能较好地与实验相吻合。从模型中计算的扩散系数 和扩散活化能表明，溶质的扩散是浸取过程的控制步骤。 储茂泉恻从f i c k 第一定律和第二定律出发推导出了形式相同的植物有效成 分浸取过程的动力学模型，即 叭芒，= f t + i n c 毒一) m z ， 其中，c 为有效成分在溶液中浓度；q 为平衡时的溶液浓度；c o 为浸取 开始时溶液相有效成分的浓度；t 为浸取时间；f 是比例系数，实质上即为浸取 过程的表观速率常数。此模型与s p i r o 的模型( 式i - 1 ) 形式上很相似，认为浸取 过程动力学服从一级动力学方程。 s i m e o n o v 1 0 1 根据f i c k 第二定律，提出的植物浸取的扩散模型如下 掣x = 旦o x 以c j ) ( 1 - 3 ) 当物料为片状时，口= 0 ；当物料为球状时，口= 1 。e 为固相中有效成分的浓 度，t 为浸取时间，x 为坐标，见为有效扩散系数，f 为孔隙率。方程( 1 - 3 ) 的边 界条件是： 到：o(1-4) 氖k 以到“阻一e ) 0 4 ) o 舅i p jm 初始条件是： t = o 时，c = c o( 1 6 ) 其中工是颗粒尺寸，e 是平衡浓度，c 0 是初始浓度，k 9 是传质系数。 s o 和m a c o d n a l d “1 研究了从压榨的油菜籽中浸取油脂过程，认为在压榨加 工过程中，有一些细胞发生破裂，油脂从菜籽细胞中挤出，被挤出的油脂大部分 流到菜籽外，其余的一部分被留在破碎细胞内和细胞间隙中，菜籽表面也会附着 一层油脂。将其分为洗涤和扩散2 个阶段，而扩散阶段又分为快速扩散和慢速扩 散2 个同时发生的过程。浸取过程中，菜籽表面这部分油脂在初始阶段即从菜籽 表面洗涤下来；破碎细胞以及细胞问隙中的油脂由于扩散阻力小会以较快的速度 扩散到溶剂中；完好细胞当中的油脂由于扩散阻力大则会以较慢的速度扩散到溶 剂中。所建立的三项模型为 c = c ，【1 一e x p ( - k 。，) 】+ c d i 【1 一e x p ( 一k d l f ) 】+ c d 2 【1 一e x p ( 一k d 2 ，) 】( 1 - 7 ) c 。= c ，4 - c d l4 - c j 2 ( 1 - $ ) 式中：c 为菜籽油在溶液中随时间t 变化的浓度；g 为在溶液中由于洗涤作用 所贡献的浓度；巴为由于快速扩散过程所贡献的浓度；g ：为由于慢速扩散过 程所贡献的浓度；k 、分别为相应过程的速率常数；c ：为平衡时溶液 中菜籽油的浓度。该模型是根据外扩散发生前菜籽油已存在物料表面这一现象， 提出了洗涤这一浸取过程，并在表达式中进行了合理的数学描述；但对快速扩散 过程与慢速扩散过程存在的机理未做深入研究。 s p i r o 和k a n d i a h l l 2 1 研究了姜辣素浸取过程，认为当k 很大时，可将 e x “一t ) 项略去。式( 卜7 ) 和( 卜8 ) 经整合后可得到一级两项浸取模型 气 = 鲁晰枷c k a 2 e x p ( - k a ：f ) ( 1 - ，) 在求解待定参数方面，他们认为在浸取过程的后期浸取液中有效成分浓度c 主要来自g 2 的贡献，则式( 1 _ 9 ) 经整理得： i n ( 警) - l n 等吨z r ( 1 _ 1 0 ) 式中，待定参数g ：和以：可由图解法求得。而在浸取过程的前期浸取液中 有效成分浓度c 的贡献率则主要来自g 。此时可将q ：和：作为常数项代入式 ( 1 9 ) 得： 叭警一苦川n 苦吨- ， m 式中的待定参数巳。和匕由图解法求得。 银又新1 3 】通过将含有洗涤过程、快速扩散和慢速扩散过程的三项模型( 式 ( 卜7 ) ) 应用于微波辅助浸取丹参中丹参酮过程，并通过合理简化得到了快速扩散 速率常数和慢速扩散速率常数的表达式分别如下： k d l = 万2 d e d l b 2 ( 1 - 1 2 ) k d 2 = r2 d 。d 2 b 2 ( 1 1 3 ) 式中：，和分别为快速和慢速扩散系数；b 为平板厚度。 李有润等和h o u l l 5 1 等以当归芍药散有效成分的浸取过程为例，以膜传质 理论为基础，建立了植物有效成分浸取过程的数学模型，其中溶质在植物颗粒内 部和外部的传质微分方程分别为： d 出m l = k t a , ( c 。一c i ) 一( t 。+ r ) c l ( 1 1 4 ) 警吐州c 吒) o - t s ) 式中：m 和 如分别为通过细胞膜和从颗粒表面向溶液主体扩散的溶质质 量；毛和如分别为通过细胞膜向溶液主体扩散的总传质系数和通过颗粒表面向溶 液主体扩散的总传质系数；和缸分别为溶质分解系数和溶质挥发系数；c 0 、 g 和g 分别为细胞内溶质、细胞外溶质和溶液主体的质量浓度。结果表明，该 模型的计算值与实验值吻合得很好，可用于模拟各操作条件对浸取率的影响，并 优化操作条件。 宋洪波等【1 q 分析了植物物料溶质浸出过程中在高阻力区及低阻力区中的质 量传递性质，据此建立了具有快速项和慢速项的两项浸提动力学模型。建立了浸 提平衡浓度、快速溶质比例及半平衡时间的三项指标评价体系，全面评价溶质浸 取过程。基于这一假设构建两个区域的质量平衡微分方程，联立求解，推导出浸 取过程中溶液浓度随时问变化的级两项表达式 c f = c l 【1 一e x p ( p i t ) 】+ c “1 一e x p ( p 2 t ) 】 ( 1 1 6 ) 其中 c - 一面m 丽。黼 h 虹6 c 妇, 8 , r 蹦】 ( 7 ) 。 ( 鼻一。+ z 。) h 。( 屈一历) 【 。 “。j ” c ：一面m 丽。黼h 势簿r 埘删 ( s ， ( 只一。+ z 。) 。( 展一：) 【6 以致晓“。j ”一7 肛一互1 碌3 k + 警箭，毛 【l - 1 9 ) 式中：c f 为f 时刻溶液中溶质的质量浓度；q 为快速溶质浸取平衡质量浓 度，即低阻力区溶质的贡献；c 2 为慢速溶质浸提平衡质量浓度，即高阻力区溶 质的贡献；届为快速溶质浸取速率常数，即低阻力区溶质浸取速率常数；屈为 低速溶质浸取速率常数，即高阻力区溶质浸取速率常数。巩为代换项， k = 所氏+ ( 1 一) 岛墨一。；皿为代换项，只= 辟只+ ( 1 一矽x 1 一) 只足。； 为每克茶叶中有效成分的含量；日。为浸取平衡时有效成分在茶叶与溶液之间 的分配系数；z 为茶叶吸水膨胀后实际的溶剂倍量；七为茶叶颗粒与溶剂之间 的传质系数，。为有效成分在低阻力区与高阻力区的分配系数；r 为茶叶颗粒 的平均半径；d 0 为细胞平均直径；矿为茶叶颗粒的孔隙率；德为吸水后高阻力 区的含水率；所为溶剂的密度；a 为茶叶的密度。 式( 卜1 6 ) 中4 个待定参数分别包含多个参数由，很难通过实验直接测定，但 可采用多元回归方法求得。由于平衡时溶液的浓度c 伽= c l + c 2 ，式( 卜1 6 ) 可 改写为 c f = l 气 ，【l e x p ( f l l f ) 】+ ( 1 。，) 【l e x p ( 岛f ) 】)( 1 2 0 ) 式中r 为快速项所占的比例，。可见，浸取过程的优劣不仅与浸取平衡能 力( 即平衡浓度) 有关，也与浸取速度的快慢有关。 1 4 超声强化传质过程研究进展 对超声的使用；大致可以分为两类：一类是高频超声，其频率范围为1 1 0 m h z 。高频超声已在医学成像等方面获得了成功的应用，并在化合物结构分析中 发挥作用。另一类是功率超声，其频率范围为1 5 - 6 0k h z 。以工程强化为目的， 采用的是功率超声。超声波以能量形式在媒质中传播，并能与传声媒质相互作用。 一般把这种相互作用分为热的作用与非热作用。 1 ) 热作用 超声波在介质中传播时，其机械能在振动中转化为介质的热能。同时，介质 质点周期性的紧缩形成温度增高中心，从而使介质温度升高。介质经超声作用， 单位体积( 平面波波束内) 产生的热能可通过公式q = a l t 计算得到( 旺一介质声强 吸收系数，i 一超声波声强，t 一时间) 。当频率为2 1 5k l - l z 时，水的声吸收系数 约为9 9 1 0 。8 e m ，在一定的声强下，其产生的热量和升温作用是很有限的，强 化的意义不大。 2 ) 非热作用 非热作用主要有两种形式，即机械作用和空化作用。超声波在介质传播过程 中，引起介质质点的交替压缩和伸张。虽然质点的振动位移、速度变化不大，但 其加速度却相当大。例如，频率为2 0k h z 、声强为lw c r n 2 的声波在水中传播时， 最大质点速度和位移分别是o 1 1 5m s 和0 9 3 1 0 。6m ，但最大加速度却达到了 1 4 4 x1 0 4 m s 2 。如此大的加速度，能显著地强化传质过程。然而超声强化传质的 最主要原因是由于超声波产生的空化效应。 1 4 1 超声空化原理 超声空化是指液体中微小泡核在超声波作用下被激活，表现为泡核的震荡、 产生、收缩至崩溃等一系列动力学过型”9 1 。根据空化动力学理论将空化过程分 为两种类型，即稳态空化和瞬态空化。稳态空化是寿命较长的气泡核在声场的膨 胀阶段慢慢膨胀而在压缩阶段体积慢慢缩小，体积变化呈周期性振荡，同时可 1 4 绕平衡点作振动；瞬态空化则指在超声场膨胀阶段气泡急剧膨胀而在压缩阶段急 剧缩小，膨胀和压缩均可视为绝热过程。含气型气泡被绝热压缩后急剧升温，直 至崩溃。崩溃时气泡周围形成局部高温高压。真空型气泡( 即空穴) 压缩阶段则 急剧闭合，闭合时在液体中产生强烈的冲击波和微射流。空化过程如图l - l 所示： 扰m p 毫甾o c 州毯蹲伐期p 驰瓤 倪m 犀督搿 图1 - 1 气泡：形成与崩溃 f i g u r e1 - 1b u b b l e ：f o r m i n ga n dc o l l a p s i n g l 2 0 1 在超声处理装置中，电能需要经历一系列过程最终转化成空化能，其过程如 图l - 2 所示。首先，电能转化为压电晶体振动的机械能，机械能再转化为超声波 形式的声能，最后声能经过空化气泡的径向运动转化为空化能。 图l - 2 超声处理器中能量转化口i 】 f i g u r ei - 2t h ee n e r g yt r a n s f o r m a t i o nc h a i ni na nu l t r a s o n i cp r o c e s s o r f 2 i j m o h o l k a r 等1 研究了超声处理过程中，影响能量转化及最终超声空化强度 的各个参数的相互关系。结果表明，液体媒介中的自由气体和溶解气体含量通过 与其他影响因素复杂的相互作用，来影响整个能量转化过程，其关系如图1 3 所