破壁灵芝孢子粉的新方法

破壁灵芝孢子粉的新方法

灵芝是多孔菌科的一种常见菌株。具有扶正固本等功效,被《本经》称为上品。灵芝在其子实体发育成熟后,不断从菌管中弹射出孢子,可集成孢子粉。它集灵芝之精华,药用价值远高于灵芝子实体和菌丝体。20世纪80年代以来,灵芝孢子粉深受国内外医学界重视。研究表明:灵芝孢子(Ganodermalucidumspore)主要功效成分为高分子多糖、多肽、三萜类、多种氨基酸、蛋白质、腺嘌呤核苷、有机锗、甾醇类、生物碱以及微量元素等。灵芝孢子具有如下药理作用:抗肿瘤作用、降血糖作用、提高人体免疫力,增强机体的抗病能力、保肝作用、促进新陈代谢,延缓衰老、清除自由基与抗氧化作用、抗菌消炎、解热镇痛、降低转氨酶,降胆固醇、镇静作用。灵芝孢子褐色,卵形,一端平截,由外而内结构依次为:外膜、孢子壁及孢子内容物。孢子壁为双层细胞壁,具有同心圆的层网结构,质地坚韧,由几丁质、纤维素、木质素等构成。这些高分子成分不溶于水,且耐酸、耐碱、耐压、耐温,对消化酶也非常稳定,使得孢子的有效物质被包覆而不易提取。为了充分利用灵芝孢子内的有效物质,必须对其进行破壁。目前,国外多用高压气流法破壁,其设备一次性投资大且易损坏。国内有人采用酶法破壁。先用酒精浸泡3d后再用复合酶水解4d,破壁率达52%。其他还有超声波破壁、低温冷冻破壁等,这些方法普遍存在成本高、效率低、破壁率相对较低等缺点。为弥补现有破壁技术的不足,充分利用灵芝孢子这一宝贵的中药资源,本文在现有化工行业的撞击流技术的基础上,引入超临界流体作为撞击流技术应用的工作流体,提出了超高压超临界撞击流技术这一新的概念。应用此技术,研制开发了一套灵芝孢子粉破壁实验系统。实验结果表明,破壁系统操作简便,效率高,产品纯度高。1泥石流流检测技术1.1撞击流技术撞击流的概念于20世纪60年代初由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1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。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。1.2撞击流粉碎技术的应用撞击流技术用于固体物料的超细粉碎,其基本原理是使混有固体物料的高压液体(通常大于200MPa)通过喷嘴加速,形成高速射流,带动其中的固体颗粒作高速运动,然后与靶板(超硬材料,如金刚石或宝石)或相反方向的另一股射流形成高速强烈撞击。相间或颗粒之间的碰撞、互磨产生的挤压力和剪切力使流体中的固体物料被细化。撞击流粉碎技术用于超细炸药、超细涂料的制备已经取得了较好的效果,但将其用于制备破壁灵芝孢子粉,却很难收到满意的效果。这主要是因为:灵芝孢子壁结构紧密既坚又韧,不能混在液体中破壁;加载压力是影响撞击流粉碎效果的关键因素,要使灵芝孢子粉达到满意的破壁效果,提高加载压力是行之有效的重要手段。然而,随着加载压力的进一步升高,液体的物理性质将发生很大的变化,其粘度增大,扩散率降低,最终导致整个粉碎破壁过程无法进行。为了有效地解决现有技术的不足,本文引入了超临界流体技术,结合撞击流技术和超临界技术的特点,提出了超高压超临界撞击流技术这一概念,并将该技术用于制备破壁灵芝孢子粉。2超声超声波攻击流技术2.1压力值图的建立一纯物质的临界温度(TC)是指该物质处于无论多高压力下均不能被液化时的最高温度,与该温度相对应的压力称为临界压力(pC),这可以在纯物质的压力温度图中表示出来,如图2所示。超临界流体是指处于临界温度与临界压力以上的流体。处在超临界区的流体,其气相与液相的区别已经消失,流体兼有气液两相的双重特点,即既具有与气体相当的高扩散系数和低的粘度,又具有与液体相近的密度和对物质良好的溶解能力。达到超临界态的方法一是从气相出发,气体经压缩达到超临界压力,再升温达到超临界温度;二是从液相出发,液体经升压达到超临界压力,再升温达到超临界温度,工程上通常采用后一种方法。2.2超临界流体的使用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,使用超临界流体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。基于以上所作的分析,使用超临界流体代替液体作为工作介质,载有固体物料的超高压超临界流体通过极小的喷嘴形成微射流与靶板撞击,使得其中的固体物料被粉碎。这就是本文所提出的超高压超临界撞击流粉碎的概念。2.3从产品的可行性有很多种化合物都适合作为超临界流体技术的工作流体。本文采用二氧化碳作为灵芝孢子粉破壁的工作流体。二氧化碳具有以下优点:(1)临界温度为31.3℃,临界压力为7.4MPa,超临界状态易于实现。(2)廉价易得,化学稳定性好,无毒,可循环使用,既保证了产品质量,又不会造成环境污染。(3)临界温度为31.3℃,故可以在较低温度下使用,这样的工艺条件可节约能耗,又较好地避免热敏性物质发生热降解和其他不利于生产的副反应。(4)生产现场无易燃易爆的危险,安全可靠。(5)常温常压下为气态,在超临界状态下良好的渗透性使其可以渗入到物料的内部,物料在从喷嘴喷出的瞬间,物料内、外部巨大的压差以及二氧化碳的相变使得物料由内部破碎,这一过程有效地提高了灵芝孢子粉的破壁效果。(6)破壁灵芝孢子粉的最终分离极为简单、迅速,所制得的产品不易聚集、结块。3增设带单独带孔口的增设装置依照超高压超临界撞击流技术这一概念,欲实现破壁灵芝孢子粉的制备,整个工艺流程应包括二氧化碳的加压过程,超临界二氧化碳流体的实现过程,灵芝孢子粉与超临界二氧化碳的混合过程,灵芝孢子粉的超高压撞击流破壁过程以及破壁灵芝孢子粉的最终分离过程。综合考虑各方面的因素,灵芝孢子粉破壁系统的工艺流程如图3所示。由于超高压超临界撞击流粉碎技术要求将工作介质二氧化碳加压到300MPa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(美国Heskel公司)来产生实验系统所需的超高压,此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,符合破壁灵芝孢子粉的生物活性要求;(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汽对环境造成污染;(6)更换相应的密封填料可对液化气体加压,符合本系统对液态二氧化碳加压至300MPa以上的工作要求;(7)体积小巧,便于安装、维护。考虑到灵芝孢子粉的特殊性,本系统的所有管道、阀门及连接件(美国AutoclaveEngineers公司)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。撞击流粉碎器内部结构如图4所示,由喷嘴1、隔板2及靶板3构成,喷嘴选用用于水射流切割的孔径为0.1mm的宝石喷嘴,减少了因灵芝孢子粉磨损造成的喷嘴损耗,延长了整个系统的使用寿命;隔板由多个薄板构成,方便调节喷嘴与靶板之间的距离;靶板为硬质合金材质,由线切割加工得到。工艺流程如下:(1)将灵芝孢子粉用400目标准筛过筛,去除灵芝孢子粉中的杂质,同时防止孢子粉因受潮结块而堵塞撞击流粉碎器内的喷嘴;(2)将孢子粉置于原料罐9内,开启真空泵12将原料混合罐11抽真空,待原料混合罐内形成一定的真空度后打开阀门10,孢子粉由原料罐导入原料混合罐内;(3)由压缩空气4启动气动泵3,二氧化碳由倒置的钢瓶1经气动泵逐步加压到300MPa以上进入原料混合罐与灵芝孢子粉混合;(4)由加热器7调整原料混合罐内的温度达50℃以上(实际操作过程中以混合罐外壁温度为控制参数),保压一定时间以使超临界二氧化碳流体充分有效地与灵芝孢子粉混合;(5)通过电磁阀开启气动阀15,灵芝孢子粉和超临界二氧化碳的混合流体由喷嘴迅速喷出,在撞击流粉碎器16内与靶板撞击;(6)灵芝孢子粉破壁后在分离罐17内与二氧化碳分离,获得成品。4过滤镜下修复在300MPa、120℃(混合罐外壁温度),灵芝孢子粉在混合罐内保压1h后由喷嘴喷出,在撞击流粉碎器内撞击破壁,于分离罐内获得破壁孢子粉。显微镜下观察,灵芝孢子粉的破壁率达75%。扫描电镜下的破壁孢子粉形貌如图5所示。由图5看出灵芝孢子的破壁形式多样。由于超临界二氧化碳极好的渗透性使二氧化碳渗入到灵芝孢子粉的内部,迅速减压造成二氧化碳体积急剧膨胀,使得灵芝孢子粉由内向外发生爆裂;另外,超高压为混有灵芝孢子粉的超临界流体从喷嘴喷出提供了巨大的动能,灵芝孢子以极高的速度与靶板及反向而回的流体撞击,灵芝孢子之间的碰撞、互磨产生的挤压力和剪切力