CN107586715A - 利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备和方法。该设备包括原料罐、水泵、脉冲电场处理室、收集罐、高压脉冲电源和计算机，其中高压脉冲电源和水泵受计算机控制运行。中药提取液从进料口进入脉冲电场处理室，通过同轴电极之间，接受高压脉冲电场，实现细胞膜的电穿孔，再从出料口排出，从而可以得到所需药效成分。该方法采用脉冲电场作用于中药提取液，在中药细胞上引起电荷极化效应，产生静电力，实现中药组织细胞的电穿孔，使中药细胞的细胞膜穿孔，细胞膜内部的药物成分溶出。本发明可以均匀、非热、连续工作，实现对中药批量提取工业应用。
Description
技术领域
本发明属于中药成分提取领域，具体涉及一种利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备和方法。
背景技术
随着时代的发展、科学技术的不断进步，传统中药饮片也在发生着变化，中药配方颗粒越来越受到老百姓的欢迎和普及。中药配方颗粒以符合炮制规范的中药饮片为原料，经现代工艺提取、浓缩、干燥、制粒精制而成的纯中药产品系列。中药配方颗粒具有方便、安全、有效的优势，对于促进我国传统中医药事业发展具有重要意义。
在生产过程中，有效成分提取是中药制药的关键技术之一。提取技术水平高低决定了中成药质量的好坏。目前中药配方颗粒成分提取普遍采用传统工艺，主要有：煎煮提取、循环回流提取、渗漉提取、逆流灌组提取等，在封闭加热单元中完成浸出，获得提取液。传统工艺存在难以克服的问题：提取率低；加热温度高，成分易破坏；提取时间长；能耗高；出液系数大，加重后续废液环保处理负担；提取出来的有效成分复杂、有效成分不明确而且含量比例较低等。近年来相继有一些新提取技术运用到这一领域中来，如超声波提取、微波提取、超临界流体萃取、分子印迹技术、半仿生提取、酶解、常温超高压提取等方法。这些新的技术显示出了优越性，降低了成本，提高了效率，但都有各自的局限性，开发新的更有效的方法提取传统中药资源迫在眉睫。目前市场上并无使用脉冲电场方法的中药成分提取设备。
电穿孔技术不同于传统中药配方水煎饮用方法，也不同与微波提取方法，电穿孔提取技术是指将被处理物品置于两电极之间，在室温附近施以脉冲高电压（典型值2-80kV/cm）的技术，其作用时间依提取率而定。该法是一种非热处理方法。它是基于脉冲电场对中药粉末细胞的作用，当脉冲电场作用在中药粉末细胞介质上引起电荷极化效应，当细胞膜上电压达到临界值时，将引起细胞膜击穿破坏，进而使得中药材组织内液泡破裂，细胞膜内部有效出发溢出。
目前广为接受的脉冲电场作用机理为电穿孔理论。细胞质成胶状，其中存在各种离子（如Na+、K+、Ca2+），可以看作导体。细胞膜是磷脂双分子层，具有膜电容和膜电阻。当细胞置于电场中，由于静电屏蔽效应，外加电压将加在细胞膜上，并在细胞膜上形成跨膜电压（Transmembrane Potential, TMP），跨膜电压的大小与细胞、半径外加电场的大小有关（Swan方程）。随着外电场的增大或处理时间的延长，跨膜电压不断增大，细胞膜受到的挤压力也增大，厚度逐渐减小。当跨膜电压达到临界值（典型值为1V）时即发生电穿孔（Electroporation）现象。场强较小时，该穿孔可逆，可进行细胞转染（Transfection）；场强较大时，穿孔不可逆，即发生永久性破坏，此时有效成分迅速溶出，可提取相关成分。它为中药有效成分的提取提供了一种新的研究手段，能够满足能耗低、耗时短、污染小、提取效率高的发展要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用电穿孔技术提取中药内药物成分的设备和方法。该设备和方法采用脉冲电场轰击盛有中药的提取液，在中药细胞上引起电荷极化效应，产生静电力，对中药的细胞进行电穿孔，使中药细胞组织内的液泡破裂，细胞膜内部的药物成分溢出。其突出优势在于，相对于传统煎煮方法的时间长、能耗大、效率低等问题，脉冲电场方法处理时间短（数个微秒脉冲量级）、生产能耗低，还具有提取效率高、产热少、均匀性好、污染小、室温提取、操作简便等优点。该法是一种很有前景的中药成分提取方法，对于增强中药的优势和中医药的现代化具有重要意义。
本发明提出的一种利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备，包括原料罐、水泵、脉冲电场处理室、收集罐、高压脉冲电源和计算机；其中，
所述的脉冲电场处理室由高压电极阵列、低压电极阵列、上盖、下盖、进料口、出料口和绝缘外筒组成，所述的上盖和下盖由导电材料制成，分别覆盖在绝缘外筒的上面和下面；所述的高压电极阵列包括若干个高压电极，每个高压电极为细棒状，一端均固定于上盖上，上盖连接高压脉冲源的高压端；所述的低压电极阵列包括若干个低压电极，每个低压电极为空心筒状，由若干个金属盘固定成阵列结构，低压电极与高压电极以同轴结构一一对应，低压电极包围在对应的高压电极之外，低压电极阵列一端与下盖相连，下盖接地；所述的进料口位于上盖上，所述的出料口位于下盖上；使用时，中药在高压电极和低压电极之间的电场间隙内受到电场作用；
所述的水泵一端与原料罐相连，另一端与脉冲电场处理室的进料口相连；
所述的脉冲电场处理室的出料口与收集罐相连；
所述的高压脉冲电源的高压端与脉冲电场处理室的上盖相连，地端与脉冲电场处理室的下盖共地；
所述的计算机分别与水泵和高压脉冲电源保持通信连接，控制水泵和高压脉冲电源的工作状态。
本发明中，所述的高压脉冲电源输出的高压脉冲上升沿在300ns以下，脉冲宽度为1μs-100μs。
本发明中，所述的高压电极阵列和低压电极阵列之间电场间隙的间距为0.5-5cm，所述的高压脉冲电源输出的脉冲电压为1-100kV；所述的高压脉冲电源输出电压在高压电极与低压电极之间产生的电场强度在2-200kV/cm。
本发明中，所述的高压电极阵列和低压电极阵列均匀分布且可拆装，电极数量根据高压脉冲电源的电参数和药物的处理量灵活调节。
本发明所述的中药成分提取设备还包括流量计，流量计向计算机提供流量数据的反馈信号，所述的计算机通过流量计提供的反馈信号，控制水泵和高压脉冲电源的工作状态，使所述的中药成分提取设备处于连续工作状态或间歇式工作状态。
本发明还涉及一种利用所述的中药成分提取设备提取中药药物成分的方法，其采用高压脉冲电场对中药细胞进行电穿孔处理，并包括以下步骤：
（1）将中药切配成小块，浸泡在低电导率提取液中，形成悬浊液，并将悬浊液加入原料罐；
（2）通过计算机控制水泵和高压脉冲电源，接通高压脉冲电源，并打开水泵，水泵将原料悬浊液泵入脉冲电场处理室的进料口，经过高压电极和低压电极之间的电场间隙；
（3）悬浊液经电场作用后，被提取出药物成分，并从出料口被排入收集罐；
（4）电场作用后的产物经过分离提纯后获得所需的药物成分。
本发明还涉及一种利用所述的中药成分提取设备提取中药材药物成分的方法，其采用高压脉冲电场对中药细胞进行电穿孔处理，并包括以下步骤：
（1）将中药切配成小块，置于高压电极与低压电极之间的电场间隙内，并向原料罐中加入低电导率提取液；
（2）通过计算机控制水泵和高压脉冲电源，接通高压脉冲电源，并打开水泵，水泵将低电导率液体泵入脉冲电场处理室的进料口，经过高压电极和低压电极之间的电场间隙内的中药；
（3）浸泡中药的低电导率提取液经电场作用后，被提取出药物成分，并从出料口被排入收集罐；
（4）电场作用后的产物经过分离提纯后获得所需的药物成分。
在本发明所述的提取中药成分的方法中，所述的中药为颗粒状、粉末状或薄片状。
在本发明所述的提取中药成分的方法中，所述的低电导率提取液为去离子水或酒精。
本发明的有益效果在于：
（1）所述的中药成分提取设备采用同轴电极的结构，其结构简单，易于加工、装卸；同轴式提取结构中，处理室内的电场呈现水平放射状分布，与提取液流向垂直，保证绝大部分细胞悬液都被施加了足够次数的电脉冲；同轴式提取结构中，低压电极包裹在高压电极外围，可以保持封闭的无菌环境，并防止高压漏电和电磁辐射的隐患。
（2）所述的中药成分提取设备采用流动式处理模式，并以可拆卸的电极阵列扩大处理规模，适应工业化批量生产的要求；可以在使用时根据实际处理量的需求，选择合适的电极阵列数量，提高能量利用效率。
（3）所述的中药成分提取设备通过计算机控制可以实现提取液的连续处理模式或间断性处理模式，结合实际处理量和提取率的要求控制处理时序，从而减小热效应，提高能量利用效率。
（4）所述的中药成分提取方法处理时间短、生产能耗低，还具有提取效率高、产热少、均匀性好、污染小、室温提取、操作简便等优点。该法是一种很有前景的中药成分提取方法，对于增强中药的优势和中医药的现代化具有重要意义。
附图说明
图1是脉冲电场提取设备的示意图。
图2是低压电极阵列结构图。
图3是高压电极阵列结构图。
图4是脉冲电场处理室内部半剖结构图。
图5是脉冲电场处理室电极阵列结构图。
图6是脉冲电场处理室外观图。
图中标号：1是原料罐，2是水泵，3是流量计，4是脉冲电场处理室，5 是收集罐，6是计算机，7是高压脉冲电源，8是金属盘，9是低压电极，10是金属盘，11是高压电极，12是非金属支撑件，13是出料口，14是上盖，15是绝缘外筒，16是下盖，17 是进料口。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
如图1所示，所述设备包括原料罐1、水泵2、脉冲电场处理室4、收集罐5、高压脉冲电源7和计算机6；其中，
所述的脉冲电场处理室由高压电极阵列、低压电极阵列、上盖14、下盖16、进料口17、出料口13和绝缘外筒15组成，中药在高压电极11和低压电极9之间的电场间隙内受到电场作用；
所述的上盖14和下盖16为导电材料制成，覆在绝缘外筒15的上面和下面；
所述的高压电极阵列中的每个高压电极11为细棒状，固定在上盖14上，上盖14连接高压脉冲电源7的高压端；
所述的低压电极阵列中的每个低压电极9为空心筒状，由若干个金属盘固定成阵列结构，低压电极9与高压电极11以同轴结构一一对应，包围在对应高压电极之外，低压电极阵列与下盖16相连，下盖16接地；
所述的进料口17和出料口13，一个开在上盖14上，另一个开在下盖16上；
所述的水泵2一端与原料罐1相连，另一端与脉冲电场处理室4的进料口17相连；
所述的脉冲电场处理室4的出料口13与收集罐5相连；
所述的高压脉冲电源7的高压端与脉冲电场处理室4的上盖14相连，地端与脉冲电场处理室4的下盖16共地；
所述的计算机6分别与水泵2和高压脉冲电源7保持通信连接，控制水泵2和高压脉冲电源7的工作状态。
具体步骤如下：
（1）中药成分提取设备的低压电极阵列共有20根，以上下两片不锈钢圆盘如图2所示均匀地排列固定，并连接到脉冲电场处理室的下盖上接地；选取10根高压电极，如图3所示以螺纹的方式均匀地排列固定在电场脉冲电场处理室的上盖上，高压电极与低压电极之间的电场间隙为0.5cm，长度1m，将多余的低压电极封堵后，由于低压电极直接接地，不会对设备产生任何影响；
（2）将丹参样品粉碎成70目的粉末，并将该粉末与酒精以1:3的比例充分混合，制成原料悬浊液后，加入原料罐；
（3）接通高压脉冲电源，设置脉冲电压1kV，频率20Hz，上升沿100ns，脉宽1μs，电场间隙内所产生的电场强度2kV/cm；
（4）打开水泵，将原料悬浊液连续泵入脉冲电场处理室的进料口，由下至上地以0.1m/s的流速经过高压电极和低压电极之间的电场间隙；
（5）丹参粉末与酒精的悬浊液经200次高压脉冲电场轰击后，被提取出的丹参酮和悬浊液一起从出料口被排入收集罐；
（6）产物混合物经过后续分离提纯后获得所需的药物成分，经检测发现其丹参酮的渗出率达85%。
实施例2：
采用实施例１所述的设备，具体步骤如下：
（1）中药成分提取设备的低压电极阵列共有20根，以上下两片不锈钢圆盘如图2所示均匀地排列固定，并连接到脉冲电场处理室的下盖上接地；选取20根高压电极，如图3所示以插孔的方式均匀地排列固定在电场脉冲电场处理室的上盖上，高压电极与低压电极之间的电场间隙为5cm，长度2m；
（2）将丹参样品切配成1-2mm的小颗粒，置于高压电极与低压电极之间的电场间隙中，并向原料罐中加入去离子水；
（3）接通高压脉冲电源，设置脉冲电压80kV，频率10Hz，上升沿300ns，脉宽3.5μs，电场间隙内所产生的电场强度16kV/cm；
（4）打开水泵，将去离子水以间歇式的方法泵入脉冲电场处理室的进料口，由下至上以0.2m/s的流速地经过高压电极和低压电极之间的电场间隙；
（5）水泵与高压脉冲电源交替运行，使用流量计控制电场间隙内与丹参颗粒接触的去离子水经50次高压脉冲电场轰击后，与被提取出的丹参酮一起排入收集罐；
（6）产物混合物经过后续分离提纯后获得所需的药物成分，经检测发现其丹参酮的渗出率达60%。
实施例3：
采用实施例１所述的设备，具体步骤如下：
（1）中药成分提取设备的低压电极阵列共有20根，以上下两片不锈钢圆盘如图2所示均匀地排列固定，并连接到脉冲电场处理室的下盖上接地；选取20根高压电极，如图3所示以螺纹的方式均匀地排列固定在电场脉冲电场处理室的上盖上，高压电极与低压电极之间的电场间隙为2cm，长度2m；
（2）将甘草样品切配成1-2mm厚的薄片，置于高压电极与低压电极之间的电场间隙中，并向原料罐中加入酒精；
（3）接通高压脉冲电源，设置脉冲电压100kV，频率10Hz，上升沿300ns，脉宽100μs，电场间隙内所产生的电场强度50kV/cm；
（4）打开水泵，将酒精以间歇式的方法泵入脉冲电场处理室的进料口，由下至上以0.2m/s的流速地经过高压电极和低压电极之间的电场间隙；
（5）水泵与高压脉冲电源交替运行，使用流量计控制电场间隙内与丹参颗粒接触的酒精经20次高压脉冲电场轰击后，与被提取出的甘草甜素一起排入收集罐；
（6）产物混合物经过后续分离提纯后获得所需的药物成分，经检测发现其丹参酮的渗出率达80%。
Claims (9)
1.一种利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备，其特征在于包括原料罐、水泵、脉冲电场处理室、收集罐、高压脉冲电源和计算机；其中，
所述的脉冲电场处理室由高压电极阵列、低压电极阵列、上盖、下盖、进料口、出料口和绝缘外筒组成，所述的上盖和下盖由导电材料制成，分别覆盖在绝缘外筒的上面和下面；所述的高压电极阵列包括若干个高压电极，每个高压电极为细棒状，一端均固定于上盖上，上盖连接高压脉冲源的高压端；所述的低压电极阵列包括若干个低压电极，每个低压电极为空心筒状，由若干个金属盘固定成阵列结构，低压电极与高压电极以同轴结构一一对应，低压电极包围在对应的高压电极之外，低压电极阵列一端与下盖相连，下盖接地；所述的进料口和出料口分别开在上盖或下盖上；使用时，中药在高压电极和低压电极之间的电场间隙内受到电场作用；
所述的水泵一端与原料罐相连，另一端与脉冲电场处理室的进料口相连；
所述的脉冲电场处理室的出料口与收集罐相连；
所述的高压脉冲电源的高压端与脉冲电场处理室的上盖相连，地端与脉冲电场处理室的下盖共地；
所述的计算机分别与水泵和高压脉冲电源保持通信连接，控制水泵和高压脉冲电源的工作状态。
2.根据权利要求1所述的利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备，其特征在于所述的高压脉冲电源输出的高压脉冲上升沿在300ns以下，脉冲宽度为1μs-100μs。
3.根据权利要求1所述的利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备，其特征在于所述的高压电极阵列和低压电极阵列之间电场间隙的间距为0.5-5cm，所述的高压脉冲电源输出的脉冲电压为1-100kV；所述的高压脉冲电源输出电压在高压电极与低压电极之间产生的电场强度在2-200kV/cm。
4.根据权利要求1所述的利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备，其特征在于所述的高压电极阵列和低压电极阵列均匀分布，且可拆装，高压电极和低压电极的数量根据高压脉冲电源的电参数和药物的处理量灵活调节。
5.根据权利要求1所述的利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备，其特征在于所述设备还包括流量计，所述流量计连接计算机，流量计向计算机提供流量数据的反馈信号，所述的计算机通过流量计提供的反馈信号，控制水泵和高压脉冲电源的工作状态，使所述的中药成分提取设备处于连续工作状态或间歇式工作状态。
6.一种如权利要求1所述的一种利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备的使用方法，其特征在于所述方法采用高压脉冲电场对中药细胞进行电穿孔处理，并包括以下步骤：
（1）将中药切配成小块，浸泡在低电导率提取液中，形成悬浊液，并将悬浊液加入原料罐；
（2）通过计算机控制水泵和高压脉冲电源，接通高压脉冲电源，并打开水泵，水泵将原料悬浊液泵入脉冲电场处理室的进料口，经过高压电极和低压电极之间的电场间隙；
（3）悬浊液经电场作用后，被提取出药物成分，并从出料口被排入收集罐；
（4）电场作用后的产物经过分离提纯后获得所需的药物成分。
7.一种如权利要求1所述的一种利用电穿孔技术提取中药材药物成分的设备的使用方法，其特征在于采用高压脉冲电场对中药细胞进行电穿孔处理，并包括以下步骤：
（1）将中药切配成小块，置于高压电极与低压电极之间的电场间隙内，并向原料罐中加入低电导率提取液；
（2）通过计算机控制水泵和高压脉冲电源，接通高压脉冲电源，并打开水泵，水泵将低电导率液体泵入脉冲电场处理室的进料口，经过高压电极和低压电极之间的电场间隙内的中药；
（3）浸泡中药的低电导率提取液经电场作用后，被提取出药物成分，并从出料口被排入收集罐；
（4）电场作用后的产物经过分离提纯后获得所需的药物成分。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述的中药为颗粒状、粉末状或薄片状。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述的低电导率提取液为去离子水或酒精。
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