CN1110340C - 药用植物有效成份的循环超声破碎浸提方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及药用植物有效成份的浸提方法及装置：将粉碎的药用植物颗粒和提取介质加入提取装置内，在机械搅拌的情况下循环流经超声场，进行循环超声破碎提取，其装置包括塔体、中心管、超声波发生器和搅拌控制装置，中心管同心地位于塔体之中，超声波发生器的超声波探头从塔体底端位于中心管内，搅拌控制装置控制的推进式搅拌桨由塔体上端位于中心管内，该方法及装置简单易操作，填补本领域无高效、易放大的浸提方法及装置的空白。

Description

药用植物有效成份的循环超声破碎浸提方法及装置

本发明涉及生物工程下游技术中的药用植物有效成份的提浸方法及装置，特别涉及药用植物有效成份的循环超声破碎浸提方法及装置。

已经发现的药用植物大约有5000余种，它们含有的有效成分在人类同各种疾病的斗争中起着重要的作用。目前，药用植物有效成份的提取过程为：原料粉碎→提取→液/固分离→清液(固体残渣返回提取或弃去)→减压蒸馏→膏状粗产品(有机溶剂循环使用或水溶液弃去)→分离纯化→医药产品，其中提取和分离纯化是两个最关键的步骤。由于粗产品的分离纯化处理量较小，采用分级沉淀、柱沉析分离目前仍然是主要方法，因而提取就成了提高整个工艺流程回收率、降低经济成本的关键。

药用植物有效成份包括多糖类、黄酮类、萜类、甾体类、生物碱及酚性成份等，其提取方法各不相同。药用植物中的多糖类产物提取时，采用沸水或醇回流搅拌提取，粗提物再用石油醚等脱脂，最后用沉淀法分离，沉淀方法有分级沉淀、铅盐沉淀、季铵盐沉淀等，比如，东北雷公藤多糖、苦丁茶糖甙、海藻多糖的提取用前述方法，其缺点是提取温度高(一般为80-100℃)、提取时间长、杂质成份溶出多等。植物中黄酮类化合物的提取，采用乙醇等加热抽提或冷浸，黄酮甙类采用碱提取酸沉淀进行提取，如从槐米花中提取黄酮甙，一般用pH＝8-9的80℃左右热水抽提提取芦丁。植物中生物碱的提取，一般根据不同的目标产物分别采用有机溶剂、酸性、中性或弱碱性水溶液提取，挥发性成份采用水蒸气蒸馏。植物中萜类化合物一般采用溶剂回流提取。植物中甾体类药物，如强心甙，酚性成份，如香豆素等的提取过程亦类似。

总之，目前用于药用植物有效成份提取的方法主要有：煎煮法、渗滤法、水蒸汽蒸馏法，有机溶剂提取法(冷浸法、回流提取法)、超临界流体提取等。水蒸气蒸馏提取主要用于植物挥发油的提取，如厦门产青蒿经水蒸汽蒸馏，脱水得淡黄色油状液体，产率0.2％-0.5％(见屠呦呦等.药学学报，1981，16(5)：366.)。有机溶剂浸提法是目前广泛使用的药用植物有效成份的提取方法。使用的有机溶剂主要包括：醇类，如甲醇、乙醇等；醚类，如乙醚、石油醚等；烷类，如正己烷、环己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、汽油等。如Vonwiller等用干燥的青蒿茎及叶为原料，在室温下用甲醇提取，机械搅拌24h后，过滤，滤液减压蒸馏去除甲醇，将粘稠的黑色浓缩物溶解在乙醚-水溶液中，用乙醚提取2次，乙醚提取液加碳酸钠溶液提取，碱性提取物在冰水中冷却后用浓盐酸调至pH＝1，在室温下再用乙醚提取3次，提取物用无水硫酸钠脱水，减压蒸发至干，浓缩物用含本磺酸的甲醇液溶解，搅拌反应3天，可同时提取得到青蒿素和青蒿酸(Vonwiller S C，et al.Planta Med.，1993，59：562)。Klayman等将从中国引种在美国生长的青蒿破碎后，以低沸点溶剂提取，低沸点溶剂可为二氯甲烷、三氯甲烷、乙醚、丙酮、石油醚(30℃-60℃)等，结果表明石油醚提取效果最好。干青蒿用沸腾的石油醚提取48h，减压蒸发得到的黑色糖浆状物，再用三氯甲烷溶解，并同时加入乙腈帮助去掉其中的蜡状物。去掉不溶物后，过滤，减压蒸发得到膏状青蒿素粗品(Klayman D L.Science，1985，228：1049)。

葛发欢等对黄花蒿化学成份进行CO₂萃取提取的研究表明，青蒿素超临界CO₂萃取的提取率较传统工业生产中的溶剂法(汽油及稀乙醇)提高11％-59％，较传统汽油法提高2倍以上，提取时间大大缩短，成本降低，控制不同温度、压力、时间，还可得到十八醇等成份(葛发欢，等.中药材，1994，17(8)：31；葛发欢，等.中药材，1995，18(6)：316)。

众所周知，从药用植物中提取药用有效成份的首要条件是被提取物能够快速、高效地进入提取介质，提取介质包括水溶液和有机溶剂等。由于药用植物的有效成份大多存在于细胞胞内，提取过程中一般需要将细胞破碎。化学破碎方法由于其过程中伴有化学反应，容易造成被提取物结构性质等变化而失去活性，机械破碎方法又难于将细胞有效破碎，而破碎不好又直接造成植物类天然药用成份在提取介质中扩散缓慢，增加提取时间，影响整个过程收率，增加成本，并影响所得产品的质量。

目前，人们己开始将超声波用于药用植物有效成份提取工艺中，比如从大黄中提取蒽醌类成份(郭孝武等，陕西师范大学学报，1991，19(3)，89-90)；从黄连根茎中提取黄连素(郭孝武等，中国中药杂志，1995，20(11)， 673-675)，从槐米中提取芸香甙(郭孝武等，陕西师范大学学报，1996，24(1)，50-52)，从黄连中提取小檗碱(郭孝武等，陕西师范大学学报，1997，25(1)，47-49)，均提到了将超声波用于药用植物有效成分的提取工艺中，并取得较满意效果。超声波用于海藻破碎提取海洋生物活性物质亦取得了较好的效果，如超声波用于盐藻破碎提取胡萝卜素(路德明等，青岛海洋大学学报，1992，22(3)，18-22)；在采用化学及机械破碎方法均不能从龙须藻中获得理想的藻胆体时，采用超声波提取得到了完整的藻胆体，而且效果较好(路德明等，应用声学，1997，16(1)，47-48)。然而，上述提取方法均是实验室小规模静态间歇式提取。

综上所述，虽然植物有效成份的提取已有一些方法可供选择，但往往存在如下缺点：(1)提取温度高，可能破坏被提取物的生物活性；(2)由于过程传质推动力小，原料颗粒表面提取介质形成的液膜不能及时更新，提取时间长，其它杂质溶出同时也较多；(3)细胞及原料不能有效破碎，细胞内产物不能有效释放，提取回收率低，；(4)有机挥发性提取介质消耗高等，造成提取成本增高；(5)提取装置均为间歇式操作，单位时间和单位体积处理能力低等。由于上述问题直接影响到药用植物的利用率，影响最终产品的成本及质量，限制了药用植物有效成份的广泛应用。近年来，虽有利用超声破碎提取的研究，但均为实验室几毫升至几十毫升小规模的提取，且均为间歇操作，并且至今尚无高效、易于放大的提取设备可供使用。实验室中采用：将超声波探头直接放入装有提取料液的容器内，超声波作用使植物细胞破碎。但这种直接将超声波探头放入装有提取料液的容器内的超声提取方法和装置存在下述缺点；由于是在静止介质中，超声波的传输慢、强度的衰减快，超声场作用范围很小，靠近超声探头的地方原料破碎时间过长，而较远的地方无法得到超声破碎，造成超声波有效利用率低，破碎程度均一性差，难于工程放大，从而限制了超声提取工艺的推广应用。

本发明目的在于：解决现有的药用植物有效成份提取工艺中存在的缺陷：提取温度高、提取时间长、收率低、提取介质消耗高以及目前实验室中使用的超声波提取为静态间歇提取，存在超声场作用范围小，有效利用率低，难于工程放大等问题，而提供一种利用机械搅拌循环超声提取的方法，强化细胞破碎、原料颗粒破碎、原料颗粒表面液膜快速更新，大大降低提取过程中的各种传质阻力，增加原料颗粒破碎均匀性以及目标产物在提取介质中扩散、传递、分布的均匀性，同时解决现有提取设备难于工程放大的难题，而提供一种可供工业化生产使用，且能连续化操作的药用植物有效成份的循环超声破碎浸提方法及装置。

本发明的实施方案如下：

本发明提供的药用植物有效成份的循环超声破碎浸提方法，其工艺步骤如下：

1.将药用植物原料粉碎成20目-80目的颗粒料；

2.将药用植物颗粒料和挥发性或非挥发性提取介质分别加入提取装置内形成原料提取液；

3.将原料提取液在机械搅拌的情况下循环流经超声场，进行循环超声破碎提取，其搅拌速度为400-900rpm，搅拌时间为10-90分钟，超声场中的超声强度为60-600w；

4.去除固体原料残渣，减压蒸馏回收提取介质，得到药用植物有效成份粗产品；

5.再将药用植物有效成份粗产品进行分离纯化，即得到药用植物有效成分产品。

该方法适用于从药用陆地植物、海洋植物及生物反应器培养的植物细胞、组织和器官等提取各种天然药用成份。针对不同的提取介质，分别采用挥发性(如石油醚等)和非挥发性(如水溶液等)介质，进行循环超声破碎浸提各种药用成份，本发明具有下述优点：

在提取过程中，采用机械搅拌循环方法使被提取原料液不断循环流动，保证药用植物有效成份在提取介质中的快速、均匀分散，从而增加有效成份从固体原料到液体提取介质间的推动力，缩短提取时间。

采用超声波强化固体原料颗粒及植物细胞的有效破碎，通过浸提介质的循环流动使整个反应器内的介质不断循环流过超声场，提高超声场利用效率，降低超声发生器功率，提取温度明显降低，而且可以调节。循环超声搅拌提取的方法不仅强化细胞破碎、原料颗粒破碎、增加目标产物在提取介质中扩散、传递、分布的均匀性，同时解决难于工程放大的问题；而且与常规提取方法比较，不仅提取产物中杂质较少，而且还可以降低溶剂消耗。

适用于本发明方法的药用植物有效成份的循环超声破碎浸提装置，其特征在于：主要包括塔体、中心管、超声波发生器和搅拌控制装置，管壁上带有微循环孔的中心管同心地位于塔体之中，中心管上、下端分别与塔体上、下端留有环隙，超声波发生器的超声波探头从塔体底端伸进并位于中心管内，由搅拌控制装置控制的推进式搅拌桨由塔体上端伸入并位于中心管内，塔体上部一侧进料口上安装带密封盖的液、固进料斗，塔体上部另一侧上设有出料口；本发明的药用植物有效成分的循环超声破碎浸提装置还包括温度控制仪，温度控制仪的温度探头和加热管位于塔体中，为了防止提取介质挥发和促进提取介质回流，还可于液、固进料斗的斗颈上套有冷凝管，冷凝管上、下端分别设有冷凝水出口和冷凝水进口；中心管支架将中心管同心地固定在塔体中；使用时，将经粉碎的药用植物固体颗粒原料和提取介质分别由液、固进料斗经进料口加入塔体内，开动搅拌控制装置带动推进式搅拌桨推动提取料液沿中心管向下流动，再分别由中心管与塔底的环隙中流出，转换方向，沿塔体与中心管之间的空隙向上流动，再由推进式搅拌桨推动沿中心管向下形成循环流动，达到超声破碎提取的目的。如果需要多级连续破碎提取，可将多个本发明的药用植物有效成分的循环超声破碎浸提装置串联使用，相邻两级装置之间设置高度差，固液混合料液从上一级装置出料口流入下一级装置的进料口，便可实现多级连续超声破碎提取。

下面结合附图及实施例进一步描述本发明：

附图1：本发明方法的药用植物有效成分的循环超声破碎浸提装置结构示意图，其中：

液、固进料斗1        冷凝管2            温度探头3

温度控制仪4          加热管5            支架6

超声波发生器7        超声波探头8        微循环孔9

中心管10             出料口11           推进式搅拌桨12

搅拌控制装置13       密封盖14           进料15

塔体16               冷凝水进口17       冷凝水出口18。

图1为本发明方法的药用植物有效成分的循环超声破碎浸提装置结构示意图，由图可知，该装置主要包括塔体16、中心管10、超声波发生器7和搅拌控制装置13，管壁上设有微循环孔9的中心管10同心地位于塔体16之中，中心管10上、下端分别与塔体16上、下端留有环隙，超声波发生器7的超声波探头8从塔体16底端伸进中心管10内，搅拌控制装置13控制的推进式搅拌桨12由塔体16上端伸进并位于中心管10内，塔体16上部一侧进料口15上安装带密封盖14的液、固进料斗1，塔体16上部另一侧上设有出料口11；本发明的药用植物有效成分的循环超声破碎浸提装置还包括温度控制仪4，温度控制仪4的温度探头3和加热管5位于塔体16中，为了防止提取介质挥发和促进提取介质回流，还可于液、固进料斗1的斗颈上套有冷凝管2，冷凝管上、下端分别设有冷凝水出口18和冷凝水进口17，中心管支架6将中心管10同心地固定在塔体16中；。使用时，将经粉碎的药用植物固体颗粒原料和提取介质分别由液、固进料斗1经进料口15加入塔体16内，开动搅拌控制装置13带动推进式搅拌桨12推动提取料液沿中心管10向下流动，再分别由中心管10与塔底的环隙中流出，转换方向，沿塔体16与中心管10之间的环隙向上流动，再由推进式搅拌桨12推动沿中心管10向下形成循环流动，而达到循环超声破碎提取的目的。如果需进行多级连续破碎提取，可将多个本发明的药用植物有效成分的循环超声破碎浸提装置串联使用，相邻两级装置之间设有高度差，提取料液从上一级装置的出料口11流入下一级装置进料口15，便可实现多级连续破碎提取。

实施例1：

用本发明提供的方法及装置，从干青蒿叶中提取青蒿素，其具体方法步骤为；

1.将干青蒿叶粉碎成40目的颗粒料；

2.取该40目的颗粒料20克和挥发性提取介质石油醚(30-60℃)600毫升分别加入分发明的本发明的药用植物有效成分的循环超声破碎浸提装置内，形成原料提取液；

3.将原料提取液在机械搅拌下循环流经超声场，有效地对被提取原料液进行超声破碎，即将颗粒料和挥发性提取介质石油醚由液、固进料斗1经进料口15加入塔体16内，开动搅拌控制装置13带动推进式搅拌桨12(搅拌速度为700rpm，搅拌时间为60分钟)，推动提取料液沿中心管10向下流动，再分别由中心管10与塔底的环隙中流出，转换方向，沿塔体16与中心管10之间的环隙向上流动，再由推进式搅拌桨12推动沿中心管10向下形成循环流动，而达到超声破碎提取的目的，本实施例中，温度控制仪4通过加热管5和温度探头3控制提取温度在50℃左右，超声波发生器7的超声探头8的超声强度为60W，单次超声时间为60分钟，本实施例还可将多个循环超声破碎浸提装置串联使用，相邻两级装置之间设有高度差，提取料液从上一级装置的出料口11流入下一级装置进料口15，便可实现多级连续破碎提取。用紫外分光光度法测定：用本发明的提取方法和装置进行提取青蒿素的回收率达83％，而无超声搅拌提取仅为46％，索氏提取仅为28％，室温冷浸提取仅为18％。

4.去除固体原料残渣，回收石油醚，得到青蒿素粗产品；

5.再将青蒿素粗产品进行分离纯化，即得到药用青蒿素产品。

实施例2：

用本发明提供的方法及装置，从干青蒿叶中提取青蒿素，其具体方法步骤同实施例1，所不同的是，将干青蒿叶磨碎成60目20克，和挥发性提取介质石油醚(30-60℃)600毫升混合，在40℃下，推进式搅拌桨的搅拌速度为400rpm，搅拌时间20分钟，超声波探头的超声强度为400W，超声波作用20分钟。高效液相色谱法(HPLC)测定，用本发明的提取方法和装置进行提取的青蒿素回收率达80％，而无超声搅拌提取仅为42％，索氏提取仅为26％，室温冷浸提取仅为16％。

实施例3：

用本发明提供的方法及装置，从鼠尾藻中提取海藻多糖，其具体方法步骤为：

1.将鼠尾藻粉碎成80目的颗粒料；

2.取该80目的颗粒料20克和非挥发性提取介质水(pH＝6)400毫升分别加入本发明的药用植物有效成分的循环超声破碎浸提装置内，形成原料提取液；

3.将该原料提取液在机械搅拌下循环流经超声场，有效地对原料提取液进行超声破碎，即将颗粒料和非挥发性提取介质水由液、固进料斗1经进料口15加入塔体16内，开动搅拌控制装置13带动推进式搅拌桨12(搅拌速度为800rpm，搅拌时间为30分钟)，推动提取料液沿中心管10向下流动，再分别由中心管10与塔底的间隙中流出，转换方向，沿塔体16与中心管10之间的空隙向上流动，再由推进式搅拌桨12推动沿中心管10向下形成循环流动，而达到超声破碎提取的目的，本实施例中，温度控制仪4通过加热管5和温度探头3控制提取温度在室温，超声波发生器7的超声探头8的超声强度为100W，单次超声时间为30分钟，本实施例还可将多个循环超声破碎浸提装置串联使用，相邻两级装置之间设有高度差，提取料液从上一级装置的出料口11流入下一级装置进料口15，便可实现多级连续破碎提取。使用本发明，其多糖提取率达1.86％，与20克80目鼠尾藻粉加入400毫升水(pH＝6.0)在80℃搅拌条件下(无超声波破碎)，提取5小时的提取率1.76％相比略高。

4.去除固体原料残渣，清液用乙醇沉淀，得到海藻多糖粗产品；

5.再将海藻多糖粗产品进行分离纯化。即得到药用海藻多糖。

实施例4：

同实施例3，将烘干的10克20目鼠尾藻加入400毫升水(pH＝6.0)加入提取装置，进行提取，其超声场的超声强度为600W，超声波探头在室温下连续作用10分钟，搅拌控制装置控制搅拌速度为900rpm，搅拌时间为10分钟，使用本发明，其多糖提取率达2.90％，与10克20目鼠尾藻粉加入400毫升水(pH＝6.0)在100℃搅拌条件下(无超声波破碎)，提取4小时的提取率2.75％相比略高。

Claims (5)

1.一种药用植物有效成份的循环超声破碎浸提方法，其工艺步骤如下：

1)将药用植物原料粉碎成20目-80目的颗粒料；

2)将药用植物颗粒料和提取介质分别加入提取装置内形成原料提取液；

3)将原料提取液在机械搅拌的情况下循环流经超声场，进行循环超声破碎提取，其搅拌速度为400-900rpm，搅拌时间为10-90分钟，超声场中的超声强度为60-600w；

4)去除固体原料残渣，减压蒸馏回收提取介质，得到药用植物有效成份粗产品；

5)再将药用植物有效成份粗产品进行分离纯化，即得到药用植物有效成分产品。

2.一种权利要求1所述方法的药用植物有效成份的循环超声破碎浸提装置，其特征在于：该装置主要包括塔体、中心管、超声波发生器和搅拌控制装置，管壁上带有微循环孔的中心管同心地位于塔体之中，中心管上、下端分别与塔体上、下端留有环隙，超声波发生器的超声波探头从塔体底端伸进并位于中心管内，由搅拌控制装置控制的推进式搅拌桨由塔体上端伸入并位于中心管内，塔体上部一侧进料口上安装带密封盖的液、固进料斗，塔体上部另一侧上设有出料口。

3.按权利要求2所述的药用植物有效成份的循环超声破碎浸提装置，其特征在于：该装置还包括温度控制仪，温度控制仪的温度探头和加热管位于塔体中。

4，按权利要求2所述的药用植物有效成份的循环超声破碎浸提装置，其特征在于：还可于液、固进料斗的斗颈上套有冷凝管，冷凝管上、下端分别设有冷凝水出口和冷凝水进口。

5.按权利要求2所述的药用植物有效成份的循环超声破碎浸提装置，其特征在于：中心管支架将中心管同心地固定在塔体中。