TW202023591A - 真空超音波破壁低溫萃取植物中活性成份之方法 - Google Patents

Abstract

一種真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，主要係包含將經過粗碎之植物碎片，於無氧狀態下進行酵素分解破壁，再於低蒸氣壓下進行超音波低溫萃取。藉由超音波萃取技術與酵素破壁之方法的結合，於利用酵素對植物細胞壁進行初期破壞的同時，即輔以超音波強化酵素之分解作用，提高酵素破壞細胞壁的效率。進而可在同一個萃取設備內串聯並完成數個不同的製程，不僅能夠有效縮短萃取時間，也可減少過濾殘渣處理時間及溶劑使用量，並避免高溫及氧化作用破壞有效成分，保持萃取所得活性物質之活性。

Description

真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法

本發明係有關一種真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，尤指一種結合酵素破壁法與超音波低溫萃取法之酵素破壁真空超音波低溫萃取法。

按；天然植物的有效成分係富含在植物的纖維細胞壁內，傳統的萃取法大多數採用溫蒸煮加熱回流萃取方式，應用水和酒精當做溶劑在高熱的萃取鍋內萃取，高溫萃取是最容易破壞植物有效成分的萃取法。獲得2015年度諾貝爾生理學醫學獎之屠呦呦，從草藥中發現的青蒿素對瘧疾治療異常有效，學名為黃花蒿(Artemisia annua L.)的一種青蒿的萃取物。她在西元4世紀東晉時期葛洪的著作「肘後備急方」中得到啟發，並認識到可能是傳統的中藥煎煮方式溫度過高，會破壞青蒿有效成分的活性，因此採用低沸點溶劑乙醚作溶劑，對青蒿進行低溫萃取成功萃取有效成分，這足以證明研究低溫萃取技術的重要性。

現今科技為了提高萃取的效率並縮短時間，習知技術遂利用超音波萃取法應用高速震盪、疏密有秩的特性，對液體瞬間造成「增壓」及「減壓」，推動介質，產生空穴效應(cavitation)。當萃取液中無數細小的真空氣泡爆裂時，產生瞬間高溫及強大衝擊力，以致於可以將萃取物之成份分離，而達到萃取的效果。惟，一般超音波最佳萃取條件之溫度均高於 一般室溫狀態(25℃)，此高溫萃取會破壞植物中有效成份，使其失去活性，且容易氧化作用而失去活性無法有效地發揮其功效，其中例如，竹葉黃酮之最佳萃取溫度甚達到70℃，因此限制了超音波萃取之應用範圍，並影響萃取物之活性。

酵素破壞細胞壁之技術雖屬習知，但僅以酵素進行萃取時，由於酵素之作用相對較為緩慢，在整體的萃取製程上是冗長而不具經濟效益的。因此，為提高酵素分解之效率，已有與其他技術結合酵素破壁之萃取方法，例如中華民國專利I516212公開一種結合壓力與酵素萃取燕窩之方法，包含將含有燕窩、酵素及水的混合物進行均質破碎處理，再將該經均質破碎處理後的混合物，於50~200MPa之壓力下進行一高壓水解處理。申請人有鑑於此，經不斷研究、實驗，遂萌生設計一種酵素破壁真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，俾有效縮短萃取時間，且保持萃取所得活性物質之活性。

本發明之主要目的，即在提供一種真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，將超音波低溫萃取法與酵素破壁之方法予以結合，藉由超音波頻率高、波長短、穿透力強之特性，使萃取液充分地被混合接觸，從而有效的縮短萃取時間，且減少過濾殘渣處理時間及溶劑使用量，並避免高溫及氧化作用破壞有效成分，保持萃取所得活性物質之活性。

前述之方法，其中萃取之材料係選自植物之根、莖、葉、真菌之菌絲體及子實體等具有植物細胞壁組織的纖維性材料。粗碎之步驟係包括將欲進行萃取之材料切碎、磨碎或粉碎等加工。

前述之方法，其中之酵素分解破壁步驟包含：將欲萃取之材料碎片溶液加入纖維分解酵素，通入惰性氣體沖洗數次，以保持無氧狀態，並於20℃~35℃常壓98KPa下，進行酵素分解破壁作用20分鐘至2小時。於本發明之一項具體實施態樣，所述之酵素分解破壁作用係於無氧狀態下於25℃~30℃常壓下，進行分解作用1至2小時。

前述之方法，其中之超音波低溫萃取步驟包含：將經過酵素分解破壁之材料碎溶液於低蒸氣壓1~98KPa，25℃~30℃下進行超音波萃取20分鐘至2小時。於本發明之一項具體實施態樣，所述之超音波低溫萃取係於25℃~30℃，低蒸氣壓1~98KPa，施予強弱強弱變化之變頻超音波方式進行超音波萃取1至2小時。於本發明之另一項具體實施態樣，所述變頻超音波方式係施予28K/40KHz交替變化超音波萃取頻率。

1‧‧‧植物細胞壁

11‧‧‧中膠層

12‧‧‧細胞膜

13‧‧‧薄壁組織

14‧‧‧果膠

15‧‧‧微纖維絲

16‧‧‧半纖維絲

17‧‧‧可溶蛋白

2‧‧‧萃取槽主體

21‧‧‧萃取槽內鍋

22‧‧‧萃取槽外鍋

23‧‧‧溫度計

24‧‧‧真空抽取口

25‧‧‧超音波馬達

26‧‧‧超音波產生器

27‧‧‧萃取液出口

271‧‧‧萃取液出口閥

A‧‧‧萃取液

a‧‧‧酵素破壁處理

a1‧‧‧加入鈍氣(氮氣)沖洗

b‧‧‧超音波低溫震動

c‧‧‧分離萃取有效精華

d‧‧‧收集萃取液

第1圖係本發明之酵素破壁處理示意圖。

第2圖係本發明之真空超音波低溫萃取流程圖。

第3圖係植物細胞壁的基本微纖維結構圖。

第4圖係本發明用於進行萃取法之萃取裝置較佳實例結構圖。

第5圖係本發明真空超音波低溫萃取法35℃(20分)與傳統蒸煮萃取法100℃(45分)所得萃取液中的活性成分(多醣體)萃取率的比較圖。

請參閱第1圖及第2圖，並配合第3圖，係為本發明之酵素破壁處理示意圖及真空超音波低溫萃取流程圖，以及植物細胞壁的基本微纖 維結構圖。如圖所示，本發明主要係包含酵素破壁處理及真空超音波低溫萃取，大致包含酵素破壁處理a、加入鈍氣(氮氣)沖洗a1、超音波低溫震動b、分離萃取有效精華c及收集萃取液d等步驟。其中，本發明之真空低溫萃取法較佳係採用水萃法，水可使纖維素發生有限溶脹，纖維分解酵素使纖維素溶解來破壁。所有的萃取法都需要打破植物或真菌之具有堅硬外殼的細胞壁，而纖維素是組成植物細胞壁的主要成分，纖維素(cellulose)是由葡萄糖組成的大分子多醣，也是是自然界中分布最廣、含量最多的一種多醣。纖維素是D-葡萄糖以β-1,4-糖苷鍵組成的大分子多醣，分子量約50000~2500000，相當於100~14000個葡萄糖基。分子式可寫作(C₆H₁₀O₅)_n不溶於水及一般有機溶劑。細胞壁的纖維素形成微纖維，寬度為10-30毫微米，長度有的達數微米。電子顯微鏡觀察，鏈狀分子平行排列的結晶性部分組成寬為3-4毫微米的基本微纖維，植物細胞壁1結構係如第3圖所示，係包含上、下之中膠層11及細胞膜12，以及於該之中膠層11及細胞膜12間之薄壁組織13，該薄壁組織13係進一步包含有果膠14、微纖維絲15、半纖維絲16及可溶蛋白17。因此，破壞細胞壁最理想的方法，就是以纖維分解酵素進行破壁處理。

在食品科技已經廣泛應用纖維分解酵素，如：葡萄糖之製造、單細胞蛋白質之生產、甘藷澱粉及黃豆蛋白之分離、洋菜之製造、海草膠之製造、綠茶成份之抽出、蔬菜類之加工、酵母消化率之提高等。而且，滲加纖維分解酵素，可以去除植物外皮，破壁，也使其中的蛋白質，油脂完全分解增加香味。應用纖維分解酵素可促使纖維軟化膨鬆能提高萃取率。另外，滲加纖維分解酵素可增加成品澄清度，增加可溶性纖維果寡 醣含量，提升營養價值，而且可提高產率，並減少過濾的殘渣量。因此，本發明的萃取物能夠安全地被應用於與人體接觸之品上或是供食用之產品上。

請參閱第4圖，係為本發明用於進行萃取法之萃取裝置較佳實例結構圖。如圖所示，本發明之萃取裝置，係包含一萃取槽主體2，其係由一萃取槽內鍋21及萃取槽外鍋22所組成，所述之萃取槽內鍋21用於裝載萃取液A，所述之萃取槽外鍋22可用於保持萃取槽1之低溫狀態，並可透過一溫度計23監控萃取槽內鍋21中的萃取液A之溫度，於本實施例，其溫度為25℃~30℃較佳。該萃取槽1係裝設有一真空抽取口24以供連接真空泵，萃取槽內鍋21內係設有一超音波震盪裝置，該真空抽取口24係藉由真空泵使萃取槽內鍋21產生一真空低蒸氣壓環境，例如1~98KPa，而使經過初步破壁之植物溶液於真空低蒸氣壓環境下，由該超音波震盪裝置進行超音波萃取。該超音波震盪裝置主要包含一超音波馬達25及一超音波產生器26，其產生之超音波頻率可為25~40KHz，於本發明之一較佳實例，可使用28K/40KHz交替變頻方式，產生強弱強弱變化的超音波萃取頻率。經過本發明完整酵素破壁真空低溫萃取法之活性成分萃取液，可經由設置於萃取槽主體2下方之萃取液出口27流出，該萃取液出口27係由一萃取液出口閥271控制萃取液之流出啟、閉及流出速率。

本發明係於完成前述之初步酵素破壁後，將萃取裝置1的真空泵打開，使萃取槽內21鍋之蒸氣壓降低至1~98KPa，接著將萃取液A於低蒸氣壓，於低溫25℃~30℃下進行超音波萃取20分鐘。一般超音波頻 率常用25~40KHz，超音波產生器26尖端的振動位移最大為100um。經由本發明之實驗發現，萃取頻率採變頻方式最為理想：強弱強弱變化，增加萃取效率及增加萃取活性成分。於本發明之一較佳實例，所述之變頻方式為以28K/40KHz弱強頻率交替變化產生超音波萃取頻率20分鐘。於本真空超音波低溫萃取步驟，係應用超音波(Ultrasonic)震動的能量傳導滲透到植物的纖維組織，瞬間加速使植物細胞打開，萃取出所選擇的有效成份到安定的水萃溶液中。

本發明之另一較佳實施例，係將欲萃取的植物打碎浸泡8小時後，再加入纖維分解酵素，然後再通入惰性氣體沖洗，並置入第4圖所示之萃取裝置的萃取槽內鍋21中。將惰性氣體導入該萃取槽內鍋21，使萃取槽內鍋21中之空氣被置換成惰性氣體，保持無氧狀態，如此可避免醋酸化及萃取過程和空氣接觸產生氧化作用。於常壓下控制萃取槽內鍋21溫度為25℃~30℃及酸鹼值pH5~7，進行酵素分解破壁1~2小時經過萃取完成之。

請參閱第5圖，係為本發明真空超音波低溫萃取法35℃(20分)與傳統蒸煮萃取法100℃(45分)所得萃取液中的活性成分(多醣體)萃取率的比較圖。如圖所示，取人蔘根部、枸杞種子及靈芝子實體，於該二萃取方法中，藥材之重量、切片、溶劑量等條件一致，而以傳統蒸煮萃取法係於100℃下萃取45分；以酵素破壁後再進行真空超音波低溫萃取法係於35℃下萃取20分。之後，比較以該二種方法所得活性成分萃取液中的多醣體萃取率，及萃取液的外觀和沉澱纖維量。結果係如第5圖及下表1所示：

關於各種天然植物及中草藥(包括花、草、植物、中草藥、茶葉、真菌、藻類等)之活性成分萃取，過去的萃取技術多以溶劑萃取法及蒸煮萃取法為主，其問題在於萃取效率低，且對於有效成分破壞性高且萃取活性成分低。而本發明所研發之真空超音波低溫萃取法應用酵素破壁無氧超音波低溫萃取方法，不僅能夠於較短時間內自植物細胞壁中萃取出有效成份，可有效縮短萃取時間，並且能夠有效防止有效成份被氧化，使得萃取液顏色清淡透明並減少過濾的殘渣量，再者本發明萃取方法不需使用任何有機溶劑如乙醇等，相較於傳統萃取方法具有顯著進步功效。

由於本發明所揭示之真空超音波低溫萃取法，係非以有機溶劑萃取出天然植物中之活性成份，不僅來源十分安全，而且萃取物能夠安全地被應用於與人體接觸之化妝品，或是供人體食用之產品上。本發明之萃取方法亦可以進一步被廣泛利用於纖維素之糖化，藉以提高原料中蛋白、脂肪、澱粉和其他有效成份等的抽出率，以及改良萃取物組織和風味等，極具產業利用價值。

本發明進一步應用於精油的萃取，採用：傳統蒸煮萃取、超音波萃取、真空超音波低溫萃取，將土肉桂葉子陰乾後分別以水為溶劑用不同方法萃取法進行6hr萃取，並計算精油收率。精油成分之分析鑑定：利用氣相層析-質譜(Gas chromatography-Mass,GC-MS)進行精油成分鑑 定，取1μL精油注入氣相層析儀中(HP GC 6890)，管柱為J&W DB-1 for MS(Length 30m,I.D.0.25mm,Film 0.25μm)，載送氣體He氣的留數為1.0mL/min，起始溫渡為40℃，持溫5min後，以3℃/min的升溫數度至220℃，最後持溫30min。以10：1之分流比例倒入質譜儀(HP 5973 MSD)，經由資料庫的質譜比對鑑定精油成分，再以標準品進行共注射(Co-injection)確定之；並由氣相層析突波鋒面積計算各精油成分之含量。

前述實施例，僅為說明本發明之較佳實施方式，而非限制本發明之範圍，凡經由些微修飾、變更，仍不失本發明之要義所在，亦不脫本發明之精神範疇。

綜上所述，本發明以超音波萃取技術與酵素破壁之方法的結合，於利用酵素對植物細胞壁進行初期破壞的同時，即輔以超音波強化酵素之分解作用，提高酵素破壞細胞壁的效率。為一實用之設計，誠屬一俱 新穎性之創作，爰依法提出專利之申請，祈 鈞局予以審查，早日賜准專利，至感德便。

a‧‧‧酵素破壁處理

a1‧‧‧加入鈍氣(氮氣)沖洗

b‧‧‧超音波低溫震動

c‧‧‧分離萃取有效精華

d‧‧‧收集萃取液

Claims (8)

1. 一種真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，包含：將欲萃取之材料經過粗碎及水浸泡，獲得一材料碎片溶液，將所得之材料碎片溶液加入纖維分解酵素，通入惰性氣體沖洗數次；將該材料碎片溶液於無氧狀態下進行酵素分解破壁；及將經過無氧狀態酵素破壁之材料碎片溶液於低於常壓之蒸氣壓下進行超音波低溫萃取，而獲得一含有活性成分之萃取液。
2. 如申請專範圍第1項所述之真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，其中，該酵素分解破壁步驟與該超音波低溫萃取步驟係於同一萃取裝置中進行。
3. 如申請專範圍第2項所述之真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，其中，該萃取裝置係包含一由萃取槽內鍋及萃取槽外鍋所組成之萃取槽主體，以供裝載萃取液，該萃取槽外鍋係可用於保持萃取槽之低溫狀態，並可透過一溫度計監控萃取槽內鍋中的萃取液之溫度，該萃取槽係裝設有一真空抽取口以供連接真空泵，該萃取槽內鍋內係設有一超音波震盪裝置，該真空抽取口係藉由真空泵使萃取槽內鍋產生一真空低蒸氣壓環境，而使經過初步破壁之植物溶液於真空低蒸氣壓環境下，由該超音波震盪裝置進行超音波萃取。
4. 如申請專範圍第1項所述之真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，其中，該材料碎片溶液加入纖維分解酵素，通入惰性氣體沖洗數次，以保持無氧狀態後，係於20℃~35℃常壓98KPa下，進行酵素分解破壁作用20分鐘至2小時。
5. 如申請專範圍第3項所述之真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，其中，該酵素分解破壁作用係於無氧狀態下於25℃~30℃常壓下，進行1~2小時之酵素分解作用。
6. 如申請專範圍第1項所述之真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，其中，該超音波低溫萃取步驟包含：將經過酵素分解破壁之材料碎溶液於低蒸氣壓1~98KPa，25℃~30℃下進行超音波萃取20分鐘至2小時。
7. 如申請專範圍第1項所述之真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，其中，該超音波低溫萃取步驟係於25℃~30℃，低蒸氣壓1~98KPa下，施予強弱強弱變化之變頻超音波方式進行超音波萃取1~2小時。
8. 如申請專範圍第1項所述之真空超音波低溫萃取植物中活性成份之方法，其中，該變頻超音波方式係施予28K/40KHz交替變化超音波萃取頻率。

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