TWI766432B

TWI766432B - 常壓水離子植物細胞破壁萃取方法及其結構

Info

Publication number: TWI766432B
Application number: TW109139302A
Authority: TW
Inventors: 蕭睿昶
Original assignee: 耀富實業股份有限公司
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2022-06-01
Also published as: TW202219270A

Abstract

一種常壓水離子植物細胞破壁萃取方法及其結構，多孔容器內放入植物材料後，置入反應裝置內，反應裝置的水離子蒸氣模組作動產生常壓的水離子蒸氣，水離子蒸氣穿過所述多孔容器，隨後滲入所述植物材料內，並穿透所述植物材料的植物細胞，將所述植物細胞的細胞壁破壁，且殘餘的所述水離子蒸氣經所述排氣管對外排出，達成構造簡單、且在常壓狀態下，水離子蒸氣利用濕度及溫度方式，使植物的細胞壁極度膨脹後，令水離子穿透細胞壁，快速將植物細胞壁進行破壁萃取的結構。

Description

常壓水離子植物細胞破壁萃取方法及其結構

本發明係有關於一種植物細胞破壁萃取方法與結構，特別是指一種構造簡單、且在常壓狀態下操作的常壓水離子植物細胞破壁萃取方法及其結構。

植物萃取，是近幾年來非常熱門的技術，例如：藥材可以取得更純的成份，藻類可以製成生質柴油，茶葉可以取得茶多酚等，而為了提高萃取率，在萃取之前，都會將細胞壁進行破壁。

目前已發展了多種細胞破碎方法，以便適應不同用途和不同類型的細胞壁破碎。破碎方法可歸納為機械法和非機械法兩大類；機械法，例如高壓勻漿破碎法(homogenization)、振盪珠擊破碎法(Shaking Bead)、高速攪拌珠研磨破碎法(fine grinding)、或超聲波破碎法(ultrasonication)等；非機械法，例如：滲透壓衝擊破碎法(osmotic shock)、凍融破碎法(freezing and thawing)、酶溶破碎法(enzyme lysis)、或化學破碎法(chemical treatment)等；然，不論是機械法、或非機械法，植物細胞破壁的過程中，都需要將植物切碎到一定的程度後，放入液體中後再進行破壁處理，因此，需要考慮液體的成份，是否會與植物細胞內待萃取的成份產生化學反應，以及，還需要考慮回收率等問題，因此，近幾年便有業者應用超臨界流體法(Supercritical fluid)，屬於非機械法的一種，例如中華民國專利公告第M288511號「綠藻細胞壁之高壓破裂裝置」，利用高溫蒸氣使細胞內水分子達氣化臨界點，並瞬間降壓使細胞內水分子汽化衝破細胞壁，缺點在於：高溫製程能耗高，且高溫易使細胞所含有效成分破壞分解。

如中華民國專利公告第I411677號「連續式微藻萃取裝置、連續萃取與脫水破裂的方法」，先利用脫水機構將微藻水分移除，再利用超臨界CO2使壓力達到臨界點，利用瞬間降壓方式使微藻細胞破裂；缺點在於：原料需先乾燥脫水，製程處理能耗高，且利用瞬間降壓，在大規模設備中不易排出，破壁效率低。

如美國專利公告第US6479277號「Method and apparatus for disruption of biological material」，利用高壓CO2滲入經過乾燥處理的細胞，並利用瞬間降壓，使CO2在細胞內來不及完全滲出，並在細胞內膨脹使細胞破裂；缺點在於：乾燥處理能耗高，且細胞對CO2、O2等氣體具高通透性，為減少CO2在降壓時由細胞通透孔排出，使CO2膨脹破裂細胞效果變差，需維持高速降壓。

上述各專利都是應用了超臨界流體、或亞臨界流體，而超臨界流體的屬性介於氣體和液體之間，具有氣體與液體的兩種特性，但，不論是哪一種化合物，都需要一定程度的壓力、與溫度環境，才會進入超臨界流體的狀態，因此，商業上大量生產需要在厚重承壓構造設備內進行高壓氣體快速降壓，大量膨脹氣體瞬間不容易完全排出，降壓速度不夠快，以致CO2氣爆破裂細胞裝置於放大實施時效率不佳，且其設備建置與維護成本高，亦不利商業運轉之製程放大使用。

有鑑於習用有上述缺點，發明人乃針對所述缺點研究改進之道，終於有本發明產生。

本發明主要目的在於，提供一種構造簡單、且在常壓狀態下操作常壓水離子植物細胞破壁萃取方法。

本發明次要目的在於，提供一種構造簡單、且在常壓狀態下操作常壓水離子植物細胞破壁萃取結構。

為達成上述目的及功效，本發明所採行的步驟包括：一植物材料放置在一多孔容器內；多孔容器置入一反應裝置內；一蒸氣產生器將水加熱到130度至160度產生一飽和蒸氣；一增壓器接收並將所述飽和蒸氣再加熱為過熱蒸氣；一水離子產生器接收並將過熱蒸氣解離產生常壓的一水離子蒸氣〔H⁺OH^-〕；水離子蒸氣穿過多孔容器並滲入植物材料內；水離子蒸氣穿透一植物細胞，將植物細胞的一細胞壁破壁。

依上述結構，其中該「一植物材料放置在一多孔容器內」的步驟，更包括：「植物材料清洗並乾燥」的步驟。

依上述結構，其中該「植物材料清洗並乾燥」的步驟，更包括：「植物材料細化」的步驟。

依上述結構，其中該「水離子蒸氣穿透一植物細胞壁將其破壁」的步驟，更包括：「水離子蒸氣吸附植物細胞內的水分，將植物材料、植物細胞形成脫水乾燥狀態」的步驟。

依上述結構，其中該「水離子蒸氣吸附植物細胞內的水分，將植物材料、植物細胞形成脫水乾燥狀態」的步驟，更包括：「植物材料經萃取液萃取出複合物」的步驟。

為達成上述目的及功效，本發明具有一反應裝置，其包括：一箱體、一水離子蒸氣模組、與一多孔容器，其中：所述箱體一側具有一箱門，內部設有複數的支撐架，頂部設有與內部相通聯的一排氣管。

所述水離子蒸氣模組，包括：一蒸氣產生器、一增壓器、與一水離子產生器，其中：所述蒸氣產生器將水加熱到130度至160度產生一飽和蒸氣；所述增壓器與所述蒸氣產生器連接，接收並將飽和蒸氣再加熱為一過熱蒸氣；以及，所述水離子產生器與所述增壓器連接，接收並將過熱蒸氣解離產生常壓的一水離子蒸氣〔H⁺OH^-〕。以及，所述多孔容器收容一預設的植物材料並放置在所述支撐架上。

藉此，所述水離子蒸氣穿過所述多孔容器，隨後滲入所述植物材料內，並穿透所述植物材料的一植物細胞，將所述植物細胞的一細胞壁破壁，且殘餘的所述水離子蒸氣經所述排氣管對外排出，形成構造簡單、且在常壓狀態下，水離子蒸氣利用濕度及溫度方式，使植物的細胞壁極度膨脹後，水離子蒸氣穿透細胞壁，快速將植物細胞壁進行破壁的結構。

依上述結構，其中該水離子蒸氣模組包括：一電磁加熱器、與一控制器，其中：所述電磁加熱器與所述蒸氣產生器、所述增壓器電性連接，經電磁加熱產生熱能；以及，所述控制器，與所述電磁加熱器電性連接，使其控制所述蒸氣產生器、所述增壓器、與所述電磁加熱器的作動參數。

依上述結構，其中該箱體頂部進一步設有可活動的一殼體。

依上述結構，其中該箱體與殼體之間形成一預乾燥空間，所述多孔容器收容所述植物材料，放置在預乾燥空間，達成植物材料預先乾燥表面多餘水分的結構。

依上述結構，其中該水離子蒸氣吸附植物材料、植物細胞內的水分，將植物材料、植物細胞形成脫水乾燥狀態。

為使本發明的上述目的、功效及特徵可獲得更具體的瞭解，依各附圖說明如下：

1:反應裝置

2:箱體

21:箱門

22:支撐架

23:排氣管

24:殼體

3:水離子蒸氣模組

31:蒸氣產生器

32:增壓器

33:水離子產生器

34:電磁加熱器

35:控制器

4:水離子蒸氣

5:多孔容器

6:植物材料

7:萃取容器

71:萃取液

〔圖1〕是本發明較佳實施例的系統架構圖。

〔圖2〕是本發明較佳實施例的結構示意圖。

〔圖3〕是本發明較佳實施例的流程圖。

請參閱圖1至圖2，可知本發明具有一反應裝置1與一萃取容器7，所述反應裝置1包括：一箱體2、一水離子蒸氣模組3、與一多孔容器5，其中：所述箱體2一側具有一箱門21，內部設有複數的支撐架22，頂部設有與內部相通聯的一排氣管23，並在頂部設有可活動的一殼體24。

所述水離子蒸氣模組3包括：一蒸氣產生器31、一增壓器32、一水離子產生器33、一電磁加熱器34、與一控制器35，其中：所述蒸氣產生器31將水加熱到130度至160度或更高，產生一飽和蒸氣；所述增壓器32與蒸氣產生器連接，接收並將所述飽和蒸氣再加熱為過熱蒸氣；所述水離子產生器33與增壓器32連接，接收並將過熱蒸氣(H₂O)解離(Dissociation)後，成為一水離子蒸氣〔H⁺OH^-〕；所述電磁加熱器34與蒸氣產生器、增壓器32電性連接，經電磁加熱產生熱能；以及，所述控制器35與電磁加熱器34電性連接，使其控制所述蒸氣產生器、所述增壓器32、與所述電磁加熱器34的作動參數，例如：分別設定各自的加熱時間、加熱溫度等，或者，飽和蒸氣、水離子蒸氣的流通狀態、或增壓器的壓力動作狀態等等，應注意的是，控制器35包括但不限定於電腦、終端機、伺服器、人機介面或嵌入式系統等等，以及，電磁加熱器34即利用線圈產生磁場，磁場與金屬材質的管路或容器等之間產生許多的渦流(Eddy Current)讓金屬材質的管路、容器等產生熱能，電磁加熱的技術，其並非本案技術特徵，在此僅概略說明，舉凡利用電能產生熱能的技術或結構，皆應屬本發明電磁加熱器34的範疇。

所述多孔容器5收容一預設的植物材料6並放置在所述支撐架22上。

藉此，所述水離子蒸氣4穿過所述多孔容器5，隨後滲入所述植物材料6內，並穿透所述植物材料6的一植物細胞，將所述植物細胞的一細胞壁破壁，且殘餘的所述水離子蒸氣4經所述排氣管23對外排出，形成構造簡單、且在常壓狀態下，水離子蒸氣利用濕度及溫度方式，使植物的細胞壁極度膨脹後，水離子蒸氣穿透細胞壁，快速將植物細胞壁進行破壁萃取的結構。

植物材料6經反應裝置1完成植物細胞的細胞壁破壁後，放入萃取容器7中並混入萃取液71，經由萃取液71將植物材料6中的複合物(COMPOUND)取出，達成萃取的目的。

請同時配合參閱圖3，本發明常壓水離子植物細胞破壁萃取的步驟包括：

(100)一植物材料放置在一多孔容器內。

(101)植物材料清洗並乾燥。

(102)植物材料細化。

上述步驟進行時，將植物材料6清洗並乾燥後，放入多孔容器5內；為了能夠加速後續步驟中細胞壁破壁的過程，植物材料6可以先進行乾燥的步驟，減少植物細胞內的水分，而依照不同植物的特性，乾燥的程度也不相同，在一個較佳的乾燥程度範圍中，可以包括：植物材料6洗淨後的表面乾燥，到植物材料6呈脫水狀態等乾燥的程度區間。

應注意的是，植物材料6依照不同的品種、使用的部位，都會有不同的大小於形狀，例如植物表皮類、花類、葉類、全草類，則只要將表面的灰塵、髒汙清洗乾淨並乾燥後，就可以放入多孔容器5內；又例如根莖類、莖木類，則需要切片、切丁、切段、或搗碎等處理，將植物材料6細化；更需要說明的是，本案僅是細化植物材料6，並不需要將植物材料6完全粉碎成粉末，也不需要預先將植物材料6融合到任何液體內，而能讓植物材料6保持在一定大小的固體形狀。

(103)多孔容器置入一反應裝置內。

(104)一蒸氣產生器將水加熱到130度至160度產生一飽和蒸氣；

(105)一增壓器接收並將所述飽和蒸氣再加熱為過熱蒸氣；

(106)一水離子產生器接收並將過熱蒸氣解離產生常壓的一水離子蒸氣〔H⁺OH^-〕。

上述步驟進行時，蒸氣產生器31將水加熱到130度至160度或更高，產生飽和蒸氣傳送到增壓器32，飽和蒸氣經增壓器32再加熱為過熱蒸氣，水離子產生器33接收並將過熱蒸氣(H₂O)解離(Dissociation)後，成為一水離子蒸氣〔H⁺OH^-〕。

(107)水離子蒸氣穿過多孔容器並滲入植物材料內。

(108)水離子蒸氣利用濕度及溫度，使植物材料內的一植物細胞的一細胞壁極度膨脹。

(109)水離子蒸氣穿透植物細胞，將植物細胞的細胞壁破壁。

(110)水離子蒸氣吸附植物材料、植物細胞內的水分，將植物材料、植物細胞形成脫水乾燥狀態。

(111)植物材料經萃取液萃取出複合物。

上述步驟進行時，水離子蒸氣4穿過多孔容器5，隨後滲入植物材料6內部，在植物材料6內部接觸到植物細胞後，水離子蒸氣4能夠大量的穿透植物細胞的細胞壁，將細胞壁進行破壁的動作，且殘餘的水離子蒸氣4經排氣管23對外排出；同時，水離子蒸氣4滲入植物材料6並穿透植物細胞後，會一併吸附植物材料、植物細胞內的水分，而能夠同時將植物材料6完全脫水成乾燥的狀態，而植物材料6破壁並乾燥後，植物細胞內的成份會完整保留，接著，將植物材料6放入萃取容器7中，即可利用萃取液71將植物材料6中的複合物(COMPOUND)取出，達成萃取的目的。

又，前述提到，植物材料6清洗後需要先將表面乾燥處理，而箱體2與殼體24之間形成一預乾燥空間，多孔容器5收容洗淨的植物材料6後，放置在預乾燥空間，能夠植物材料6預先乾燥，去除表面多餘水分。

綜合以上所述，本發明的常壓水離子植物細胞破壁萃取方法及其結構，具有構造簡單、且在常壓狀態下，水離子蒸氣利用濕度及溫度方式，使植物的細胞壁極度膨脹後，水離子蒸氣穿透細胞壁，將植物細胞壁進行破壁萃取，實為一具新穎性及進步性的發明，爰依法提出申請發明專利；惟上述說明的內容，僅為本發明的較佳實施例說明，舉凡依本發明的技術手段與範疇所延伸的變化、修飾、改變或等效置換者，亦皆應落入本發明的專利申請範圍內。

Claims

一種常壓水離子植物細胞破壁萃取方法，其步驟包括：一植物材料放置在一多孔容器內；多孔容器置入一反應裝置內；一蒸氣產生器將水加熱到130度至160度產生一飽和蒸氣；一增壓器接收並將所述飽和蒸氣再加熱為過熱蒸氣；一水離子產生器接收並將過熱蒸氣解離產生常壓的一水離子蒸氣〔H⁺OH^-〕；水離子蒸氣穿過多孔容器並滲入植物材料內；水離子蒸氣利用濕度及溫度，使植物材料內的一植物細胞的一細胞壁極度膨脹；水離子蒸氣穿透植物細胞，將植物細胞的細胞壁破壁；水離子蒸氣吸附植物材料、植物細胞內的水分，將植物材料、植物細胞形成脫水乾燥狀態。
如請求項1所述之常壓水離子植物細胞破壁萃取方法，其中該「一植物材料放置在一多孔容器內」的步驟，更包括：「植物材料清洗並乾燥」的步驟。
如請求項2所述之常壓水離子植物細胞破壁萃取方法，其中該「植物材料清洗並乾燥」的步驟，包括植物材料洗淨後的表面乾燥，到植物材料脫水狀態的乾燥程度區間。
如請求項2所述之常壓水離子植物細胞破壁萃取方法，其中該「植物材料清洗並乾燥」的步驟，更包括：「植物材料細化」的步驟。
如請求項1所述之常壓水離子植物細胞破壁萃取方法，其中該「水離子蒸氣吸附植物材料、植物細胞內的水分，將植物材料、植物細胞形成脫水乾燥狀態」的步驟，更包括：「植物材料經萃取液萃取出複合物」的步驟。
一種常壓水離子植物細胞破壁萃取結構，具有一反應裝置，其包括：一箱體，一側具有一箱門，內部設有複數的支撐架，頂部設有與內部相通聯的一排氣管，所述箱體頂部設有可活動的一殼體，所述箱體與所述殼體之間形成一預乾燥空間；一水離子蒸氣模組，其包括：一蒸氣產生器，將水加熱到130度至160度產生一飽和蒸氣；一增壓器，與所述蒸氣產生器連接，接收並將所述飽和蒸氣再加熱為一過熱蒸氣；以及，一水離子產生器，與所述增壓器連接，接收並將所述過熱蒸氣解離產生常壓的一水離子蒸氣〔H⁺OH^-〕；一多孔容器，收容一預設的植物材料並放置在所述支撐架上；藉此，所述水離子蒸氣穿過所述多孔容器，隨後滲入所述植物材料內，所述水離子蒸氣利用濕度及溫度，使所述植物材料的一細胞壁極度膨脹後穿透所述植物材料的植物細胞，將所述植物細胞的細胞壁破壁，又所述水離子蒸氣吸附植物材料、植物細胞內的水分，將植物材料、植物細胞形成脫水乾燥狀態，且殘餘的所述水離子蒸氣經所述排氣管對外排出，達成構造簡單、且在常壓狀態下，利用水離子蒸氣將植物細胞壁進行破壁的結構。
如請求項6所述之常壓水離子植物細胞破壁萃取結構，其中該水離子蒸氣模組包括：一電磁加熱器，與所述蒸氣產生器、所述增壓器電性連接，經電磁加熱產生熱能；以及，一控制器，與所述電磁加熱器電性連接，使其控制所述蒸氣產生器、所述增壓器、與所述電磁加熱器的作動參數。