TWM626691U - 多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備 - Google Patents

Abstract

一種多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，主要係包含一蓋體，以及設於該蓋體下方之萃取槽外鍋及一可供裝載萃取液之萃取槽內鍋。其中，該蓋體係設有一真空抽取口，以及伸入於該萃取槽內鍋之超音波震盪產生器及溫度計；該萃取槽外鍋係可用於保持萃取裝置之低溫狀態。俾藉由真空抽取口連接真空泵，藉由真空泵使萃取槽內鍋產生一真空低蒸氣壓環境，並可透過溫度計監控萃取槽內鍋中的萃取液之溫度，使經過初步破壁之植物溶液於真空低蒸氣壓環境下，由該超音波震盪產生器進行超音波萃取。藉由超音波萃取技術與多層次分解破壁之方法的結合，於利用多層次分解破壁進行初期破壞的同時，即輔以超音波強化萃取作用，提高破壁的效率。

Description

多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備

本創作係有關一種多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，尤指一種使經過初步破壁之植物溶液於真空低蒸氣壓環境下，由超音波震盪產生器進行超音波萃取之多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備。

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，遂萌生改良一種多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，係揭示一種生技廠廣泛需求的高效率低成本的萃取裝置，本創作新研究的萃取設備可萃取出天然物中草藥或草本植物之活性成分可安全的應用於保健食品或是化妝品，此多層次分解在無氧下進行破壁且應用變頻超音波於低溫萃取，本創作之設備不僅能夠於較短時間內自植物細胞壁中萃取出有效成份，可有效的縮短萃取時間，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。

本創作之主要目的，即在提供一種多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，使經過初步破壁之植物溶液於真空低蒸氣壓環境下，由超音波震盪產生器進行超音波萃取。

前述之多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，係包含一蓋體，以及設於該蓋體下方之萃取槽外鍋及一可供裝載萃取液之萃取槽內鍋。其中，該蓋體係設有一真空抽取口，以及伸入於該萃取槽內鍋之超音波震盪產生器及溫度計；該萃取槽外鍋係可用於保持萃取裝置之低溫狀態。俾藉由真空抽取口連接真空泵，藉由真空泵使萃取槽內鍋產生一真空低蒸氣壓環境，並可透過溫度計監控萃取槽內鍋中的萃取液之溫度，使經過初步破壁之植物溶液於真空低蒸氣壓環境下，由該超音波震盪產生器進行超音波萃取。

前述之多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，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。

前述之多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，其中，該超音波震盪產生器係於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。

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:萃取裝置

21:蓋體

22:萃取槽外鍋

23:萃取槽內鍋

24:真空抽取口

25:馬達

26:超音波震盪產生器

27:溫度計

28:真空泵

29:萃取液出口

291:萃取液出口閥

31:冷卻機

32:管體

33:溫控機

34:管體

35:網狀裝料桶

36:循環泵

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圖係本創作之酵素破壁處理示意圖。

第2圖係本創作之真空超音波破壁低溫萃取流程圖。

第3圖係植物細胞壁的基本微纖維結構圖。

第4圖係本創作用於進行萃取法之萃取裝置較佳實例結構圖。

請同時參閱第1圖及第2圖，並配合第3圖，係為本創作之酵素破壁處理示意圖及真空超音波破壁低溫萃取流程圖，以及植物細胞壁的基本微纖維結構圖。如圖所示，本創作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，本創作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，本創作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。可萃取出天然物中草藥或草本植物之活性成分可安全的應用於保健食品或是化妝品。

請參閱第4圖，係為本創作用於進行萃取法之萃取裝置較佳實例結構圖。如圖所示，本創作之萃取裝置2，係包含一包含一蓋體21，以及設於該蓋體21下方之萃取槽外鍋22及一可供裝載萃取液之萃取槽內鍋23。其中，該蓋體21係設有一與該萃取槽內鍋23貫通之真空抽取口24，以及伸入於該萃取槽內鍋23且連接於馬達25之超音波震盪產生器26，以及一溫度計27。所述之萃取槽內鍋23係用於裝載萃取液A，所述之萃取槽外鍋22係連接於一冷卻機31，由該冷卻機31以管體32連接於一溫控機33，再由該溫控機33以管體34連接於溫度計27，俾由冷卻機31、管體32、管體34循環輸送冷卻循環水，可用於保持萃取裝置之低溫狀態，並可透過溫度計27監控萃取槽內鍋23中的萃取液A之溫度，於本實施例，其溫度為25℃~30℃較佳。該真空抽取口24係供連接一真空泵28，藉由真空泵28使萃取槽內鍋23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，由該超音波震盪產生器26進行超音波萃取。其產生之超音波頻率可為25~40KHz，於本創作之一較佳實例，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。經過本創作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29流出，該萃取液出口29係由一萃取液出口閥291控制萃取液之流出啟、閉及流出速率。

前述之萃取槽內鍋23，係設有一網狀裝料桶35，以供過濾萃取液，且萃取槽內鍋23係連接有一循環泵36，藉由該循環泵36使萃取液A循環流動於該萃取槽內鍋23。

本創作係於完成前述之初步酵素破壁後，將連接萃取裝置2的真空泵28關閉，使萃取槽內鍋23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，超音波震盪產生器26尖端的振動位移最大為100um。經由本創作之實驗發現，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。於本創作之一較佳實例，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。從而在同一個萃取設備內串聯並完成數個不同的製程。

本創作之萃取設備，有別於傳統的超音波萃取設備，係將超音波萃取設備進化與多層次分解破壁之設備結合並應用雙層鍋設計控制溫度於無氧下進行超音波低溫萃取植物中活性成份之裝置，主要係包含將經過粗碎之天然物碎片，於無氧狀態下進行多層次分解破壁，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多層次分解破壁之方法的結合，於利用多層次分解破壁進行初期破壞的同時，即輔以超音波強化萃取作用，提高破壁的效率。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。應用超音波頻率高時，波長短，穿透力強，因此能使萃取液充分地被混合接觸，而能達到縮短萃取時間、增加萃取效率提高活性成分之目的。

本創作之設備尤其適合困難萃取的之台灣綠蜂膠PPLS活性成分，其生物類黃酮活性成分存在於樹脂部分，而綠蜂膠活性生物類黃酮特性為親油性(非極性)。本創新研究發係針對台灣綠蜂膠進行萃取可簡化萃取程序包含多層次超音波萃取、濃縮、轉萃、脫膠等分離，應用本創作之萃取技術能萃取出高品質無酒精蜂膠並分離蜂蠟及樹脂，可取得珍貴高濃度及高純度之PPLS綠蜂膠原液，並且能夠達到降低生產成本及提高產率。應用本創作之多層次超音波變頻萃取技術，於無氧低溫萃取才能突破目前所有的萃取技術達到高濃度高產量低成本的商業價值產品，經本創作技術所取得之蜂膠萃取液經SGS檢驗，PPLS總類黃酮含量高達206mg/g，已是超過德國藥典制定蜂膠類黃酮品質之最高等級，此技術已達致目前最高等級的10倍以上(目前德國藥典指出最高等級總類黃酮含量是20mg/g)。

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

綜上所述，本創作以包含萃取槽外鍋、萃取槽內鍋，以及伸 入於該萃取槽內鍋之超音波震盪產生器及溫度計等，構成多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備。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。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。

2:萃取裝置

21:蓋體

22:萃取槽外鍋

23:萃取槽內鍋

24:真空抽取口

25:馬達

26:超音波震盪產生器

27:溫度計

28:真空泵

29:萃取液出口

291:萃取液出口閥

31:冷卻機

32:管體

33:溫控機

34:管體

35:網狀裝料桶

36:循環泵

A:萃取液

Claims (5)

1. 一種多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，包含：一萃取槽內鍋，其外緣係包覆一萃取槽外鍋；一蓋體，係設於該萃取槽內鍋及該萃取槽外鍋的上方，其設有一與該萃取槽內鍋貫通之真空抽取口，以及伸入於該萃取槽內鍋之超音波震盪產生器及一溫度計；藉由該真空抽取口連接一真空泵，使該萃取槽內鍋產生一真空低蒸氣壓環境，並可透過該溫度計監控該萃取槽內鍋中的萃取液之溫度，使經過初步破壁之植物溶液於真空低蒸氣壓環境下，由該超音波震盪產生器進行超音波萃取。
2. 如請求項1所述之多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，其中，該超音波震盪產生器產生之超音波頻率係為25~40KHz。
3. 如請求項1所述之多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，其中，該超音波震盪產生器係使用28K/40KHz交替變頻方式，產生強弱強弱變化的超音波萃取頻率。
4. 如請求項1所述之多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，其中，該萃取槽外鍋係連接於一冷卻機，由該冷卻機連接於一溫控機，俾供循環輸送冷卻循環水，用於保持該萃取裝置之低溫狀態。
5. 如請求項1所述之多層次超音波變頻破壁低溫萃取設備，其中，該萃取槽內鍋係連接有一循環泵，藉由該循環泵使萃取液循環流動於該萃取槽內鍋。

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