在植物資源的深度開發(fā)與利用中, 植物有效成分的提取 是十分重要的環(huán)節(jié)之一, 提取方法和提取設備的選取是決定 能否實現(xiàn)植物資源高效、高值化利用的關鍵。目前 , 植物資 源有效成分的加工提取方法仍以間歇單罐(多功能提取罐 ) 分批提取為主, 雖然一些多能罐中設有攪拌器、超聲波發(fā)生 器或微波加熱裝置, 但有效成分多在封閉單元中完成浸出 , 隨著浸出過程的進行, 浸出液濃度加大, 物料濃度減小(指物 料中可溶性物質濃度),浸出速率減慢, 并逐步達到一定的平 衡狀態(tài)。因此要保持一定的浸出速率必須更新溶劑以替換 已近飽和的浸液。且這些工藝存在提取率低、藥材浪費大 、 提取時間長、出液系數(shù)大、能耗高等缺陷 。相比之下, 近年來 出現(xiàn)的動態(tài)逆流提取應用前景十分廣闊。 動態(tài)逆流提取(DynamicCountercurrentExtraction, DCE) 是指藥材與溶劑在浸出容器中沿相反方向運動 ,連續(xù)而充分 地進行接觸提取的一種方法 [ 1] 。逆流提取能夠充分利用固 液兩相的濃度梯度, 逐級將有效成分擴散至起始濃度較低的 套提溶液中 ,使出料的提取液達到較高的平衡濃度, 既可保 證被提取物的提取率, 又可節(jié)省能源, 縮短提取時間,并大大 減少后續(xù)濃縮工藝的工作量和能耗 ,可全面解決目前廣泛使 用的單罐間歇浸出存在的問題。因此, 筆者對 DCE的原理 、 特點、設備及其在天然活性成分提取中的應用進行了綜述 , 以促進該技術的進一步發(fā)展,并擴大其應用范圍。 1 動態(tài)逆流提取的基本原理 天然產物有效成分的提取過程包括濕潤 、滲透、解析、溶 解 、擴散和置換等, 有效成分提取過程的實質是物料中的溶 質由固相傳遞到液相的傳質過程。用擴散理論解釋, 就是溶 質從高濃度向低濃度滲透的過程, 其浸出擴散力來源于液態(tài) 提取溶劑和固態(tài)物料組織內有效成分的濃度差, 濃度差越 大 ,其擴散傳質的動力越大, 浸出速度越快, 有效成分浸出速 率越大 [ 2 -3] 。所以 , 在提取過程中, 保證物料周圍始終存在 最大的濃度差是關鍵。逆流提取即是根據(jù)這一原理設計的 。 提取時 ,物料與溶劑分別從提取器的兩端加入, 兩者作逆向 運動, 其接觸界面始終處于高濃度差狀態(tài)下 ,經過動態(tài)滲溶 提取后, 固體料渣被排出,而溶劑則逐級滲入,變成高濃度的提取液 ,從相反的方向流出。動態(tài)逆流提取充分利用了固液 兩相的濃度梯度差,逐級將物料中有效成分擴散至起始濃度 相對較低的提取溶液中, 達到了最大限度轉移天然產物中有 效成分的目的。 2 動態(tài)逆流提取過程的理論分析 假設每一級提取均達平衡, 所用新鮮溶劑中不含被提取 物質 ,且忽略各級提取中物料吸水體積的微小變化, 則動態(tài) 逆流提取的提取率可用下式表示 [ 2] : ρ= M 1 +M (1) 式中, M與液比 n、提取級數(shù) N和物料的吸水率 AW 有關, 即: M= + 2 +… + N (2) 式中, 可通過下式計算 : = n-AW AW (3) 式(1)表明 ,提取率 ρ隨 M的增大而增加, 且與提取級數(shù) N、 液比 n有關。另外,提取溫度、時間、物料粒度等影響每級提 取是否達到平衡以及達到平衡的時間 ,從而間接影響整個提 取過程 。 對罐組式動態(tài)逆流提取而言, 在開始正常的多級逆流提 取前 ,必須首先建立合適的濃度梯度, 造成一組濃度差較大 的提取溶劑。罐組式逆流提取過程由與提取單元數(shù)相等的 幾個階段提取過程組成, 每個階段提取單元進行獨立作業(yè), 各單元物料和溶劑中有效成分的含量依次遞減 (或遞增 )。 在每個獨立單元中, 物料進行著獨立的液體湍流式動態(tài)提 取。當某一階段提取過程結束時, 有效成分被提取干凈的單 元進行排渣和加料作業(yè), 有效成分未被提凈的單元仍在各自 的提取罐中繼續(xù)進行下一步提取;飽和溶劑排放至后續(xù)濃縮 工藝, 不飽和溶劑按有效成分含量遞減的方向向隔 1個單元 遷移(共進行 N-1次 );新鮮溶劑加入無溶劑的單元(即物 料中有效成分最低的單元)。 3 動態(tài)逆流提取的特點 動態(tài)逆流提取是動態(tài)、煎煮提取工藝的結合, 在保留多 種傳統(tǒng)工藝優(yōu)點的同時 ,創(chuàng)造了傳統(tǒng)工藝所不具備的諸多 優(yōu)點 [ 4] : (1)有效成分得率高。由于提取過程中固液兩相濃度梯 度大, 從提取開始到結束, 溶液始終不會達到飽和狀態(tài)。同時溶劑與物料間存在著相對運動 , 溶劑與物料界面層更新 快 。有效成分浸出速率快 ,有效成分提取充分,提取效率高。 (2)可連續(xù)作業(yè), 生產效率高。動態(tài)逆流提取設備適于 大規(guī)模生產, 連續(xù)工作不間斷, 產量大, 節(jié)約能源, 安全可靠 。 單套連續(xù)逆流提取設備提取能力每 1 h可達 5 000多 kg, 單 套連續(xù)逆流超聲提取設備提取能力可達 1 300多 kg, 特別適 合于規(guī)?；a提取。 (3)應用范圍廣。動態(tài)逆流提取作業(yè)溫度低, 一般在 25 ～ 100 ℃可任意選擇。既適于熱穩(wěn)定性好的物料的提取, 又 適于熱敏性物料的提取;物料在提取器中的移動速度可調 , 可根據(jù)物料的特性調節(jié)提取時間;物料和溶劑在不斷逆流翻 動中加熱, 受熱均勻, 保持熱敏性成分不被破壞, 有利于熱敏 性藥物成分的提取, 減少雜質含量,降低能耗。 (4)生產成本低。動態(tài)逆流提取出液系數(shù)小, 物料與溶 劑沿相反的方向運動 ,固液兩相不斷地更新 ,所需提取溶劑 少 ,浸出液濃度高, 節(jié)省溶劑 ,同時,節(jié)約蒸發(fā)、濃縮等后續(xù)處 理工藝的生產成本。據(jù)報道,采用動態(tài)連接逆流提取工藝可 節(jié)約溶劑用量 50%以上, 降低能耗約 30%, 有效成分提取率 提高 10%以上, 最終溶劑的有效成分含量是通常提取法的 2 倍以上 。 相對于傳統(tǒng)提取罐 ,連續(xù)動態(tài)逆流提取技術的最大缺點 是設備一次性投資較高。盡管逆流提取存在一些缺點 ,但目 前對于部分品種, 廠家已有成功經驗, 特別在茶葉和甜菜提 取等行業(yè)已被廣泛使用, 并取得較好的效果。 4 動態(tài)逆流提取設備 近年來, 國內外研究生產出了多種逆流提取設備, 且這 些設備已被廣泛用于天然產物的提取。根據(jù)提取過程是否 能夠連續(xù)進行, 動態(tài)逆流提取設備主要分為 2類:①間歇進 料和排液的罐組式動態(tài)逆流提取設備 ;②是可連續(xù)生產的連 續(xù)動態(tài)逆流提取設備。 4.1 罐組式動態(tài)逆流提取設備 罐組式動態(tài)逆流提取設備 出現(xiàn)于 20世紀 90年代初, 進入 21世紀后, 人們對該類設備 的研究逐漸增多, 先后出現(xiàn)了多段罐式連續(xù)逆流提取機 組 [ 5] 、中藥逆流連續(xù)浸出機 [ 6] 、三級四罐式中藥逆流浸出 機 [ 7] 、中藥材的動態(tài)逆流提取裝置 [ 8]以及液體湍流式動態(tài)循 環(huán)罐組式逆流提取裝置(圖 1)等。

罐組式動態(tài)逆流提取設備是對傳統(tǒng)罐式提取設備的改 造 ,可采用普通提取罐組進行串聯(lián)組裝而成 ,具有出液系數(shù) 小 、有效成分得率高等優(yōu)點。該設備適用于提取次數(shù)較多且 相對耐熱的物料的提取。但其存在明顯的不足 ,工藝仍屬于 間歇分批浸出, 需要反復添加和排出物料與浸出液, 生產連 續(xù)性差,提取時間不易控制, 產品的品質得不到保證。 4.2 連續(xù)動態(tài)逆流提取設備 連續(xù)動態(tài)逆流提取的整個提 取過程在密閉狀態(tài)下進行 ,提取過程達到了連續(xù)、逆流、動態(tài) 和自動化、智能化 。與罐組式逆流提取技術組相比 , 連續(xù)動 態(tài)逆流提取的最大優(yōu)點是不存在中間切換及重復繁重的出 渣和投加新藥材等過程。提取實現(xiàn)連續(xù)化后, 藥渣自然呈細 水長流均勻排放,容易通過較小的螺旋出渣機進行隔離管道 排放, 所需加熱蒸汽也連續(xù)穩(wěn)定, 不會給工廠蒸汽熱網(wǎng)制造 壓力波動, 輸出提取液不僅濃度高且?guī)缀醵髁枯斚蛘舭l(fā)裝 置 ,在濃度和流量方面不存在波動 ,為此可大幅度削減提取 液的中間貯槽, 使生產各環(huán)節(jié)平穩(wěn)進行 [ 4, 9] 。 按傳動機構形式劃分,連續(xù)逆流提取主要包括螺旋推進 式、鏈式和平轉式等方式。其中應用較廣泛的是螺旋推進 式。此外,為了更好地發(fā)揮連續(xù)動態(tài)逆流提取法的優(yōu)勢 , 超 聲波 、微波的機械效應、空化效應、熱效應等也被引入了此類 設備。代表性的連續(xù)動態(tài)逆流提取, 設備 [ 10 -12] 如圖 2 ～ 4 所示。 連續(xù)逆流提取設備可采取智能控制系統(tǒng), 實現(xiàn)自動化、 智能化提取, 達到提取過程中工藝參數(shù)的自動控制, 以及工 藝參數(shù)在線分析、優(yōu)化控制、智能控制及智能生產管理,減少 人為干擾,穩(wěn)定控制提取產品的質量和均一性, 提高生產效 率和產品收率, 降低原料和能源消耗, 使提取過程達到高效 穩(wěn)定、可控、節(jié)能、安全的效果。相對罐組式逆流提取, 該設 備主要具有如下優(yōu)點:①生產規(guī)模大、效率高;②勞動強度 小, 產品質量穩(wěn)定, 均一性好;③環(huán)境污染小。主要缺點是:注:1.進料機構;2.提取滾筒;3.螺旋推進器;4.排渣機構;5.電 動機。 Note:1 Standsforfeedingappliance;2 Standsforextractrollers;3 Standsforspiralthrusters;4 Standsforslagdischargeappliance; 5 Standsforelectromotor 圖 2 螺旋筒式逆流提取設備示意 Fig.2 SpiralfeederDCEinstrument 注:1.電機和變速器;2.密封件;3.進料口;4.螺旋推進器;5.進料筒; 6.出液口;7.排液管;8.過濾網(wǎng);9.進氣管道;10.排液閥門;11.排 液口;12.提取罐;13.超聲波發(fā)生器;14.溫度調節(jié)夾層;15.排渣 口;16.排渣管;17.液位控制器;18.進液口;19.排渣通道。 Note:1 Electromotorandtransmission;2Sealant;3Feedingtap;4Spiralthruster;5Feedingroller;6 extractoutflowtag;7 extractdischargepipe;8 FilterScreen;9 airinlettap;10 extractdischarge valve;11 extractdischargetap;12 extractroller;13 Ultrasonic generator;14 Interlayerfortemperaturecontrol;15Slagdischarge tap;16Slagdischargeroller;17 LevelController;18 Solventinlet tap;19 Slagdischargeconduit. 圖 3 超聲波輔助動態(tài)逆流提取設備示意 Fig.3 Sonic-assistantDCEinstrument ①不適應小批量和復方品種的生產 ;②清洗不方便。 5 多級逆流提取技術的應用 目前 ,中藥材有效成分的多級逆流提取技術已引起專家 和學者的廣泛關注, 并已在植物多糖 、萜類、黃酮類 、蒽醌類 、 生物堿等各類有效成分的提取中得到了應用。 孫達鋒等 [ 13]對干制白芨(鱗莖 )中粗多糖的逆流提取工 藝進行了研究, 并與傳統(tǒng)的單罐批次提取工藝進行了比較 。 發(fā)現(xiàn)連續(xù)逆流提取的提取率較單罐批次提取提高了 8.5%, 提取時間縮短了 3 h, 提取用水量減少了 10 kg/kg(原料), 同 時降低了濃縮過程的蒸發(fā)水量。鄧啟華等 [ 14]建立了超聲波 連續(xù)逆流提取青蒿素的新工藝, 取得了較理想的效果。戚毅 等 [ 15]將動態(tài)罐組式逆流提取工藝用于虎杖藥材中大黃素的 提取,獲得最佳工藝參數(shù)為 :70%乙醇 , 10倍藥材量溶劑, 單 提時間 35 min,提取溫度 65 ℃。同時, 他們將熱回流、滲漉 、 索氏提取工藝與動態(tài)罐組式逆流提取工藝進行了比較, 發(fā)現(xiàn) 與索氏回流提取工藝相比 ,動態(tài)罐組式逆流提取工藝單位藥 注:1.提取液出口;2.進料斗;3.進料螺旋推進器;4.變壓器油箱; 5.微波磁控管;6.清洗出水口;7.溶媒入口;8.出渣螺旋推進 器;9.出渣口;10.提取滾筒;11.支架。 Note:1Extractdischargetap;2 Feedinghopper;3 Spiralthrusterfor feeding;4 Transformergasolinetank;5 microwavemagnetron;6 Cleaningwateroutlet;7 Solventinlettap;8 Spiralthrusterfor slagdischarge;9 Slagdischargetap;10 Extractroller;11 Leg. 圖 4 微波逆流提取機示意 Fig.4 Wave-strengthenedDCEinstrument 材的溶劑消耗量減少 37.5%,提取時間減少 92.5%;與滲漉 提取工藝相比, 動態(tài)罐組式逆流提取工藝的大黃素提取率提 高 26.6%, 單位藥材的提取時間節(jié)省 88%;與熱回流提取工 藝相比 ,動態(tài)罐組式逆流提取工藝的提取率提高 12.5%, 單 位藥材的溶劑消耗量減少 50%, 提取時間節(jié)省 85%。以上 結果充分顯示了動態(tài)罐組式逆流提取工藝在節(jié)省溶劑 、提高 提取率和生產效率等方面的優(yōu)勢。韓平等 [ 16]以二參健脾和 胃合劑為研究對象, 對罐組式逆流提取工藝和傳統(tǒng) GMP提 取工藝進行了深入研究。認為罐組式逆流提取既符合 GMP 的要求, 又使所提產物質量的可控性得到了保證, 適合廣大 醫(yī)院制劑室的中藥提取, 具有推廣、應用價值。熊雯等 [ 17] 采 用三效動態(tài)逆流提取工藝, 以提取物中總黃酮、總多酚、清除 DPPH自由基能力以及提取率為優(yōu)化指標, 獲得了白花蛇舌 草的最佳提取工藝參數(shù):階段提取時間 70 min,固液比 1∶14, 乙醇體積分數(shù) 50%,提取溫度 85 ℃。李頁瑞等 [ 18]以紅花藥 材為原料,采用雙罐組式逆流提取技術提取羥基紅花黃色素 A, 并與傳統(tǒng)浸提法和藥典所述方法進行了比較。結果表明, 最佳提取工藝為:用 10倍藥材質量的 30%乙醇 ,在室溫下每 階段提取 120 min。在此最佳工藝條件下,羥基紅花黃色素 A 的提取率為 1.56%, 浸出物中羥基紅花黃色素 A的純度為 6.06%。與傳統(tǒng)浸提法和藥典中所述的超聲提取法相比, 提 取率分別提高 6.12%和 9.09%, 純度分別提高 42.9%和 27.0%。黃鑫等 [ 19]對荷葉生物堿的罐組式逆流提取工藝進 行了研究, 確定了罐組式逆流提取荷葉中生物堿的最佳工 藝:提取時間 25 min, 提取溫度 80 ℃,固液比 1∶50,乙醇體積 分數(shù) 70%。 6 展望 多級逆流提取具有快速 、高效、節(jié)能、節(jié)約溶劑、工藝實 用性強等特點, 適用于天然活性成分的提取, 并可克服傳統(tǒng) 單罐間歇提取的不足, 是一種比較科學的有效成分提取方 法, 值得推廣應用。微波 、超聲波等強化提取手段應用于動態(tài)逆流提取的階段提取過程,可進一步體現(xiàn)動態(tài)逆流提取技 術的優(yōu)勢, 勢必會對中藥有效成分提取技術的革新產生重大 影響 。目前, 我國中藥有效成分的提取仍以單級浸出工藝為 主 ,連續(xù)逆流提取工藝只在少數(shù)生產廠家的典型品種中使 用 。因此,加強連續(xù)逆流提取工藝及其設備的研究開發(fā)是今 后我國中藥研究者和生產者面臨的共同任務。