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          離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

          作者:管理員    發布時間:2016/6/16 11:03:19

          離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

              摘要:從農用植物中提取活性成分作為植物源農藥有效成分己成為當前農藥化學和農藥毒理學研究的熱點。系統綜述了溶劑提取法、水蒸氣蒸餾法、升華法等農用植物活性成分常規提取技術和近年興起的超聲波提取法、微波提取法、生物酶法、超臨界流體提取法、超高壓提取法、亞臨界提取法以及包括超聲一微波協同萃取等在內的聯合提取法、微切助互提取法、快速溶劑提取法、高壓脈沖提取法、超濾法提取法等新興提取技術,并對其特性、應用實例及發展前景和趨勢進行了展望,旨在為農用植物活性成分的提取、開發、應用提供參考和依據。

          我國幅員遼闊,農業歷史悠久,長期的自然和人工選擇形成了豐富的農用植物資源。據不完全統計,我國共有包括食用、工業用、藥用和環保植物在內4大類22個類群,1萬多種農用植物(又可分為野生植物和栽培植物2大類),其在生活史中產生的次生代謝物,如菇烯類、生物堿、黃酮、甾體和酚酸等成分具有一定的殺菌殺蟲活性,已直接或間接地成為植物源農藥創制的原材料或先導物。植物源農藥具有與環境兼容性好、易于降解、低毒、低殘留、高效、高選擇性的優點,開發前景十分廣闊,在強調環境保護和可持續發展的現代社會,已然逐漸成為國內外新農藥研究和開發的熱點,而農用植物活性成分的提取是開發植物源農藥的關鍵,因此選擇適當的提取方法十分重要。隨著科技進步和研究的深入,農用植物活性成分提取技術也在不斷更新和完善,除傳統的提取技術外,新興的提取技術不斷發展為合理應用植物源農藥提供了技術支持。離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

          1常規提取技術

              溶劑提取法、水蒸氣蒸餾法、升華法是較為常用的常規提取技術,其中溶劑提取法是實驗室最常用的方法,具有操作簡單、損失少、易收集等特點,包括索氏抽提法、回流法、連續回流法、浸漬法、滲流法等。黃某和文某等習用索氏抽提法從毛魚藤等藥用植物中提取出有效成分,并證明其均具有較強的抑菌、殺線蟲活性。楊某等用回流法提取出了夏枯草中具有抑菌效果的活性成分。秦某等對鳳仙花抑制常見食源細菌的活性成分的提取則使用了浸漬法,效果十分顯著;同時不同有機溶劑對植物中有效成分萃取效果也不同。水蒸氣蒸餾法主要適用具有揮發性,能隨水蒸氣蒸餾而不被破壞,與水不發生反應,且難溶或不溶于水的成分提取,比如揮發油和某些小分子生物堿及酚類物質等,具有提取率高,操作簡便的特點;升華法主要是針對農用植物中的具有升華性質的活性成分,通過加熱使其直接氣化、冷凝,從而達到分離的效果,但往往產量比較低,還伴有分解現象。

          常規提取技術對儀器要求較低,應用廣泛,普適性強,但往往經濟成本高、耗時長,提取率低,容易造成二次污染,在科學技術飛速發展的今天,已開始被以先進儀器為基礎,具有高效、環保、節能等特點的新興提取技術逐漸取代。

          2新興提取技術

              鑒于農用植物活性成分常規提取技術存在的弊端,新興的提取技術應運而生(1)。離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

           

           

           

          2.1超聲波提取技術

          超聲波提取技術是利用超聲波來加速大物質分子運動頻率、加大溶劑穿透力,從而更好的釋放活性成分進入溶劑,這一系列反應的發生是由于超聲波具有空化效應、熱效應、機械效應和化學效應等特性所導致的。超聲波提取技術在我國主要應用于中草藥植物的提取工藝中,有常規提取技術不具備的優點:溫度低,適用范圍廣;耗時短,能耗低,保證提取液新鮮。超聲波提取適用于菇類、生物堿、黃酮等天然植物成分活性的提取,例如用超聲波從北五味子果實及莖葉中提取菇類,從白篙中提取總黃酮,從百合中提取生物堿等。同時,許多研究也表明超聲波提取法在農用植物活性成分提取比常規提取技術提取效率更高,更節約植物資源。

          2.2微波提取技術

          微波又稱超高頻率電磁波,是一種波長在1-1 000 m m(相對頻率為300-300 000 M H z)的電磁波,微波提取技術主要是基于微波具有的熱特性,可以使物體本身被加熱,從而促進活性成分的溶出;目前研究集中在微波功率、輻射時間、藥材粉碎度、提取溶劑及固液比等對提取效率的影響。黃酮類、生物堿類、酉昆類及香豆素等活性成分的提取也逐步開始采取微波提取法。鄧某等以決明子為提取材料,采用微波提取法,以蕙醒含量為指標,研究提取溶劑濃度、料液比等因素對蕙醒提取效果影響,確定了微波提取決明子中蕙醒最佳提取工藝,在此條件下的提取率高達65%。劉某等以歐前胡素為試驗指標,優化微波萃取白芷有效成分的提取工藝,并證明微波萃取白芷活性成分是可行的。離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

          2.3生物酶法提取技術

              植物活性成分多存在細胞壁內,生物酶法是根據植物細胞壁的構成,利用酶反應所具有高度專一性的特點,通過酶(主要是纖維素酶)反應溫和的溶解植物組織(細胞壁),加速活性成分的釋放,反應效率高,操作簡便,目前主要應用在黃酮類、生物堿、多糖以及酚類等活性成分提取。生物酶法提取葛根的總黃酮的提取率相對常規提取技術提高了13%。復合酶法提取茶多酚的提取率比常規提取技術高10%左右;纖維素酶酶解法提取虎杖中白黎蘆醇提取率接近常規提取技術的6;

          除直接利用酶解反應釋放植物組織細胞內的活性成分外,有些植物粗提物本身并沒有抑菌活性,但經酶解反應后可得到有效的抗菌殺菌物質;如從十字花科植物種子種分離得到的物質本身不具抗真菌活性,但經過酶解反應之后的產物卻能抑制立枯絲核菌等真菌,且效果明顯)習。這也是生物酶法在植物活性成分提取方面的應用。生物酶法提取也存在一定的局限性,對實驗條件(如溫度、pH值及作用時間等)要求較高,而且目前可用于提取的酶種類有限,這使該項技術的應用及發展受到了一定程度的限制。

          2.4超臨界流體提取技術

          超臨界流體提取是利用超臨界流體的獨特溶解能力和物質在其中的溶解度對壓力、溫度變化敏感的特性,通過升溫、降壓來實現體系中溶解物質的分離,具備精餾、提取作用。CO2是最為常見的提取劑,既能保證活性成分的生物活性、高產、又能實現提取分離同步進行,傳遞性好、滲透性強,特別適用于提取不穩定的活性成分,如揮發油、不飽和酸和普類等。有研究利用超臨界流體法萃取茶多酚和丹皮酚,優化超臨界法萃取甘草、銀杏中的黃酮等都表現出極佳的效果。由于水不溶于CO2,植物活性成分中具有較強極性的化合物蛋白質往往難以提取,有研究發現全氟聚醚碳酸鉸能使二者形成微乳液,經過改善后的超臨界萃取技術能擴展至水溶液的體系,進一步擴大完善該技術的適用對象,應用前景十分可觀。離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

          2.5超高壓提取技術

              超高壓提取技術也稱超高冷等靜壓提取,是指在常溫下,用100-1 000M Pa的流體靜壓力作用于提取溶劑和植物源材料的混合液上,并在預定壓力下保持一段時間,使植物細胞內外壓力達到平衡后迅速卸壓,從而使活性成分能夠穿透細胞的各種膜而轉移到細胞外的提取液中,具有快速、高效、耗能小、環保等優點,廣泛應用于陶瓷、金屬、石墨、食品衛生等行業,近幾年開始在農用植物活性成分提取方面興起,寧某,陳某等,吳某分別利用超高壓提取技術提取了烏頭原堿、西洋參皂普、魚腥草多糖等;同時對于受熱易分解的化學成分諸如丹參素等利用超高壓提取技術能避免傳統熱回流提取法過程中受熱分解的不足,大大提高提取效果和提取率。

          超高壓提取技術雖然在農用植物活性成分提取方面具有時間短、能耗低以及不含蛋白質等大分子雜質等優勢,但也不可避免存在操作壓力過高、溶劑-原料比過高等不足。我國超高壓提取技術研究起步晚,時間短,與發達國家有較大差距。因此,進一步加快超高壓提取技術研究和應用,促進其由實驗室研究向大規模工業生產的轉變是今后工作的重點。離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

          2.6亞臨界水提取技術

              亞臨界水又稱超加熱水、熱液態水,是指在一定的壓力下,將水加熱到100℃以上(臨界溫度374℃以下)的高溫,水體仍然保持液體狀態,此狀態下的水不僅可以降低固液相界面的液膜強度,還能改善動力學特征,降低表面張力及孰度,增加有機活性物質在水中的溶解度;亞臨界狀態下,隨著溫度的升高,水的極性大大降低,其性質類似于有機溶劑,可將溶質按極性由高到低提取出來。亞臨界水提取技術作為一種新技術是通過控制亞臨界水的溫度和壓力,進行選擇性提取;同時也可使水的極性在較大范圍內變化,實現活性成分從水溶性成分到脂溶性成分的連續提取,因有提取時間短、效率高、能耗低、產品質量高等優點而倍受關注。

          亞臨界提取技術在壓力足夠大至保持水處于液體狀態,可以通過調節溫度進行高選擇性提取,無論是對于常規提取技術還是新技術(超臨界流體萃取等),它都是一種很有前景,強有力的提取變革方法,具有廣闊的發展前景,國外應用主要將亞臨界水作為高效液相色譜流動劑及萃取劑及環境分析等方面,國內研究還處于探索階段,僅限于農用植物黃酮、酚類、精油等活性成分的實驗室提取,尚未進行深入、全面的研究。

          2.7動態逆流提取技術

          動態逆流提取是指植物源材料與溶劑在浸出容器中沿相反方向運動,連續而充分地進行接觸提取的一種方法?;钚猿煞痔崛嵸|是植物源材料中的溶質由固相傳遞到液相的傳質過程。從擴散理論解釋,由于提取溶劑和固態植物源材料組織內活性成分存在濃度差,其大小決定了傳質的動力以及浸出速度,該技術通過經常更新固液兩相界面層,始終保持植物源材料和溶劑之間的最大濃度差,促進二者同時連續相向逆流運動,達到最大限度轉移植物源材料中活性成分的目的。目前常見的動態逆流提取設備主要有半逆流提取設備(罐組式動態逆流提取設備)和連續逆流提取設備(螺旋式連續逆流提取設備、U型槽式逆流提取設備以及平轉式連續提取設備等),該技術主要應用在農用植物生物堿、黃酮類、酚酸類等活性成分的提取和應用。離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

          2.8聯合提取技術

          常規提取技術或新興提取技術都有具有自身的優勢,但也存在由于提取對象和提取要求的差異,必須通過結合其他適合的方法揚長避短,才能達到最理想的提取結果。聯合提取技術是使用2種或以上的方法聯合提取活性成分的技術,包括微波輔助提取、超聲一微波協同提取、超聲強化超臨界流體提取技術等,現綜述如下。

          2.8.1微波輔助提取技術 

          微波輔助提取技術由G anzler20世紀80年代最早提出,是利用不同組分吸收微波的能力不同,使某些區域或組分被選擇性加熱,萃取物質從體系分離進入萃取劑中,是微波和傳統溶劑提取結合之后形成的新技術,克服了單一的微波提取和溶劑提取的自身不足,具有選擇性好、快速、高效及環保的優點。在應用方面,微波輔助提取技術用于農用植物黃酮、揮發油、色素、多糖、茶多酚及生物堿等的提取,孟某等采用微波輔助提取技術對絞股藍、馬錢子和瓜萎皮中的多糖、黃酮和生物堿進行提取,并進行了抗氧化活性測定,結果顯示微波輔助對這些農用植物活性成分的提取有顯著效果。

          2.8.2超聲一微波協同萃取技術

          微波有限的穿透深度和不顯著的傳質功能、超聲波熱效應的不顯著和空化泡范圍的局限,使超聲一微波協同萃取技術開始興起,兩者的結合能使提取過程中更好地破壁、釋放組分,從而提高提取效率。國內外在超聲一微波協同萃取取植物活性成分方面取得了一定的成果:牛芬中類胡蘿卜素的提取,  Sharm等對香蘭素的提取等都利用了超聲一微波協同萃取技術。2.8.3超聲強化超臨界流體萃取技術超聲強化超臨界流體提取技術是在超臨界提取時附加超聲波,既可降低萃取溫度、壓力,減少流體流量、縮短萃取時間,又能改善操作條件,降低能耗。其機理是超聲傳播至顆粒內部,引起質點快速振動,從而減小超臨界流體擴散阻力,同時使溶質活化,加速其溶解。目前該技術應用已較為成熟,超聲強化超臨界流體技術提取除蟲菊酷和肉桂中桂皮醛成分,不僅高效而且避免了活性成分因降解而流失。而國外的研究學者采用超聲強化超臨界流體萃取技術提取辣椒素、杏仁油及姜酚等都得到很好的結果.離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

          2.8.4超聲一酶解輔助提取技術

              超聲一酶解輔助提取技術是酶解提取與超聲波提取技術相結合提取植物活性成分的新興技術;該技術針對性強,提取率高,提取質量好,雜質少;有學者通過此技術優化龍眼果肉多糖的提取,設定250 W的超聲波功率、55℃的酶解溫度,結果表明比傳統提取方法更實用。但由于技術條件限制和自身成本較高、操作復雜的缺陷,使其在農用植物活性成分提取方面應用較少。

          農用植物活性成分單一提取技術各有優勢,但難以滿足日益擴大植物抑菌資源篩選的需求,聯合提取技術揚長避短,根據不同提取對象和材料適當調整組合,力求達到最佳提取效果,是今后農用植物活性提取技術發展的主要方向;同時,以微切助互提取、快速溶劑提取、高壓脈沖提取以及超濾法提取為代表的高效、環保新興提取技術逐步從食品、醫療行業向農用植物活性成分開發利用轉變,為農用植物活性成分提取技術的發展奠定了新的基礎。

          3結語

          農用植物活性成分提取技術近幾年發展迅速,一方面,通過對常規提取技術設備和條件的改良,努力降低提取成本、提高提取率、減少對環境的二次污染;另一方面,隨著社會發展需要和科學技術進步,以超臨界流體萃取為代表的新型提取技術先后涌現,與常規提取技術相比,無論在提取率和純度,還是自動化程度方面都有很大的進步,但由于新興提取技術操作要求高、儀器設備要求復雜,相關研究還很不完善,大多僅停留在實驗室階段。目前,農用植物活性成分提取技術還有以下幾個方面的工作尚需進一步展開。

          3.1擴大活性成分來源,進一步挖掘農用植物的生防價值

          農用植物生物多樣性豐富,世界上大約50 000種可利用的農用植物種,人類各個時期利用的才6% ,人工馴化成作物的只有2.4%,大面積栽培的僅占0.3%。加強抑菌植物資源的篩選調查,建立高效、快速、環保的活性成分提取技術方法體系,從農用植物中提取活性成分,并以其作為先導結構進行生物合成,探尋新的活性先導物或新的作用靶標,通過類推合成設計進行植物源農藥的開發勢在必行。離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

          3.2加強提取技術工業化生產研究,實現活性成分的規?;a

          近年來,以超聲波提取、超臨界流體萃取等為代表的新興技術逐步興起,活性成分提取率有了極大的提高,但由于提取成本設備復雜,操作要求高,目前大多停留在實驗室應用階段,工業化產業提取生產使用的較為普遍的還是能源消耗大,提取效率不高的常規提取技術,其使用的不合理靈活導致了資源的巨大浪費;新興的提取技術提取率高、提取速度快、環保節能,符合可持續發展的要求,因此必須加快新興技術向實際生產力的轉變,強化有關工程問題的研究,使這些新興的提取技術向著有利于工業化大規模生產的方向發展,提高提取效率,節約提取成本。

          3.3注重不同提取技術間聯用,促進活性成分提取效率最大化

              單一的提取方法或多或少存在不足,即使是目前運用得較好的一些新技術,也存在不盡人意的地方,已不能滿足農用植物活性成分提取高效、環保、廉價的要求。因此,根據植物源材料和目標產物的特性,合理靈活的使用聯合提取技術,尋求最佳的工藝條件,最大程度的保留活性成分,提高活性成分的提取率、純度和質量是未來有所突破的一個方向。此外,活性成分提取技術在不同行業發展是不均衡的,但其原理是相同的,在食品和醫藥行業,活性成分提取方法較為成熟,這為農用植物活性成分的提取提供了借鑒和參考,加快新興提取技術由醫藥、食品等行業向農用植物活性成分提取方向轉變,是今后工作的重點和熱點。離心萃取機提取農用植物活性成分的技術研究

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