超高压技术在天然产物提取中的应用.docx

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1、摘要：超高压技术是近年来发展较快的一种新型提取技术，具有快速、高效、能耗少、提取温度低、操作简单以及绿色环保等特点。现简单阐述了超高压技术的基本原理和主要特点，综述了国内外近年来采用超高压技术提取天然活性成分方面的研究进展，同时对超高压技术在天然产物提取方面的应用进行了展望。关键词：超高压技术；天然活性成分；提取；原理O引言天然产物的品种繁多，所含成分十分复杂，且其有效成分多为细胞内物质，因此其有效成分提取的本质是让目标成分从细胞内释放，经多孔细胞膜壁扩散到溶剂中的过程。目前，所有提取方法的目的都是强化目标成分从基质向提取溶剂扩散，同时保持目标成分的活性。为了提高天然产物的治疗效果，降低不良反

2、应，选择合理的提取工艺尤为重要。天然产物常用的提取方法有煎煮法、浸渍法、渗漉法、回流提取法、索氏提取法等，这些方法普遍存在能耗高、溶剂消耗大、周期长、工序多、提取率不高等缺点，制约了天然产物的进一步研发。为了克服这些不足，亟需寻求一种新的高效、快速、方便、自动化的提取方法。超高压技术(ultra-highpressureextractiontechnology,UHPE)的出现顺应了这一发展趋势。超高压技术的应用领域非常广泛，为生物医药和食品工程的科学研究、产品开发、工艺革新提供了新的平台。超高压技术是近年来发展较快的一种新型提取技术，具有快速、高效、能耗少、提取温度低、操作简单以及绿色环保等

3、特点。该技术最初应用于食品保鲜、食品品质改良、食品安全控制、食品乳化和成型等方面，并由此推动了相关生物技术的应用基础研究。随着应用范围的逐渐增大以及技术发展的日趋成熟，超高压技术开始应用于天然产物的提取领域。1超高压技术的发展超高压技术最初被广泛应用于陶瓷、金属、石墨等材料加工领域，直至20世纪80年代后期才逐渐作为一种新型的灭菌方法和加工技术应用于食品工业领域。1899年，美国化学家通过对牛奶的高压研究发现，在650MPa作用下可以减少牛奶中微生物的数量。1914年，美国物理学家提出了在静水压下蛋白质变性、凝固的报告。随后，又发现，经过高压处理的水果保存期至少可以达到5年。1986年，日本京

4、都大学率先开展了高压食品的研究，提出了高压在食品加工中应用的研究报告后，1991年第一种高压食品一一果酱，正式在日本问世，标志着高压食品加工技术取得了突破性进展。随着超高压技术研究的深入发展，超高压生物加工技术己经成为21世纪的尖端科技之一，它涉及微生物学、生物物理、生物化学、医学医药、营养学、食品工程、材料学等诸多领域。目前，日本、美国、韩国、法国等国家先后对高压食品的加工原理、方法、技术细节以及应用前景等进行了广泛深入的研究，并己逐步进入市场。我国学者也一直密切关注着国际上超高压技术的发展趋势，并尝试利用这一新兴技术进行天然产物的提取。2超高压技术原理超高压（UHP）的全称是“超高冷等静压

5、”。根据目前科学技术的发展状况和液压技术的特点，将超高压定义为100MPa以上的压力。超高压技术的基本原理是在常温条件下，对原料液施加1001000MPa的流体静压力，保压一定时间后迅速卸除压力，进而完成整个提取过程。溶剂在超高压作用下可渗透到固体原料内部，使原料中的有效成分溶解在提取溶剂中，在预定压力下保持一定的时间，使有效成分达到溶解平衡后迅速卸压，在细胞内外渗透压的作用下，有效成分可迅速扩散到组织周围的提取液中。另外，在超高压的作用下，还可以观察到提取后药材细胞壁、细胞膜以及细胞内液泡等结构的变化，促进细胞内可溶物质和提取溶剂的充分接触。1.1 超高压提取中药有效成分一般天然产物的提取可

6、分为三个过程：一是药材浸润和润湿过程；二是溶质的解吸和溶解过程；三是溶质的扩散和置换过程。药材浸润和溶质溶解、置换过程就是溶剂通过药材颗粒表面进入细胞内，使细胞内部充满溶剂，从而使其中的可溶物质逐步溶解于溶剂中，形成溶液。药材颗粒表面有宏观毛细孔（一般半径el。cm）和微观毛细孔（一般半径V10%m）。药材浸润过程中，溶剂首先充满宏观毛细孔和微观毛细孔，同时通过细胞壁渗透扩散。药材浸润和溶质溶解、置换过程的速度，与溶剂性质、固体药材内毛细孔状况、细胞壁的结构、性质以及药材的表面状态、比表面积、提取温度、压力等因素有关，一般来说温度越高，压力越大，浸润速度越快。1.2 超高压技术的影响因素超高压

7、技术作为天然产物的提取方法在2004年首次被提出，并对其进行了适用性研究，发现该技术可以缩短提取时间，提高得率和产品纯度。超高压技术的主要影响因素有：提取液种类、料液比、温度、保压时间和压力大小。超高压提取过程的压力对提取效率的影响可以从以下不同阶段加以说明。(1)升压阶段：压力在几分钟内(一般小于5min)迅速由常压升至几百兆帕，固体组织细胞内外形成了超高的压力差，提取溶剂在超高压力推动下迅速渗透到植物内部的维管束和腺细胞内。随着压力迅速升高，细胞体积被压缩，如果超过其形变极限，就会导致细胞破裂，细胞内的物质与溶剂接触被溶解；如果没有超过细胞的形变极限，提取溶剂就会在高压作用下，进入植物细胞

8、内，使有效成分溶解在提取溶剂中。(2)保压阶段：超高压力引起体系的体积变化，推动化学平衡的移动，溶剂的渗透与溶质的溶解快速达到平衡。因此保压阶段时间很短，一般几分钟之内即可完成。(3)卸压阶段：卸压一般在几秒钟之内即可完成(一般卸压时间石斛多脩压力300Pa,保压时间6Zn,粉碎度90目，固液比1:2019.27%4.2皂昔类化合物提取皂昔(SaPonin)是昔元为三菇或螺旋留烷类化合物的一类糖首，主要分布于陆地高等植物中，少量存在于海星和海参等海洋生物中。皂昔类化合物作为二级代谢产物广泛分布于植物中，是植物防御系统的屏障，以对抗病原体和食草动物。皂昔类化合物按皂甘配基的结构可以分为三菇皂昔和

9、笛体皂昔两大类，例如人参皂甘、柴胡皂昔等属三菇皂昔，麦冬皂甘、薯黄皂昔等为幽体皂昔。皂昔的化学结构中，由于昔元具有不同程度的亲脂性，糖链具有较强的亲水性，使皂昔成为一种表面活性剂，经水溶液振摇后能产生持久性的肥皂样泡沫。同时，越来越多的研究证明皂甘类化合物具有广泛的药理作用：(1)调节血压、血脂，对血压血脂具有双向调节作用；(2)降血糖，对糖尿病有辅助治疗作用，能降低尿糖、血糖含量；(3)抗衰老、提高记忆力，能增强人体代谢功能，加速细胞修复；(4)抗肿瘤，能增强肿瘤患者的DNA代谢，促进免疫球蛋白的产生，增进食欲，缩短化/放疗的周期，减少副作用。使用超高压技术从人参中提取人参皂甘，确定了其最佳

10、工艺条件，并与微波辅助提取、超声辅助提取、索氏提取、热回流提取相比较，结果表明，超高压提取在产品得率、提取时间和能耗方面均优于其他方法。同时，研究还发现在同样的皂昔浓度条件下，热回流提取法和超高压提取法展现出相近的清除自由基能力，优于其他几种方法。虽然超高压提取后的皂昔自由基清除能力不是最高，但是由于其高效的提取效果使得超高压提取后的皂甘含量最高，因此依然具备较好的自由基清除能力。探讨了不同提取溶剂、溶剂浓度、提取压力、溶剂与原料比、提取时间等因素对皂昔得率的影响，确定了超高压提取西洋参根中皂昔的最佳条件，并将超高压提取法与热回流提取、微波提取、超声提取、超临界C02萃取等方法进行了比较。超高

11、压提取西洋参根中皂昔的最佳提取条件为：70%乙醇水溶液为提取溶剂，提取压力为200MPa,溶剂与原料比为50:1,提取时间为2min。超高压提取西洋参根中的皂昔具有提取得率高、时间短、能耗低等优点，因而采用超高压技术进行西洋参皂昔的提取具有更大优势。经过大量的试验对比，超高压技术不仅在提取时间和提取得率上具有明显优势，在提取产品的清除自由基能力方面也要优于热回流提取、超声提取、微波提取等方法。超高压技术的出现为皂甘类化合物的提取提供了新的思路。尽管超高压技术在中药有效成分的提取方面具有很多独特的应用，但其应用研究还处于起步阶段，还有很多工作要做，如提取工艺参数协同效应的优化等问题尚需进一步深入

12、研究。4.1 黄酮类化合物提取黄酮类化合物也称黄碱素，多以糖昔形式存在，作为二级代谢产物广泛分布于各种植物中，截至目前已发现的黄酮类化合物高达8000多种。黄酮类化合物是天然产物中生物活性较高的一类有效成分，许多中药或中成药都选用黄酮类化合物作为质量控制指标。黄酮类化合物具有多种生理活性，人体摄入后可产生抗氧化、抗肿瘤、抗骨质疏松、保护心血管系统、调节机体免疫及炎症反应等功效。与皂甘类化合物相同，黄酮类化合物也大多采用传统的提取方法，而将超高压技术应用于黄酮类化合物的提取，不仅能大大缩短提取时间，还可以提高黄酮类化合物的提取率。纵伟等应用超高压技术提取金银花中的总黄酮，考察了压力、提取时间、固

13、液比和原料粒度对总黄酮提取率的影响，得到最佳提取条件为：提取压力360MPa、提取时间5min、固液比1:14、原料粒度80目，总黄酮提取得率最高达13.56%。同时将超高压提取法与热醇浸泡提取法、微波提取法、超声提取法进行比较，其总黄酮得率分别为13.56%、10.32%、11.21%和12.02%。由此可见，超高压提取方法得率高、时间短，是一种提取金银花中总黄酮的较好方法。试验在常温条件下进行，避免了因热效应导致的有效成分结构发生变化以及生理活性的降低。研究同时发现，随着超高压提取金银花总黄酮浓度的增加，DPPH自由基的清除率也随之增加，呈现良好的线性关系，说明超高压提取的总黄酮具有较高的

14、抗氧化能力。选用1.9(3,)正交实验法优化超高压提取山楂叶中黄酮类化合物的最佳工艺，并用分光光度法检测山楂叶中黄酮类化合物的含量。结果表明，超高压提取山楂叶中黄酮类化合物的最佳提取工艺参数为：提取溶剂为50%乙醇，提取压力400MPa,料液比为1:45,提取温度60,提取时间3min。同时，超高压提取技术还具有提取效率高、时间短、杂质含量少等优点。通过响应面法对超高压提取金鸡菊总黄酮的工艺进行了研究，同时将热回流提取法与超高压提取法进行比较，发现超高压提取得率较高且用时短。对这两种方法提取的黄酮进行紫外可见光谱分析和红外可见光谱分析，发现这两种样品的光谱图均重叠，表明两者为同一物质，说明超高

15、压技术不会破坏金鸡菊总黄酮的结构。采用超高压技术提取山楂黄酮，同时与索氏提取法、超声提取法相比较，研究发现，超高压技术有明显的优势，有利于得率的提高，且避免了提取过程中产生热效应。为了更好地解释超高压技术有利于黄酮的提取，利用发射扫描电镜观察提取前山楂黄酮干燥粉末以及经索氏提取和超高压提取后烘干的残渣粉末，结果显示，超高压提取后的残渣颗粒表面的孔隙比索氏提取后的更多、更大，组织结构破坏更加严重，且比表面积增加，这些变化正是超高压提取山楂黄酮具有较高得率的主要原因。4.2 多酚类化合物提取多酚是四种主要次级代谢产物之一，存在于一些常见的植物性食材中，例如水果、蔬菜、谷类食物、豆类、坚果等。多酚类

16、物质的种类繁多，结构各异，多以复杂的混合物形式存在，目前科学界已经分离鉴定出8000多种多酚类物质，如苹果中的根皮昔、葡萄中的甘藜芦醇、柿子中的单宁等。多酚类物质被称为“第七类营养素”，其主要活性成分为多酚类化合物。多酚类化合物是指分子结构中有若干个酚性羟基的植物成分的总称，包括黄酮类、单宁类、酚酸类以及花色昔类等。多酚类化合物的共同特点是具有良好的抗氧化活性，能与维生素C、E和胡萝卜素等其他抗氧化物在体内一起发挥抗氧化功效，清除有害人体健康的坏分子一一自由基。因此，多酚具有抗肿瘤、抗氧化、抗动脉硬化以及防治冠心病、高血压、糖尿病等的生物活性。采用响应面法对蓝靛果多酚超高压提取条件进行了优化，

17、结果表明，响应面法优化超高压提取条件为：料液比1:19、提取温度30、提取压力406MPa、超高压时间11.5min、乙醇体积分数50%,此条件下多酚提取量最高，达(78.233.45)mg/100g果浆。将超高压提取法和超声波提取法进行比较可得，尽管超高压提取缩短了蓝靛果多酚提取时间，且提取的多酚活性高，但受到容器大小的限制，在大批量提取蓝靛果多酚的情况下，超高压提取的效率和提取量仍然不及超声波提取。因此，从多酚提取量和提取效率的角度考虑，超声波提取蓝靛果多酚优于超高压提取。采用超高压技术在常温下从茶叶中提取茶多酚，并通过正交试验法,以茶多酚粗品收率为指标，考察了溶剂浓度、压力、保压时间、浸

18、泡时间对茶多酚的影响。研究表明，超高压提取茶多酚的最佳工艺条件为：溶剂60%乙醇，压力200MPa,浸泡时间0.5h,保压时间3min,得率为28.92%。同时比较了回流提取法与超高压提取法，得到超高压提取的粗品收率比回流提取的收率高25.3%,茶多酚的收率则比回流提取高32%。超高压提取不但比回流提取收率高，并且提取液澄清、透明，存放一年半后毫无变化。4.3 其他天然活性成分提取超高压技术除了应用到上述多糖、皂甘、黄酮及多酚类化合物的提取外，人们也正在研究利用超高压技术提取其他天然活性成分。此外，还有许多文献报道已证实了超高压技术可以大大提高一些天然活性成分的提取率。丹参素是一种受热易分解的

19、化学成分，采用常温超高压技术提取，可克服丹参素在热回流提取法过程中受热分解的不足。利用超高压技术温度低的特点，尝试提取丹参中的丹参素，他们将丹参用80%乙醇溶液(pH=13)浸泡16h后，在300MPa压力下进行提取，结果丹参素提取率达0.465%,较热回流提取法高33.7%。在常温条件下使用超高压技术从乌头中提取乌头原碱，将乌头用乙醇浸泡2h后，在600MPa下保压5min,提取的乌头原碱含量可达5.21mgg,较煎煮法高6倍。同时，提取时间仅是热回流法的2%,避免了乌头中其他有效成分因热效应而发生结构变化。但是，因为乌头中的生物碱有剧毒，利用超高压技术在常温下提取乌头原碱，其安全性还有待进

20、一步评价，因此人们通常还是采用传统的提取方法，例如煎煮法等提取乌头原碱。5结语与其他提取方法相比较，超高压技术在天然活性成分提取方面具有效率高、纯度高的优点，尤其是提取过程可以在室温条件下进行，避免了热效应对天然活性成分的破坏，得到众多研究者的肯定。虽然超高压技术在提取方面具有很多独特的优势，但要将这一门新技术从实验室研究推向大规模工业生产，还需要在以下几个方面继续发展：(1)进一步深入研究超高压提取天然活性成分的原理，为超高压技术的应用提供理论依据。(2)改进完善超高压设备，如安装温度实时监控设备，以便更加精确地控制温度；提升各部件材质，从而提升超高压设备的密封性、稳定性及安全性，使得提取工艺参数得到进一步优化等。(3)进一步挖掘影响提取得率的因素，分析超高压技术对提取成分结构、生物活性等的影响，深入研究超高压提取后所提取产物的分离纯化和定性定量分析。(4)研究超高压技术协同其他技术提取天然活性成分，如超高压技术与均质作用结合、酶法辅助超高压提取等。我国超高压技术研究时间尚短，面临巨大的挑战，应抓住机遇，进一步加快超高压技术研究和应用的步伐。随着国内外研究的不断发展，相信超高压技术在天然活性成分提取方面的应用将会更加深入和广泛，同时也有利于加快我国中药现代化进程。