内部沸腾法强化提取若干中药有效成分的研究及评价

摘要

我国药用植物资源丰富，中药提取的产业纷繁众多。然而，由于生产工艺的不同，许多企业在生产效率和产品质量上良莠不齐。多数企业仍沿用传统煎煮法和乙醇回流提取法作为主要的提取方法，这些方法虽然在设备投资环节上节约了生产成本，但由于生产效率低下、产品质量不高及在生产过程中能耗需求和有机溶剂消耗量过大等原因，使他们的发展进入了瓶颈。少数企业通过改良生产工艺，引进了新型的提取分离技术，如：超临界CO2萃取、微波辅助、超声波辅助等，但由于设备投资及能耗的增加，无形中增加了产品的成本，降低了企业的竞争力。针对这些问题，本课题组于2004年提出了内部沸腾提取的方法，该法在部分药用植物有效成分的提取分离中取得了较好的效果。然而，对于该法的研究尚需进一步完善。
　　 本文针对内部沸腾法能实现低温、快速提取的特点，进一步扩大了内部沸腾法在药用植物提取上的应用范围。首先选取了香菇、灵芝、枸杞三种有效成分为多糖类天然高分子的特色植物，通过采用单因素实验对提取工艺条件的优化及与传统煎煮法的比较，评价了常压和减压内部沸腾法用于多糖类天然大分子提取的适应性；同时，也分别以匙羹藤和穿心莲两种植物为代表，研究了内部沸腾法在高色素含量植物提取中的应用。继而，通过单因素实验优化提取工艺及与后续纯化工艺的联用，探索了内部沸腾法对大孔吸附树脂再生性能的影响，也进一步扩充内部沸腾法在中药提取领域；其次，通过研究丹参、葛根、三七三种植物中的五种有效成分的提取动力学为例，依据内部沸腾法提取过程是对流扩散特点，推导并选取了合适的动力学模型，拟合了该提取过程的动力学方程，计算传质系数，并以此为基础对内部沸腾法提取过程中的热力学参数进行探讨，为该法提供理论支持；最后，分别以金银花、三七和穿心莲三种植物为例，选取指标成分为评价指标，结合构建地HPLC指纹图谱，对内部沸腾法和其他几种常见的提取技术进行了综合比较，并以模糊数学的思想对其进行了综合评判，为中草药提取工艺的优选提供了方法上的借鉴。
　　 结果表明，在最佳的提取工艺条件下，内部沸腾能够适应于多糖类高分子物质的提取，尤其减压内部沸腾法可以对有效成分为酯溶性多糖，而单糖含量较高的药用植物实现选择性提取，并能大大降低提取过程中有机溶剂的消耗量。另一方面，对于色素含量较高的植物来说，内部沸腾法可以降低提取过程中色素的浸出量，减轻对后续纯化工艺上的压力，有助于提高大孔树脂的使用寿命。从提取动力学上来看，减压内部沸腾法的传质系数受温度影响较小，在0.07～0.14 s-1，且在植物细胞破碎区和细胞完整区的传质系数基本接近，体现了对流传质的特征。与超声波辅助相比，内部沸腾法大大强化了内扩散的速度，使其传质系数比超声波辅助法大100倍以上。在提取过程中，内部沸腾法有效地降低了提取过程中的能垒，使得提取活化能较低，有利于提取地进行。整个过程的焓变△H和熵变△S均大于零，而提取自由能△G小于零，表明内部沸腾法的提取过程为吸热熵增加的过程，为自发过程。通过采用HPLC指纹图谱及相似度评价系统对几种不同提取方法的比较，结果发现内部沸腾法提取过程中不仅仅能在提取率上保证了指标成分的浸出，而且能够保障多种有效成分的同时浸出，与传统的甲醇冷浸法接近。对于维护原药有效成分的全貌，体现中医理论“君、臣、佐、使”的思想有着重要的意义。另外，通过借鉴模糊数学的思想，综合考虑了提取产品的质量、提取效率及扩大生产所需的设备投资等因素的影响，构建了评价指标模糊矩阵和权重矩阵，以数学评判的思想对减压内部沸腾法、传统煎煮法、甲醇冷浸法、超声波辅助法、微波辅助法和常压内部沸腾法进行了综合比较，结果表明内部沸腾法综合得分较高，具有巨大的推广潜力。
　　 以上结果表明，内部沸腾法能够在较为广泛的药用植物资源中，实现中药有效成分的快速、绿色提取分离。相信在不久的将来，该法必将因其巨大的优势而被广泛投入到工业中。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

第一章 绪论

1.1 中药提取过程机理及动力学研究

1.1.1 普通传质提取

1.1.2 强化传质提取

1.1.3 内部沸腾法

1.2 中药提取工艺评价的研究

1.2.1 化学法

1.2.2生物学法

1.2.3 有效成分综合评价

1.2.4 工程及经济指标

1.2.5 中药指纹图谱

1.2.6 模糊数学综合评价

1.3 研究内容简介

1.3.1 研究的目的和意义

1.3.2 本论文的主要工作

1.3.3 本论文主要创新点

第二章 内部沸腾法提取植物多糖

2.1 常压内部沸腾法提取香菇、灵芝多糖

2.1.1 药品与仪器

2.1.2 实验方法

2.1.3 分析方法

2.1.4 结果与讨论

2.1.5 结论

2.2 减压内部沸腾法选择性提取枸杞多糖

2.2.1 药品与仪器

2.2.2 实验方法

2.2.3 分析方法

2.2.4 结果与讨论

2.2.5 结论

2.3 机理探讨

2.4 本章小结

第三章 减压内部沸腾法提取高色素含量药用植物的有效成分

3.1 引言

3.2 药品与仪器

3.2.1 实验材料与试剂

3.2.2 仪器与设备

3.3 实验方法

3.3.1 提取工艺的优化

3.3.2 大孔吸附树脂纯化工艺的优化

3.3.3 对比试验

3.3.4 树脂的再生效果

3.3.5 分析方法及计算方法

3.3.6 结果与讨论

3.4 机理的探讨

3.5 本章小结

第四章 内部沸腾法提取过程的动力学及其相关热力学的研究

4.1 提取动力学模型的研究

4.1.1 动力学模型Ⅰ的研究

4.1.2 动力学模型Ⅱ的研究

4.2 提取过程的热力学函数的计算

4.3 内部沸腾法提取过程中动力学方程的拟合及相关热力学函数的计算

4.3.1 前言

4.3.2 药品与仪器

4.3.3 实验方法

4.3.4 分析方法及计算方法

4.3.5 结果与分析

4.4 本章小结

第五章 内部沸腾法的评价

5.1 HPLC指纹图谱法评价

5.1.1 药品与仪器

5.1.2 实验方法

5.1.3 结果与分析

5.1.4 结论

5.2 模糊数学法综合评价

5.2.1 评价指标体系的确定

5.2.2 评价指标隶属度函数的确定

5.2.3 各评价指标权重的确定及一致性检验

5.2.4 模糊数学综合评价

5.3 其他评价

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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