高壓脈沖電場技術(shù)在中藥提取中的應(yīng)用前景

1、. . . . 高壓脈沖電場技術(shù)在中藥提取中的應(yīng)用前景摘要：目前我國中藥的提取技術(shù)普遍較為落后，存在著浪費(fèi)和效率不高的問題，近年來眾多的新技術(shù)被運(yùn)用到了中藥的有效成分中來，為中藥的提取展開了新思路，主流的有CO2超臨界萃取，膜過濾，微波提取，超聲波提取等。高壓脈沖電場（PEF）技術(shù)原用于滅菌，近年來國外眾多的科研人員將其運(yùn)用到了成分的提取上，顯示出了巨大的優(yōu)越性，本文著眼于該技術(shù)在中藥成分提取上的應(yīng)用，以期為中藥的高效提取出一份力。關(guān)鍵詞：高壓脈沖電場（PEF） 中藥 成分提取 前景在中醫(yī)藥現(xiàn)代化的大背景下，對中藥的有效成分的研究應(yīng)運(yùn)而生，通過研究，探明有效成分的的化學(xué)機(jī)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)、提取

2、、分離、檢識、結(jié)構(gòu)鑒定或確定、生物合成途徑和必要的化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾或改造，以與有效成分的結(jié)構(gòu)與中藥藥效之間的關(guān)系等。有效成分的類型主要有：糖類、苷類、醌類化合物、苯丙素類化合物、萜類和揮發(fā)油、黃酮類化合物、生物堿、甾體類化合物、三萜類化合物、鞣質(zhì)等。提取是用適當(dāng)?shù)娜軇ㄒ话銥樗蛞掖迹┌压腆w藥材中的有效成分溶解出來，這類單元操作在化工上叫固液提取。一般固液提取可分為化學(xué)提取、洗滌提取、擴(kuò)散提取三種類型。中藥的提取情況比較復(fù)雜，三種類型都可能涉與，其中以擴(kuò)散提取最為主要，因此，中藥提取過程實(shí)質(zhì)上就是以擴(kuò)散機(jī)理為基礎(chǔ)，溶質(zhì)由固相傳遞到液相中的傳質(zhì)過程。強(qiáng)化中藥提取的傳質(zhì)過程，無疑是提高提取效率的最佳途

3、徑。對有效成分的提取方法主要有溶劑提取法（包含煎煮法、浸漬法、滲漉法、回流法等），水蒸氣蒸餾法，超臨界流體萃取法等。傳統(tǒng)的提取方法存在著成本高，效率低，提取緩慢等缺點(diǎn)，為了克服這些缺點(diǎn)，近年來相繼有眾多的新技術(shù)運(yùn)用到這一領(lǐng)域中來，如超臨界流體提取技術(shù)、半仿生提取技術(shù)、超聲波提取法、微波提取法等，這些新的技術(shù)顯示出了傳統(tǒng)提取方法所不具備的巨大優(yōu)越性，降低了成本，提高了效率，對于熱敏性的成分的提取優(yōu)勢更是明顯。高壓脈沖電場（High Intensity Pulsed Electric Field, 簡稱 PEF 或 HPEF）是把液態(tài)食品作為電解質(zhì)置于容器，與容器邊緣的兩個放電電極通過高壓電流，產(chǎn)

4、生電脈沖進(jìn)行加工的方法。1PEF可在瞬間使被處理細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜電位混亂,改變其通透性,甚至可擊穿細(xì)胞壁和細(xì)胞膜,使其發(fā)生不可逆破壞,造成細(xì)胞新代紊亂,細(xì)胞中生長的必需組分流出,因此成為回收細(xì)胞有用物質(zhì)的理想途徑。2（圖1）電場的穿孔可分為以下三個階段：非電場穿孔階段：脈沖強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于臨界電場強(qiáng)度，電場不能在細(xì)胞膜上形成納米級的微孔；電場穿孔階段：電場強(qiáng)度大于臨界電場強(qiáng)度，細(xì)胞外的物質(zhì)可以通過被穿破的微孔自由交換；飽和階段：穩(wěn)定的狀態(tài)，即使電場強(qiáng)度的增加，也不會細(xì)胞膜的透過性增加。在這個階段，細(xì)胞會被破壞。電場強(qiáng)度越大，細(xì)胞的被破壞程度越大。3PEF最初是用于牛奶滅菌的，隨著研究的深入，該

5、技術(shù)得到了不斷的完善，90 年代美盛頓州立大學(xué)研究出了較為成熟的儀器，并申請了專利。圖1.透射電子顯微鏡下未經(jīng)電場處理和電場處理以后的橙汁中短乳桿菌到目前為止，PEF主要用來滅菌保鮮，科研人員在PEF滅菌上進(jìn)行了很多的研究，并且國外已經(jīng)取得了很多的成就，部分實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，而國目前限于科技水平和投入的原因，基本還處于實(shí)驗(yàn)階段。該技術(shù)在食品工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣，已經(jīng)被用于食品的殺菌、保存和提高口感等方面。PEF系統(tǒng)主要包括兩個部分：高壓脈沖發(fā)生器和處理室。高壓脈沖處理器的脈沖可以采用指數(shù)衰減波、方波、振蕩波和雙極性波等形式；處理室有平行盤式、線圈繞柱式、柱-柱式、柱-盤式、同心軸式等。4隨

6、著研究的深入，人們利用PEF殺菌的原理，逐漸的將該項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到其他的領(lǐng)域中，其中包括天然活性物質(zhì)的提取和處理以與食品藥品的保存，主要有以下幾個方面：1、PEF 提取多糖類化合物的技術(shù)現(xiàn)狀。2001 年，Angersbach5等研究從馬鈴薯中提取淀粉，發(fā)現(xiàn)在增加提取率的同時減少了廢水排放量。2005 年玉珠等6高壓脈沖電場提取中國林蛙多糖的研究，結(jié)果顯示用0.5%KOH提取液，在電場強(qiáng)度為20kv/cm和脈沖為6s的條件下用PEF的最大提取率為55.59%，比較其他三種方法，其提取率是復(fù)合酶法的1.77倍，總糖含量高于復(fù)合酶法，且提取物種雜志少。2006年殷涌光等7利用 PEF 對米糠多糖提取的

7、影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)米糠多糖最佳提取條件: 脈沖數(shù)為 12, 電場強(qiáng)度為 45kV /cm, 料水比為1 ：20, 此時, 多糖得率可達(dá) 0. 78%。2008 年，彥如等8對樺褐孔菌有效成分的 PEF 技術(shù)提取、化學(xué)修飾和抗癌活性進(jìn)行了研究，并與熱堿法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。電場強(qiáng)度 30kV/cm、脈沖數(shù) 6、液料比 25mL/g、pH 值10，得出多糖提取率和多糖純度平均值分別為 49.8%和 25.6%。高壓脈沖電場提取多糖的純度是超聲波輔助提取法的 1.40 倍。多糖提取率是熱提取法的 1.67 倍，是微波輔助提取法 1.12 倍。采用高壓脈沖電場提取樺

8、褐孔菌多糖，提取率較高，而且多糖的純度較高，提取物中的雜質(zhì)較少。2、提取蛋白質(zhì)和核酸的技術(shù)現(xiàn)狀。2003 年 Ganeva 等9在流動系統(tǒng)中用 PEF 提取酵母細(xì)胞的酶。在不需要任何預(yù)處理與后處理的情況下，提取率最大可達(dá) 80%-90%。2005 年，盧敏等10展了高壓電脈沖電場提取小麥胚谷胱苷肽的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn) PEF 處理能夠破壞小麥胚的細(xì)胞膜，改變其通透性，用該方法提取小麥胚谷胱苷肽是可行的。小麥谷胱苷肽最佳提取條件：脈沖數(shù)為9，電場強(qiáng)度為16kV ，料水比為1:202006 年玉珠等11用 PEF 研究了對啤酒酵母細(xì)胞溶解釋放蛋白質(zhì)的影響，當(dāng)試驗(yàn)條件在25、40 kV/ cm電場強(qiáng)度和

9、60個脈沖數(shù)時,酵母細(xì)胞蛋白質(zhì)和氨基酸溶出量最大(01154 mg/ mL ,01190 mg/ mL) ,約為未用高壓脈沖電場處理的2倍。2007 年，殷涌光12應(yīng)用 PEF 方法從牛脾臟中成功提取可用于食品中的DNA, 并與常規(guī)方法（SODE）的提取率進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)證明, 將物料懸浮在 pH5.5 的緩沖液中, 在 65, 脈沖電場強(qiáng)度為 30kV/cm , 脈沖寬度為 2!s, 脈沖數(shù)為 8 和流速為2mL/min, 4 倍質(zhì)量緩沖液的條件下, DNA 有最大提取率, 且提取率是常規(guī)方法的 1.87 倍。2007 年，金哲雄等3應(yīng)用 PEF 技術(shù)成功地從綠茶中提取了茶多糖、茶多酚和咖啡

10、堿等功能成分， PEF 可成功提取到 TPS、TP 和 Caf，PEF 方法提取率分別為水浸提方法的 191.3%和 110.8%、105%。SDS和PEF對DNA提取率分別為 1.80mg/g和 2.38mg/g，PEF較傳統(tǒng)的方法占優(yōu)。 PEF 處理牛脾臟DNA能將提取率提高 2 倍。3、PEF 提取小分子功能成份的技術(shù)現(xiàn)狀?？蒲腥藛T除了對多糖、蛋白質(zhì)和核酸進(jìn)行研究外，還對果汁、細(xì)胞色素、三萜類化合物和黃酮類化合物等小分子物質(zhì)的提取進(jìn)行了研究，認(rèn)為PEF對生物堿、甾、萜、維生素等小分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)影響較小,且具有快速，常溫等優(yōu)點(diǎn)。1994 年，Knorr13將PEF作用于胡蘿卜碎塊，胡蘿卜汁

11、的產(chǎn)量可以從51%提高到 76%。通過電鏡可以清晰地看到電脈沖改變了細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。2006燕等14用 310 kV/cm PEF 處理 420 個脈沖后, 用酸化甲醇提取 15 min, 可使花色苷的提取率達(dá)到 541（24%）, 較未處理樣品增加 411（29%）, 較直接冷凍解凍樣品的提取率增加 251（16%）。2008 年柳等15以秋季自然脫落的杜松松針為研究對象，以PEF為提取手段，對類黃酮化合物進(jìn)行了提取研究，發(fā)現(xiàn) PEF 法是一種有效的提取方法，提取率高，耗能少，處理時間短，對提取出的類黃酮物質(zhì)進(jìn)行初步分離并干燥濃縮，可得到純度為 63.02%的粗類黃酮粉。2008年彥如等8對樺褐

12、孔菌有效成分三萜類化合物進(jìn)行了研究，最優(yōu)組合為電場強(qiáng)度 50kV/cm、脈沖數(shù) 10、液料比 30mL/g、乙醇體積分?jǐn)?shù) 75%，并測定三萜化合物的提取率為 11.8g/kg。采用高壓脈沖提取法分別比超聲波、溶劑浸提法提取率高 5%和 8%，提取時間卻大大減少，僅需 20s。2010年，金聲瑯等16當(dāng)以乙酸乙酯為提取溶劑、電場強(qiáng)度為 30 kV/cm、液料比為 9 mL/g、脈沖數(shù)為 8、溫度為 30、單次提取時，番茄紅素提取率能達(dá)到 96.7%，是常規(guī)有機(jī)溶劑法的 2.4 倍、是微波輔助法的 1.23 倍、是超聲波輔助法的 1.04 倍，且處理時間短（16 s）4、對酶的影響。有人對過氧化物

13、酶、木瓜蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、果膠甲酯酶等的影響，結(jié)果顯示酶對 PEF 的抗性比微生物的要強(qiáng)，使得脈沖電場對酶處理時的操作強(qiáng)度要高。此外，脈沖電場對酶的作用效果千差萬別，有的有影響，有的沒影響，有的是失活，還有的是增活。這可能是因?yàn)槊}沖電場對酶的作用受操作參數(shù)、介質(zhì)條件以與酶自身性質(zhì)等諸多因素的影響。有的觀點(diǎn)認(rèn)為脈沖電場影響或破壞了酶空間結(jié)構(gòu)，還有的觀點(diǎn)認(rèn)為是影響了酶的活性部位。4或許通過PEF對酶的影響的進(jìn)一步研究，可以為中藥中殺酶保苷使中藥的有效成分免于被分解提供一條思路。5、食品藥品的保存。國外對 PEF 在食品滅菌應(yīng)用研究的進(jìn)展比較充分，蘋果汁、橙汁、番茄汁、蛋液、牛奶、青豆湯均被證

14、實(shí)經(jīng) PEF 處理后，在致死微生物的同時，不同程度的延長了貨架期，且食品的物理性質(zhì)和感官性質(zhì)未見有明顯改變。Vega-Mercado 等17分 2 步將豌豆湯暴露在電場中，每一步都為 35kV/cm的 16 個脈沖，目的是在處理期間防止溫度升高超過 55。在冷藏溫度條件下貯藏經(jīng) PEF 處理的豌豆湯發(fā)現(xiàn)其保制期超過 4 周。鑒于PEF較為成熟的滅菌技術(shù)，且具有常溫和對有效成分的傷害小等特點(diǎn)，PEF在中藥提取液的保存方面定能夠體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。在中藥材的成分提取影響因素方面，彥如8做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，主要的影響因素有提取溫度、藥材粒度、提高固液兩相的相對運(yùn)動速度、電場強(qiáng)度、脈沖數(shù)、處理時間、脈沖寬度

15、、脈沖頻率、電場的能量、脈沖波形。見表1。表1.提取傳質(zhì)過程的影響因素和強(qiáng)化方法雖然在實(shí)驗(yàn)室中對PEF的研究已經(jīng)進(jìn)行得較為深入了，但是PEF的工業(yè)化還存在著較大的問題：（1）可靠的高強(qiáng)度 PEF 發(fā)生器；電場強(qiáng)度、脈沖數(shù)、脈沖寬度、脈沖頻率、電場的能量、脈沖波形等關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；并將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與處理的檢測相結(jié)合。（2）在PEF發(fā)生器上加載能夠定細(xì)胞大小的顯微鏡并加載能夠通過已測定細(xì)胞大小來自動調(diào)整電場強(qiáng)度的電腦系統(tǒng)來保障其處理的精密性和科學(xué)性（3）建立PEF處理時的正確數(shù)學(xué)模型。（4）設(shè)計(jì)理想的電極，其處理時生物材料能夠均勻地分布在處理電極之間，保證最大限度的破壞程度。（5）科學(xué)地解釋

16、處理介質(zhì)條件的影響(介質(zhì)的 pH 值、介質(zhì)的離子強(qiáng)度、介質(zhì)電導(dǎo)率、水分活度、生物材料濃度、處理溫度、粒度大小和混合和攪拌等)和生物材料特性(細(xì)胞形狀、生長階段、生物材料大小、生物的種類、生物材料電阻和電導(dǎo)率等)的相互關(guān)系，使 PEF 發(fā)生器的效率達(dá)到最高。8（6）目前還沒能夠研制出大功率的脈沖方波電源發(fā)生器，并且該發(fā)生器造價昂貴，對于講求工業(yè)成本的企業(yè)來說有些難以承受，而處理室的規(guī)模也僅限于實(shí)驗(yàn)室，無法大規(guī)模地運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中。高壓脈沖電場（PEF）細(xì)胞膜破壞技術(shù)已被公認(rèn)為國際上研究最熱門、最先進(jìn)的滅菌與提取技術(shù)之一，是對傳統(tǒng)滅菌方法的革命，其創(chuàng)新性、科學(xué)性和先進(jìn)性不容置疑。值得一提的是PEF

17、是融合了生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)和工程技術(shù)，是一個交叉學(xué)科，技術(shù)和設(shè)備上暫時存在的問題無法掩蓋PEF在成分提取上應(yīng)用的大好前景，其突出的優(yōu)點(diǎn)常溫提取、處理時間短，對物質(zhì)破壞小，必將為中藥的現(xiàn)代化高效提取開辟一個新的領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：1 殷涌光, 靜波, 林松毅. 食品無菌加工技術(shù)與設(shè)備M. : 化學(xué)工業(yè), 2006, 118.2 曾新安,高大維,于淑娟。高壓電脈沖在食品生化工業(yè)中的作用J 。食品科學(xué),1996 ,17 (7) :32613 金哲雄.高壓脈沖電場常溫快速提取動植物成分工藝與機(jī)理研究D.：+大學(xué),20074 玉江，淡黃卵磷脂高壓脈沖電場提取關(guān)鍵技術(shù)與增強(qiáng)記憶功能的評價，大學(xué)博士學(xué)

18、位論文，20095 吳小輝,龔雪梅,賀嵐,等.高壓脈沖電場在食品加工與天然產(chǎn)物提取中的研究現(xiàn)狀和前景展望J.農(nóng)學(xué)通報,2008,14（24）:24-266 玉珠，殷涌光，鳳偉，丁宏偉.高壓脈沖電場提取中國林蛙多糖的研究J.食品科學(xué), 2005, 26（9）:337-3097 殷涌光，盧敏，丁宏偉等.高壓電脈沖提取米糠多糖的影響因素研究J.中國糧油學(xué)報，2005，12（9）：20-228 彥如.樺褐孔菌有效成分的 PEF 技術(shù)提取提取、化學(xué)修飾和抗癌活性的研究D.：大學(xué)，20089 Ganeva V,GalutZov B,Teissie J.High yield electroextraction of proteins fromyeast by a flow processJ.Analytical Biochemistry，2003,315（1）:7710盧敏，殷涌光，瑜.高壓電脈沖提取小麥胚谷