高壓脈沖電場技術(shù)在中藥提取中的應(yīng)用前景

高壓脈沖電場技術(shù)在中藥提取中的應(yīng)用前景摘要：目前我國中藥提取技術(shù)普遍比較落后，存在浪費和效率低的問題。近年來，許多新技術(shù)應(yīng)用于中藥有效成分，為中藥提取開辟了新思路。主流的有CO2超臨界萃取、膜過濾、微波萃取、超聲波萃取等。高壓脈沖電場（PEF）技術(shù)最初用于滅菌。近年來，國外許多研究人員將其應(yīng)用于成分的提取，顯示出極大的優(yōu)勢。本文重點介紹該技術(shù)在中藥成分提取中的應(yīng)用。為中藥材的高效提取提取一份力量。關(guān)鍵詞:高壓脈沖電場(PEF)提取中藥成分前景在中藥現(xiàn)代化的背景下，中藥有效成分的研究應(yīng)運而生。化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾或轉(zhuǎn)化的途徑和必要的化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾或轉(zhuǎn)化，活性成分的結(jié)構(gòu)與中藥藥效的關(guān)系等?；钚猿煞值闹饕N類有：糖類、甙類、醌類、苯丙烷類、萜類和揮發(fā)油，黃酮類、生物堿類、甾體類、三萜類、鞣質(zhì)類等。提取是用適當(dāng)?shù)娜軇ㄍǔＪ撬蛞掖迹┤芙夤腆w藥材中的有效成分。這種單元操作在化學(xué)工業(yè)中稱為固液萃取。固液萃取一般可分為化學(xué)萃取、洗滌萃取和擴散萃取三種。中藥的提取相對復(fù)雜，三種類型都可能涉及，其中擴散提取最為重要。因此，中藥的提取過程本質(zhì)上是一個基于擴散機理的傳質(zhì)過程，溶質(zhì)從固相轉(zhuǎn)移到液相。加強中藥提取的傳質(zhì)過程無疑是提高提取效率的最佳途徑。有效成分的提取方法主要有溶劑提?。ò鍎⒔n、滲漉、回流等）、水蒸氣蒸餾、超臨界流體提取等，傳統(tǒng)的提取方法存在成本高、效率低、提取速度慢等缺點。為克服這些缺點，近年來在該領(lǐng)域應(yīng)用了許多新技術(shù)，如超臨界流體萃取技術(shù)、半仿生萃取技術(shù)、超聲波萃取、微波萃取等。方法不具備，降低成本，提高效率，對于熱敏成分的提取具有更明顯的優(yōu)勢。高強度脈沖電場（PEF或簡稱HPEF）是一種將液態(tài)食物放入容器中作為電解液，容器邊緣的兩個放電電極通過高壓電流產(chǎn)生電脈沖進行處理的方法。[1]PEF可以瞬間破壞被處理細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜電位，改變其通透性，甚至破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，造成不可逆的損傷，導(dǎo)致新一代細(xì)胞紊亂，細(xì)胞生長所必需的成分。分流，因此成為回收細(xì)胞中有用物質(zhì)的理想方法。[2]（圖1）電場穿孔可分為以下三個階段：①非電場穿孔階段：脈沖強度遠(yuǎn)小于臨界電場強度，電場不能形成納米級細(xì)胞膜上的水垢孔；②電場穿孔階段：當(dāng)電場強度大于臨界電場強度時，細(xì)胞外物質(zhì)可以通過穿孔的微孔自由交換；③飽和階段：穩(wěn)定狀態(tài)，即使電場強度增加，細(xì)胞膜的通透性也不會增加。在這個階段，細(xì)胞被破壞。電場強度越大，對細(xì)胞的損傷越大。[3]PEF最初用于牛奶滅菌。隨著研究的深入，該技術(shù)不斷得到改進。1990年代，華盛頓州立大學(xué)研制出相對成熟的儀器并申請了專利。圖1透射電鏡下未經(jīng)電場處理和電場處理后橙汁中的短乳桿菌到目前為止，PEF主要用于殺菌和保鮮。研究人員對PEF滅菌進行了大量研究，國外取得了許多成果，其中一些已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。投資的原因基本上還處于試驗階段。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，已用于食品的殺菌、保鮮和改善口感。PEF系統(tǒng)主要由高壓脈沖發(fā)生器和處理室兩部分組成。高壓脈沖處理器的脈沖可以是指數(shù)衰減波、方波、振蕩波和雙極波形式；處理室有平行盤式、繞線柱式、柱-柱式、柱盤式、同心軸式等。[4]隨著研究的深入，人們利用PEF殺菌原理，逐漸將該技術(shù)應(yīng)用到其他領(lǐng)域，包括天然活性物質(zhì)的提取加工和食品藥品的保鮮，主要有以下幾個方面：1、PEF提取多糖的技術(shù)現(xiàn)狀。2001年，Angersbach[5]等人。研究了從馬鈴薯中提取淀粉，發(fā)現(xiàn)在提高提取率的同時減少了廢水排放。2005年，玉珠等人。[6]研究了高壓脈沖電場從林蛙中提取多糖。結(jié)果表明，在電場強度為20kv/cm、脈沖為6μs的條件下，用0.5%的KOH提取液對PEF的最大提取率為55.59%。，與其他三種方法相比，提取率為復(fù)合酶法的1.77倍，總糖含量高于復(fù)合酶法，提取物種類較少。2006年，尹永光等。[7]利用PEF研究了影響米糠多糖提取的因素，發(fā)現(xiàn)米糠多糖的最佳提取條件為：脈沖數(shù)為12，電場強度為45kV/cm，材料與水的比例為1:20。，多糖收率可達0.78%。2008年，Yanru等人。[8]研究了樺褐孔菌活性成分的PEF提取、化學(xué)修飾和抗癌活性，并與熱堿法、微波輔助提取法和超聲輔助提取法進行了對比實驗。.電場強度為30kV/cm，脈沖數(shù)為6，液料比為25mL/g，pH值為10。平均多糖提取率和多糖純度分別為49.8%和25.6%，分別。高壓脈沖電場提取的多糖純度是超聲輔助提取的1.40倍。多糖的提取率為熱提取的1.67倍，微波輔助提取的1.12倍。采用高壓脈沖電場提取樺褐孔菌多糖，提取率高，多糖純度高，提取物中雜質(zhì)少。2、蛋白質(zhì)和核酸提取技術(shù)現(xiàn)狀。2003年，Ganeva等人。[9]在流動系統(tǒng)中使用PEF從酵母細(xì)胞中提取酶。無需任何前處理和后處理，最高提取率可達80%-90%。2005年，盧敏等人。[10]進行了高壓電脈沖電場從小麥胚芽中提取谷胱甘肽的研究，發(fā)現(xiàn)PEF處理可以破壞小麥胚芽的細(xì)胞膜，改變其通透性。該方法用于提取小麥胚芽谷。半胱氨酸是可行的。小麥谷胱甘肽的最佳提取條件：脈沖數(shù)為9，電場強度為16kV，料水比為1:202006年，玉珠等人。[11]研究了PEF對啤酒酵母細(xì)胞中蛋白質(zhì)釋放的影響。當(dāng)實驗條件為25℃40kV/cm電場強度和60個脈沖時，酵母細(xì)胞的蛋白質(zhì)和氨基酸溶出量最大（01154mg）。/mL，01190mg/mL)，約為未經(jīng)高壓脈沖電場處理的22007年，尹永光[12]應(yīng)用PEF法成功地從牛脾中提取了可用于食品的DNA，并與常規(guī)方法（SODE）進行了提取率比較。實驗證明，在65℃脈沖電場強度為30kV/cm、脈沖寬度為2!s、脈沖數(shù)為8、流速為2mL/min、質(zhì)量為4倍的條件下，將物料懸浮在pH5.5的緩沖液中。的緩沖溶液。在以下條件下，DNA的提取率最大，提取率為常規(guī)方法的1.872007年，金哲雄等。[3]利用PEF技術(shù)成功地從綠茶中提取了茶多糖、茶多酚和咖啡因等功能性成分。PEF可以成功提取到TPS、TP和Caf。191.3%、110.8%、105%的提取方法。SDS和PEF的DNA提取率分別為1.80mg/g和2.38mg/g，PEF優(yōu)于傳統(tǒng)方法。PEF處理牛脾臟DNA可使提取率提高2倍。3、PEF提取小分子功能成分的技術(shù)現(xiàn)狀。除了多糖、蛋白質(zhì)和核酸的研究外，研究人員還對果汁、細(xì)胞色素、三萜類和黃酮類等小分子的提取進行了研究。小分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)影響小，具有快速、常溫等優(yōu)點。1994年，家樂[13]將PEF應(yīng)用于胡蘿卜絲，胡蘿卜汁的產(chǎn)量可從51%提高到76%。通過電子顯微鏡可以清楚地看到改變細(xì)胞結(jié)構(gòu)的電脈沖。2006年，Yan等人。[14]用310kV/cmPEF處理420個脈沖，然后用酸化甲醇提取15min，花青素的提取率可達541（24%），比未處理樣品增加411（29%）.與直接凍融樣品相比，提取率提高了251（16%）。2008年，劉等人。[15]以秋季自然脫落的杜松針為研究對象，以PEF為提取方法研究黃酮類化合物的提取，發(fā)現(xiàn)PEF法是一種有效的提取方法，提取率高，低消費。對提取的黃酮類化合物進行初步分離、干燥、濃縮，能耗少，處理時間短，得到純度63.02%的黃酮粗粉。2008年，Yanru等人。[8]對樺褐孔菌的有效成分三萜進行了研究，最佳組合為電場強度50kV/cm、脈沖數(shù)10、液料比30mL/g、乙醇體積分?jǐn)?shù)75%。并測定三萜類化合物的提取率11.8g/kg。高壓脈沖提取的提取率分別比超聲波和溶劑提取高5%和8%，但提取時間大大縮短，僅為20μs。2010年，金勝朗等。[16]以乙酸乙酯為萃取溶劑，電場強度為30kV/cm，液料比為9mL/g，脈沖數(shù)為8，溫度30℃為紅色素的提取率可達96.7%，是常規(guī)有機溶劑法的2.4倍，微波輔助法的1.23倍，超聲波輔助法的1.04倍，處理時間短（16μs4.對酶的影響。有人影響過氧化物酶、木瓜蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、果膠甲酯酶等，結(jié)果表明酶對PEF的抵抗力強于微生物，這使得酶處理脈沖電場的操作強度更高。.此外，脈沖電場對酶的影響差異很大，有的有影響，有的沒有影響，有的失活，有的被激活。這可能是因為脈沖電場對酶的作用受操作參數(shù)、介質(zhì)條件和酶本身性質(zhì)等諸多因素的影響。有觀點認(rèn)為是脈沖電場影響或破壞了酶的空間結(jié)構(gòu)，也有觀點認(rèn)為是影響了酶的活性位點。[4]或許進一步研究PEF對酶的影響可以提供一種防止中藥有效成分被分解的方法。5、食品藥品的保存。國外關(guān)于PEF在食品殺菌中的應(yīng)用研究比較完整。經(jīng)證實，蘋果汁、橙汁、番茄汁、蛋液、牛奶、綠豆湯均經(jīng)過PEF處理，可不同程度地殺滅微生物，延長保質(zhì)期。，且食品的物理性質(zhì)和感官性質(zhì)沒有明顯變化。維加-梅爾卡多等人。[17]將豌豆湯分兩步暴露于電場中，每步為16個35kV/cm的脈沖，以防止加工過程中溫度升高超過該溫度55℃。經(jīng)PEF處理的豌豆湯在冷藏溫度下的保質(zhì)期超過4周。鑒于PEF相對成熟的殺菌技術(shù)，以及常溫、對活性成分損傷低的特點，PEF針對影響中草藥提取的因素，顏茹[8]進行了相關(guān)實驗。主要影響因素為提取溫度、藥材粒徑、提高固液兩相相對運動速度、電場強度、脈沖數(shù)、處理時間。、脈沖寬度、脈沖頻率、電場能量、脈沖形狀。見表1。表1萃取傳質(zhì)過程影響因素及強化方法雖然PEF的研究已經(jīng)在實驗室進行，但PEF的產(chǎn)業(yè)化還存在主要問題：（1）可靠的高強度PEF發(fā)生器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電場強度、脈沖數(shù)、脈沖寬度、脈沖頻率、電場能量、脈沖波形等關(guān)鍵參數(shù)；和計算機系統(tǒng)結(jié)合檢測處理。（2）在PEF發(fā)生器上加載能夠確定細(xì)胞大小的顯微鏡，并加載能夠通過測量細(xì)胞大小自動調(diào)節(jié)電場強度的計算機系統(tǒng)，以確保其處理的精確性和科學(xué)性（3）建立PEF的正確性加工數(shù)學(xué)模型。(4)設(shè)計理想的電極，使生物材料在加工過程中能夠在加工電極之間均勻分布，以保證最大程度的損傷。（5）科學(xué)解釋處理介質(zhì)條件的影響（介質(zhì)的pH值、介質(zhì)的離子強度、介質(zhì)的電導(dǎo)率、水分活度、生物材料濃度、處理溫度、粒度和混合攪拌等）和生物材料特性（細(xì)胞形狀、生長階段、生物材料大小、生物類型、生物材料電阻和電導(dǎo)率等）的相互關(guān)系最大限度地提高了PEF發(fā)生器的效率。[8](6)目前大功率脈沖方波發(fā)電機尚未研制成功，且發(fā)電機價格昂貴，對于注重工業(yè)成本的企業(yè)來說難以承受，加工間規(guī)模有限到實驗。它不能大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。高壓脈沖電場（PEF）細(xì)胞膜破壞技術(shù)已被公認(rèn)為世界上最流行和最先進的滅菌提取技術(shù)之一。這是對傳統(tǒng)滅菌方法的一次革命。.值得一提的是，PEF是一門集生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)和工程技術(shù)于一體的交叉學(xué)科。技術(shù)和設(shè)備上的暫時性問題并不能掩蓋PEF在成分提取中應(yīng)用的巨大前景。其突出的常溫提取、處理時間短、對物質(zhì)損傷小等優(yōu)點，必將為中藥現(xiàn)代高效提取開辟一個新領(lǐng)域。參考：[1]尹永光，景波，林松毅。食品無菌加工技術(shù)與裝備[M]．:化學(xué)工業(yè),2006,118.[2]曾新安，高大偉，于樹娟。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):3261[3]金哲雄．常溫高壓脈沖電場快速提取動植物成分的工藝及機理研究[D].：+大學(xué)，2007[4]于江，淺黃色卵磷脂的高壓脈沖電場提取關(guān)鍵技術(shù)及記憶增強評價，大學(xué)博士論文，2009[5]吳曉輝，宮雪梅，賀蘭，等．高壓脈沖電場在食品加工和天然產(chǎn)物提取中的研究現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)通報,2008,14(24):24-26[6]玉柱，尹永光，馮偉，丁宏偉。高壓脈沖電場提取林蛙多糖的研究[J].食品科學(xué),2005,26(9):337-309[7]尹永光，盧敏，丁紅衛(wèi)，等.高壓電脈沖提取米糠多糖影響因素的研究[J].中國糧油學(xué)報,2005,12(9):20-22[8]顏茹．樺褐孔菌活性成分的PEF提取、化學(xué)修飾及抗癌活性[D].：大學(xué)，2008[9]GanevaV，GalutZovB，TeissieJ.通過流動工藝從酵母中高產(chǎn)電萃取蛋白質(zhì)[J]。分析生物化學(xué),2003,315(1):77[10]盧敏，尹永光，于。高壓電脈沖提取小麥胚芽中谷胱甘肽影響因素的研究[J]．食品科學(xué),2005,26(8):205-207[11]玉柱，尹永光，丁宏偉，等.高壓脈沖電場對啤酒酵母細(xì)胞蛋白質(zhì)釋放的影響[J].農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，（21）：24-26[12]殷永光，金哲雄，王春麗，王婷，安文哲，等.PEF快速提取牛脾可食用DNA[J].食品工業(yè)科技,2007,(03):163-166[13]Knorr,D.,Geulen,M.,Grhal,T.nad,Sitm,Znan,W.Foodpa高電場脈沖的應(yīng)用。Ternds食品科技[