Разработка новой технологии получения и хранения сухих экстрактов

Дихлорэтан (СlСН₂СН₂Сl). Бесцветная, прозрачная жидкость, несмешивающаяся с водой. Имеет запах, напоминающий хлороформ. Плотность 1,252 - 1,235. Температура кипения 83,0 - 84,0 °С. Смешивается со спиртом и эфиром, жирами, минеральными маслами, смолами. Дихлорэтан малоогнеопасен (температура воспламенения 21,1 °С). При вдыхании паров вызывает отравление. Дихлорэтан в смеси с хлороформом (при плотности 1,315) применяется для экстрагирования гликозидов.

Хлористый метилен (СН₂С1₂). Экстрагент с высокой относительной плотностью - 3,33 и температурой кипения 41 °С. Применяется для экстрагирования гидрофобных веществ (гликозидов, алкалоидов и др.). [8]

Метанол, метиловый, или древесный спирт (СН₃ОН). Прозрачная, бесцветная жидкость со слабым запахом, напоминающим этиловый спирт. Смешивается с водой во всех отношениях, образуя прозрачные растворы без следов помутнения и опалесценции. Плотность не более 0,793. Температура кипения 64 - 67 °С. Сильный яд. Прием внутрь 10 мл вызывает атрофию зрительного нерва, дозы 15 - 20 мл смертельны. К работе с метиловым спиртом допускаются лишь после специального инструктажа. Хранят в опломбированной таре. Применяется при экстрагировании кумаринов. Для разделения смеси гликозидов используют смесь метанола и воды. [42]

Масла растительные. Применяют масла растительные холодного прессования, хорошо отстоявшиеся; желтого цвета. Чаще всего применяют персиковое, миндальное и подсолнечное масла. Жирные масла смешиваются с эфиром, хлороформом, бензином, эфирными маслами и минеральными маслами. Все масла, кроме касторового, не смешиваются со спиртом и водой. Прогоркают, что влечет за собой повышение кислотного числа. Жирные масла обладают избирательной способностью как экстрагенты. [10]

Сжиженные газы. Перспективными для экстрагирования являются предлагаемые в последнее время сжиженные газы: углерода диоксид, пропан, бутан, жидкий аммиак, хладоны (хлорфторпроизводные углеводородов) и др. Сжиженный углерода диоксид хорошо извлекает эфирные, жирные масла и другие гидрофобные вещества. Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метил хлористый, метиленоксид и др.) Экстрагирование сжиженными газами проводится под давлением, при снятии которого экстрагент улетучивается, а экстрактивные вещества остаются в чистом виде. [40]

2.1) Экстрагирование растительного сырья двухфазной системой экстрагентов. Традиционно спирто-водные и масляные извлечения из сырья получают раздельно, используя либо масляный, либо спирто-водный экстрагент. При такой технологии экстракция БАВ происходит неполно, в шроте остаётся большое их количество. Применение в качестве экстрагента двухфазной системы растворителей (спирто-водная смесь/масло) позволяет за один технологический цикл получить сразу водно-спиртовое и масляное извлечения, т.е. проэкстрагировать из сырья гидрофильные и гидрофобные вещества. Двухфазная экстракция основана на предварительном смачивании сырья 96% этиловым спиртом и выдержкой его в течение 1,5—2 ч. Затем добавляют масло растительное и очищенную воду, доводя до необходимой концентрации спирто-водный экстрагент и соотношение фаз (сырьё/масло/ спирто-водная смесь). Экстрагирование ведут при нагревании (80 'С) и периодическом перемешивании. Затем разделяют по плотности вытяжки (спирто-водную и масляную). При экстрагировании травы и цветков зверобоя продырявленного таким методом было установлено, что динамическое равновесие в системе сырьё-экстрагент наступает в 2-3 раза быстрее, чем при экстракции одним маслом, в масляном извлечении обнаружено больше каротиноидов и производных хлорофилла как по качественному составу, так и по количественному содержанию. Спирто-водные извлечения по составу близки к настойкам, полученным методом перколяции, и соответствуют требованиям для настойки зверобоя. Аналогичные результаты получены при экстрагировании двухфазной системой экстрагентов других видов сырья (цветков ромашки и календулы, листьев шалфея и эвкалипта). [13]

Высокая эффективность метода экстракции двухфазной системой экстрагентов по сравнению с экстракцией маслом определяется ролью спиртовой фазы (её составом и количеством) как фактора набухания растительного сырья, промежуточного растворителя и переносчика липофильных веществ из клеток сухого растительного сырья в масляную фазу. При контакте сырья с жидкими фазами экстрагентов спирто-водная смесь благодаря меньшей вязкости легко проникает в растительный материал, десорбирует внутриклеточные БАВ и путём диффузии переносит их через пористые клеточные стенки в спирто-водную фазу. Затем протекает процесс экстракции жидкость-жидкость (спирто-водный раствор-масло) при перемешивании мешалкой. Между спирто-водной и масляной фазами происходит процесс массопередачи, приводящий к перераспределению гидро- и липофильных соединений между фазами в соответствии с коэффициентами распределения. При этом преимущественно гидрофильные вещества остаются в спирто-водной фазе, а липофильные переходят в масляную. Выход по данной технологии составляет 60-70%. Полученные масляные извлечения могут быть использованы в качестве соответствующих масляных экстрактов (масло зверобоя, календулы, ромашки) в технологии лечебно-косметических препаратов. На основе спиртоводных извлечений могут быть разработаны сухие экстракты, а из них — гранулы и таблетки. [20,13]

2.2) Вязкость экстрагента. По закону Фика количество растворенного вещества, продиффундировавшего через некоторый слой экстрагента, обратно пропорционально вязкости этого экстрагента при данной температуре. Поверхностное натяжение и вязкость растворителя имеют большое значение в процессе экстрагирования. Впитываясь жидкость должна растекаться по поверхности клетки — это растекание означает резкое увеличение поверхности контакта фаз, что ускоряет процесс растворения. Чем больше поверхностное натяжение, тем труднее пропитывается растительный материал. Поскольку коэффициент диффузии обратно пропорционален вязкости экстрагента, диффузионные процессы быстрее протекают в менее вязких растворителях. Большая вязкость экстрагента и его поверхностное натяжение затрудняют проникновение жидкости в узкие капилляры клеточных оболочек. Следовательно, менее вязкие растворы обладают большей диффузионной способностью. [20]

На вязкость извлекателей большое влияние оказывает температура. Поэтому, если необходимо производить экстракцию извлекателем, имеющим большую вязкость, его целесообразно использовать в нагретом состоянии.

Перспективными в этом отношении являются используемые в последнее время сжиженные газы - углерода диоксид (С0₂), пропан, бутан, жидкий аммиак и др. [3]

3. Температура. Повышение температуры ускоряет процесс экстрагирования, но в условиях фитохимических производств подогрев используют только для водных извлечений. Спиртовая и тем более эфирная экстракция проводится при комнатной (или более низкой) температуре, поскольку с ее повышением увеличиваются потери экстрагентов, а следовательно, вредность и опасность работы с ними. [23]

Важным фактором в процессе экстрагирования является температура экстрагента, так как под влиянием температуры усиливается процесс диффузии и диализа, материал быстрее набухает, гибнет микрофлора, инактивируются ферменты, а при экстракции свежего растительного материала разрушается плазма, свертываются белки, т. е. процесс экстракции значительно ускоряется.

Но повышение температуры не всегда целесообразно, так как под действием температуры могут разрушаться термолабильные лекарственные вещества (гликозиды, алкалоиды). Некоторые вещества при повышенной температуре хуже растворяются, эфирные масла и другие летучие вещества улетучиваются. При повышении температуры в вытяжку может переходить больше балластных веществ (например, крахмал, образующий клейстер, пектин, инулин), вследствие чего извлечение мутнеет. Поскольку при нагревании возможен разрыв клеток, то в вытяжку переходят коллоиды, нерастворимые вещества и т. д., что затрудняет дальнейшую очистку, увеличивает вязкость, хуже идет процесс фильтрации. Поэтому температурный режим подбирают в зависимости от характера растительного сырья и лекарственных веществ. Необходимо также учитывать, что при использовании горячей воды происходит клейстеризация крахмала, пептизация веществ; вытяжки в этом случае становятся слизистыми и дальнейшая работа с ними значительно затрудняется. [20,38]

Повышение температуры целесообразно при экстрагировании из корней, корневищ, коры и кожистых листьев. Горячая вода в этом случае способствует лучшему отделению тканей и разрыву клеточных стенок, ускоряя тем самым течение диффузионного процесса. [27]

4. Гидродинамические условия. Коэффициент массопередачи К определяется из уравнения, включает коэффициенты всех видов диффузии и может изменяться в зависимости от гидродинамических условий процесса. Так, при отсутствии конвекции, т. е. без перемешивания коэффициент конвективной диффузии β равен нулю, а толщина диффузионного слоя d становится равной толщине всего слоя экстрагента. Следовательно, третья стадия экстрагирования отпадает, а коэффициент массопередачи определяется только внутренней диффузией в сырье и свободной молекулярной диффузией в неподвижной жидкости, и имеет вид:

K = 1/( l/D _вн + d/D)

Такое явление наблюдается при мацерации (настаивании) без перемешивания. Этот способ экстрагирования самый продолжительный.

В том случае, когда экстрагент перемещается хотя бы с незначительной скоростью, коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех стадий процесса и имеет вид уравнения:

Скорость этого способа экстракции выше, так как уменьшается слой неподвижной жидкости, появляются конвекционные токи, способствующие переносу вещества. Такой режим экстрагирования характерен для мацерации с перемешиванием, перколяции, быстротекущей реперколяции, непрерывной противоточной экстракции и др. [40]

И, наконец, при очень интенсивном перемешивании могут отсутствовать вторая и третья стадии диффузионного пути. В этом случае коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности, т. е. конвективный массоперенос осуществляется мгновенно и, следовательно, третье слагаемое в знаменателе уравнения отпадает. Вместе с тем становится равной нулю и толщина пограничного диффузионного слоя d, поэтому второе слагаемое в знаменателе уравнения также будет отсутствовать. Коэффициент массопередачи в таких случаях определяется только коэффициентом диффузии в порах растительного материала и имеет вид:

K= 1/ l/D_вн

Такой вид зависимости для коэффициента массопередачи справедлив для вихревой экстракции и экстрагирования с применением роторно-пульсационного аппарата. Второе и третье слагаемые могут отсутствовать, но наличие первого неотделимо от самого существа процесса экстракции из сырья с клеточной структурой. [39,42]

В последнее время предложено экстрагирование с применением ультразвука, с помощью электрических зарядов с использованием электроплазмолиза и электродиализа. В этих случаях появляется возможность влиять на коэффициент внутренней диффузии D_m, что позволяет значительно ускорить процесс экстрагирования на самой его медленной стадии. [3]

5. Поверхность раздела фаз (F) «твердое лекарственное сырье - жидкость» зависит от степени измельчения сырья и будет тем больше, чем меньше его частички. Однако на практике известно, что при чрезмерно тонком измельчении сырье может слеживаться, а при содержании слизистых веществ - ослизняться, в результате чего через такие массы экстрагент будет проходить очень плохо. При слишком тонком измельчении резко увеличивается количество разорванных клеток, что приводит к вымыванию сопутствующих веществ, загрязняющих вытяжку (белки, слизи, пектины и другие высокомолекулярные соединения). Кроме того, в экстрагент переходит большое количество взвешенных частиц. В результате вытяжки получаются мутные, трудноосветляемые и плохо фильтруемые. Отсюда следует, что крупное сырье следует измельчать до оптимальных размеров: листья, цветы, травы до 3-5 мм; стебли, корни, кору до 1-3 мм, плоды и семена до 0,3-0,5 мм. При этом в исходном материале будут сохраняться клеточная структура и преобладать диффузионные процессы, экстрагирование замедлится, но полученная вытяжка будет содержать меньше механических примесей и легче очищаться. [20]
6. Разность концентраций в сырье и экстрагенте является движущей силой диффузионного процесса. Процесс идет до установления динамического равновесия в системе твердое тело - жидкость. Поэтому в процессе экстракции необходимо стремиться к максимальному перепаду концентраций, что достигается путем перемешивания, циркуляции экстрагента, более частой сменой экстрагента (ремацерация вместо мацерации), проведением противоточного процесса и др. [22]
7. Время (продолжительность) экстрагирования. Из основного уравнения массопередачи следует, что количество вещества, продиффундировавшего через некоторый слой, прямо пропорционально времени экстракции. Однако нужно стремиться к максимальной полноте извлечения в кратчайший срок, максимально использовав все прочие факторы, ведущие к интенсификации процесса. Во время экстракции в вытяжку переходят не только биологически активные вещества, но и балластные. Поэтому о конце процесса извлечения необходимо судить не по сумме экстрактивных веществ, а по количеству действующих веществ. Последние (алкалоиды, гликозиды и др.) обычно диффундируют быстрее, чем высокомолекулярные вещества, поскольку они обладают меньшей молекулярной массой. Поэтому при длительной экстракции будет ухудшаться качественный состав вытяжки за счет большого содержания балластных веществ, так что продолжительное извлечение в ряде случаев даже вредно. [10]

Необходимо стремиться к тому, чтобы полнота извлечения наступила в кратчайшее время, в максимальной степени использовать все прочие факторы, ведущие к интенсификации процесса экстракции. Ускорение процесса экстракции целесообразно и с экономической точки зрения. [41]

Изучение кинетики извлечения действующих веществ показало, что в большинстве случаев экстракция наиболее активно протекает в первые часы, а затем, несмотря на смену экстрагента, ее скорость заметно падает и максимум (полнота) извлечения наступает через сравнительно продолжительное время. Поэтому процесс экстракции целесообразно прекратить тогда, когда, рассчитав, находят, что дополнительная экстракция остатков действующих веществ не окупает собой избыточных расходов и увеличивающихся при этом потерь ценных экстрагентов. [38]

При длительном экстрагировании могут протекать и нежелательные процессы под влиянием ферментов. Бывает целесообразно прекратить процесс в какой-то момент, учитывая, что дополнительно извлеченные количества веществ не окупят избыточных расходов и увеличивающихся при этом потерь ценных экстрагентов (спирт, эфир). [20]

8. Добавление поверхностно-активных веществ (ПАВ). Присутствие поверхностно-активных веществ может существенно ускорять процесс экстракции. Ускорение процесса экстракции в присутствии ПАВ можно объяснить тем, что указанные вещества снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз, тем самым улучшается смачиваемость клеток, увеличивается поверхность растворителя и глубина его проникновения в клетки растительного материала и, вероятно, ускоряется еще ряд физико-химических процессов. В ряде случаев улучшается растворимость (солюбилизация) экстрагируемых веществ (например, эфирных масел). [40]

В подавляющем большинстве случаев при добавлении к экстрагенту небольших количеств ПАВ (порядка 0,01-0,1 %) наблюдается улучшение процесса экстракции или за счет увеличения количества экстрагируемого вещества, или за счет того, что полнота извлечения достигается при меньшем объеме экстрагента. Таким образом, возникает существенная экономия во времени, энергии и материалах. При добавлении ПАВ увеличивается количество экстрагируемых веществ - алкалоидов, гликозидов, эфирных масел и других. [20]

9) Воздействие вибраций, пульсаций, измельчения и деформации сырья в среде экстрагента. Использование методов экстрагирования, в которых имеют место вибрации, пульсации, измельчения и деформация в среде экстрагента, позволяет значительно увеличить скорость и полноту экстрагирования из сырья. [23]

1) При интенсивном воздействии на твердые частицы появляются сильные турбулентные течения, гидродинамические микропотоки, способствующие  переносу масс,  растворению  веществ.  Такое явление отмечается как снаружи твердых частиц, так и внутри них. Достигается интенсивное перемешивание даже внутри клеток.