高压脉冲电场技术在中药提取中的应用前景

1、. . . . 高压脉冲电场技术在中药提取中的应用前景摘要：目前我国中药的提取技术普遍较为落后，存在着浪费和效率不高的问题，近年来众多的新技术被运用到了中药的有效成分中来，为中药的提取展开了新思路，主流的有CO2超临界萃取，膜过滤，微波提取，超声波提取等。高压脉冲电场（PEF）技术原用于灭菌，近年来国外众多的科研人员将其运用到了成分的提取上，显示出了巨大的优越性，本文着眼于该技术在中药成分提取上的应用，以期为中药的高效提取出一份力。关键词：高压脉冲电场（PEF） 中药 成分提取 前景在中医药现代化的大背景下，对中药的有效成分的研究应运而生，通过研究，探明有效成分的的化学机构、物理化学性质、提取

2、、分离、检识、结构鉴定或确定、生物合成途径和必要的化学结构修饰或改造，以与有效成分的结构与中药药效之间的关系等。有效成分的类型主要有：糖类、苷类、醌类化合物、苯丙素类化合物、萜类和挥发油、黄酮类化合物、生物碱、甾体类化合物、三萜类化合物、鞣质等。提取是用适当的溶剂（一般为水或乙醇）把固体药材中的有效成分溶解出来，这类单元操作在化工上叫固液提取。一般固液提取可分为化学提取、洗涤提取、扩散提取三种类型。中药的提取情况比较复杂，三种类型都可能涉与，其中以扩散提取最为主要，因此，中药提取过程实质上就是以扩散机理为基础，溶质由固相传递到液相中的传质过程。强化中药提取的传质过程，无疑是提高提取效率的最佳途

3、径。对有效成分的提取方法主要有溶剂提取法（包含煎煮法、浸渍法、渗漉法、回流法等），水蒸气蒸馏法，超临界流体萃取法等。传统的提取方法存在着成本高，效率低，提取缓慢等缺点，为了克服这些缺点，近年来相继有众多的新技术运用到这一领域中来，如超临界流体提取技术、半仿生提取技术、超声波提取法、微波提取法等，这些新的技术显示出了传统提取方法所不具备的巨大优越性，降低了成本，提高了效率，对于热敏性的成分的提取优势更是明显。高压脉冲电场（High Intensity Pulsed Electric Field, 简称 PEF 或 HPEF）是把液态食品作为电解质置于容器，与容器边缘的两个放电电极通过高压电流，产

4、生电脉冲进行加工的方法。1PEF可在瞬间使被处理细胞的细胞壁和细胞膜电位混乱,改变其通透性,甚至可击穿细胞壁和细胞膜,使其发生不可逆破坏,造成细胞新代紊乱,细胞中生长的必需组分流出,因此成为回收细胞有用物质的理想途径。2（图1）电场的穿孔可分为以下三个阶段：非电场穿孔阶段：脉冲强度远远小于临界电场强度，电场不能在细胞膜上形成纳米级的微孔；电场穿孔阶段：电场强度大于临界电场强度，细胞外的物质可以通过被穿破的微孔自由交换；饱和阶段：稳定的状态，即使电场强度的增加，也不会细胞膜的透过性增加。在这个阶段，细胞会被破坏。电场强度越大，细胞的被破坏程度越大。3PEF最初是用于牛奶灭菌的，随着研究的深入，该

5、技术得到了不断的完善，90 年代美盛顿州立大学研究出了较为成熟的仪器，并申请了专利。图1.透射电子显微镜下未经电场处理和电场处理以后的橙汁中短乳杆菌到目前为止，PEF主要用来灭菌保鲜，科研人员在PEF灭菌上进行了很多的研究，并且国外已经取得了很多的成就，部分实现了大规模的工业化应用，而国目前限于科技水平和投入的原因，基本还处于实验阶段。该技术在食品工业领域应用较广，已经被用于食品的杀菌、保存和提高口感等方面。PEF系统主要包括两个部分：高压脉冲发生器和处理室。高压脉冲处理器的脉冲可以采用指数衰减波、方波、振荡波和双极性波等形式；处理室有平行盘式、线圈绕柱式、柱-柱式、柱-盘式、同心轴式等。4随

6、着研究的深入，人们利用PEF杀菌的原理，逐渐的将该项技术运用到其他的领域中，其中包括天然活性物质的提取和处理以与食品药品的保存，主要有以下几个方面：1、PEF 提取多糖类化合物的技术现状。2001 年，Angersbach5等研究从马铃薯中提取淀粉，发现在增加提取率的同时减少了废水排放量。2005 年玉珠等6高压脉冲电场提取中国林蛙多糖的研究，结果显示用0.5%KOH提取液，在电场强度为20kv/cm和脉冲为6s的条件下用PEF的最大提取率为55.59%，比较其他三种方法，其提取率是复合酶法的1.77倍，总糖含量高于复合酶法，且提取物种杂志少。2006年殷涌光等7利用 PEF 对米糠多糖提取的

7、影响因素进行了研究，发现米糠多糖最佳提取条件: 脉冲数为 12, 电场强度为 45kV /cm, 料水比为1 ：20, 此时, 多糖得率可达 0. 78%。2008 年，彦如等8对桦褐孔菌有效成分的 PEF 技术提取、化学修饰和抗癌活性进行了研究，并与热碱法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法进行了对比实验。电场强度 30kV/cm、脉冲数 6、液料比 25mL/g、pH 值10，得出多糖提取率和多糖纯度平均值分别为 49.8%和 25.6%。高压脉冲电场提取多糖的纯度是超声波辅助提取法的 1.40 倍。多糖提取率是热提取法的 1.67 倍，是微波辅助提取法 1.12 倍。采用高压脉冲电场提取桦

8、褐孔菌多糖，提取率较高，而且多糖的纯度较高，提取物中的杂质较少。2、提取蛋白质和核酸的技术现状。2003 年 Ganeva 等9在流动系统中用 PEF 提取酵母细胞的酶。在不需要任何预处理与后处理的情况下，提取率最大可达 80%-90%。2005 年，卢敏等10展了高压电脉冲电场提取小麦胚谷胱苷肽的研究，结果发现 PEF 处理能够破坏小麦胚的细胞膜，改变其通透性，用该方法提取小麦胚谷胱苷肽是可行的。小麦谷胱苷肽最佳提取条件：脉冲数为9，电场强度为16kV ，料水比为1:202006 年玉珠等11用 PEF 研究了对啤酒酵母细胞溶解释放蛋白质的影响，当试验条件在25、40 kV/ cm电场强度和

9、60个脉冲数时,酵母细胞蛋白质和氨基酸溶出量最大(01154 mg/ mL ,01190 mg/ mL) ,约为未用高压脉冲电场处理的2倍。2007 年，殷涌光12应用 PEF 方法从牛脾脏中成功提取可用于食品中的DNA, 并与常规方法（SODE）的提取率进行了比较。实验证明, 将物料悬浮在 pH5.5 的缓冲液中, 在 65, 脉冲电场强度为 30kV/cm , 脉冲宽度为 2!s, 脉冲数为 8 和流速为2mL/min, 4 倍质量缓冲液的条件下, DNA 有最大提取率, 且提取率是常规方法的 1.87 倍。2007 年，金哲雄等3应用 PEF 技术成功地从绿茶中提取了茶多糖、茶多酚和咖啡

10、碱等功能成分， PEF 可成功提取到 TPS、TP 和 Caf，PEF 方法提取率分别为水浸提方法的 191.3%和 110.8%、105%。SDS和PEF对DNA提取率分别为 1.80mg/g和 2.38mg/g，PEF较传统的方法占优。 PEF 处理牛脾脏DNA能将提取率提高 2 倍。3、PEF 提取小分子功能成份的技术现状。科研人员除了对多糖、蛋白质和核酸进行研究外，还对果汁、细胞色素、三萜类化合物和黄酮类化合物等小分子物质的提取进行了研究，认为PEF对生物碱、甾、萜、维生素等小分子物质的结构影响较小,且具有快速，常温等优点。1994 年，Knorr13将PEF作用于胡萝卜碎块，胡萝卜汁

11、的产量可以从51%提高到 76%。通过电镜可以清晰地看到电脉冲改变了细胞的结构。2006燕等14用 310 kV/cm PEF 处理 420 个脉冲后, 用酸化甲醇提取 15 min, 可使花色苷的提取率达到 541（24%）, 较未处理样品增加 411（29%）, 较直接冷冻解冻样品的提取率增加 251（16%）。2008 年柳等15以秋季自然脱落的杜松松针为研究对象，以PEF为提取手段，对类黄酮化合物进行了提取研究，发现 PEF 法是一种有效的提取方法，提取率高，耗能少，处理时间短，对提取出的类黄酮物质进行初步分离并干燥浓缩，可得到纯度为 63.02%的粗类黄酮粉。2008年彦如等8对桦褐

12、孔菌有效成分三萜类化合物进行了研究，最优组合为电场强度 50kV/cm、脉冲数 10、液料比 30mL/g、乙醇体积分数 75%，并测定三萜化合物的提取率为 11.8g/kg。采用高压脉冲提取法分别比超声波、溶剂浸提法提取率高 5%和 8%，提取时间却大大减少，仅需 20s。2010年，金声琅等16当以乙酸乙酯为提取溶剂、电场强度为 30 kV/cm、液料比为 9 mL/g、脉冲数为 8、温度为 30、单次提取时，番茄红素提取率能达到 96.7%，是常规有机溶剂法的 2.4 倍、是微波辅助法的 1.23 倍、是超声波辅助法的 1.04 倍，且处理时间短（16 s）4、对酶的影响。有人对过氧化物

13、酶、木瓜蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、果胶甲酯酶等的影响，结果显示酶对 PEF 的抗性比微生物的要强，使得脉冲电场对酶处理时的操作强度要高。此外，脉冲电场对酶的作用效果千差万别，有的有影响，有的没影响，有的是失活，还有的是增活。这可能是因为脉冲电场对酶的作用受操作参数、介质条件以与酶自身性质等诸多因素的影响。有的观点认为脉冲电场影响或破坏了酶空间结构，还有的观点认为是影响了酶的活性部位。4或许通过PEF对酶的影响的进一步研究，可以为中药中杀酶保苷使中药的有效成分免于被分解提供一条思路。5、食品药品的保存。国外对 PEF 在食品灭菌应用研究的进展比较充分，苹果汁、橙汁、番茄汁、蛋液、牛奶、青豆汤均被证

14、实经 PEF 处理后，在致死微生物的同时，不同程度的延长了货架期，且食品的物理性质和感官性质未见有明显改变。Vega-Mercado 等17分 2 步将豌豆汤暴露在电场中，每一步都为 35kV/cm的 16 个脉冲，目的是在处理期间防止温度升高超过 55。在冷藏温度条件下贮藏经 PEF 处理的豌豆汤发现其保制期超过 4 周。鉴于PEF较为成熟的灭菌技术，且具有常温和对有效成分的伤害小等特点，PEF在中药提取液的保存方面定能够体现出巨大的优势。在中药材的成分提取影响因素方面，彦如8做了相关的实验，主要的影响因素有提取温度、药材粒度、提高固液两相的相对运动速度、电场强度、脉冲数、处理时间、脉冲宽度

15、、脉冲频率、电场的能量、脉冲波形。见表1。表1.提取传质过程的影响因素和强化方法虽然在实验室中对PEF的研究已经进行得较为深入了，但是PEF的工业化还存在着较大的问题：（1）可靠的高强度 PEF 发生器；电场强度、脉冲数、脉冲宽度、脉冲频率、电场的能量、脉冲波形等关键参数的数据采集系统；并将计算机系统与处理的检测相结合。（2）在PEF发生器上加载能够定细胞大小的显微镜并加载能够通过已测定细胞大小来自动调整电场强度的电脑系统来保障其处理的精密性和科学性（3）建立PEF处理时的正确数学模型。（4）设计理想的电极，其处理时生物材料能够均匀地分布在处理电极之间，保证最大限度的破坏程度。（5）科学地解释

16、处理介质条件的影响(介质的 pH 值、介质的离子强度、介质电导率、水分活度、生物材料浓度、处理温度、粒度大小和混合和搅拌等)和生物材料特性(细胞形状、生长阶段、生物材料大小、生物的种类、生物材料电阻和电导率等)的相互关系，使 PEF 发生器的效率达到最高。8（6）目前还没能够研制出大功率的脉冲方波电源发生器，并且该发生器造价昂贵，对于讲求工业成本的企业来说有些难以承受，而处理室的规模也仅限于实验室，无法大规模地运用到工业生产中。高压脉冲电场（PEF）细胞膜破坏技术已被公认为国际上研究最热门、最先进的灭菌与提取技术之一，是对传统灭菌方法的革命，其创新性、科学性和先进性不容置疑。值得一提的是PEF

17、是融合了生物学、化学、物理学、电子学和工程技术，是一个交叉学科，技术和设备上暂时存在的问题无法掩盖PEF在成分提取上应用的大好前景，其突出的优点常温提取、处理时间短，对物质破坏小，必将为中药的现代化高效提取开辟一个新的领域。参考文献：1 殷涌光, 静波, 林松毅. 食品无菌加工技术与设备M. : 化学工业, 2006, 118.2 曾新安,高大维,于淑娟。高压电脉冲在食品生化工业中的作用J 。食品科学,1996 ,17 (7) :32613 金哲雄.高压脉冲电场常温快速提取动植物成分工艺与机理研究D.：+大学,20074 玉江，淡黄卵磷脂高压脉冲电场提取关键技术与增强记忆功能的评价，大学博士学

18、位论文，20095 吴小辉,龚雪梅,贺岚,等.高压脉冲电场在食品加工与天然产物提取中的研究现状和前景展望J.农学通报,2008,14（24）:24-266 玉珠，殷涌光，凤伟，丁宏伟.高压脉冲电场提取中国林蛙多糖的研究J.食品科学, 2005, 26（9）:337-3097 殷涌光，卢敏，丁宏伟等.高压电脉冲提取米糠多糖的影响因素研究J.中国粮油学报，2005，12（9）：20-228 彦如.桦褐孔菌有效成分的 PEF 技术提取提取、化学修饰和抗癌活性的研究D.：大学，20089 Ganeva V,GalutZov B,Teissie J.High yield electroextraction of proteins fromyeast by a flow processJ.Analytical Biochemistry，2003,315（1）:7710卢敏，殷涌光，瑜.高压电脉冲提取小麦胚谷