仪器信息网APP

选仪器、听讲座、看资讯

立即体验

当前位置：仪器社区 >特色服务 > 厂商论坛 > 帖子详情

全球绿色提取设备计划

Insp_d0f8378f

2019/09/17

私聊

厂商论坛

全球绿色提取设备计划

Global Green ExtractionEquipment Program

(GGEEP)

一、计划概述：
绿色提取（green extraction）是由本团队核心专家刘延泽教授于2013年在南京举行的全国第四届中草药提取分离关键技术与提取物产业化应用研讨会上首次提出，绿色提取是指：利用安全、易得、无毒、易回收、无残留的适当溶剂，将目标生物活性成分以最快的速度、最低的消耗、最大的收率从动植物材料中转移出来，并且实现目标活性成分与母体残渣全利用、零排放、零污染的一种或一类提取技术。2014、2015年又分别在长沙、青岛举行的全国第五届、第六届中草药提取分离关键技术与提取物产业化应用研讨会上进一步阐述其原理、应用成果和前景，得到了与会专家的热烈响应和一致认可。
绿色提取的基础是刘延泽教授等于1993年首次提出并在河南科学上发表的植物组织破碎提取法，当时主要是应用于热敏感成分丹宁及多元酚类化合物的提取。之后，相继在河南省、国家自然科学基金、科技部等的支持下研制出了实现这一方法的设备—中草药组织破碎提取器。经过20余年的实践证明，该方法不仅适用于几乎所有类别中药有效成分的提取，其独特的快速、节能、环保、可持续利用的优势是当今任何方法都无可比拟的，完全具有当今人类发展关键元素的“绿色科技、可持续利用、和谐自然”。但是，由于人们对新生事物的接受及其他多种因素的影响，目前经该方法研究的中草药尚不足百种，并且尽管几乎都取得了预期效果，但仍未真正应用到生产中去，与我们国家的近万种中草药和数十个应用领域相比仅仅沧海一粟，前景极其巨大。
本项目将在20余年成功实践的基础上，首先完善不同规格组织破碎提取器的研制和定型生产，满足本提取计划的需求，包括微量分析型（20ml）、实验研究型（2L）、中试规模型（200L）、和生产应用型（>1000L）；对一期目标中的药典提取物、单味中药提取物（药典）、国际标准提取物、特色中草药提取物（色素、香料、调味剂、添加剂）等进行提取。
二、技术优势：
1、提取方法优缺点说明

提取方法	优点	缺点
煎煮法	经济、安全、易行	选择性差、成分易破坏、后处理困难
回流法	选择性好、收率高	受热长、效率低、成分易破坏
浸泡法	简单、投资小、安全	效率低、耗时长、易变质
蒸馏法	选择性强、处理方便	适用范围窄、需要专用设备
渗漉法	室温、简单、节能	费时、有污染
连续回流法	省溶剂、效率高	需要有机溶剂、受热长、规模小、成分易破坏
超临界萃取	近室温、安全、收率高	设备复杂、投资大、规模小
超声提取法	近室温、安全、收率高	投资大、规模小、较耗时
微波萃取法	快速、易行	规模小、成分易变化
破碎提取法	室温,快速,安全,节能,高效，不破坏成分,规模可调,宜各种溶剂

组织破碎提取法与其它常用提取方法相比，在提取物收率相当或略高、略低的情况下，提取时间是其他方法的1% 以下，收率提高，速度变快，没有污染，提高时效百倍以上，如大黄、连翘、鸡血藤等，且不需加热，成分不会因长时间受热而破坏的风险。对于一个企业来讲，提取时间的缩短，提取效率的提高，就代表了成本的降低和利润的显著提高。
四、相关文献、专利：

1、于1993年首次提出植物组织破碎提取法

2、2007年在《中国天然药物》发表首篇应用综述（刘延泽），
从提取过程剖析、仪器结构与基本原理、设计基本思想、优缺点分析、及实践效果进行了较全面的分析与总结。近些年发展进一步加快，在植物的根、茎、叶、花、果、皮、种子、真菌及动物类组织器官等软硬材料破碎提取方面均显示出强劲能量，仪器也完全实现了程控化、自动化、和一键完成，且低噪音、易清洗。随着应用领域不断拓宽和设备性能的提高，该领域发表论文和申报提取工艺发明专利的数量逐年增加，正在得到越来越多的有关领域科学家的认同与接受。

3、2011年发表组织破碎提取法在中药研究中的应用进展（李精云等，中草药）
三篇文章奠定了作为中草药提取领域中新方法—组织破碎提取法的发展路基。此外，在赵余庆教授于2012年所著的《中药及天然产物提取制备关键技术》一书中将该技术作为第一章进行了介绍与推荐。经过20余年的摸索与实践，该方法已经从幼年的模糊走向青年的健壮成长，正在向与提取有关的多个领域进行渗透。
本技术将在以下多个领域的应用实践中展示光明前景：中草药活性成分，提取物库建设，养生酒系列，养生茶系列，化妆品系列，洗浴品系列，烟草行业，生物技术，植物农药，农残检测，及天然色素类等

4、打开CNKI输入“组织破碎提取法”“闪式提取器”将会有数十篇、过百篇研究论文、综述、学位论文

五、提取技术实验研究数据报告

1、组织破碎提取法的机理研究-I西洋参提取前后粉末显微特征与有效成分含量

（1）研究背景：组织破碎提取法
提取为中药现代化和中草药研究过程中的关键一步，组织破碎提取法（SmashingTissue Extraction，STE）作为中草药化学及相关学科中一种科学的提取方法于1993年首次提出。
基本原理：在室温和适当溶剂存在下，通过高速粉碎、高速搅拌、高速振动三种因素的最佳结合，瞬间将植物的根、茎、叶、花、果实和种子等物料在数秒钟内破碎至细微颗粒，使有效成分迅速达到药材组织内外平衡，通过滤过达到提取目的。

（2）基本优点优势：
室温操作：室温操作，可有效的保护热敏成分不被破坏
瞬间完成：小规模可在1分钟内完成，中小生产规模可在10分钟内完成
多种材料：适应于植物的根、茎、叶、花、果实、种子等各种物料（饮片大小规格即可）
多种溶剂：适用于多种溶剂，常用水、乙醇、甲醇、丙酮及含水丙酮、乙醇、甲醇等
多种成分：适合提取水溶性（极性）成份、中等极性成分、非极性（脂溶性）成分，如丹宁及多元酚类化合物、酚酸类化合物、黄酮类化合物（苷及苷元）、蒽醌类化合物（苷及苷元）、香豆素类化合物（苷及苷元）、皂苷类化合物、萜类化合物（单萜、倍半萜、二萜、三萜）、生物碱、糖类（单糖、寡糖、多糖）、氨基酸、肽类和蛋白、维生素类、脂肪酸类等
操作简便：1混合材料溶剂，2程序单键启动，3过滤
绿色环保：溶剂回收使用，提取物获得，药渣综合利用。0排放，0污染
（3）实验材料：西洋参
西洋参系五加科人参属植物西洋参Panaxquinquefolium L.的干燥根，贵重药材，具有独特的医疗保健价值，一直以来是国内外学者的重点研究对象之一。别名花旗参，西洋人参、洋参。原产加拿大蒙特利尔、魁北克省和美国东部
主要成分：人参皂苷和多糖等。不同部位中人参皂苷种类和含量亦不同。
提取工艺：主要有水震荡法，回流提取法，超声提取法、超临界CO₂萃取技术、微波提取法等。

（4）实验方法：
溶剂的选择：近30年来的实践证明，含水丙酮表现出了极佳的穿透力和溶解性，由其对于丹宁和多元酚类等极性较大的化学成分进行提取，被誉为中药化学成分的通用溶剂（Universal solvent）。西洋参的主要成分为皂苷、糖类等极性较大的成分，故本实验选用70%丙酮为提取溶剂。

正交试验因素—水平的确定
固液比(A)：1:30， 1:40， 1:50三个水平
提取时间(B)：1min， 2min， 3min
提取次数(C)：1次， 2次， 3次

（6）研究流程

（7）评价指标
提取前后粉末显微特征研究：
以西洋参为代表药材，将显微定性、显微粉末制片与组织破碎提取法结合起来，通过显微观察，研究西洋参组织破碎提取前后药材微观状态的变化（包括木栓细胞、导管、树脂道、草酸钙结晶等显微特征的变化），从而对组织破碎提取法的提取机理进行探讨。
提取物收率和有效成分含量：
以提取物的收率和提取物中皂苷类成分的含量为评价指标，利用正交设计，选取最佳破碎提取条件参数，并将所获结果与产生和回流提取法相比进行评价。

（8）研究方法
A、西洋参总皂苷类成分的提取新工艺-组织破碎提取法
材料与试剂：
西洋参药材，丙酮，甲醇均为分析纯，浓硫酸为分析纯，香草醛为分析纯，人参皂苷对照品由DELTA天然有机化合物信息中心提供。
仪器与设备：
JHBE-20A闪式提取器，电子天平，UV-2550紫外分光光度计，电子恒温水浴锅，RE-52AA旋转蒸发器，SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵，KQ3200DE型数控超声波清洗器，ZRD-7080型全自动新型鼓风干燥器。

B、组织破碎提取法快速提取西洋参有效成分的粉末显微特征研究
材料与试剂：
西洋参样品（北京产），组织破碎提取后（最佳工艺得到）药渣，水合氯醛，丙三醇
仪器与设备：
Motic光学显微镜，相机、载玻片数个、盖玻片数个、酒精灯、镊子、大头针、容量瓶（5ml）数个、微量移液管

（9）实验方法
A、淀粉粒的观察：
① 西洋参（提取前）水装片制片方法
取西洋参根，粉碎后过100目筛，恒重，精密称取0.001g，置于载玻片上，滴加稀甘油试液1小滴，并用解剖针轻轻将粉末与稀甘油充分混匀，然后放上盖玻片观察。
② 西洋参（提取后）水装片制片方法
取西洋参根经闪式提取器提后的药渣（以70%丙酮为溶剂，按照第一章所得最佳提取工艺提取后得到药渣）（于40℃低温干燥），直接过100目筛，恒重，精密称取0.0006g，置于载玻片上，滴加稀甘油试液1小滴，并用解剖针轻轻将粉末与稀甘油充分混匀，然后放上盖玻片观察。
另外，以超声提取后和回流提取后的药渣作对比，制片方法同上。
B、木栓细胞、导管、树脂道、草酸钙簇晶等及整体特征的观察
① 西洋参（提取前）透化片制片方法：
取西洋参根，粉碎后过100目筛，精密称取0.225g，置于5ml容量瓶中，用水合氯醛试液定容，充分振摇，使混合均匀，运用微量移液管吸取0.02ml，制作透化片（平行装片5片），观察树脂道、导管、木栓细胞、草酸钙簇晶等特征，拍照记录，定性描述显微特征。
② 西洋参（提取后）透化片制片方法：
取西洋参根经闪式提取器提后的药渣（以70%丙酮为溶剂，按照第一章所得最佳提取工艺提取后得到药渣）（于40℃低温干燥），直接过100目筛，精密称取0.1346g，置于5ml容量瓶中，用水合氯醛试液定容，充分振摇，使混合均匀，运用微量移液管吸取0.02ml，制作透化片（平行装片5片），观察树脂道、导管、木栓细胞、草酸钙簇晶等特征，拍照记录，定性描述显微特征，与提取前显微特征进行对比研究。
另外，以超声提取后和回流提取后的药渣作对比，制片方法同上。

（10）结果、

实验方法	固液比	提取时间（min）	提取次数	浸膏重 g (收率)	西洋参总皂苷（mg/g）
组织破碎提取法	1:40	3	3	0.4009 (40.09%)	73.85
超声波提取法	1:40	30	3	0.3955 (39.55%)	71.46
加热回流提取法	1:40	40	3	0.4003 (40.03%)	73.28

A、不同提取方法提取物收率和总皂苷含量比较
注：原料重均为1g
组织破碎提取法从浸膏重量和总皂苷含量两方面，均优于超声波提取法和加热回流提取法，且在固液比和提取次数均相同的情况下，超声波提取法需要30min/次，加热回流提取法需要40min/次，而组织破碎提取法每次提取时间仅为3min，是超声波提取法和回流提取法所用时间的1/10。

B、西洋参破碎提取后药渣显微特征
结果分析：
a、在组织破碎高速搅拌、超强振动作用和真空负压渗滤作用下，药材中的色素类成分也被大量提取出来。
b、以水为提取溶剂时，视野内淀粉粒团块稍多，以纯丙酮为提取溶剂时，视野内淀粉粒团块较多，这可能由于纯丙酮的极性较小，而淀粉粒为多聚糖类，极性较大，因此纯丙酮对淀粉粒的分散作用不及70%丙酮和水。

簇晶：
破碎提取前：偶见未散开的簇晶，大量簇晶散块分布于视野之中。
破碎提取后：微观动态变化特征：显示了小块簇晶在组织破碎提取高速破碎、搅拌、振动三种因素的作用下，内部雨滴状的簇晶小颗粒逐步冲破外壁分散开形成簇晶雨的过程。该图形象地显示了组织破碎提取在对西洋参进行提取时其作用机理的微观状态变化。在破碎提取后的粉末显微特征中可见大量如图所示特征，在视野内分布较广。

（1）提取前后视野整体图的特征对比
破碎提取前：木栓细胞、树脂道、导管、伴随导管的木栓细胞（伴随木栓细胞的导管）等特征规整（与闪提后相比）的分布于视野内。
破碎提取后：木栓细胞、树脂道、导管、伴随导管的木栓细胞、伴随木栓细胞的导管等特征凌乱，枝杈状（与破碎提取前相比）的分布于视野内；凌乱的视野内枝杈状可能为在组织破碎提取过程中被打散开的非木化纤维，在枝杈状的非木化纤维旁边往往伴随着导管碎片和（或）木栓细胞碎片和（或）树脂道碎片，可能是相互伴随存在的显微特征在闪提过程中被打散开的原因。
超声提取后和回流提取后：木栓细胞、树脂道、导管、伴随导管的木栓细胞（伴随木栓细胞的导管）等特征规整的分布于视野内。
不同溶剂：整体图的凌乱度不高，由于丙酮的极性较小，水的极性较大，而植物组织成分复杂，故其对植物进行提取时不及70%丙酮彻底。

（2）进口/国产西洋参中人参皂苷类成分的HPLC测定和不同提取工艺的对比
材料与试剂：
材料：西洋参样品：进口西洋参购自美国参行，国产西洋参购自北京。人参皂苷对照品Rb₁、Rb₂、Rb₃、Rc、Rd、Rg₁、Rg₂、Re由DELTA天然有机化合物信息中心提供（供含量测定用）。
试剂：乙腈、甲醇、超纯水、甲醇、丙酮、95%医用乙醇。HPLC所用试剂均经过0.45μm微孔滤膜过滤及超声脱气处理。
仪器与设备：AB135-S电子天平，电热恒温不锈钢水浴锅，旋转蒸发器，组织破碎提取器，数控超声清洗器，高效液相色谱仪：G1322A高压控制系统，G1314B紫外可变检测器，G1311A泵控制器，色谱工作软件。

（3）实验方法
色谱条件：
通过参考文献资料,并结合实验确定以下色谱条件：色谱柱为Inertex C18（250mm×4.6mm,5μm）；检测波长为203nm；柱温为25℃；进样量为20μL；流速为1mL.min^-1；流动相为水-乙腈；梯度洗脱程序为：0-35min，乙腈的体积分数由18%增至22%，35-40min，乙腈的体积分数由22%增至26%，40-55min，乙腈的体积分数由26%增至27%，55-65min，乙腈的体积分数由27%增至38%，65-75min，乙腈的体积分数由38%增至40%，75-80min，乙腈的体积分数由40%增至45%，80-85min，乙腈的体积分数由45%增至55%，85-100min,乙腈的体积分数由55%增至60%，设定105min，后运行10min。

（4）对照品溶液的制备
定量对照品溶液的制备:
精确称取5种人参皂苷对照品（Rb1，Rc，Rd，Re，Rg₁），分别置于1mL容量瓶中，加甲醇溶解并定容至刻度，摇匀，得储备液，作为各组分的标准对照品溶液；按一定比例精确吸取上述对照品溶液适量，置于1mL容量瓶中，摇匀，作为混合对照品溶液备用。5种人参皂苷的称取量分别为：Rb₁：12.7mg，Rc：3.03mg，Rd：3.12mg，Re：15.05mg，Rg₁：4.7mg。
定性对照品溶液的制备：
精确称取3种人参皂苷对照品（Rb₂，Rb₃，Rg₂），分别置于1mL容量瓶中，加甲醇溶解并定容至刻度，摇匀，得储备液，作为各组分的标准对照品溶液；按一定比例精确吸取上述对照品溶液适量，置于1mL容量瓶中，摇匀，作为混合对照品溶液备用。3种人参皂苷的称取量分别为：Rb₂：2.07mg，Rb₃：2.07mg，Rg₂：2.31mg。
（5）供试品溶液的制备
① 进口西洋参供试品制备：
精密称取西洋参进口（饮片，直径小于1cm）2g，置于100ml烧杯中，加70%丙酮80mL，用破碎提取器进行组织破碎提取，提取3次，每次提取时间为3min，提取结束后用5mL溶剂润洗提取器刀头，减压抽滤，用5mL溶剂淋洗滤饼，滤液合并，减压浓缩至近干，用2mL水溶解残渣，经装有10mLDiaionHP-20大孔吸附树脂的柱色谱，先用水40mL洗脱，后用95%乙醇100mL洗脱，将95%乙醇洗脱液减压回收溶剂至近干，用50%甲醇溶解转移至10mL容量瓶中，加50%甲醇定容至刻度，摇匀，经0.45μm微孔滤膜滤过，即得供试品溶液。
② 国产西洋参供试品制备：
样品为国产西洋参，制备方法同进口西洋参。
（6）结果
供试品液相色谱分离情况
按3.3.1色谱条件测定混合对照品溶液和进口西洋参供试品溶液，同时，以甲醇空白溶液进行对照，甲醇空白溶液色谱图如图1所示，定量混合人参皂苷对照品的色谱图如图2所示，Rb1，Rc，Rd，Re，Rg₁间达到基线分离，且峰形较好，5种人参皂苷在本实验条件下的色谱峰较为对称。进口西洋参供试品溶液色谱图如图3所示，通过比较，可以看出，在此条件下，供试品溶液色谱峰分离度良好，可准确测定其峰面积，并以峰面积进行定量分析。定性混合对照品的色谱图如图4所示，Rb₂，Rb₃，Rg₂间达到一定分离，且在进口西洋参供试品中这三种成分的含量较少，可以保留时间对这3种皂苷类成分进行定性。

从以上进口西洋参样品和国产西洋参样品的测定结果可以看出，进口西洋参中测出有5种人参皂苷，而国产西洋参中仅测出一种人参皂苷Rg₁，且其含量也不高。进口西洋参中人参皂苷Rb₁的含量最高，Re次之，二者占五种人参皂苷总量的85%左右，而其它几种人参皂苷的含量相对较低。

组织破碎提取法与超声波提取法对比与讨论
通过对比两种提取方法所得人参皂苷的含量可知：组织破碎提取法提取得到的人参皂苷 Rb_1, Rc, Rd, 和Rg₁均高于超声提取法，而人参皂苷Re的含量不及超声波提取法，总皂苷含量二者相差不大，但是组织破碎提取法仅用了9分钟，超声提取法却用了90分钟，前者是后者的十分之一，大大节约了能源，提高了效率。此结论从有效成分的含量这一化学指标反映了组织破碎提取的机理。
3、结论：
1、通过本文的研究，首次确立了西洋参组织破碎提取的最佳工艺：即70%丙酮为溶剂，提取固液比为1:40，提取时间3min，提取次数3次。此工艺条件下，西洋参总皂苷成分的提取量最高，且该提取工艺与其它工艺相比时间短、效率高、节省溶剂和能源，为西洋参的后续相关研究提供一种简便的提取工艺（已获发明专利证书）。
2、以西洋参为例，首次从提取前后药渣物理变化的显微特征，初步探讨了组织破碎提取法高效快速的机理。药材在适当溶剂存在下，受高速破碎、高速搅拌、和超强振动的作用，短时间内变为细粉状颗粒。除药材的木栓细胞、导管、树脂道及草酸钙簇晶等显微特征均发生了不同程度的变化外，可清晰看到大量的破裂细胞碎片存在，且不同的提取溶剂作用下，破碎的显微特征亦不同。
3、本文建立了西洋参中人参皂苷的HPLC现代分析方法，本研究所用国产西洋参与进口西洋参相比，国产不及进口所含人参皂苷的种类和含量高，可见，我国在引种西洋参的质量和栽培技术方面还需加以提高。

六、技术支撑：
高层院士支撑团队
2 中国科学院吴养洁院士（郑州大学）
2 丁奎岭院士（上海有机所）
2 孙汉董院士（昆明植物所）
2 中国工程院肖培根院士（中国医学科学院药用植物研究所）
2 姚新生院士（沈阳药科大学）

国际知名院校
2 哈佛大学医学院
2 美国宾州州立大学
2 美国路易斯安娜大学
2 日本冈山大学
2 香港浸会大学
2 加拿大国家食品健康研究院等

国内知名院所本领域专家及博士群体
中国医学科学院药用植物研究所，中国科学院大连化学物理研究所，中国中医科学院中药研究所，郑州大学药学院，广州中医药大学中药学院，北方民族大学化学与化学工程学院，浙江农林大学生物技术学院，河南中医药大学药学院，沈阳药科大学中药学院。