¿Cuáles son los métodos para extraer ingredientes vegetales?

El ultrasonido es una onda mecánica que se propaga en medios elásticos con una frecuencia superior a 20 kilohercios y no puede ser escuchada por el oído humano. La aplicación del ultrasonido se refleja principalmente en dos aspectos: uno es la aplicación del ultrasonido de energía, es decir, el ultrasonido de potencia, y el otro es la aplicación del ultrasonido de señal. Entre las tecnologías de aplicación de ultrasonidos de potencia, una rama que ha estado activa en los últimos años es la tecnología de extracción con solventes mejorada por extracción asistida por ultrasonidos. En esta área se han llevado a cabo investigaciones y aplicaciones, entre ellas: extracción ultrasónica de aceites vegetales, pigmentos y especias en plantas características, ingredientes activos en la medicina herbaria china, picrotoxinas en lúpulo, aceites, toxinas y pesticidas residuales en tejidos animales, etc.

1.1 Principio de Extracción Mejorada por Ultrasonidos Las ondas ultrasónicas tienen la dualidad de ondas y energía, y sus vibraciones generan y transmiten una gran cantidad de energía. El uso de energía de vibración ultrasónica puede cambiar la estructura del tejido, el estado y la función de la materia o acelerar el proceso de estos cambios. Los efectos de las ondas ultrasónicas en los medios se pueden dividir en efectos térmicos y efectos no térmicos [1]. El efecto térmico se refiere a la conversión de energía mecánica en energía térmica del medio durante el proceso de vibración. La cantidad calculada de energía térmica es proporcional al coeficiente de absorción de la intensidad del sonido del medio, la intensidad del sonido de la onda ultrasónica y la. Tiempo de acción de la onda ultrasónica. Con una determinada intensidad sonora, el calor generado y el efecto calefactor son muy limitados, lo que tiene poca importancia para la extracción. El efecto no térmico del ultrasonido juega un papel dominante en una mejor extracción. Hay dos formas principales de efectos no térmicos: acción mecánica y cavitación. El primero se refiere a la compresión y el estiramiento alternos de partículas del medio causados ​​por ondas ultrasónicas durante la propagación del medio. Aunque el desplazamiento por vibración y los cambios de velocidad de la partícula son pequeños, su aceleración puede alcanzar un orden de magnitud particularmente grande. Esta aceleración a gran escala puede aumentar significativamente la penetración del disolvente en las celdas de extracción, fortalecer el proceso de transferencia de masa y, por tanto, intensificar el proceso de extracción. Por el contrario, el efecto de cavitación de las ondas ultrasónicas es la razón más importante para mejorar la extracción. La cavitación ultrasónica se refiere a una serie de procesos dinámicos como la oscilación, el crecimiento, la contracción e incluso el colapso de pequeños núcleos de burbujas en líquidos bajo la estimulación de ondas sonoras. Según sus diferentes manifestaciones, la cavitación se puede dividir en dos formas: cavitación en estado estacionario y cavitación transitoria. La cavitación en estado estacionario se produce bajo la influencia de una baja intensidad de sonido y las burbujas de cavitación oscilan de forma no lineal en el medio durante varios períodos. Durante el proceso de oscilación, el microflujo alrededor de la burbuja de cavitación genera una gran fuerza tangencial sobre otras partículas en la solución, lo que favorece la penetración del disolvente en las células. Además, el ultrasonido de baja intensidad no sólo puede generar microflujo alrededor de las células, sino también crear circulación intracelular en células animales y vegetales, aumentando así la permeabilidad de las membranas y paredes celulares sin la necesidad de aumentar el proceso de transferencia de masa dañando la membrana o aumentando la temperatura del medio. Las ondas ultrasónicas sufrirán cavitación transitoria bajo una fuerte intensidad de sonido. Las burbujas de gas (vapor) se generan, crecen, se comprimen y colapsan rápidamente dentro de un ciclo de ondas sonoras. Cuando colapsan, forman puntos calientes locales de hasta 5.000 K y la presión puede alcanzar cientos o incluso miles de atmósferas. Con la liberación de alta presión, se formará en el líquido una poderosa onda de choque (homogénea) o un chorro de alta velocidad (heterogéneo). En la extracción, este potente flujo de incidencia puede reducir y eliminar eficazmente la capa de barrera entre el disolvente y la fase acuosa, aumentando así la tasa de transferencia de masa. Al mismo tiempo, el flujo de impacto genera una fuerza de corte físico sobre las células animales y vegetales, provocando que se deformen y rompan, liberando su contenido, lo que acelera enormemente el proceso de extracción.

1.2 Características de la extracción mejorada por ultrasonidos Un gran número de estudios han demostrado que el fuerte efecto de vibración y cavitación producido por las ondas ultrasónicas puede aumentar la eficiencia de la extracción, mejorar la calidad del extracto, aumentar el rendimiento y ahorrar materia prima. recursos materiales y evitar el proceso de extracción a alta temperatura. Efectos adversos sobre algunos ingredientes sensibles al calor. Esto es de gran importancia para la extracción de la medicina tradicional china.

En el proceso de extracción de diferentes componentes, el método tradicional de ebullición de agua o el método de extracción de alcohol sufre de largos tiempos de lixiviación, altas temperaturas, largos procesos de calentamiento de los ingredientes activos, alta lixiviación de impurezas, alto consumo de energía y materias primas. , etc. Problemas como la baja utilización. La tecnología de extracción mejorada por ultrasonidos puede superar los defectos anteriores y tiene grandes beneficios económicos.

1.3 Aplicación de la extracción mejorada por ultrasonidos La aplicación del ultrasonido en la extracción de ingredientes de la medicina herbaria china se centra principalmente en los siguientes aspectos [1, 2]: ① Extraer alcaloides de las plantas. La extracción de alcaloides de las plantas mediante métodos convencionales suele ser lenta, laboriosa e ineficiente. Sin embargo, con la ayuda de la tecnología ultrasónica se pueden lograr resultados significativos. Por ejemplo, en comparación con el método de remojo en frío y el método Soxhlet, el método ultrasónico tiene las ventajas de un proceso simple, una alta tasa de extracción, una velocidad rápida y un buen efecto. ②Extraer glucósidos de las plantas. En el análisis cuantitativo de la medicina tradicional china, los ingredientes activos y las muestras de la medicina tradicional china se determinan mediante métodos convencionales de decocción o reflujo, lo que requiere mucho tiempo y es ineficaz. La aplicación del método ultrasónico puede resolver el problema del tiempo y la eficiencia. Por ejemplo, el siringósido se extrae de Acanthopanax senticosus, los glucósidos aromáticos se extraen de Sophora japonica y la gastrodina y la gastrodina se extraen de Gastrodia elata.

En comparación con el método de remojo en frío, el método de reflujo de solución de etanol (método de extracción Soxhlet), el método de calentamiento y cocción con agua como solvente y el método de extracción con álcali caliente y precipitación ácida, la tasa de extracción se puede mejorar considerablemente y el proceso es simple y rápido. . ③Extracción de otros ingredientes farmacéuticos. El impacto del ultrasonido en la extracción está relacionado con la alteración de las células del tejido, lo que puede liberar mejor los componentes solubles en las células y permitir que las moléculas de disolvente penetren en las células del tejido. La disrupción ultrasónica se aplica a algunas células vegetales con paredes celulares fuertes, provocando que se rompan en un instante muy corto de menos de milisegundos. Cuando las células se rompen, se extraen sustancias frescas biológicamente activas, como enzimas, hormonas y vitaminas. El ultrasonido también se puede utilizar para mejorar la extracción del contenido de colofonia, café, té y hojas de ginkgo, como flavonoides, polifenoles del té, proteínas animales y vegetales, etc. Además, el ultrasonido tiene un papel especial en la extracción de sabores naturales de las plantas aromáticas, es decir, puede mantener al máximo el sabor específico del extracto e inhibir la volatilización de estas sustancias durante el proceso de extracción. Finalmente, la investigación y aplicación de la extracción ultrasónica en la extracción de aceite es muy activa, y se han llevado a cabo experimentos y aplicaciones que involucran la extracción de aceite de anís estrellado, aceite de almendras, aceite de clavo, aceite de perilla y aceite de onagra.

Tecnología de extracción mejorada por microondas

El microondas es la banda más corta de ondas de radio (30 MHz ~ 300 GHz). A diferencia de la extracción de calor tradicional que procede de afuera hacia adentro mediante conducción y radiación térmica, la extracción mejorada por microondas acelera el proceso de extracción calentando desde adentro hacia afuera mediante rotación dipolar y conducción de iones. La extracción por microondas es una nueva tecnología para extraer los ingredientes activos de la medicina herbaria china.

2.1 Principio de extracción mejorada por microondas La absorción de energía de microondas por una sustancia depende de la constante dieléctrica de la propia sustancia. Cuando la constante dieléctrica es mayor que 28, el momento dipolar molecular neto en la molécula es grande y el grupo que genera el momento dipolar en el campo de microondas vibra a la misma frecuencia que las microondas, generando una gran cantidad de calor. Estas sustancias son "sustancias que se calientan espontáneamente en el microondas", mientras que las sustancias con una constante dieléctrica inferior a 28 generan muy poco calor en el campo de las microondas y se denominan "sustancias transparentes para el microondas". La tecnología de extracción por microondas requiere que los ingredientes extraídos de la medicina tradicional china sean sustancias que se calientan espontáneamente en el microondas y que el disolvente de extracción sean sustancias transparentes para el microondas. De esta forma, la diferencia en la capacidad de absorción de microondas provoca que ciertas áreas del material de la matriz o ciertos componentes del sistema de extracción se calienten selectivamente, de modo que las sustancias extraídas se separan de la matriz o sistema y entran al ambiente con una constante dieléctrica pequeña. y capacidad de absorción de microondas en disolventes de extracción relativamente pobres.

El mecanismo de extracción mejorada por microondas proviene del efecto de la energía de las microondas [3]. Por un lado, el proceso de radiación de microondas consiste en que ondas electromagnéticas de alta frecuencia penetran en el medio de extracción y alcanzan el haz vascular y el sistema de células glandulares dentro del material. Dado que el contenido de agua en el haz vascular y el sistema de células glandulares del material es alto, y el agua es una molécula polar que es particularmente sensible a la acción de las microondas, absorbe energía de microondas y se calienta rápidamente, aumentando la presión sobre las células. Cuando la presión interna de la célula excede la capacidad de expansión de la pared celular, la célula se rompe. Los ingredientes activos de las células escapan y la extracción de ingredientes específicos se completa a una temperatura más baja. Por otro lado, el campo electromagnético generado por las microondas acelera la velocidad de difusión de ciertos componentes extraídos hacia la interfaz del disolvente de extracción. Cuando se utiliza agua como disolvente, bajo el campo de microondas, las moléculas de agua están en un estado excitado y realizan un movimiento de intercambio polar a una velocidad de 2,45 mil millones de veces por segundo. Este es un estado inestable de alta energía, o las moléculas de agua se vaporizan. , que mejora los componentes de extracción, la fuerza impulsora o la energía liberada por las propias moléculas de agua regresa al estado fundamental y la energía liberada se transfiere a otras moléculas del material, acelerando así su movimiento térmico, acortando el tiempo para el componente de extracción. las moléculas se difundan desde el interior del material hasta la interfaz del disolvente de extracción, mejorando en gran medida la eficiencia de la extracción, reduciendo la temperatura de extracción y maximizando la calidad de la extracción.

2.2 Características de la extracción mejorada por microondas La extracción mejorada por microondas tiene las características de extracción selectiva, tiempo de operación corto, menor uso de solventes, alto rendimiento de ingredientes activos, fácil control de producción, respeto al medio ambiente y composición simple de la línea de producción. , baja inversión, etc. Una serie de ventajas. Especialmente para la extracción de medicinas tradicionales chinas, la extracción selectiva con solventes de diferentes polaridades facilita la detección y determinación de los ingredientes. La extracción rápida con solventes por microondas tiene una alta repetibilidad y puede controlar el proceso farmacéutico más rápido y descubrir, desarrollar y utilizar medicinas herbales chinas. Al mismo tiempo, la extracción por microondas elimina la necesidad de secar la muestra antes de la extracción, por lo que tiene menos impacto en la matriz que otras tecnologías de extracción al mejorar y adoptar una fuerte tecnología de activación polar, calentamiento polarizado incorporado y tecnología de reactivos no polares polarizados; , se pueden usar reactivos no polares. Los reactivos polares también se pueden calentar y polarizar rápidamente en campos de microondas, de modo que la tecnología de extracción rápida de solventes por microondas se puede usar ampliamente en varios tipos de reactivos, incluidos reactivos polares y no polares. La extracción por microondas no está limitada por la afinidad del solvente y hay una variedad de solventes disponibles. Todos los métodos de extracción con disolventes actualmente maduros se pueden realizar mediante extracción rápida con disolventes por microondas.

Por lo general, las muestras polares utilizan disolventes polares como metanol y agua, y las muestras no polares utilizan disolventes no polares como n-hexano.

Extracción selectiva: la característica del calentamiento selectivo de diferentes componentes en el sistema de extracción hace que la extracción por microondas sea el único proceso de extracción que puede separar directamente los componentes objetivo de la matriz. El método de extracción química por solventes consume mucha energía, consume muchos suministros, lleva mucho tiempo, tiene una baja eficiencia de extracción y causa una gran contaminación industrial. El método de extracción con fluidos supercríticos mejora en gran medida la eficiencia de la extracción, pero su equipo es complejo. el rango de selección de solventes es estrecho y requiere recipientes y bombas de alta presión. El costo de inversión es alto. En comparación con el método de extracción por microondas, sus amplias ventajas son muy obvias.

2.3 Aplicación de la extracción mejorada por microondas Actualmente, la extracción por microondas se ha utilizado en muchas líneas de producción de extracción de hierbas medicinales chinas, como raíz de kudzu, hojas de té, hojas de ginkgo, etc. Investigadores del Instituto de Medicina Tradicional China han utilizado tecnología de extracción por microondas para procesar cientos de medicinas tradicionales chinas, incluidos aceite de clavo, artemisinina, efedrina, menta y aceite de ajo. En el proceso de extracción de salidrosida de Alpine Rhodiola rosea, el método de utilizar tratamiento con microondas para remojar las raíces de Rhodiola rosea y luego lixiviar con agua o solvente orgánico para extraer salidrosida se comparó con el método de reflujo con solución de etanol (Extracción de Código) y el método de extracción de salidrosida calentando y cocinando con agua como disolvente. Los resultados mostraron que el método de microondas acortó considerablemente el tiempo para extraer la misma cantidad de sustancias y la calidad del extracto fue la mejor. La investigación experimental sobre la cantidad de lixiviación de efedrina en efedra utilizando tecnología de microondas también muestra que la cantidad de lixiviación de efedrina en efedra utilizando tecnología de microondas es significativamente mejor que el método de decocción convencional.

Debido a que las microondas tienen diferentes efectos en diferentes células o tejidos vegetales, la liberación de productos intracelulares tiene cierta selectividad, por lo que se deben seleccionar diferentes métodos de tratamiento en función de las características de los productos y su ubicación en las células. La literatura [4] utilizó componentes de antraquinona con diferentes polaridades en semillas de ruibarbo y casia, ácido clorogénico en madreselva y baicalina en escutelaria como componentes índice, y utilizó un diseño experimental ortogonal para investigar la tasa de extracción. Mediante análisis, se cree que la extracción por microondas es selectiva para la extracción de medicinas chinas con diferentes estructuras morfológicas, pero la selectividad para la extracción de medicinas chinas con diferentes componentes polares no es significativa.

3 Tecnología de extracción supercrítica

La tecnología de extracción supercrítica es un nuevo tipo de tecnología de extracción que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años y también se ha aplicado rápidamente en el campo de la investigación de la medicina tradicional china. desde la década de 1990. La extracción supercrítica es una tecnología que utiliza fluido en condiciones supercríticas como disolvente para extraer y separar ciertos componentes de líquidos o sólidos. El fluido supercrítico, también conocido como gas supercrítico, es una sustancia que existe en forma de fluido por encima de la temperatura y presión críticas. El gas supercrítico comúnmente utilizado es el dióxido de carbono.

3.1 Principio de Extracción Supercrítica (SFE) La SFE es una tecnología que utiliza las propiedades especiales de los fluidos supercríticos para separar sustancias químicas. En condiciones supercríticas, los fluidos supercríticos tienen tanto la baja viscosidad y el coeficiente de difusión de los gases como la alta densidad de los líquidos. Por lo tanto, tienen buenas propiedades de transferencia de calor, transferencia de masa y permeabilidad, y tienen una gran solubilidad para muchas sustancias. Las propiedades físicas y químicas del SCF son muy sensibles a los cambios de temperatura y presión cerca del punto crítico, es decir, las propiedades del fluido se pueden ajustar continuamente mediante la presión y la temperatura. Pequeñas cantidades de disolvente, como pequeñas cantidades de arrastradores, también pueden cambiar drásticamente las propiedades del SCF [6,7]. Por lo tanto, con su buena permeabilidad y fuerte solubilidad, el fluido supercrítico puede entrar en contacto con el material a tratar y disolver selectivamente algunos componentes, y la densidad y la constante dieléctrica del fluido supercrítico cambian con la presión en el sistema cerrado. aumenta, la polaridad aumenta. Se pueden extraer por etapas componentes de diferentes polaridades mediante presurización programada. Una vez completada la extracción, se cambia la temperatura o presión del sistema para que el fluido supercrítico se convierta en un gas ordinario y se disperse. Los componentes extraídos en el material se pueden separar por completo o casi por completo, logrando así el propósito de la extracción. separación.

3.2 Características de la extracción supercrítica En comparación con los métodos farmacéuticos tradicionales, la tecnología de extracción supercrítica tiene las siguientes ventajas únicas en el desarrollo y producción de medicinas tradicionales chinas [8]: ① Fuerte capacidad de extracción y alta tasa de extracción de ingredientes activos , lo que mejora en gran medida el rendimiento de la calidad del producto y la utilización de recursos. ② Existe una cierta selectividad por el extracto, que está relacionada principalmente con la polaridad, el punto de ebullición y el peso molecular de la sustancia. La extracción selectiva es beneficiosa para separar diversas sustancias en la medicina tradicional china, reducir las impurezas, enriquecer los ingredientes activos de la medicina tradicional china y es beneficiosa para el control de calidad. ③ Puede funcionar a temperatura normal y es especialmente adecuado para la extracción de sustancias volátiles y sensibles al calor. Puede garantizar la "pureza" del extracto y prevenir eficazmente la oxidación y dispersión de componentes sensibles al calor. ④La velocidad de extracción es rápida y el tiempo es corto. El dispositivo de extracción de fluido supercrítico integra extracción y separación, lo que acorta en gran medida el flujo del proceso y tiene las ventajas de una velocidad de extracción rápida, alta eficiencia y operación simple. ⑤Los parámetros operativos son fáciles de controlar y se pueden garantizar los ingredientes activos y la calidad del producto.

Se puede obtener un producto de alta pureza sin residuos de disolvente. ⑥ Puede extraer muchas sustancias que no se pueden extraer con métodos tradicionales. Es fácil descubrir nuevos ingredientes de la medicina tradicional china, descubriendo así nuevos efectos farmacológicos y desarrollando nuevos medicamentos. ⑦ Puede utilizarse como un método analítico eficaz para analizar la calidad de las medicinas tradicionales chinas. ⑧El flujo del proceso es simple, se ahorra consumo de energía y se suprime la contaminación.

3.3 Aplicación de la extracción supercrítica En los últimos 10 años, la tecnología SFE-CO2 se ha utilizado ampliamente en el campo de la producción de medicina tradicional china. Debido a que el fluido CO2 no es polar, es particularmente adecuado para extraer componentes volátiles. Al ajustar la temperatura y la presión y agregar modificadores apropiados, se pueden extraer aceites volátiles, alcaloides, fenilpropanoides, flavonoides, ácidos fenólicos orgánicos, glucósidos y pigmentos naturales de la medicina tradicional china. Esta tecnología no solo mejora la eficiencia de la extracción, sino que también retiene una gran cantidad de componentes térmicamente inestables, que se oxidan fácilmente y componentes con bajo contenido de extracción. Su aplicación en la extracción y separación de medicinas tradicionales chinas se refleja en varios aspectos: extracción y separación de ingredientes activos de medicinas herbarias chinas individuales, incluida la extracción y separación de un solo componente o de varios componentes con polaridad similar; extracción y separación de compuestos chinos; extractos de preparación de hierbas medicinales: combinados con otros La operación unitaria extrae y separa los ingredientes activos; combinados con métodos de análisis espectral y cromatográfico, los ingredientes activos de la medicina tradicional china se pueden analizar cuantitativamente de manera más precisa y efectiva. La extracción con fluidos supercríticos (SFE) se ha utilizado con éxito para extraer componentes medicinales de más de 30 tipos de hierbas medicinales chinas, como hojas de ginkgo, madreselva, raíz de peonía blanca, vara de oro, jengibre, angélica, costus, ajo, espino amarillo y salvia miltiorrhiza. y hierba de terciopelo.

Es particularmente digno de mención que la extracción supercrítica se desarrollará más rápidamente en las siguientes áreas de la industria farmacéutica. Extracción de ingredientes activos de compuestos farmacéuticos; ingredientes activos o materias primas intermedias de hierbas medicinales chinas, extracción de antibióticos de caldos de fermentación de medicinas naturales;

En resumen, debido a sus ventajas únicas, la tecnología de extracción supercrítica no solo puede garantizar que el color, el aroma y el sabor originales no sean destruidos por el calor, sino que también garantiza la sensibilidad al calor. Las sustancias oxidables no se destruyen y el extracto se puede separar y purificar simultáneamente durante el proceso de extracción. Por lo tanto, la importancia y el papel de la tecnología de extracción supercrítica en la extracción de la medicina tradicional china moderna serán cada vez más importantes.