蒸汽破壁預(yù)處理技術(shù)對(duì)黃芪提取的影響研究

◆作者：何陳燦吳潔陳翠張冰坤盧壽運(yùn)李卓波

◆單位：1.廣東高山動(dòng)物藥業(yè)有限公司；2.信宜市金方子生物科技有限公司

蒸汽爆破技術(shù)最早于1928年由美國學(xué)者W.H.Mason發(fā)明，使用7～8MPa的飽和水蒸汽作為介質(zhì)進(jìn)行蒸汽爆破，為間歇式生產(chǎn)，主要用于人造纖維板的生產(chǎn)，因壓力過高難以推廣（隋文杰，2016）。從20世紀(jì)70年代開始，該技術(shù)又重新得到重視，被廣泛用于動(dòng)物飼料的生產(chǎn)和從木材纖維中提取乙醇和特殊化學(xué)品（隋文杰，2016）。在1980年以后，該技術(shù)逐步被人們認(rèn)知并應(yīng)用在各種領(lǐng)域。而中藥的破壁目前主要有超微粉碎技術(shù)和蒸汽爆破技術(shù)。蒸汽爆破技術(shù)主要利用高溫高壓的水蒸氣濕潤滲入植物細(xì)胞纖維內(nèi)部，并通過瞬間的壓力釋放，在壓力急速下降的條件下，實(shí)現(xiàn)植物纖維細(xì)胞內(nèi)部水分的液汽轉(zhuǎn)換急速膨脹而產(chǎn)生細(xì)胞壁“爆破”效果。隨著人們對(duì)蒸汽爆破技術(shù)的不斷認(rèn)識(shí)與研究，此項(xiàng)技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于植物纖維的轉(zhuǎn)化利用、制糖、動(dòng)物飼料生產(chǎn)、醫(yī)藥食品等領(lǐng)域（張博華等，2020）。

蒸汽爆破過程可以分為兩個(gè)階段：一是汽相蒸煮階段；具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的植物纖維原料在高溫、高壓介質(zhì)下汽相蒸煮，高壓的蒸汽滲入到物料內(nèi)的細(xì)胞空隙，半纖維素和木質(zhì)素軟化產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，使半纖維素降解成可溶性糖；同時(shí)，復(fù)合胞間層的木質(zhì)素軟化并部分降解，降低了纖維的粘結(jié)強(qiáng)度，而產(chǎn)生纖維素鏈的類酸性降解、熱降解和物理斷裂。二是爆破階段。在汽相飽和蒸汽和高溫液態(tài)水兩種介質(zhì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)化的共同作用下，通過驟然釋壓，介質(zhì)和物料共同完成物理能量的釋放，軟化的物料在膨脹氣體的沖擊下產(chǎn)生剪切力變形運(yùn)動(dòng)，并發(fā)生分離（張德強(qiáng)等，2000；廖雙泉等，2003）。

這一過程為瞬間的絕熱過程，并對(duì)外做功。并且在加溫加壓的過程中，草藥的纖維素內(nèi)部的氫鍵發(fā)生斷裂，游離出羥基與水蒸汽重新形成氫鍵。汽爆處理后物料被排出高溫氣腔并且迅速冷卻至室溫，且在此過程中液相轉(zhuǎn)化為氣相，導(dǎo)致大部分的氫鍵無法重新生成。使得氫鍵的有序結(jié)構(gòu)變化，在適當(dāng)?shù)奶崛l件下可以更好地釋放出有效物（廖雙泉等，2003）。

黃芪是為豆科植物蒙古黃芪的根。春、秋季采挖，除去泥土、須根及根頭，曬至六七成干，理直扎捆后曬干。味甘，性微溫；歸脾、肺經(jīng)。補(bǔ)氣固表，托毒排膿，利尿，生肌。臨床主要用于氣虛自汗、久咳虛喘、肺氣虛證、脾氣虛弱之中氣下陷及浮腫、瘡瘍潰難斂等癥的治療。且隨著國家對(duì)中醫(yī)藥文化的支持和人民認(rèn)知的不斷改變，黃芪已經(jīng)逐步走向大眾視野，不單是在治療上發(fā)揮療效，在日常生活的健康保健中也應(yīng)用廣泛。然而汽爆技術(shù)在黃芪中的應(yīng)用鮮有報(bào)道，為優(yōu)化黃芪提取工藝，本試驗(yàn)對(duì)黃芪經(jīng)過蒸汽爆破前處理對(duì)提取的影響進(jìn)行初步研究。

本試驗(yàn)采用不同的蒸汽爆破條件對(duì)黃芪進(jìn)行預(yù)處理，探究汽爆預(yù)處理對(duì)黃芪部分品質(zhì)特性及多糖、活性物提取的影響。研究結(jié)果將為黃芪精深加工提供理論依據(jù)，并為黃芪功能性成分提取、多糖制備等方面的應(yīng)用提供有效的途徑。

1 試驗(yàn)過程

1.1 材料與方法

1.1.1 材料與設(shè)備

黃芪飲片：信宜市安然飲片有限公司（產(chǎn)地：內(nèi)蒙古）；液相色譜儀-蒸發(fā)光檢測(cè)器：日本島津LC20AD-ELSD-LTⅡ；液相色譜柱：PhenmenexGemini5um C18110A；紫外可見分光光度計(jì)：上海佑科儀器有限公司UV1810；蒸汽爆破試驗(yàn)裝置：自主設(shè)計(jì)仿軍工爆破設(shè)備。

1.1.2 試驗(yàn)方法

取黃芪飲片適量，于蒸汽爆破實(shí)驗(yàn)裝置中，反應(yīng)釜內(nèi)加入蒸氣保溫，保溫保壓（0.4Mpa；0.6Mpa；0.8Mpa；1.0Mpa；1.2Mpa；1.4Mpa；1.6Mpa），預(yù)處理時(shí)間分別為（5s；10s；30s；60s；120s；300s），保壓時(shí)間到達(dá)后，泄壓放出，取飲片，低溫烘干，待檢。

2 蒸汽爆破對(duì)黃芪提取物的影響

2.1 蒸汽爆破預(yù)處理對(duì)黃芪中黃芪甲苷成分提取的影響

2.1.1 黃芪中黃芪甲苷的提取

取各樣品稱重30.0g，加入95%乙醇150mL，靜止冷浸36h，過濾，收集濾液；濾渣繼續(xù)加入95%乙醇100mL，冷浸6h，濾過，合并兩次濾液，濾液待用。

2.1.2 黃芪甲苷的檢驗(yàn)

對(duì)照品溶液的制備。取黃芪甲苷對(duì)照品適量，用甲醇配成含黃芪甲苷0.25mg/mL的對(duì)照品。

供試品溶液的制備。精密量取本品25mL，蒸干，殘?jiān)铀?0mL，微熱使溶解，用水飽和的正丁醇振搖提取4次，每次40mL，合并正丁醇液，用氨試液充分洗滌2次，每次40mL，棄去氨液，正丁醇液蒸干，殘?jiān)铀?mL使溶解，放冷，通過D101型大孔吸附樹脂柱（內(nèi)徑為1.5cm、柱高為12cm），以水50mL洗脫，棄去水液，再用40%乙醇30mL洗脫，棄去洗脫液，繼用70%乙醇80mL洗脫，收集洗脫液，蒸干，殘?jiān)蛹状既芙猓D(zhuǎn)移至10mL量瓶中，加甲醇至刻度，搖勻，即得。

測(cè)定法。分別精密吸取對(duì)照品溶液20μL、40μL，供試品溶液40μL，注入液相色譜儀，測(cè)定，用外標(biāo)兩點(diǎn)法對(duì)數(shù)方程計(jì)算，即得。

2.2 蒸汽爆破預(yù)處理對(duì)黃芪中黃芪多糖提取的影響

2.2.1 黃芪中黃芪多糖的提取

取各編號(hào)黃芪，預(yù)先經(jīng)1%氧化鈣水溶液100mL浸泡，煎煮3次，每次1h，合并煎煮液，濾過，濾液減壓濃縮至50mL，加乙醇至醇含量60%，濾過，沉淀部分加水溶解過濾，濾液濃縮至25mL，加入乙醇至醇含量80%，濾過，沉淀用高濃度乙醇攪拌，濾過，經(jīng)無水乙醇洗滌，揮盡乙醇，加水定容至100mL。

2.2.2 黃芪多糖的檢驗(yàn)

對(duì)照品溶液的制備。取在105℃干燥至恒重的無水葡萄糖100mg，精密稱定，置100mL量瓶中，加水溶解并稀釋至刻度，搖勻，精密量取5mL，置100mL量瓶中，加水稀釋至刻度，搖勻，即得（每1mL含葡萄糖50μg）。

供試品溶液的制備。精密量取本品2mL，置500mL量瓶中，加水稀釋至刻度，搖勻，即得。

測(cè)定法。精密量取對(duì)照品溶液和供試品溶液各2mL，置具塞試管中，各加3%苯酚溶液2mL，搖勻，迅速加入硫酸9mL，搖勻，放置至室溫，照紫外-可見分光光度法490nm波長處分別測(cè)定吸收，計(jì)算，即得。

2.3 蒸汽爆破預(yù)處理對(duì)黃芪浸出物提取的影響

醇浸出物：取黃芪30g，加入乙醇250mL，密塞，冷浸，前6小時(shí)，時(shí)時(shí)振搖，再靜置18小時(shí)，濾過，精密移取濾液25mL，置已干燥恒重的蒸發(fā)皿中，在水浴上蒸干后，在105℃干燥3小時(shí)，置干燥器中冷卻30min，迅速精密稱定重量。

水浸出物：取黃芪30g，加入水100mL，密塞，冷浸，前6小時(shí)，時(shí)時(shí)振搖，再靜置18小時(shí)，濾過，精密移取濾液25mL，置已干燥恒重的蒸發(fā)皿中，在水浴上蒸干后，在105℃干燥3小時(shí)，置干燥器中冷卻30min，迅速精密稱定重量。

3 結(jié)果和分析

3.1 蒸汽爆破預(yù)處理時(shí)間對(duì)黃芪中黃芪甲苷、黃芪多糖、浸出物提取的影響

3.1.1 預(yù)處理時(shí)間對(duì)提出各參數(shù)的影響

預(yù)處理壓力設(shè)為0.4MPa，試驗(yàn)預(yù)處理爆破保留時(shí)間對(duì)各個(gè)有效成分指標(biāo)的影響。檢驗(yàn)結(jié)果見圖1-圖3。

圖1 爆破預(yù)處理對(duì)黃芪甲苷提取的影響

圖3 爆破預(yù)處理時(shí)間對(duì)黃芪醇浸出物的影響

當(dāng)設(shè)置在同一預(yù)處理壓力下，在不同的預(yù)處理時(shí)間內(nèi)，對(duì)黃芪甲苷、黃芪甲苷醇浸出物和黃芪多糖的提取含量變化如圖1-圖3。從圖中趨勢(shì)圖可得出：第一，對(duì)黃芪甲苷提取量影響（圖1）：黃芪甲苷提取量從5s，10s，到30s呈增長趨勢(shì)，而隨著時(shí)間延長，提取量在一定范圍波動(dòng)，與原藥材相比，平均增長達(dá)到44.6%，爆破預(yù)處理時(shí)間對(duì)黃芪甲苷的提取有一定影響，預(yù)處理時(shí)間5s～300s對(duì)黃芪甲苷的提取量相對(duì)原藥材而言都保持穩(wěn)定的增長率；說明5s～300s對(duì)黃芪中黃芪甲苷提取是可以適用的預(yù)處理時(shí)間。第二，黃芪醇浸出物（圖3-4），在本次設(shè)置的壓力時(shí)間下雖略有提高，但并無特別明顯變化。這說明在預(yù)設(shè)壓力下的保壓時(shí)間長短對(duì)黃芪提取中醇浸出物影響不大。第三，對(duì)黃芪多糖提取的影響（圖2）：黃芪多糖提取從5s，10s，30s，呈增長趨勢(shì)，于60s達(dá)到峰值，而后下降，60s時(shí)間內(nèi)，黃芪多糖的提取量比原藥材增加9.2%。因此對(duì)于黃芪爆破處理而后對(duì)黃芪多糖的提取而言，不適用于長時(shí)間的預(yù)處理。以上結(jié)果表面，在預(yù)處理壓力設(shè)為0.4MPa，不同的預(yù)處理時(shí)間對(duì)黃芪甲苷、黃芪醇提物和黃芪多糖有不同的影響。但是經(jīng)過60s后三個(gè)指標(biāo)都有所下降，可能是在此處理壓力下，裝置內(nèi)的原材料被蒸汽浸潤達(dá)到飽滿，而纖維間不能進(jìn)一步發(fā)生變化，而長時(shí)間處于壓力當(dāng)中，會(huì)導(dǎo)致部分高分子纖維發(fā)生聚合反應(yīng)形成大分子，不利于黃芪中有效成分的釋放。

圖2 爆破預(yù)處理時(shí)間對(duì)黃芪多糖提取的影響

3.1.2 最優(yōu)預(yù)處理時(shí)間的驗(yàn)證

因?qū)︼暳显宵S芪而言，目前藥典主要鑒別成分為黃芪甲苷及黃芪多糖?；谏鲜鲈囼?yàn)，在預(yù)處理時(shí)間60s前后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合評(píng)估。在60s的預(yù)處理時(shí)間時(shí)，黃芪甲苷及黃芪多糖綜合含量達(dá)到峰值。

3.2 蒸汽爆破預(yù)處理壓力對(duì)黃芪中黃芪甲苷、黃芪多糖和浸出物提取的影響

在上述時(shí)間試驗(yàn)下，設(shè)預(yù)處理時(shí)間為60s，試驗(yàn)預(yù)處理壓力對(duì)各個(gè)有效成分指標(biāo)的影響。檢驗(yàn)結(jié)果見圖4-圖8。

圖4 爆破預(yù)處理壓力對(duì)黃芪中黃芪甲苷提取的影響

蒸汽爆破預(yù)處理會(huì)破壞纖維素內(nèi)部氫鍵，降低纖維素的結(jié)晶度，溶解部分的半纖維素和木質(zhì)素，從而使得植物細(xì)胞間質(zhì)變得疏松，進(jìn)而破壞了黃芪復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，打開了活性成分溶出的通道，促進(jìn)了溶劑與黃芪甲苷和其他有用成分的接觸，使之溶出，即蒸汽爆破處理會(huì)暴露出更多可溶性物質(zhì)，因此猜想爆破壓力對(duì)黃芪后續(xù)提取的影響可能更大。

圖6 預(yù)處理爆破壓力對(duì)黃芪多糖提取的影響

因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)在同一預(yù)處理時(shí)間為60s下，采取不同爆破壓力對(duì)黃芪進(jìn)行爆破預(yù)處理，測(cè)定后續(xù)提取的黃芪甲苷，黃芪多糖以及相關(guān)浸出物。結(jié)果如圖5-圖8。得出結(jié)論如下：第一，圖5可見，黃芪甲苷的提取在預(yù)處理壓力0.4～0.8MPa下提取量略有增長，且隨著壓力的增大，可提取量逐步增多，當(dāng)壓力達(dá)到1.2MPa時(shí)黃芪甲苷提取量達(dá)到峰值，與原藥材相比提高95.15%。第二，對(duì)黃芪多糖的提取影響（見圖表6）。黃芪多糖的提取0.4～1.0MPa下提取量略有增長，當(dāng)達(dá)到1.2MPa時(shí)刻達(dá)到最大，與原藥材相比提高13.8%。但隨著蒸汽爆破壓力再次加強(qiáng)，黃芪多糖的提取量有限，這可能是在高壓條件下纖維等高分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生物質(zhì)的縮合，產(chǎn)生更多的難溶性物質(zhì)，從而不易被提取出來，故在后面提升壓力后，其提取物含量降低。第三，對(duì)醇浸出物、水浸出物的提取影響（見圖7、圖8）。浸出物的溶出和其他有效成分表現(xiàn)一致，即在0.4～1.0Mpa預(yù)處理壓力下提取量提高，1.2Mpa時(shí)達(dá)到最大值。

圖5 爆破預(yù)處理壓力對(duì)黃芪中黃芪甲苷提取的影響

圖7 爆破預(yù)處理壓力對(duì)黃芪醇浸出物的影響

圖8 爆破預(yù)處理壓力對(duì)黃芪水浸出物的影響

這是由于在1.2Mpa作用下能破壞黃芪大部分的細(xì)胞壁纖維，細(xì)胞纖維被破壞成小分子化合物，使得細(xì)胞的孔面積增大，細(xì)胞膜在無細(xì)胞壁阻擋的情況下，經(jīng)蒸汽在高低壓切換過程中的氣液轉(zhuǎn)化而破損，使得細(xì)胞內(nèi)容物或者有效成分更容易被浸出，符合設(shè)計(jì)預(yù)想。

4 總結(jié)和展望

中醫(yī)藥是中華民族的文化瑰寶。而中藥飲片的炮制，是中醫(yī)藥文化傳承的精華。炮制在其本質(zhì)上是藥效的“增效”或“減毒”。如烏頭、附子的炮制，是通過水漂降低水溶性成分的含量，再加熱處理將其中毒性極大的雙酯型烏頭堿水解成毒性極弱或無毒性的烏頭原堿，而達(dá)到解毒的目的。炮制的手段、工藝一直從古方傳承而來，主要有烘、炮、炒、洗、泡、漂、蒸、煮等，但在現(xiàn)代化技術(shù)中未曾得到新的有效補(bǔ)充。而蒸汽爆破的工藝面世為打開中藥炮制新局面。

本次試驗(yàn)通過單因素試驗(yàn)的方法找出黃芪在分別在一定的爆破時(shí)間下爆破壓力對(duì)黃芪的后續(xù)提取的影響，包括常用的黃芪甲苷、黃芪多糖等主要成分；也包括在水浸出物，醇浸出的其他作用成分的提?。槐茐毫υ?.2MPa時(shí)黃芪甲苷、黃芪多糖的提取率能顯著提高。與此達(dá)到峰值的，還有黃芪的醇浸出物、水浸出物其浸出物含量分別達(dá)到7.11%，23.58%，比原藥材提高37.79%，61%。黃芪飲片經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理后，當(dāng)預(yù)處理壓力＞1.2MPa時(shí)，其飲片中的有用成分能更容易在后續(xù)的使用、加工過程中得到釋放。這表明預(yù)處理后的黃芪制作飼料添加劑、藥用口服液、散劑的產(chǎn)品有了更高的營養(yǎng)價(jià)值。

對(duì)黃芪本階段的試驗(yàn)研究，我們可以得出，采用汽爆預(yù)處理技術(shù)聯(lián)合傳統(tǒng)的提取技術(shù)可以有效改善黃芪的部分營養(yǎng)品質(zhì)。其他組分化合物含量能被更有效地利用，不僅增加其有效成分提取率，使得藥用效果最大程度發(fā)揮，而且還能提取利用天然中草藥的其他有用物質(zhì)，作為天然的原輔料加以利用。因此在中草藥領(lǐng)域爆破的預(yù)處理有巨大的潛力，作為畜牧從業(yè)人員將繼續(xù)致力于這一方面的研究試驗(yàn)，不僅進(jìn)一步完善黃芪的提取工藝，還將挖掘其他藥食同源藥材的提取工藝。

參考文獻(xiàn)：（略）