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        艾葉揮發(fā)油提取工藝研究進(jìn)展

        2019-02-28 02:55:51林珍紅張星春郭劍恩
        云南化工 2019年4期
        關(guān)鍵詞:艾葉水蒸氣揮發(fā)油

        林珍紅,林 斌,張星春,郭劍恩

        (閩江師范高等??茖W(xué)校 化學(xué)與生物工程系,福建 福州 350100)

        1 艾葉揮發(fā)油概述

        揮發(fā)油又稱精油,是艾葉的主要成分之一,是一類具有與水不相混溶,可隨水蒸氣蒸餾的揮發(fā)性油狀液體的總稱。外觀性狀為黃色、草綠色或藍(lán)色的澄明油狀液體。其成分十分復(fù)雜,隨著色譜質(zhì)譜聯(lián)用檢測(cè)技術(shù)的日益成熟,目前研究發(fā)現(xiàn)的艾葉揮發(fā)油成分接近100 種,主要為萜類及其含氧衍生物及少量的醛、醇、酮及芳香類化合物。其豐富的化學(xué)成分賦予揮發(fā)油多樣的藥理作用,具有平喘、鎮(zhèn)咳、祛痰、抗菌和防過(guò)敏等作用[1]。本文就揮發(fā)油提取方法作如下闡述,旨在為揮發(fā)油藥效成分提取的研究提供思路。

        2 艾葉揮發(fā)油提取工藝

        2.1 水蒸氣蒸餾法

        水蒸氣蒸餾法(Steam Distillation,SD)作為揮發(fā)油測(cè)定法收錄于《中華人民共和國(guó)藥典》各版本中。目前艾葉揮發(fā)油化學(xué)成分分析研究中,對(duì)揮發(fā)油的提取多采用該法。文獻(xiàn)[2-4]進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),結(jié)果均表明蒸餾(提?。r(shí)間對(duì)揮發(fā)油產(chǎn)率的影響很大,在提取工藝的研究中應(yīng)作為重點(diǎn)考察因素。

        陳志慧[5]從柑桔皮中提取香精油的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),加入3%的NaCl 可將出油率提高20%。尹彬彬[6]向水提取液添加果膠酶和氯化鈉,比未經(jīng)處理的得率提高了22.7%。分析原因:NaCl 的添加,可改變體系的滲透壓,有利于活性成分的滲出。由此可見,強(qiáng)電解質(zhì)的加入對(duì)水蒸氣蒸餾法提取揮發(fā)油工藝的改進(jìn)具有一定的可行性,目前相關(guān)研究較少,有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究。

        水蒸氣蒸餾法由于設(shè)備裝置簡(jiǎn)單,運(yùn)行成本低,環(huán)境污染小,無(wú)有機(jī)溶劑殘留等特點(diǎn),是中草藥揮發(fā)油提取的有效方法。但由于提取過(guò)程中溫度較高,時(shí)間較長(zhǎng),造成原料中的熱敏性組分易被破壞及低沸點(diǎn)揮發(fā)性成分損失,同時(shí)該法所得揮發(fā)油收率低,一定程度上降低該法的使用價(jià)值。劉繼鑫[7]等在藥材的選擇、處理和蒸餾提取設(shè)備等方面分析探討水蒸汽蒸餾法存在的影響因素,并提出在中藥揮發(fā)油的提取中首先要多方面了解和控制原料藥的質(zhì)量,合理的進(jìn)行樣品預(yù)處理(包含貯存、干燥和浸泡等),并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備(例如選擇容量大、蒸汽可持續(xù)供應(yīng)的水蒸氣發(fā)生器、合理選擇導(dǎo)氣管和加熱源等),以完善揮發(fā)油的水蒸氣提取方法。

        2.2 溶劑法

        2.2.1 溶劑萃取法

        溶劑萃取法(Solvent Extraction,SE)采用相似相溶原理,根據(jù)溶解性差異,合理選擇對(duì)有效成分溶解度大、對(duì)非活性成分溶解度小的溶劑,將有效成分從藥材組織內(nèi)提取出來(lái)的方法稱為溶劑提取法。目前,用于艾葉揮發(fā)油提取常見的溶劑:正己烷、乙醇、石油醚、異丙醇、乙醚等。

        李玲等[8]采用正己烷為回流提取溶劑,該法提取所得艾葉的主要有效成分桉油精相對(duì)含量(13.21%)最高,進(jìn)一步佐證了《中國(guó)藥典》用正己烷回流提取艾葉中的桉油精,并將其含量作為艾葉質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性。

        何正有等[9]分別采用水蒸氣蒸餾法和石油醚提取法,所得艾葉揮發(fā)油收率為0.86%和2.08%,揮發(fā)油收率得到大幅度提高。但是用石油醚提取法得到的揮發(fā)油產(chǎn)品品質(zhì)較差,幾乎無(wú)香味,提取的揮發(fā)油活性成分種類較少,雜質(zhì)較多,藥用價(jià)值不高。

        綜上,溶劑法作為一種傳統(tǒng)的揮發(fā)油提取方法,操作簡(jiǎn)單,揮發(fā)油提取收率高,后期的研究應(yīng)著重提高揮發(fā)油的品質(zhì)。

        2.2.2 加速溶劑法

        加速溶劑萃取法(Accelerated Solvent Extraction,ASE)是通過(guò)高溫和加壓,使活性成分從基體上的脫附和溶解動(dòng)力學(xué)過(guò)程加快,從而縮短萃取時(shí)間。其突出的優(yōu)點(diǎn)是有機(jī)溶劑用量少、萃取時(shí)間短、回收率高,在環(huán)境、食品藥品和高分子工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。陳軍輝等[10]比較了加速溶劑萃取法、水蒸氣蒸餾法、超聲波提取法及索氏提取法對(duì)木香揮發(fā)油的提取效果,結(jié)果表明加速溶劑萃取法對(duì)木香揮發(fā)油的提取效果最好,優(yōu)勢(shì)明顯。目前加速溶劑法在中藥材揮發(fā)油的提取應(yīng)用較少,有待進(jìn)一步研究。

        2.2.3 同時(shí)蒸餾法

        同時(shí)蒸餾萃取法 (Simultaneous Distillation Extraction,SDE)是利用樣品和萃取溶劑的蒸汽在密閉的裝置中充分混合,當(dāng)其中某一組分被完全蒸出后,溫度才上升到留在瓶中組分的沸點(diǎn)。揮發(fā)性成分首先被蒸餾出來(lái),然后和萃取劑在冷凝管上完成萃取,再根據(jù)比重差異將二者分開,最后回收萃取液。該法優(yōu)點(diǎn)是將樣品的水蒸氣蒸餾和餾分的溶劑萃取兩步合并,與傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾方法相比,實(shí)驗(yàn)步驟減少,溶劑用量降低,同時(shí)也減少了蒸餾萃取過(guò)程中的樣品損失[11]。同時(shí)精油可直接進(jìn)行GC-MS 分析,能將揮發(fā)性成分從基體中濃縮數(shù)千倍,對(duì)微痕量成分萃取率較高,缺點(diǎn)是操作溫度較高,所得精油香氣有失真現(xiàn)象。

        羅凱等[12]采用水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法和同時(shí)蒸餾法提取花椒揮發(fā)油,揮發(fā)油提取率分別為6.66%,8.37%和11.6%。同時(shí)蒸餾法提取物的種類達(dá)到了77 種,遠(yuǎn)比前述另兩種方法提取的種類多。該法提取花椒揮發(fā)油的效果理想,具有優(yōu)勢(shì)。因此同時(shí)蒸餾法提取艾葉揮發(fā)油具有可行性,具備一定的開發(fā)潛力和價(jià)值。

        2.3 超臨界流體萃取法

        超臨界流體萃取 (Supercritical fluid extraction,SPE)是利用超臨界流體為萃取劑,一般選用無(wú)毒無(wú)味、價(jià)格低廉的CO2,對(duì)物質(zhì)中的有效組分進(jìn)行溶解并分離的一種技術(shù)。該法具有萃取和分離的雙重作用,萃取溫度低,不損害活性物質(zhì);萃取能力強(qiáng),提取率高,無(wú)有機(jī)溶劑殘留,產(chǎn)品無(wú)污染,質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),適用于熱敏性或揮發(fā)性物質(zhì)的分離提取。CO2超臨界萃取法可通過(guò)調(diào)節(jié)壓力和溫度,改變流體的密度,從而改變?nèi)芙舛?,有選擇地進(jìn)行多種物質(zhì)的分離,以改善產(chǎn)品外觀和質(zhì)量。

        文獻(xiàn)[13-14]采用此法進(jìn)行艾葉揮發(fā)油最佳工藝條件的優(yōu)化研究。李靜等[15]采用水蒸氣蒸餾法和超臨界萃取法,后法提取的艾葉揮發(fā)油得率更高。該法最大的優(yōu)點(diǎn)是可在近常溫下提取分離,幾乎保留產(chǎn)品中全部活性有效成分,產(chǎn)品外觀好,收率高等優(yōu)點(diǎn),有著不可比擬的優(yōu)越性;但超臨界流體萃取法也有其局限性,利用該法所得的艾葉揮發(fā)油中含有大量蠟質(zhì)成分,需進(jìn)行后續(xù)除雜處理[15]。CO2超臨界流體萃取法較適合于親脂性、極性較低組分[16-17]的萃取。對(duì)揮發(fā)油含量相對(duì)較低、活性成分極性較大的中藥材是否適用,需進(jìn)一步驗(yàn)證探討。同時(shí)超臨界流體萃取設(shè)備屬于高壓設(shè)備,投資費(fèi)用高,安全性要求嚴(yán)格,對(duì)過(guò)程工藝、設(shè)備、儀表的綜合技術(shù)提出了新的要求。

        2.4 輔助萃取法

        2.4.1 微波輔助萃取法

        微波輔助萃取法(Microwave-assisted Extraction,MAE)與傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)、熱傳遞加熱方式不同,它通過(guò)偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)和離子遷移兩種方式里外同時(shí)加熱,與傳統(tǒng)熱萃取工藝相比,其萃取速度、萃取效率及萃取質(zhì)量具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),因此在萃取分離天然產(chǎn)物中的應(yīng)用發(fā)展迅速。

        朱國(guó)華[18]采用蒸餾水代替有機(jī)溶劑進(jìn)行微波輔助無(wú)溶劑萃取,平行比較水蒸汽蒸餾法萃取艾葉揮發(fā)油,二法在揮發(fā)油成分上并無(wú)太大區(qū)別,但微波萃取在收率、萃取時(shí)間和能耗上,均優(yōu)于傳統(tǒng)的水蒸汽蒸餾法,是一種值得推廣的快速萃取植物揮發(fā)油的方法。

        與傳統(tǒng)萃取技術(shù)相比,優(yōu)點(diǎn)在于溶劑用量少,萃取時(shí)間短,效率高;與超臨界萃取相比,微波萃取設(shè)備用于生產(chǎn),組成簡(jiǎn)單,安全可靠,投資小,適用面廣等優(yōu)勢(shì)。但也有文獻(xiàn)報(bào)道,如曾虹燕等[13]比較水蒸餾法、超臨界CO2和微波萃取法提取艾葉揮發(fā)油,其中微波萃取收率最高,工藝簡(jiǎn)單,但存在外觀品質(zhì)略差,可能含有雜質(zhì),有待進(jìn)一步提高品質(zhì)。所以微波輔助萃取艾葉揮發(fā)油工藝還需進(jìn)行參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化[19],包括萃取溶劑、微波功率、輻射時(shí)間、溶劑用量、萃取溫度、物料含水量等因素變量的研討。

        近年來(lái)開發(fā)微波萃取與其他技術(shù)聯(lián)用成為熱點(diǎn),其中采用微波輔助水蒸氣蒸餾法[20]、微波聯(lián)合纖維素酶法[21]提取艾葉揮發(fā)油的已見文獻(xiàn)報(bào)道。

        2.4.2 超聲波輔助萃取法

        超聲波輔助萃取法(Ultrasonic-assisted Extraction,UAE)是采用超聲波輔助溶劑進(jìn)行提取,聲波產(chǎn)生高速、強(qiáng)烈的空化效應(yīng)和攪拌作用,加快細(xì)胞內(nèi)有效成分的釋放。該法特點(diǎn)為:提取效率高、溫度低、時(shí)間短、雜質(zhì)少、適應(yīng)性廣,有效成分易于分離純化、提取工藝運(yùn)行成本低,綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著、操作簡(jiǎn)單易行,設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)方便。超聲波提取法是中藥有效成分提取的一種非常有效的方法。在多種中藥材揮發(fā)油提取研究中,如石楠藤莖揮發(fā)油提取[22]、川明參揮發(fā)油提取[23]等,都獲得良好的提取率。

        謝志美[24]利用超聲波輻射結(jié)合異丙醇抽提提取艾葉揮發(fā)油,考察了超聲時(shí)間、溶劑用量及萃取時(shí)間對(duì)揮發(fā)油得率的影響。目前超聲波提取艾葉揮發(fā)油的研究,還未有對(duì)超聲提取關(guān)鍵工藝參數(shù)[25](如超聲頻率、聲強(qiáng)、空占比等)進(jìn)行更加深入的研究,超聲提取工藝參數(shù)對(duì)揮發(fā)油相關(guān)組分及種類是否有影響尚待確定。

        對(duì)于中藥超聲提取的研究通常與其他新型技術(shù)聯(lián)用,如超聲波-微波協(xié)同提取[26]、超聲波輔助和生物酶提取[27]等技術(shù)手段陸續(xù)出現(xiàn),促進(jìn)中藥新產(chǎn)品的開發(fā)和改進(jìn)。目前,超聲聯(lián)用技術(shù)在艾葉揮發(fā)油提取的應(yīng)用目前極少有相關(guān)研究報(bào)道。

        2.5 其他方法

        酶提取法(Enzymes Extraction,EE)是在溫和的條件下,加入適宜種類和用量的酶,分解植物組織,以提取藥材有效成分的方法。弓寶等[28]采用纖維素酶輔助提取沉香揮發(fā)油,發(fā)現(xiàn)該工藝與未添加纖維素酶提取工藝相比,沉香揮發(fā)油提取率增加257%。尹彬彬等[29]通過(guò)添加酶法有助于破除細(xì)胞壁,使有效成分更易浸出,能有效提高艾葉精油的得率。可見,酶提取法在揮發(fā)油提取具有較大的應(yīng)用潛力。

        半仿生提取法(Semi-bionic Extraction,SBE)是模擬藥物在胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)吸收的環(huán)境,采用選定pH 的酸性水和堿性水依次連續(xù)抽提,將藥材中的活性組分進(jìn)行導(dǎo)向分離的方法。該法所得揮發(fā)油有效成分損失少,操作簡(jiǎn)單,成本低廉。謝志美等采用半仿生浸提-水蒸汽蒸餾法提取艾葉揮發(fā)油產(chǎn)油率達(dá)1.05%,比直接水蒸汽蒸餾法提高0.4%。經(jīng)SBE 法浸提后的揮發(fā)油蒸餾時(shí)間較水蒸氣蒸餾短,大為提高蒸餾效率。

        固相微萃取技術(shù)(Solid Phase Microextraction,SPME)是基于提取物在兩相間的分配平衡,利用涂有固定相/液的石英纖維將提取物萃取分離、富集和解吸進(jìn)樣為一體??芍苯优c氣相色譜-質(zhì)譜儀、高效液相色譜-質(zhì)譜儀、紅外光譜儀、毛細(xì)管電泳儀等聯(lián)用,大大提高了分析檢測(cè)的速度和效率。利用固相微萃取[30]所得的艾葉揮發(fā)油成分相較他法,所得揮發(fā)油組分豐富性和層次性上有明顯的優(yōu)越性。但是,該法所得的提取物組分直接進(jìn)入后序儀器進(jìn)行分析,無(wú)法得到揮發(fā)油,因此,只能作為一種揮發(fā)油化學(xué)成分的定性分析方法。

        3 結(jié)語(yǔ)

        水蒸汽蒸餾法和溶劑法作為揮發(fā)油提取的傳統(tǒng)基本法,技術(shù)成熟,操作簡(jiǎn)單,便于規(guī)?;a(chǎn),但存在提取率低、提取時(shí)間長(zhǎng)、成品品質(zhì)不高等缺點(diǎn)。目前對(duì)傳統(tǒng)提取方法的研究集中于對(duì)其工藝的改進(jìn),以提高產(chǎn)品質(zhì)量和提取效率。超臨界流體萃取法提取溫度低,提取效率高,產(chǎn)品品相好,近幾年迅速成為研究熱點(diǎn),但工業(yè)化生產(chǎn)時(shí),技術(shù)操作要求高、設(shè)備投入費(fèi)用高,大型生產(chǎn)應(yīng)用受到一定的限制。輔助萃取法借助先進(jìn)儀器設(shè)備大大提高萃取速度和效率,具有成本低、操作簡(jiǎn)單、適用面廣等優(yōu)點(diǎn),目前應(yīng)加強(qiáng)研究微波和超聲波儀器操作參數(shù)對(duì)提取效果的影響。酶提取法和半仿生提取法因其萃取條件溫和、成本低廉,具有一定的優(yōu)越性。隨著提取方法日益多樣化,傾向于多方法的復(fù)合提取技術(shù)將備受青睞。揮發(fā)油提取技術(shù)將往成本低、品相高、污染小、綠色環(huán)保方向發(fā)展。

        總之,艾葉揮發(fā)油的化學(xué)成分較復(fù)雜,各提取法所得的揮發(fā)油化學(xué)成分差異較大,工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)綜合考慮有效成分含量、揮發(fā)油收率及相應(yīng)的提取操作設(shè)備和生產(chǎn)運(yùn)行成本等因素,結(jié)合實(shí)際情況來(lái)篩選最適合的提取工藝。

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