高压脉冲电场技术在中药提取中的应用前景

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，近年来国内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、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，以及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，三种类型都可能涉及，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内，与容器边缘的两个放电电极通过高压电流，产生电脉冲进行加工的方法。[1]PEF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,造成细胞新陈代谢紊乱,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：①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；

②电场穿孔阶段：电场强度大于临界电场强度，细胞内外的物质可以通过被穿破的微孔自由交换；③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。[3]

PEF最初是用于牛奶灭菌的，随着研究的深入，该技术得到了不断的完善，90 年代美国华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，而国内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及食品药品的保存，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，Angersbach[5]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 年韩玉珠等[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6μs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，崔彦如等[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 提取酵母细胞内的酶。在不需要任何预处理及后处理的情况下，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1:20 2006 年韩玉珠等[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