固液萃取

第十章固液浸取
第一节萃取原理
教学目标：
理解萃取过程和萃取原理。

理解萃取分配定律的含义，掌握分配常数的计算公式。

掌握单级萃取、多级逆流萃取、多级错流萃取的物料流动过程。

教学重点：
萃取过程和萃取原理。

理解萃取分配定律的含义，掌握分配常数的计算公式。

单级萃取、多级逆流萃取的物料流动过程。

教学难点：
萃取分配定律的含义，分配常数计算公式的具体应用。

教学内容：
一、萃取基本原理
1.萃取过程
如图10—1所示，假设一种溶液的溶剂A与另一个溶剂B互不相容，且溶质C在B中的溶解度大于在A中的溶解度，当将溶剂B加入
到溶液中经振摇静置后，则会发生分层现象，且大部分溶质C转移到了溶剂B中。

这种溶质从一种体系转移到另一个体系的过程称为萃取过程。

在萃取过程中起转移溶质作用的溶剂称为萃取剂，由萃取剂和溶质组成的溶液叫萃取液，原来的溶液在萃取后则称为萃余液。

如果萃取前的体系是液态则称为液—液萃取，如果是固态则称为固——液萃取，又称固液浸取，如用石油醚萃取青蒿中的青蒿素就是典型的固液浸取实例。

2.萃取原理
物质的溶解能力是由构成物质分子的极性和溶剂分子的极性决定的，遵守“相似相溶”原则的，即分子极性大的物质溶于极性溶剂，分子极性小的物质溶解于弱极性或非极性溶剂中。

例如，还原糖、蛋白质、氨基酸、维生素B族等物质，其分子极性大，可溶于极性溶剂水中，而不溶解于非极性溶剂石油醚中。

又如大多数萜类化合物的分子极性小，易溶于石油醚和氯仿等极性小的溶剂中，但不溶于水等极性强的溶剂。

因此，同一种化合物在不同的溶剂中有不同的溶解能力。

当一种溶质处于极性大小不相当的溶剂中时，其溶解能力小，有转移到相当极性的溶剂中去的趋势，假设这种极性相当的溶剂与原来的溶剂互不相溶，则绝大部分溶质就会从原来的相态扩散到新的溶剂中，形成新的溶液体系，即形成萃取液。

在萃取过程时，溶质转移到萃取剂中的程度遵守分配定律。

指出，在其他条件不变的情况下，萃取过程达到平衡后，萃取液中溶质浓度
与萃余液中溶质浓度的比值是常数，这个规律叫分配定律，常数0k 叫分配系数。

如图10—2所示，在进行第一次萃取时，设原料液中溶质的摩尔浓度为C,萃取相中溶质的摩尔浓度为X ，萃余相中溶质的摩尔浓度为Y ，则：
假设进行多次萃取才能将目的产物提取完，则进行第n 次萃取时，原料液中的溶质浓度为n c ，萃取相中溶质的浓度为Xn ，萃余相中的浓度为Yn ，根据分配定律应有： 10--2n Xn k Yn
=（） 所以 012= 10--3n X Xn k k k k Y Yn
=====L L （） 由此看到 0Yn ≠
故随着萃取次数的增加，残留在原料体系中的溶质越来越少，但无论进行多少次萃取，都不可能完全将溶质从原料体系中萃取出来。

因此在实际生产过程中，往往要综合考虑萃取操作生产成本，只进行有限次的萃取操作。

如在中药提取生产时，一般对中药材进行三次萃取后，有效成分基本上被最大程度的萃取，同时经济上也达到最好的效益。

0 10--1X k Y
==萃取相（）萃余相
二、常见萃取流程
在工业生产中，萃取操作有单
级萃取、多级错流萃取、多级逆流
萃取等流程。

1.单级萃取
将萃取剂加入原料液中只萃取
一次的操作方式叫单级萃取。

如图
10—3所示。

具体操作过程是：将原料液和萃取剂都加入到混合器中，用搅拌器搅拌，促使溶质从原料液中转移到萃取剂中，经过一段时间后，静置分层，用分离器把萃取相和萃余相分离后即完成一个萃取操作周期。

工业上常用液—液单级萃取设备是高速管式离心机和碟片式离心机，进行固液萃取的设备是各种形式的提取罐。

2.多级错流萃取
原料经过多个串联的萃取器，并在每个萃取器中进行萃取操作，这种萃取方式叫多级萃取。

按原料的流向与萃取剂的流向关系可分为多级错流萃取、多级逆流萃取、多级平流萃取。

图10—4是多级错流萃取示意图。

多级错流萃取操作中，原料液从第1级经过第2级流向第3级，最后得到萃余相，萃取剂则由总管道分别注入三个萃取器，原料在每级萃取器经萃取操作后，所得萃取相都回收到同一个储罐中贮存。

在多级错流萃取中由于溶剂分别加入各级萃取器，故萃取推动力
较大，
萃取效果好，所以在中药提取分离中被广泛采用。

其缺点是要加
入大量的萃取溶剂，产品浓度稀，蒸发浓缩回收溶剂时需要消耗较多的能量。

3.多级逆流萃取
如果原料的流向从第1级经过若干级后到末级的萃余液，而萃取溶剂从末级逆向流动，经过若干级后到达第1级而得到萃取液，这种
萃取操作方式成为多级逆流萃取。

一般萃取级数是三级。

如青霉素生产中，用乙酸戊酯从澄清的发酵液中分离青霉素时，就采用了三级逆流萃取系统，如图10—5所示。

进行多级逆流萃取的设备主要有：
①由单级混合—澄清器串联组成的多级逆流萃取系统
②多级筛板塔。

在生物制药生产过程中，萃取是一个非常重要的单元操作，
通过萃取可以把目的产物从复杂的体系中提取出来，以便于进行更进一步的纯化分离。

第二节植物浸取原理
教学目标：
了解植物中目的产物的理化性质。

掌握植物浸取常用溶剂的理化性质。

理解植物浸取过程基本原理。

掌握植物浸取工艺条件参数的选择依据和方法。

教学重点：
植物浸取常用溶剂的理花性质，植物浸取工艺条件参数的选择依据和方法。

教学难点：
植物浸取工艺条件参数的选择依据和方法。

教学内容：
一、植物中天然产物的理化性质
1.非目的产物
在植物中存在着多种天然大分子物质类，如淀粉、纤维素、木质素、果胶、树脂、鞣质、多肽、蛋白质、酶、核酸等，因为这些分子含有大量的羟基、氨基、羧基等极性基团，因此其分子极性强，在水
中溶解度大，用水等极性溶剂提取时容易被浸提出来。

但是，非目的产物受热会糊化，影响后续分离纯化操作，因此在提取时要尽量避免将其浸出。

2.目的产物的理化性质
植物中的目的产物有生物碱、苷类、醌、黄酮、香豆素、木脂素、萜类、甾体及其苷类、挥发油、色素物质等，这些物质一般都具有生理活性，因而是中药有效成分。

这些物质的分子极性分布范围宽，且从强极性到非极性都有相应的物质存在，因而植物中的有效成分溶解性比较复杂。

现分别介绍如下：
生物碱是一类含氮的天然有机化合物，具广泛的生理活性。

生物碱分子中的氮原子与氨分子中的氮原子一样，有一对孤电子，对质子有一定程度的亲和力，当与酸反应中和后，氮原子可由三价转为五价而成盐，因而具有碱性。

在植物中，大多数生物碱与有机酸结合成盐而存在，少数与无机酸结合成盐而存在，有些生物碱碱性弱，以游离状态存在，还有部分与糖结合成苷类的形式存在。

大多数生物碱不溶或难溶于水，可溶于乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂；生物碱盐类则可溶于水，因此，加入一定的有机酸或无机酸作浸出辅助剂，使生物碱转成盐后，可用水作溶剂提取。

苷类又称配糖体，是糖或糖的衍生物如氨基糖、糖醛酸等，与另一类非糖物质通过糖的端基碳原子连接而成的化合物。

其中非糖部分称为苷元或配基，其连接键称为苷键。

按化学结构可分为香豆素苷、木脂素苷、蒽醌苷、黄酮苷、吲哚苷等多种，其亲水性随苷元化学结
构、所连接糖的种类和数目有较显著的区别，但大多数苷类亲水性强，可用水提取，也可用不同浓度的乙醇提取。

醌类是具有α，β-不饱和酮结构一类化合物，从结构上可分为苯醌、萘醌、菲醌、蒽醌等四类。

醌类化合物中含酚羟基团越多，颜色则越深。

天然醌类多为有色晶体。

苯醌及蒽醌多以游离状态存在，蒽醌往往结合成苷。

游离的醌类多具升华性，小分子的苯醌类及茶酮类具有挥发性，能随水蒸汽蒸馏，可因此进行提取、精制。

游离酮类多溶于乙醇、乙酸、苯、氯仿等有机溶剂，微溶或不溶于水。

而配基成苷后，极性增大，易溶于甲醇、乙醇、热水，几乎不溶于苯、乙醇等非极性溶剂。

蒽醌类衍生物多具有酚羟基，故呈酸性，易溶于碱性溶剂。

分子中酚羟基的数目及位置不同，酸性强弱也不一样。

黄酮类化合物的基本母核是无苯基色原酮，有的具有良好的心脑血管药理活性，有的具有抗菌消炎作用，有的具有保肝作用。

游离黄酮苷元难溶或不溶于水，易溶于乙醇，可用不同浓度的乙醇提取；黄酮苷类可溶于水也可溶于醇，可用水或不同浓度的乙醇提取。

萜类化合物是由若干异戊二烯结构单元组成的碳氢化合物，可用(C5H8)n表示其分子式，n为大于2的整数。

当n是2时称单萜，是3时称倍半萜，是4时称双萜，是5时称二倍半萜，于此类推可对复杂的萜命名。

分子量较小的萜类化合物如单萜和倍半萜多为有特殊气味的挥发性油状液体，其沸点随分子量和双键数量的增加而提高；分子量较大的萜类如二萜、三萜多为固体结晶。

萜类化合物大多具有苦味，也
有一些萜类化合物有极强的甜味，甜菊苷就是比蔗糖甜100倍的甜味剂。

萜类化合物大多不溶于水而易溶于非极性有机溶剂中，如青蒿素溶解于石油醚。

萜类化合物成苷后水溶性提高而易溶于热水，另外含有内酯结构的萜类化合物易溶于碱性水溶液中。

香豆素是邻羟基桂皮酸的内酯，其分子结构是以苯骈α-吡喃酮为母核。

根据其结构特征可分为四大类，即简单香豆素类，喃喃香豆素类、吡喃香豆素类及其他香豆素类。

游离的香豆素多数有较好的结晶，且大多有香味。

香豆素中分子量小的有挥发性，能随水蒸汽蒸馏，并能升华。

香豆素苷多数无香味和挥发性，也不能升华。

游离的香豆素能溶于沸水，难溶于冷水，易溶于甲醇、乙醇、叙情和乙醚；香豆素苷类能溶于水、甲醇和乙醇，而难溶于乙醇等极性小的有机溶剂。

香豆素类及其苷因分子中具有内酯环，在强碱溶液中内酯环可以开环生成顺邻羟基桂皮酸盐，但加酸又可重新闭环成为原来的内酯。

但如与碱长时间加热，则可转变为稳定的反邻羟基桂皮酸盐。

因此用碱液提取香豆素时，必须注意碱液的浓度，并应避免长时间加热，以防破坏内酯环。

木脂素是一类由两分子苯丙素衍生物聚合而成的天然化合物，多数呈游离状态，少数与糖结合成苷而存在于植物的木部和树脂中。

多数为无色结晶，一般无挥发性，不能随水蒸气蒸馏，少数木脂素在常压下能升华。

游离的木脂素是亲脂性的，一般难溶于水，易溶于乙醇和亲脂性有机溶剂中；具有酚羟基的木脂素可溶于碱性水溶液中。

木脂素与糖结合成苷后分子极性增加，在水中的溶解度也增大。

甾体类化合物是广泛存在于自然界中的一类天然化学成分，包括植物甾醇、胆汁酸、
c甾类、昆虫变态激素、强心苷、甾体皂苷、甾
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体生物碱、蟾毒配基等。

其基本结构中母核是环戊烷骈多氢菲。

强心苷多为无定型粉末或者无色结晶，具有旋光性，一般可溶于水、乙醇、丙酮等极性溶剂，微溶于乙酸乙酯、含醇氯仿，几乎不溶于乙醚、苯、石油醚等极性小的溶剂。

挥发油类又称精油，是一类具有挥发性的油状液体，大部分具有香气，如薄荷油、丁香油等。

挥发油难溶于水，能完全溶解于无水乙醇、乙醚、氯仿、脂肪油中。

在各种不同浓度的含水乙醇中可溶解一定量，乙醇浓度愈小，挥发油溶解的量也愈少。

挥发油少量地溶解于水后使水溶液具该挥发油特有的香气。

天然产物的理化性质是植物浸取操作的理论依据，但在设计提取方法时，要进行多次实验，获得最佳的工艺参数，筛选出最可靠的工艺流程。

二、植物浸取常用溶剂
1.溶剂性质
因为提取的植物产品绝大多数是作医、食用原料，所以提取用溶剂必须是“安全、廉价”的，即对有效成分是化学惰性的，对人无毒理反应，能最大程度地浸出目的产物而最小程度地浸出非目的产物，另外，在经济上是廉价的。

事实上，同时满足上述条件的溶剂几乎没有。

在实际生产过程中，往往是多种溶剂按一定比例混合使用以达到生产要求。

常见溶剂的极性大小排列顺序为：
水→乙醇→丙酮→乙醚→乙酸乙酯→氯仿→甲苯→石油醚
水：极性大，溶解范围广，价格便宜。

植物中多种成分如生物碱盐类、苦味物质、有机酸、蛋白质、单糖和低聚糖、淀粉、菊糖、树脂、果胶、黏液质、色素、维生素、酶和少量挥发油等都能被水溶解浸出。

其缺点是选择性差，非目的产物被浸出量大，给纯化操作带来困难。

乙醇：中强极性，能与水以任意比例相混，乙醇浓度越高溶液极性越低。

各种目的产物在乙醇中的溶解度随乙醇浓度的变化而变化。

90%的乙醇用来浸取挥发油、有机酸、树脂、叶绿素等，50%～70%的乙醇用来浸提生物碱、甙类等，50%以下的乙醇用来浸取苦味物质、蒽醌类化合物。

乙醚：乙醚是非极性溶剂，微溶于水（1：12），可与乙醇及其他有机溶剂任意混溶。

选择性强，能溶解生物碱、树脂、挥发油、某些甙类。

大部分溶解于水的成分在乙醚中不溶解。

缺点是易燃，价格高，有药理副反应，常用于精制提纯，最后要从溶液中完全除去。

氯仿：是非极性溶剂，在水中微溶，与乙醇、乙醚能任意混溶。

可溶解生物碱、甙类、挥发油、树脂等，不能溶解蛋白质、鞣质等极性物质。

氯仿有强烈的药理作用，应在浸出液中尽量除去。

除此之外，丙酮和石油醚也是常用溶剂，可以用于脱水脱脂和浸取，但有较强挥发性和易燃性，且具有一定的毒性，故应从最后制剂中除去。

2.辅助剂
为提高浸提效果，增加目的产物的溶解度，增加制剂的稳定性，以及除去或减少某些物质，常在浸提溶剂中加入辅助剂。

常用辅助剂有酸、碱、表面活性剂。

加入硫酸、盐酸、醋酸、酒石酸、枸橼酸等，可促进生物碱溶解，提高部分生物碱的稳定性，同时可使有机酸游离而易被溶剂萃取。

加入氨水、碳酸钙、碳酸钠、碳酸氢钠等，可增加皂甙、有机酸、黄酮、蒽醌和某些酚性成分的溶解度和稳定性。

在含生物碱的浸取液中加碱可使生物碱游离，便于后续萃取。

加入表面活性剂可强化润湿增溶，降低植物材料与溶剂间的界面张力，使润湿角变小，促使溶剂和材料之间的润湿渗透。

常用表面活性剂有非离子型、阴离子型、阳离子型，根据植物材料和溶剂确定使用型号。

三、浸取原理
1.植物的细胞结构
细胞是构成植物组织的基本单元，组成植物细壁的主要成分是纤维素，具有刚性，其功能是支持和保护细胞内的原生质体，防止细胞因吸涨而破裂，保持细胞的正常形态。

原生质可分为细胞核、细胞质、质体及线粒体。

构成原生质的化学成分有核糖核酸、蛋白质、酶、维生素、淀粉、脂类，细胞的代谢产物有糖类、苷类、生物碱、鞣质、脂肪与蜡、挥发油，他们都存在于原生质中。

在植物细胞壁和原生质体之间的细胞膜，是控制物质进出细胞的门户，它有选择性地让某些分子进入或排出细胞。

中药有效成分提取过程就是将目的产物从细胞植物内转移到细胞外的溶剂中，如果将细胞壁破碎则能最大程度地获得有效成分，但很容易将非目的产物一并提取出来，造成纯化困难。

所以在实际生产中，一般不会采用破碎细胞的提取方法，常根据传质过程和传质机理调控有关工艺参数实现最大提取效率。

2.植物浸取过程
浸取就是利用适当溶剂和方式把植物中的有效成分分离出来的操作过程，又称为提取。

提取所得到的液体称为浸出液，浓缩干燥后称为浸膏。

植物浸取操作属于固液萃取。

当固体与溶剂经过长时间接触后，溶质溶解过程结束，此时固体内空隙中液体的浓度与固体周围液体的浓度相等，液体的组成不再随时间而改变，即固液体系达到平衡状态，这就是一个完整的浸取过程。

完整的浸取过程有以下几个阶段：
（1）浸润渗透溶剂被吸附在植物材料表面，由于液体静压力和植物材料毛细作用，被吸附的溶剂渗透到植物细胞组织内部的过程。

溶剂渗透到植物细胞组织中后使干皱的细胞膨胀，恢复细胞壁的通透性，形成通道，能够让目的产物从细胞内扩散出来。

（2）解吸与溶解由于目的产物各成分在细胞内相互之间有吸附作用，需要破坏吸附力才能溶解。

因此溶剂在溶解溶质之前首先要解除吸附作用，即解吸。

解吸后溶质进入溶剂即溶解。

（3）扩散随着细胞内溶质进入溶剂而浓度增大，在细胞内外产生了溶质浓度差，从而产生了渗透压，溶质将进入低浓度溶液中，溶剂将要进入高浓度溶液中，引起溶质从高浓度部位向低浓度部位的扩散过程。

扩散可分为内扩散和外扩散两个阶段。

内扩散就是细胞内已经进入溶剂中的溶质，随溶剂通过细胞壁转移到细胞外的过程，外扩散就是植物材料和溶剂边界层的溶质传递到溶剂主体中去的过程。

研究表明，在通常浸取条件下，溶剂进入细胞后，溶质的溶解速度很大，但溶质的内扩散速度和外扩散速度较低。

提高扩散速度的途径有两条，其一是通过搅拌产生湍流提高外扩散速度；其二是不断用溶剂置换出固液界面上的浓溶液，始终保持细胞内外高浓度差，促使溶质不断扩散出细胞壁，强化浸取操作。

四、浸取工艺条件
在植物浸取过程中，有多种因素对浸取过程产生重要的影响，影响浸取回收率的高低。

这些因素包括温度、压力、酸碱性、颗粒直径、浸取时间、溶剂用量、浸取次数、液体运动状态等。

为达到浸取成本低回收率高的浸取效果，必须通过查阅文献资料和做现场实验求出这些因素的最佳参数，作为生产操作时的控制依据。

在工程上习惯地把这些参数称为工艺条件。

1.浸出温度
一般来讲，温度升高能使植物组织软化并促进膨胀，增加了可溶性成分的溶解和扩散速度，所以浸取温度越高，浸出速度越快。

但温度升高后，某些目的产物不稳定发生分解变质，同时使挥发性目的产
物挥发散失。

因此，要把浸取温度控制在适当的范围。

中药提取时，根据处方情况可把浸取温度控制在100℃以下。

2.浸取时间
浸取过程是一个溶剂进入细胞溶解目的产物并向外扩散的过程，浸取所需时间长短视植物材料本身结构和溶剂性质而定。

如果原材料的组织结构细密，溶质扩散速度慢，所需时间就长，如果所用植物材料的组织疏松则所需时间就短。

溶剂穿透力强且对目的产物溶解性好则所需时间短，反之则长。

浸取所用时间的长短要通过中试实验来确定，一般每批中药材提取的时间大约是2—4个小时。

3.操作压力
植物提取一般是在常压沸点下进行，但对于溶剂较难渗透到植物组织内部的浸出操作，提高压力有利于浸出过程，因为在较高压力下植物组织内部细胞被破坏，加速了润湿渗透过程，使只组织内部毛细孔更快地充满溶剂，有利于溶质扩散。

超临界萃取就属于加压浸取。

对于组织疏松的材料可不用加压操作，因影响浸出速度的主要因素是扩散过程，加大压力对提高浸出速度无显著效果。

4.溶剂PH值
在目的产物浸出过程中，溶剂的PH值对浸出速度有影响。

某些目的产物可溶解于酸性溶剂，则要使用酸性溶剂浸提，有些目的产物易溶解于碱性溶液因而要选择碱性溶剂提取。

根据目的产物的酸碱性质可确定提取过程中溶剂PH值的范围。

5.溶剂用量
可用萃取公式进行理论计算再经过实验校验后即可得到溶剂的用量。

在工业生产中，经验公式和经验值是技术操作的参数依据，一般溶剂用量是原材料的2～5倍，经过三次浸取就可认为提取完成。

6.溶剂流动状态
因在浸取过程中控制速度的关键步骤是扩散阶段，因此可以通过产生错流或湍流，不断地将植物材料表面上高浓度的溶液与低浓度的溶液混合而使溶质被扩散，保持细胞内外高渗透压，提高扩散速度。

通过搅拌或者用离心泵强制溶剂流动可达到提高扩散速度的目的。

7.预浸泡
植物材料多是处于干燥状态，在正式浸取前需要预浸泡，使植物组织软化和细胞壁被浸润而膨胀，便于浸取时溶质的加速溶解和扩散。

第三节植物提取操作方法
教学目标：
掌握植物浸取煎煮工艺、浸渍工艺、渗漉工艺、回流提取工艺、压榨工艺的原理、工艺过程及设备结构。

掌握各种工艺规程的操作方法。

初步掌握根据不同原材料选用不同的极取工艺的方法。

教学重点：
植物浸取工艺过程、设备结构及操作方法。

教学难点：
工艺原理及选用。

教学内容：
一、煎煮提取工艺
将植物用水加热煮沸一定时间提取目的产物的方法称为煎煮法。

这是一种传统方法，可分为常压煎煮法、加压煎煮法、减压煎煮法。

常压煎煮法是应用得最广泛的方法。

煎煮法适合于目的产物可溶于水，且对加热不敏感的植物材料。

1.工艺操作过程
煎煮提取工艺操作过程是：将预处理了植物材料装入煎煮容器中，用水浸没原材料，待植物材料软化润胀后，用直接蒸汽加热至沸腾，然后改用间接蒸汽加热，保持微沸状态，经过一定时间后将浸取液通过筛网过滤装入贮液罐，用新鲜水重复三次，合并浸取液，静置过夜，沉淀过滤，所得滤液即浸提液经浓缩干燥即得提取物。

2.煎煮设备
煎煮设备可分为传统煎煮器、密闭煎煮器、强制循环煎煮器、多能提取罐等四种类型。

在植物提取生产中现已经不再使用传统煎煮器，广泛使用的是多功能提取罐。

多功能提取罐可以进行多种方法的浸取操作。

二、浸渍提取工艺
浸渍法属于静态提取方法，是将已预处理过的植物材料装入密闭。