一种动态循环及在线监测超声辅助提取生物活性物质的方法与流程

本发明属于天然活性物质的提取技术，特别涉及一种动态循环及在线监测超声辅助提取生物活性物质的方法。

背景技术：

近年来，天然活性物质的研究引起了越来越多研究人员的兴趣和关注，尤其提取更为关注。但不同的提取溶剂和方法直接影响着提取物的成份、含量和活性，因此，正是基于对这种重要性的认识，提取已成为是研究开发功能性食品较为关键的一步。

一般来讲，物质的提取方法可分为两类：

一类是溶剂提取法，其基本原理是根据原料中各种成份在溶剂中的溶解不同，选用对有效成份溶解度大，对无效成份溶解度小的溶剂，从而将有效成份从原料组织中溶出。当溶剂加到原料中时，溶剂扩散、渗透进入细胞内，可溶性物质溶解，造成细胞内外的浓度差，以此为推动力使细胞内可溶性物质向溶液主体扩散，至细胞内外有效成分浓度达到动态平衡，滤出溶液进行浓缩、干燥即可。

按所用提取溶剂的不同分为甲醇、乙醇、丙酮及其溶液提取法，正己烷、石油醚提取法、超临界二氧化碳萃取法和乙酸乙酯提取法等。不同的提取溶剂，所得提取物也不尽相同。如石油醚、乙酸乙酯等可以提取胡萝卜素、色素类等非极性成份，同时经过这样的处理也有利于后续提取时其它溶剂的渗透和物质的溶出。如果用水做提取剂，由于水的极性较大，从而把那些多糖类色素、蛋白质等提了出来，同时给后续的分离带来困难，现在己经很少被单独使用。甲醇-水、乙醇-水主要提取甙类，而丙酮-水适合提取羟基较多的酚类物质，因为该体系有利于酚羟基与蛋白质的“解聚”和同时能破坏多酚类成份与蛋白质间较强的亲和力，从而使多酚的性质得以保持。

另一类是仪器辅助提取法，按所用仪器设备分为超声波辅助提取法(ultrasound-assistedextraction)、微波辅助提取法(microwave-assistedextraction)、超临界流体萃取(supercriticalfluidextraction)、加压液相提取法(pressurizedliquidsextraction)、加速溶剂提取法(acceleratedsolventextraction)、索氏提取法(soxhletextraction)、磁力搅拌提取法(magneticstirringextraction)、旋转板提取法(rotationplanarextraction)、基质固相萃取法(solid-liquidextraction)、高压脉冲电场提取法(pulsedelectricfieldsextraction)、以及组合提取法(如将微波与索氏器或超声与索氏器组合起来进行提取)等。

总之，通过对以上提取方法的介绍，可以看出提取设备和所用溶剂是提取的关键，它们不仅影响提取率，同时还会影响提取物的生物活性，因此在实践中要根据实际情况(如成本、设备、环境等)合理选择提取方法。

超声波辅助提取法主要是利用超声的机械和空化作用破坏原料的细胞壁/膜结构，使细胞内有效成份得以释放，直接进入溶剂从而使有效成份得以提取。另外，超声波的许多次级效应如热效应、乳化、扩散、击碎、化学效应、生物效应、凝聚效应等也能加速原料中有效成份在溶剂中的扩散释放，从而缩短提取时间、加速提取。但是，但超声波辅助提取法也存在一些明显的不足，通常需要持续工作，且消耗溶剂、原材料量大，提取完后需要进行过滤和浓缩操作，能耗也大；除此之外，超声处理通常都是在静态开放环境中进行，溶剂挥发严重，提取物提取后直接接触空气易发生氧化变化，影响提取物的品质，因此，如何利用现代技术将不同组件构建成一体化的动态循环超声辅助提取耦合在线监测装备，对解决上述问题尤为关键。

技术实现要素：

为了克服现有的超声辅助提取技术所存在的不足，本发明提供了一种将动态循环超声辅助提取和在线监测耦合，而且在封闭体系中隔绝空气，有效防止氧化或物料挥发，保证提取效率高的动态循环及在线监测超声辅助提取生物活性物质的方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种动态循环及在线监测超声辅助提取生物活性物质的方法，其包括以下步骤：

(1)将粉碎的待提取原料装于提取管1内，向提取液循环回路中的提取管1以及其它连接管道中充满提取溶剂；

(2)将提取管1固定在超声处理池2内，设定初始超声频率、超声温度和超声功率，开始超声处理，原料与提取溶剂在超声作用下混合均匀，活性成分快速溶出到提取溶剂中，并随着提取溶剂动态循环流动；原料随着提取溶剂在提取管1中分散开，加快超声传递，提高传质效率；

(3)动态循环流动的提取溶剂从提取管1流出并分流，一部分提取溶剂经蠕动泵6抽吸在提取液循环回路中继续循环处理，而另一部分提取溶剂流进检测管路中的紫外-可见分光光度计4中进行流通式比色分析，根据分光光度计中吸光值或光谱图谱变化情况实时监测提取情况；

(4)经紫外-可见分光光度计4流通式比色分析之后的提取溶剂经蠕动泵6抽吸返回提取管1中回流；根据色谱图变化并结合步骤(3)的吸光值或光谱图谱变化情况，当吸光值或光谱图谱趋于稳定不变时，完成原料中的生物活性物质提取。

进一步限定，所述步骤(2)为将提取管1固定在超声处理池2内，并且出口端高于入口端，使提取溶剂和原料在管中能充分接触混合并保持一定的液面高度，设定初始超声频率、超声温度和超声功率，开始超声处理，原料与提取溶剂在超声作用下混合均匀，活性成分快速溶出到提取溶剂中，随着提取溶剂动态循环流动并实时采集提取溶剂的进出液温度；原料随着提取溶剂在提取管1中分散开，加快超声传递，提高传质效率。

进一步限定，步骤(4)为经紫外-可见分光光度计4流通式比色分析之后的提取溶剂再经过第二分流阀8将检测管路中的提取溶剂再次分为两部分，一部分可进行色谱分析，并实时监测及时反馈给总控机7，而另一部分经蠕动泵6抽吸返回提取管1中回流；总控机7接收提取溶剂的温度信息反馈，并通过调整提取溶剂的循环流速和超声处理条件使提取溶剂处于设定的提取温度范围，同时，总控机7根据色谱图变化并结合步骤(3)的吸光值或光谱图谱变化情况，当吸光值或光谱图谱趋于稳定不变时，完成原料中的生物活性物质提取。

进一步限定，所述生物活性物质是多酚、黄酮、多糖或花青素。

本发明的动态循环及在线监测超声辅助提取生物活性物质的方法是将超声波提取和在线监测技术有机组合，既可实现动态循环提取，提高物质提取率；又可降低试剂用量和原材料量，还可以实时在线监测、灵活取样，与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

1、由于本发明所使用的提取方法可以实现连续循环在线监测，无需一次一次重复设定提取时间等条件后进行分析，只需根据分光光度计吸光值的变化或全波长扫描图就可以确定较为合适的提取时间等条件，当吸光值或光谱图几乎不再变化时就意味着在该条件下提取时间已达到最优，这样一方面减少了劳动强度、节省了时间，同时还极大减少了试剂及原料用量；另外，由于提取可以在封闭的体系中进行，因此也减少了溶剂的挥发和提取物接触空气后的氧化变化。

本发明由于是在动态循环条件下进行的超声辅助提取，提取过程中一方面原料用量较少，能耗低，缩短了提取时间，保留了营养成份；同时溶剂本身与提取物的产量之间的依赖性也降低，另一方面溶剂在流动，物料与溶剂较好分散，有利于超声传递，因此传质效率更高，提取效率也随之提高；克服了传统超声提取中由于原料用量大，在提取过程中部分原料会沉集到容器底部，最终形成近乎静态的提取，进而影响了传质效率和提取率的问题。

3、本发明由于在线连接了分光光度计，通过全波长扫描可以确定提取物质的大概种类以及最大吸收波长，可为后续实验提供数据参考，因此，实现了传统提取过程中不能完成的内容。

4、本发明所使用的提取管1由于两端带有滤膜，因此循环的提取液始终较为透明、无浑浊杂质，便于分光光度计和后续色谱分析测定；另外，由于采用该提取管1后与超声波的接触面积明显增加，同时圆弧形的接触面也更有利于溶剂吸收声能，因此提取效率更高。

5、通过动态循环还可以有效降低因超声而导致的升温现象，起到维持温度恒定的作用。

6、本发明所用的方法相对简单、省事、效率更高，而且也容易工业化放大，或开发成专门设备，因此在工业提取方面也具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为动态循环及在线监测超声辅助提取生物活性物质的方法的流程图。

图2为不同提取方式对提取率达到相同提取率时所需时间对比图。

图3为不同提取方式对提取率达到相同提取率时所需最少样品量对比图。

图4为不同提取方式对提取率达到相同提取率时所需最少溶剂量对比图。

图5为不同提取方式在相同提取时间内提取率的对比图。

图6为不同提取方式在相同提取时间内提取物的纯度对比图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。

参见图1，本发明的动态循环及在线监测超声辅助提取生物活性物质的方法可以通过下述系统实现：

该系统包括提取管1、超声处理池2、第一分流阀3、紫外-可见分光光度计4、色谱分析仪5、第二分流阀8、蠕动泵6、温度传感器9以及总控机7，其中，提取管1包括管体、螺旋盖以及滤网和管接头，所述管体采用层析玻璃柱，在管体的两端分别安装螺旋盖，并且在螺旋盖上穿插有能够连接管体内外的管接头，在螺旋盖的内侧安装有滤网，对从管接头进出的提取液进行过滤。提取管1两端的管接头分别通过管道与第一分流阀3和蠕动泵6连通，第一分流阀3的第一支流与蠕动泵6连通，使提取管1、分流阀、蠕动泵6形成提取液动态循环回路。所述置于超声处理池2中的提取管1，入口端接近超声处理池2底部，出口端高于入口端，使提取溶剂和原料在管中能充分接触混合并保持一定的液面高度。温度传感器9实时采集提取管1的提取溶剂的进出温度。第一分流阀3的第二支流通过管道与紫外-可见分光光度计4连通，紫外-可见分光光度计4内部设置有流通式比色池和与之匹配的流通式比色皿，紫外-可见分光光度计4的出口端通过第二分流阀8分别与色谱分析仪5和蠕动泵6连通，形成检测回路。

上述的超声处理池2、紫外-可见分光光度计4、温度传感器9、蠕动泵6、色谱分析仪5、第一分流阀3以及第二分流阀8分别通过导线与总控机7连接，向总控机7反馈信息，并接受总控机7的控制命令。

本实施例的动态循环及在线监测超声辅助提取生物活性物质的方法，具体由以下步骤实现：

(1)将粉碎的原料装于提取管1内，向提取液循环回路中的提取管1以及其它连接管道中充满提取溶剂；

(2)将提取管1固定在超声处理池2内，并且出口端高于入口端，使提取溶剂和原料在管中能充分接触混合并保持一定的液面高度，设定初始超声频率为25khz和超声功率为350w，开始超声处理，原料与提取溶剂在超声作用下混合均匀，活性成分快速迁出，并溶于提取溶剂中，随着提取溶剂动态循环流动；温度传感器9实时采集提取溶剂的进出液温度，原料随着提取溶剂在提取管1中分散开，加快超声传递，提高传质效率；

(3)动态循环流动的提取溶剂经滤网过滤后滤掉杂质从提取管1的出口端流出，经第一分流阀3分流，使一部分提取溶剂经蠕动泵6抽吸在提取液循环回路中循环处理，而另一部分提取溶剂流进检测管路中的紫外-可见分光光度计4中进行流通式比色分析，根据分光光度计中吸光值或光谱图谱变化情况实时监测提取情况。

(4)经紫外-可见分光光度计4流通式比色分析之后的提取溶剂再经过第二分流阀8将检测管路中的提取溶剂再次分为两部分，一部分进行色谱分析，而另一部分经蠕动泵6抽吸返回提取管1中回流；总控机7接收提取溶剂的温度信息反馈，并通过调整提取溶剂的循环流速和超声处理条件使提取溶剂处于设定的提取温度范围，同时，总控机7根据色谱图变化并结合步骤(3)的吸光值或光谱图谱变化情况，当吸光值或光谱图谱趋于稳定不变时，完成原料中的生物活性物质提取。

所述生物活性物质多酚、黄酮、多糖或花青素等，广泛存在于天然植物中，如多酚的提取原料可以是沙苑子、茶叶、黑莓、葡萄皮、葡萄籽、石榴籽等等，黄酮的提取原料可以是茶叶、柠檬、接骨木果、银杏叶等，多糖的提取原料可以是番石榴、桑白皮、黄芪、玉米须、芦荟、麦冬等，花青素的提取原料可以是紫甘薯、葡萄、葡萄渣、樱桃、高粱、草莓、桑葚、山楂、牵牛花等，其均可通过上述的方法进行提取，并且活性物质提取率高、营养流失少，活性物质破坏小，还可以实时在线监测。

现以提取沙苑子酚类物质为例，当料液比为1:15(g/ml)，提取温度35℃，超声功率350w，频率25khz，当提取率都为10％时所需时间与常规水浴提取以及常规的超声提取方式所用时间的比较图，由图2可以看出，三种提取方式所需时间分别为120min，45min和10min，说明新的提取方式确实可以极大缩短提取时间，而不影响提取效率。

以提取沙苑子酚类物质为例，当料液比为1:15(g/ml)，提取温度35℃，超声功率350w，频率25khz，当提取率都为10％时所需最少样品量与常规水浴提取以及常规的超声提取方式所需最少样品量比较，由图3可以看出，三种提取方式所需最少样品量分别为15g，5g和1g，说明新的提取方式确实可以极大减少样品用量，而不影响提取效率。

以提取沙苑子酚类物质为例，当料液比为1:15(g/ml)，提取温度35℃，超声功率350w，频率25khz，当提取率都为10％时所需最少溶剂量与常规水浴提取以及常规的超声提取方式所需最少溶剂量比较，由图4可以看出，三种提取方式所需最少溶剂量分别为300，100和20ml(包含除提取管1体积之外的必须消耗体积在内，即整个管路中总溶剂体积)，说明新的提取方式确实可以极大减少溶剂用量，而不影响提取效率。

当料液比为1:15(g/ml)，提取温度35℃，超声功率350w，频率25khz,当提取时间都为10分钟时所得提取率与常规水浴提取以及常规的超声提取方式的提取率比较图，由图5可以看出，三种提取方式所得提取率分别为10％，6％和2％，说明新的提取方式确实可以在相同时间内极大提高提取效率。

以提取沙苑子酚类物质为例，当料液比为1:15(g/ml)，提取温度35℃，超声功率350w，频率25khz，当提取率都为10％时，提取物中酚类物质的纯度比较，由图6可以看出，三种提取方式所得提取物的纯度分别为35％、50％和65％，说明新的提取方式确实可以提高提取物的纯度，进而提升提取物的活性。