蒸汽破壁预处理技术对黄芪提取的影响研究

◆作者：何陈灿吴洁陈翠张冰坤卢寿运李卓波

◆单位：1.广东高山动物药业有限公司；2.信宜市金方子生物科技有限公司

蒸汽爆破技术最早于1928年由美国学者W.H.Mason发明，使用7～8MPa的饱和水蒸汽作为介质进行蒸汽爆破，为间歇式生产，主要用于人造纤维板的生产，因压力过高难以推广（隋文杰，2016）。从20世纪70年代开始，该技术又重新得到重视，被广泛用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取乙醇和特殊化学品（隋文杰，2016）。在1980年以后，该技术逐步被人们认知并应用在各种领域。而中药的破壁目前主要有超微粉碎技术和蒸汽爆破技术。蒸汽爆破技术主要利用高温高压的水蒸气湿润渗入植物细胞纤维内部，并通过瞬间的压力释放，在压力急速下降的条件下，实现植物纤维细胞内部水分的液汽转换急速膨胀而产生细胞壁“爆破”效果。随着人们对蒸汽爆破技术的不断认识与研究，此项技术目前已广泛应用于植物纤维的转化利用、制糖、动物饲料生产、医药食品等领域（张博华等，2020）。

蒸汽爆破过程可以分为两个阶段：一是汽相蒸煮阶段；具有细胞结构的植物纤维原料在高温、高压介质下汽相蒸煮，高压的蒸汽渗入到物料内的细胞空隙，半纤维素和木质素软化产生一些酸性物质，使半纤维素降解成可溶性糖；同时，复合胞间层的木质素软化并部分降解，降低了纤维的粘结强度，而产生纤维素链的类酸性降解、热降解和物理断裂。二是爆破阶段。在汽相饱和蒸汽和高温液态水两种介质的状态转化的共同作用下，通过骤然释压，介质和物料共同完成物理能量的释放，软化的物料在膨胀气体的冲击下产生剪切力变形运动，并发生分离（张德强等，2000；廖双泉等，2003）。

这一过程为瞬间的绝热过程，并对外做功。并且在加温加压的过程中，草药的纤维素内部的氢键发生断裂，游离出羟基与水蒸汽重新形成氢键。汽爆处理后物料被排出高温气腔并且迅速冷却至室温，且在此过程中液相转化为气相，导致大部分的氢键无法重新生成。使得氢键的有序结构变化，在适当的提取条件下可以更好地释放出有效物（廖双泉等，2003）。

黄芪是为豆科植物蒙古黄芪的根。春、秋季采挖，除去泥土、须根及根头，晒至六七成干，理直扎捆后晒干。味甘，性微温；归脾、肺经。补气固表，托毒排脓，利尿，生肌。临床主要用于气虚自汗、久咳虚喘、肺气虚证、脾气虚弱之中气下陷及浮肿、疮疡溃难敛等症的治疗。且随着国家对中医药文化的支持和人民认知的不断改变，黄芪已经逐步走向大众视野，不单是在治疗上发挥疗效，在日常生活的健康保健中也应用广泛。然而汽爆技术在黄芪中的应用鲜有报道，为优化黄芪提取工艺，本试验对黄芪经过蒸汽爆破前处理对提取的影响进行初步研究。

本试验采用不同的蒸汽爆破条件对黄芪进行预处理，探究汽爆预处理对黄芪部分品质特性及多糖、活性物提取的影响。研究结果将为黄芪精深加工提供理论依据，并为黄芪功能性成分提取、多糖制备等方面的应用提供有效的途径。

1 试验过程

1.1 材料与方法

1.1.1 材料与设备

黄芪饮片：信宜市安然饮片有限公司（产地：内蒙古）；液相色谱仪-蒸发光检测器：日本岛津LC20AD-ELSD-LTⅡ；液相色谱柱：PhenmenexGemini5um C18110A；紫外可见分光光度计：上海佑科仪器有限公司UV1810；蒸汽爆破试验装置：自主设计仿军工爆破设备。

1.1.2 试验方法

取黄芪饮片适量，于蒸汽爆破实验装置中，反应釜内加入蒸气保温，保温保压（0.4Mpa；0.6Mpa；0.8Mpa；1.0Mpa；1.2Mpa；1.4Mpa；1.6Mpa），预处理时间分别为（5s；10s；30s；60s；120s；300s），保压时间到达后，泄压放出，取饮片，低温烘干，待检。

2 蒸汽爆破对黄芪提取物的影响

2.1 蒸汽爆破预处理对黄芪中黄芪甲苷成分提取的影响

2.1.1 黄芪中黄芪甲苷的提取

取各样品称重30.0g，加入95%乙醇150mL，静止冷浸36h，过滤，收集滤液；滤渣继续加入95%乙醇100mL，冷浸6h，滤过，合并两次滤液，滤液待用。

2.1.2 黄芪甲苷的检验

对照品溶液的制备。取黄芪甲苷对照品适量，用甲醇配成含黄芪甲苷0.25mg/mL的对照品。

供试品溶液的制备。精密量取本品25mL，蒸干，残渣加水10mL，微热使溶解，用水饱和的正丁醇振摇提取4次，每次40mL，合并正丁醇液，用氨试液充分洗涤2次，每次40mL，弃去氨液，正丁醇液蒸干，残渣加水5mL使溶解，放冷，通过D101型大孔吸附树脂柱（内径为1.5cm、柱高为12cm），以水50mL洗脱，弃去水液，再用40%乙醇30mL洗脱，弃去洗脱液，继用70%乙醇80mL洗脱，收集洗脱液，蒸干，残渣加甲醇溶解，转移至10mL量瓶中，加甲醇至刻度，摇匀，即得。

测定法。分别精密吸取对照品溶液20μL、40μL，供试品溶液40μL，注入液相色谱仪，测定，用外标两点法对数方程计算，即得。

2.2 蒸汽爆破预处理对黄芪中黄芪多糖提取的影响

2.2.1 黄芪中黄芪多糖的提取

取各编号黄芪，预先经1%氧化钙水溶液100mL浸泡，煎煮3次，每次1h，合并煎煮液，滤过，滤液减压浓缩至50mL，加乙醇至醇含量60%，滤过，沉淀部分加水溶解过滤，滤液浓缩至25mL，加入乙醇至醇含量80%，滤过，沉淀用高浓度乙醇搅拌，滤过，经无水乙醇洗涤，挥尽乙醇，加水定容至100mL。

2.2.2 黄芪多糖的检验

对照品溶液的制备。取在105℃干燥至恒重的无水葡萄糖100mg，精密称定，置100mL量瓶中，加水溶解并稀释至刻度，摇匀，精密量取5mL，置100mL量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀，即得（每1mL含葡萄糖50μg）。

供试品溶液的制备。精密量取本品2mL，置500mL量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀，即得。

测定法。精密量取对照品溶液和供试品溶液各2mL，置具塞试管中，各加3%苯酚溶液2mL，摇匀，迅速加入硫酸9mL，摇匀，放置至室温，照紫外-可见分光光度法490nm波长处分别测定吸收，计算，即得。

2.3 蒸汽爆破预处理对黄芪浸出物提取的影响

醇浸出物：取黄芪30g，加入乙醇250mL，密塞，冷浸，前6小时，时时振摇，再静置18小时，滤过，精密移取滤液25mL，置已干燥恒重的蒸发皿中，在水浴上蒸干后，在105℃干燥3小时，置干燥器中冷却30min，迅速精密称定重量。

水浸出物：取黄芪30g，加入水100mL，密塞，冷浸，前6小时，时时振摇，再静置18小时，滤过，精密移取滤液25mL，置已干燥恒重的蒸发皿中，在水浴上蒸干后，在105℃干燥3小时，置干燥器中冷却30min，迅速精密称定重量。

3 结果和分析

3.1 蒸汽爆破预处理时间对黄芪中黄芪甲苷、黄芪多糖、浸出物提取的影响

3.1.1 预处理时间对提出各参数的影响

预处理压力设为0.4MPa，试验预处理爆破保留时间对各个有效成分指标的影响。检验结果见图1-图3。

图1 爆破预处理对黄芪甲苷提取的影响

图3 爆破预处理时间对黄芪醇浸出物的影响

当设置在同一预处理压力下，在不同的预处理时间内，对黄芪甲苷、黄芪甲苷醇浸出物和黄芪多糖的提取含量变化如图1-图3。从图中趋势图可得出：第一，对黄芪甲苷提取量影响（图1）：黄芪甲苷提取量从5s，10s，到30s呈增长趋势，而随着时间延长，提取量在一定范围波动，与原药材相比，平均增长达到44.6%，爆破预处理时间对黄芪甲苷的提取有一定影响，预处理时间5s～300s对黄芪甲苷的提取量相对原药材而言都保持稳定的增长率；说明5s～300s对黄芪中黄芪甲苷提取是可以适用的预处理时间。第二，黄芪醇浸出物（图3-4），在本次设置的压力时间下虽略有提高，但并无特别明显变化。这说明在预设压力下的保压时间长短对黄芪提取中醇浸出物影响不大。第三，对黄芪多糖提取的影响（图2）：黄芪多糖提取从5s，10s，30s，呈增长趋势，于60s达到峰值，而后下降，60s时间内，黄芪多糖的提取量比原药材增加9.2%。因此对于黄芪爆破处理而后对黄芪多糖的提取而言，不适用于长时间的预处理。以上结果表面，在预处理压力设为0.4MPa，不同的预处理时间对黄芪甲苷、黄芪醇提物和黄芪多糖有不同的影响。但是经过60s后三个指标都有所下降，可能是在此处理压力下，装置内的原材料被蒸汽浸润达到饱满，而纤维间不能进一步发生变化，而长时间处于压力当中，会导致部分高分子纤维发生聚合反应形成大分子，不利于黄芪中有效成分的释放。

图2 爆破预处理时间对黄芪多糖提取的影响

3.1.2 最优预处理时间的验证

因对饲料原料黄芪而言，目前药典主要鉴别成分为黄芪甲苷及黄芪多糖。基于上述试验，在预处理时间60s前后进行试验验证，综合评估。在60s的预处理时间时，黄芪甲苷及黄芪多糖综合含量达到峰值。

3.2 蒸汽爆破预处理压力对黄芪中黄芪甲苷、黄芪多糖和浸出物提取的影响

在上述时间试验下，设预处理时间为60s，试验预处理压力对各个有效成分指标的影响。检验结果见图4-图8。

图4 爆破预处理压力对黄芪中黄芪甲苷提取的影响

蒸汽爆破预处理会破坏纤维素内部氢键，降低纤维素的结晶度，溶解部分的半纤维素和木质素，从而使得植物细胞间质变得疏松，进而破坏了黄芪复杂的细胞结构，打开了活性成分溶出的通道，促进了溶剂与黄芪甲苷和其他有用成分的接触，使之溶出，即蒸汽爆破处理会暴露出更多可溶性物质，因此猜想爆破压力对黄芪后续提取的影响可能更大。

图6 预处理爆破压力对黄芪多糖提取的影响

因此试验设计在同一预处理时间为60s下，采取不同爆破压力对黄芪进行爆破预处理，测定后续提取的黄芪甲苷，黄芪多糖以及相关浸出物。结果如图5-图8。得出结论如下：第一，图5可见，黄芪甲苷的提取在预处理压力0.4～0.8MPa下提取量略有增长，且随着压力的增大，可提取量逐步增多，当压力达到1.2MPa时黄芪甲苷提取量达到峰值，与原药材相比提高95.15%。第二，对黄芪多糖的提取影响（见图表6）。黄芪多糖的提取0.4～1.0MPa下提取量略有增长，当达到1.2MPa时刻达到最大，与原药材相比提高13.8%。但随着蒸汽爆破压力再次加强，黄芪多糖的提取量有限，这可能是在高压条件下纤维等高分子结构会发生物质的缩合，产生更多的难溶性物质，从而不易被提取出来，故在后面提升压力后，其提取物含量降低。第三，对醇浸出物、水浸出物的提取影响（见图7、图8）。浸出物的溶出和其他有效成分表现一致，即在0.4～1.0Mpa预处理压力下提取量提高，1.2Mpa时达到最大值。

图5 爆破预处理压力对黄芪中黄芪甲苷提取的影响

图7 爆破预处理压力对黄芪醇浸出物的影响

图8 爆破预处理压力对黄芪水浸出物的影响

这是由于在1.2Mpa作用下能破坏黄芪大部分的细胞壁纤维，细胞纤维被破坏成小分子化合物，使得细胞的孔面积增大，细胞膜在无细胞壁阻挡的情况下，经蒸汽在高低压切换过程中的气液转化而破损，使得细胞内容物或者有效成分更容易被浸出，符合设计预想。

4 总结和展望

中医药是中华民族的文化瑰宝。而中药饮片的炮制，是中医药文化传承的精华。炮制在其本质上是药效的“增效”或“减毒”。如乌头、附子的炮制，是通过水漂降低水溶性成分的含量，再加热处理将其中毒性极大的双酯型乌头碱水解成毒性极弱或无毒性的乌头原碱，而达到解毒的目的。炮制的手段、工艺一直从古方传承而来，主要有烘、炮、炒、洗、泡、漂、蒸、煮等，但在现代化技术中未曾得到新的有效补充。而蒸汽爆破的工艺面世为打开中药炮制新局面。

本次试验通过单因素试验的方法找出黄芪在分别在一定的爆破时间下爆破压力对黄芪的后续提取的影响，包括常用的黄芪甲苷、黄芪多糖等主要成分；也包括在水浸出物，醇浸出的其他作用成分的提取；爆破压力在1.2MPa时黄芪甲苷、黄芪多糖的提取率能显著提高。与此达到峰值的，还有黄芪的醇浸出物、水浸出物其浸出物含量分别达到7.11%，23.58%，比原药材提高37.79%，61%。黄芪饮片经过蒸汽爆破预处理后，当预处理压力＞1.2MPa时，其饮片中的有用成分能更容易在后续的使用、加工过程中得到释放。这表明预处理后的黄芪制作饲料添加剂、药用口服液、散剂的产品有了更高的营养价值。

对黄芪本阶段的试验研究，我们可以得出，采用汽爆预处理技术联合传统的提取技术可以有效改善黄芪的部分营养品质。其他组分化合物含量能被更有效地利用，不仅增加其有效成分提取率，使得药用效果最大程度发挥，而且还能提取利用天然中草药的其他有用物质，作为天然的原辅料加以利用。因此在中草药领域爆破的预处理有巨大的潜力，作为畜牧从业人员将继续致力于这一方面的研究试验，不仅进一步完善黄芪的提取工艺，还将挖掘其他药食同源药材的提取工艺。

参考文献：（略）