Теоретические основы экстрагирования
Для осуществления процесса экстракции и получения водного извлечения необходимы: лекарственное растительное сырье, экстрагент, соответствующая аппаратура. Метод и режим экстрагирования (температура, время, рН экстрагента и др.) выбирают с учетом вида сырья (свежее или высушенное), анатомо-морфологических (гистологических) особенностей сырья, физико-химических свойств действующих веществ, влияния сопутствующих (в ряде случаев — балластных) веществ. Лекарственное растительное сырье. Водные извлечения изготавливают из различных тканей и органов, как правило, высушенного растительного сырья (цветков, листьев, коры, корней), которым присуща определенная клеточная структура. Требования к качеству сырья сформулированы в частных статьях Государственной фармакопеи. Клеточные оболочки растений прочные и имеют сложный состав: их основу составляет набухающая в воде целлюлоза, растворимые и нерастворимые пектины, увеличивающий прочность стенок лигнин. Клеточная мембрана содержит вкрапления кутина, суберина, которые вообще не смачиваются водой. Клеточная оболочка высушенного сырья отличается от оболочки живой клетки. В живой клетке пристеночный слой протоплазмы делает оболочку полупроницаемой. Оболочка живой клетки не пропускает содержащиеся в клетке вещества, отделяет раствор внутри клеток (клеточный сок) от жидкости вне ее. Например, вода не станет сладкой, если в нее поместить свежие корни солодки. Вода способна проникать внутрь живой клетки в результате осмоса. В процессе сушки клетки растительного сырья теряют влагу, протоплазма их сморщивается и содержимое клеток превращается в сухой остаток; внутренняя часть клетки заполняется воздухом и в целом высушенный растительный материал приобретает губчатую структуру. Клетка высушенного растения теряет свойство полупроницаемости из-за гибели протоплазмы и приобретает свойства пористой перегородки (ультрофильтрация). Через нее становится возможен процесс диализа, т. е. диффузия действующих веществ наружу через пористую перегородку. Кроме того, при измельчении высушенного сырья оболочки клетки разрываются и в процессе экстракции вымываются действующие, сопутствующие и балластные вещества.
Сухой остаток в клетке представляет собой комплекс веществ, имеющих различные физико-химические свойства: нерастворимые, растворимые, гидрофильные набухающие и ненабухающие в воде вещества; при этом часто растворимые вещества адсорбци-онно связаны с нерастворимыми веществами. Экстрагент. Экстрагирование веществ из растительной клетки представляет собой сложный процесс. Извлекатель, прежде чем попасть внутрь клеток и растворить в них вещества, сначала должен пройти через клеточную оболочку, а образовавшийся концентрированный раствор из клетки должен выйти обратно. В аптечных условиях для изготовления настоев и отваров применяют очищенную воду. Вода очищенная, полученная любым из способов, должна полностью отвечать требованиям нормативных документов. В некоторых случаях для извлечения действующих веществ из растений применяют подкисленную воду или к воде добавляют натрия гидрокарбонат. Как экстрагент вода очищенная обладает целым рядом положительных свойств: достаточно хорошо извлекает большинство действующих веществ, хорошо проникая через клеточные стенки, имея большую диффузионную способность, являясь хорошим десорбентом и растворителем; биологически безвредна (фармакологически индифферентна); экономически выгодна, удобна с точки зрения техники безопасности.
К отрицательным свойствам воды очищенной следует Отнести: нерастворимость в ней липофильных лекарственных веществ; большое поверхностное натяжение; возможность гидролиза солей, сложных эфиров и других веществ, особенно в присутствии ферментов и при нагревании; отсутствие антисептических свойств (вода является хорошей средой для развития микроорганизмов); высокая температура кипения (100 С); высокая теплота парообразования (2, 264 103 кДж/кг); не все вещества десорбирует и расширяет достаточно эффективно (основания алкалоидов, агликоны и др.). Поверхностное натяжение и вязкость экстрагента имеют большое значение в процессе экстрагирования. Пропитывая сырье, экстрагент должен растекаться по поверхности клеток. Увеличение поверхности контакта фаз ускоряет процесс растворения. Чем больше поверхностное натяжение, тем труднее пропитывается растительный материал. Диффузионные процессы протекают быстрее в менее вязких средах — коэффициент диффузии обратно пропорционален вязкости экстрагента. Большая вязкость экстрагента и его поверхностное натяжение затрудняют проникновение жидкости в узкие капилляры клеточных оболочек. На вязкость извлекателя большое влияние оказывает температура, поэтому при необходимости использовать вязкий экстрагент его целесообразно нагревать. Присутствие поверхностно-активных веществ (обычно в концентрациях 0, 01—0, 1%) может существенно ускорить процесс экстракции за счет снижения межфазного натяжения, улучшения смачивания клеток, ускорения ряда физико-химических процессов, солюбилизации экстрагируемых веществ (например, эфирных масел). При изготовлении водных извлечений в условиях аптеки ПАВ обычно не добавляют. Механизм извлечения действующих веществ из растительного сырья. Процесс экстрагирования проходит в три стадии: смачивание сырья (капиллярная пропитка); образование первичного сока; массообмен. Смачивание сырья. Благодаря наличию в растительном сырье гидрофильных веществ оно легко смачивается водой и в первую очередь из разрушенных клеток вымываются растворимые и нерастворимые вещества. По микротрещинам, порам, межклеточным ходам, как по капиллярам, экстрагент пропитывает растительное сырье, вытесняя воздух. Происходит поглощение экстрагента сырьем (водопоглощение), которое характеризуется коэффициентом водопоглощения (Кв). Через пористую оболочку высушенного сырья экстрагент проникает внутрь клетки. Смачивание происходит также за счет наличия в сырье гидрофильных веществ, которые набухают в присутствии воды (слизи, пектиновые вещества). Продолжительность набухания сырья зависит как от его анатомо-морфологической структуры (листьев, корней и т. д.), так и измельченное™.
Образование первичного сока. После проникновения экстрагента внутрь клетки протекает процесс десорбции. Большинство веществ внутри клетки адсорбционно связаны с другими веществами или сорбированы оболочкой клетки. Впервые это явление обнаружил русский физиолог и биохимик М. С. Цвет. В его экспериментах с хлорофиллом бензин не извлекал хлорофилл из растений, хотя после экстракции его из клеток — растворял. Спирт этиловый и извлекал, и растворял, так как является для хлорофилла не только растворителем, но и десорбентом. После десорбции идет процесс растворения. Поступая внутрь клетки, экстрагент вытесняет воздух и смачивает сухой остаток, при этом образуются различные дисперсные системы: истинные растворы, растворы ВМВ, разрушаются адсорбционные связи нерастворимых комплексов. Сначала растворяются вещества (низкомолекулярные — кислоты, соли, сахара, гликозиды), обладающие большей способностью к диффузии. Затем начинается растворение ВМВ, коллоидов, неограниченно набухающие вещества при этом быстро набухают и пептизируют-ся, ограниченно набухающие — образуют гели (поэтому, например, пектиновые вещества могут быть извлечены только после гидролиза при нагревании). Внутри клетки образуется концентрированный раствор («первичный сок»). Создается разность концентраций по обе стороны пористой перегородки. Массообмен. Включает в себя массопередачу — перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз и массоотдачу — перенос вещества от границы раздела в глубь фазы. На этой стадии идет выравнивание концентрации по обе стороны клеточной оболочки (внутри клетки и вые ее) до достижения состояния подвижного диффузионного равновесия, что означает завершение процесса при данном режиме экстракции. Выравнивание концентрации идет за счет диффузии экстрагента внутрь клетки, диализа веществ из клетки через пористую клеточную оболочку и диффузии от клеточной мембраны в глубь жидкости, содержащейся вне клетки.
В первую очередь диффундируют вещества с небольшой молекулярной массой: минеральные соли, красящие и другие вещества; медленнее — ВМВ, в последнюю очередь — вещества коллоидного характера; внутри клеток в основном остаются нерастворимые вещества. В процессе экстрагирования происходит молекулярная диффузия и диффузия в результате конвекции. Молекулярная диффузия (лат. diffusio — распространение, перенос частиц, рассеивание) происходит за счет хаотического движения молекул в жидкости и зависит от запаса кинетической энергии частиц (молекул, ионов). На скорость молекулярной диффузии оказывают влияние измельченность растительного материала, толщина его слоя и клеточных оболочек, объем экстрагента и продолжительность экстрагирования. Явление молекулярной диффузии было описано немецким ученым А. Фиком (1855), экспериментально проверено Щукаревым (1896) и в настоящее время носит название «закон Фика—Щука-рева». Математическое выражение этого закона имеет вид: где S — масса продиффундировавшего вещества, кг; τ — время диффузии, с; — скорость диффузионного процесса, кг·с-1; dC — разность концентраций, кг/м3; dx — толщина слоя диффузии, м; dC/dx — градиент концентрации (изменение концентрации вещества на расстоянии dx), кг/м4; F— площадь диффузионного обмена, м2; D — коэффициент молекулярной диффузии, м2/с; знак «минус» показывает направление движения потока от больших концентраций к меньшим. Математическое выражение коэффициента молекулярной диффузии было дано А. Эйнштейном (1905). Коэффициент диффузии показывает количество вещества в 1 кг, продиффундировавшего за 1 с через поверхность в 1 м2 при разности концентраций 1 кг/м3. Конвективная диффузия (коэффициент конвективной диффузии в) связана с переносом вещества в результате перемещения жидкости при изменении температуры, перемешивании, обработке ультразвуком и воздействии других факторов, что существенно ускоряет процесс экстракции. При конвективной диффузии размер молекул экстрагируемых веществ, вязкость экстрагента, кинетическая энергия молекул становятся второстепенными. Главными становятся гидродинамические условия (скорость и режим движения жидкости).
Общая диффузия. Массообмен при экстракции из растительного сырья может быть представлен суммой диффузии внутренней (Двн|), диффузии молекулярной (Дмол) в пределах пограничного слоя и конвективной (Дконв): МО = Двн + Дмол + Дконв. Эти процессы идут самостоятельно и одновременно как единое целое, один общий процесс. Таким образом, в основе экстракции лежат следующие физико-химические и химические процессы: на стадии смачивания сырья — капиллярная пропитка, диффузия экстрагента через пористую мембрану высушенной растительной клетки; на стадии образования первичного сока — растворение низкомолекулярных веществ и образование растворимых соединений, десорбция и растворение, гидролиз пектиновых веществ, внутриклеточная и внеклеточная диффузия веществ (вымывание); на стадии массообмена — молекулярная диффузия, диффузия путем конвекции, мембранная диффузия (диализ веществ через пористую оболочку клетки). Возможно также простое вымывание экстрактивных веществ из клеток, разрушенных при измельчении. Оно превалирует при получении водных извлечений из грубых частей растений. Например, дубильные вещества содержатся между пучками сосудов в длинных веретенообразных клетках, которые вскрываются при измельчении в поперечном направлении. При чрезмерном измельчении сырья вымываются не только действующие, но и балластные вещества в значительном количестве. При оптимальном измельчении любое сырье отсеивают от пыли (размер частиц 0, 2 мм). Факторы, влияющие на скорость, полноту экстракции и качество водных извлечений. На динамику экстракции влияют множество факторов: анатомическое (гистологическое) строение растительного материала, измельченность сырья; природа экстрагента и его свойства (рН, вязкость, десорбирующая и растворяющая способность и др.), соотношение массы сырья и объема экстрагента; режим экстрагирования (время, температура, использова- ние таких физических методов воздействия, как ультразвук, токи высокой частоты и др.), используемая аппаратура. Все перечисленные выше факторы влияют не только на скорость экстракции, но и на качество водного извлечения. Кроме этого большое значение для обеспечения надлежащего качества водного извлечения имеют: стандартность растительного сырья; микробиологическая чистота лекарственного растительного сырья; правильный выбор режима экстрагирования с учетом физико-химической природы действующих и сопутствующих веществ и их концентрации; материал и конструктивные особенности аппаратуры. Измельченность сырья. Скорость диффузионного процесса (dS/dτ) можно повысить, увеличив площадь диффузионного обмена (F) и уменьшив толщину слоя диффузии (dх), т. е. измельчив сырье тем мельче, чем оно крупнее и толще клеточная оболочка. В настоящее время сырье поступает в аптеку в резанно-прессо-ванном виде, в виде брикетов (прямоугольных, круглых), гранул, в пакетах (конвертах-фильтрах), что требует индивидуального подхода при расчетах и осуществлении процесса экстракции. Если сырье поступает в аптеку в неизмельченном виде (лист брусники, толокнянки, сенны, эвкалипта), его режут ножницами, толкут в ступке или измельчают с помощью приборов (кофемолки, РТ-2) до размера частиц, указанных в нормативных документах (табл. 18. 1). Сырье должно быть измельчено без остатка (во избежание потерь действующих веществ). Таблица 18. 1 Размер частиц некоторых видов измельченного сырья в соответствии с ГФ
Не измельчают плоды укропа пахучего, аниса обыкновенного, тмина, фенхеля, можжевельника, черники, жостера слабительного, шиповника; боярышника; почки березовые и сосновые; семена лимонника и льна; цветки василька синего, ромашки аптечной. Следует помнить, что чрезмерное измельчение может привести к отрицательным последствиям: увлажнению и слеживанию сырья, затруднению проникновения экстрагента внутрь растительных клеток; вымыванию из разрушенных клеток всего содержимого, большого количества балластных веществ (ВMB: белков, пектинов и др.), их набуханию; получению мутных, плохо фильтруемых извлечений. Из некоторых видов сырья (листьев наперстянки, травы термопсиса, корней алтея, корней солодки и др.) изготавливают растительные порошки. Измельченность сырья в этом случае может быть до 0, 16 мм, при изготовлении водных извлечений их не используют, а применяют при изготовлении других лекарственных форм: порошков, мазей, суппозиториев, пилюль. Соотношение массы сырья и объема экстрагента. Оптимальное соотношение сырья и экстрагента обеспечивает разность концентрации (dC) при экстракции через толщину слоя сырья (dx), т. е. необходимый градиент концентрации (dC/dx). Соотношение объема экстрагента и массы сырья зависит от концентрации извлечения и величины общей потери экстрагента в процессе экстрагирования. Концентрация извлечения. Как правило, массу растительного сырья и объем извлечения указывают в прописи рецепта в виде соотношения, например: «10, 0 — 200 ml»; «ex 10, 0 — 200 ml»; «10, 0: 200 ml». При отсутствии указания массы сырья руководствуются требованиями нормативных документов и, учитывая физико-химические и фармакологические свойства действующих веществ, извлечения изготавливают в стандартных концентрациях. Стандартные концентрации некоторых водных извлечений Листья наперстянки, трава термопсиса, трава чистотела....................................................... 1; 4()0 Корневища с корнями валерианы, корни истода, рожки спорыньи, трава горицвета, трава (листья, цветки) ландыша, семена льна......................................... 1; 3() Корни алтея, трава душицы, плоды шиповника.... 1: 20 Сырье общего списка (кора дуба, цветки ромашки, листья брусники и др.).......... 1: 10 Для некоторых видов лекарственного растительного сырья существует ряд инструкций, ФСП, в которых указана другая концентрация для изготовления водных извлечений (например, березового гриба чаги, травы душицы, корней истода, листьев почечного чая и др.). Нестандартные концентрации водных извлечений некоторых видов сырья Шишки ели обыкновенной......................................... 1: 5 Корень девясила............................................................ 1: 12, 5 Брикет листьев толокнянки, травы багульника болотного................................................................... 1 - 20 Листья сенны, брикет цветков календулы................. 1: 25 Цветки липы.................................................................. 1: 28, 5 Брикет листьев мяты....................................................... 1: 40 Брикет цветков боярышника...................................... 1: 50 Изготовленные водные извлечения могут быть использованы для пенных или кислородных пенных коктейлей. Водные извлечения для ингаляций и лечебных ванн изготавливают в концентрации 1: 10); при этом готовую вытяжку для ванн можно использовать в соотношении с водой, как 1: 100. Растворы для примочек, спринцеваний, ванночек для местного применения готовят более высокой концентрации — 1: 5 или I: 3. Для примочек используют лекарственное сырье с размером частиц до 2 мм и обработанное водой температурой 90 — 95 °С. Расчет объема экстрагента с использованием коэффициента водопоглощения. При изготовлении извлечения из сухого растительного сырья его объем получается значительно меньше, чем выписанный в рецепте, так как в процессе экстракции возможны потери объема экстрагента за счет: поглощения растительным материалом (абсорбция растительным сырьем); испарения при нагревании; смачивания материала аппаратуры. Поглощение экстрагента растительным материалом обусловлено капиллярным смачиванием и процессом набухания ВМВ. Оно составляет около 84 % общей потери и его следует учесть при расчетах объема экстрагента. Для этого используют коэффициент во-допоглощения (Кв), который является величиной, показывающей объем воды, мл, удерживаемый 1 г измельченного растительного сырья после отжима его в перфорированном стакане инфундирки. В нормативных документах приведены коэффициенты для каждого вида сырья. Дополнительный объем экстрагента рассчитывают по формуле: Vдоп = m1Кв1 + т2Кв1+... + тnКвп где m1; m2; тп — масса каждого вида лекарственного растительного сырья, г; Kв1; Кв2; Квn — коэффициенты водопоглощения соответствующих видов сырья, мл/г. Общий объем экстрагента, который следует взять для получения необходимого объема извлечения, включает объем извлечения, указанный в рецепте, и дополнительно рассчитанный объем экстрагента, удерживаемый сырьем. Установлено, что при изготовлении водных извлечений с учетом Кв количество действую- щих веществ, переходящих в водную вытяжку, увеличивается на 13 — 20% поэтому, если Кв в таблице отсутствует, то дополнительный объем экстрагента рассчитывают, исходя из его средних значений: для корней, корневищ, коры — 1, 5 мл/г; для трав, цветков, листьев — 2, 0 мл/г; для семян — 3. 0 мл/г; для брикетированного сырья — 2, 3 мл/г. Если экстрагированию подвергают сырье массой менее 1 г, поглощение воды сырьем не учитывают и Кв при расчете объема экстрагента не используют. Потерю объема экстрагента за счет смачивания стенок аппаратуры и испарения учитывают после изготовления извлечения, доводя полученный объем необходимым количеством воды до указанного в рецепте. Более правильным было бы использовать не коэффициент во-допотребления Кв, а коэффициент общей потери Кn, который следовало бы рассчитать для каждого вида сырья с учетом характера процесса экстрагирования. Расчет массы сырья и объема экстрагента с помощью расходного коэффициента. При изготовлении водного извлечения из корней алтея расчеты имеют некоторые особенности. После завершения процесса экстракции сырье не отжимают, чтобы избежать попадания в водное извлечение зерен крахмала. Но в этом случае количество его получается намного меньше, чем указано в рецепте. Поэтому при расчетах используют не Кв, а расходный коэффициент Кр — отношение теоретически выписанного в рецепте объема настоя корней алтея и концентрации действующих веществ к практически полученному объему и концентрации. Он показывает, во сколько раз следует увеличить массу сырья и объем экстрагента, чтобы получить выписанный объем водного извлечения требуемой концентрации. Так, например, если взять 5 г корней алтея и 100 мл воды очищенной, настоя (без отжима сырья) получится всего 77 мл. Если 5 г сырья удерживают 23 мл извлечения, следовательно, 1 г сырья удерживает 4, 6 мл (23: 5), т. е. 4, 6 мл — постоянная величина, полученная из расчета: (100 мл - 77 мл): 5 = 4, 6 мл и показывающая, что 1 г корня алтея удерживает 4, 6 мл водного извлечения. Таким образом, Кр для 5 % концентрации можно рассчитать по формуле:
5,0 – 77 мл Х1 - 100 мл Х1 = 6,5 г сырья для получения 100 мл 5 % настоя Х2 - 100 мл; Х2 = 130 мл воды для получения 100 мл настоя. В нормативных документах приведены значения Кр с учетом концентрации, %, извлечения. С, %...................................... I 2 3 4 5 Кр........................................... 1, 05 1, 10 1, 15 1, 20 1, 30 Для расчета Кр любой концентрации настоя корней алтея используют формулу: Кр - 100 мл: 100 мл — (М• 4, 6 мл/г), где М — навеска сырья, г, для изготовления 100 мл водного извлечения необходимой концентрации, %. При изготовлении водных извлечений из растительного сырья нельзя использовать концентрированные растворы других лекарственных веществ. Уменьшение объема экстрагента (воды) при вычитании объемов концентрированных растворов приведет к изменению оптимального соотношения массы сырья и объема экстрагента, а использование концентрированных растворов в составе экстрагента приведет к химической деструкции экстрагируемых и содержащихся в концентрированных растворах веществ при нагревании. Режим экстрагирования (время, температура, использование физических методов воздействия: ультразвук, токи высокой частоты и др.). Нагревание имеет существенное значение для ускорения процесса экстракции и повышения выхода экстрактивных веществ в извлечение. При нагревании повышается растворимость (дубильные вещества, соли алкалоидов, пектиновые вещества и др.), ускоряется диффузия молекул экстрагента и экстрагируемых веществ, диализ веществ, происходит гибель микроорганизмов, инактивируются ферменты. Однако продолжительное действие высокой температуры может привести к негативным последствиям: разрушению термолабильных веществ (например, сердечных гликозидов, некоторых витаминов); понижению растворимости некоторых веществ при повышении температуры и потере летучих компонентов (например, масел эфирных); увеличению выхода сопутствующих и балластных веществ (крахмала, дубильных веществ, пектина, инулина и др.), помутнению. повышению вязкости, снижению качества препарата. Выбор оптимального режима экстрагирования зависит от анатомо-морфологической (гистологической) структуры растительного сырья и от химического состава действующих и сопутствующих веществ. Водные извлечения могут быть изготовлены на кипящей водяной бане; открытом огне; путем воздействия токов высокой частоты, сжиженными газами (в промышленных условиях); в термосах, в воде очищенной, нагретой до кипения. Методом холодного экстрагирования (настаивания при комнатной температуре) изготавливают настой корней алтея, так как в сырье кроме слизи содержится крахмал, который при нагревании набухает, растворяется и превращается в клейстер внутри клеток, в результате экстракция действующих веществ затрудняется и блокируется фармакологическое действие полисахаридов слизистой природы. Из рыхлого тонкого, ломкого сырья, мягкой анатомо-гисто-логической структуры: листьев, трав, стеблей, цветков обычно изготавливают водные извлечения с более мягким режимом экстрагирования (настои). Настои могут быть изготовлены также из сырья с плотной анатомо-морфологической структурой, но содержащего термолабильные или летучие вещества, например, эфирные масла (корневища с корнями валерианы, корневища аира, плоды кориандра, можжевельника, тмина, фенхеля). Изготовление водных извлечений из плотного сырья (коры, корней, корневищ), а также кожистых листьев толокнянки и брусники, листьев ольхи клейкой, содержащих много дубильных веществ; листьев сенны, содержащих антрагликозиды, требует более жестких условий экстракции, из них изготавливают отвары. В ряде случаев целесообразно изготавливать отвар из некоторых трав, цветков, содержащих агликоны флавоноидов (цветков бессмертника песчаного, липы, травы череды, хвоща полевою, сушеницы то-пяной). Термин «отвар» следует считать неточным, так как процесс отваривания предполагает длительное нагревание при кипении самого водного извлечения. Такого режима изготовления водных извлечений в ГФ нет, есть более жесткие условия настаивания на кипящей водяной бане. После помещения инфундирного стакана с лекарственным сырьем на водяную баню время настаивания замечают от момента повторного закипания воды в инфундирном аппарате. По истечении времени настаивания инфундирку с содержимым оставляют охлаждаться при комнатной температуре для дальнейшего извлечения действующих веществ (табл. 18. 2). Постепенное охлаждение до комнатной температуры способствует обогащению настоев ВМВ, которые медленно дифундируют, некоторыми другими лекарственными веществами, сердечными гликозидами, флавонои-дами. Более длительное настаивание при комнатной температуре увеличивает также выход балластных веществ. В процессе настаивания и охлаждения извлечения периодически перемешивают. Исключения по режимам экстрагирования составляют: отвары из сырья — источника дубильных веществ (коры дуба, корневищ лапчатки, змеевика), а также отвары из листьев брус-
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|