Особенности экстрагирования из растительного сырья с клеточной структурой

Теоретические основы экстрагирования

Процесс экстрагирования относится к массообменным процессам и протекает за счет диффузии из зоны с высокой концентрацией. Это, как правило, клетки животного или растительного материала, содержащие биологически активные вещества. Экстрагирование основано на диффузии биологически активных веществ из внутренних структур частиц материала в экстрагент и заканчивается при достижении равновесных концентраций. В равновесном состоянии из материала в экстрагент переходит такое же количество молекул, как и из экстрагента в материал, т.е. концентрация остается постоянной. При этом обычно в материале концентрация выше, чем в экстрагенте.

Диффузия бывает: молекулярная и конвективная.

Молекулярная диффузия - это процесс переноса распределяемого вещества (биологически активного вещества - БАВ) за счет хаотического движения самих молекул в неподвижной среде. Она характеризуется коэффициентом молекулярной диффузии D, который определяют из уравнения Эйнштейна:

, (1.1)

где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,32 Дж/(град×моль);
Nо - число Авогадро (6,06×10²³);
Т - температура абсолютная, град К;
η - вязкость раствора, Н/с×м²;
r - радиус диффундирующих частиц, м;
k = R/Nо - постоянная Больцмана.

Коэффициент молекулярной диффузии характеризует способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду и, как видно из уравнения (1.1), увеличивается с повышением температуры и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера диффундирующих частиц вещества.

Следовательно, чем меньше радиус диффундирующих частиц, тем быстрее идет диффузия. Так, растворам белков, слизей, пектинов и т.п. имеющим большие молекулы, присущи очень низкие коэффициенты диффузии. Вещества с малыми размерами молекул (какими чаще бывают БАВ) диффундируют намного быстрее.

Особенности экстрагирования из растительного сырья с клеточной структурой

При экстрагировании из лекарственного растительного сырья идет диффузия БАВ из внутренних структур частицы материала. При этом процессе извлечение имеет свои особенности. Прежде всего, наличие пористой перегородки, межклеточного пространства и клеточных ходов снижает скорость диффузии. Далее, через поры перегородки могут пройти только те вещества, частицы которых не превышают размеров пор. Наконец, имеется еще одна существенная особенность - явление десорбции, наблюдаемое в клетке после проникновения в нее экстрагента. Поскольку вещества внутри клетки связаны силами притяжения, то необходимо прежде всего преодоление этих адсорбционных сил. Весь сложный комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри кусочков растительного материала называют внутренней диффузией. Для выражения коэффициента диффузии в порах растительного материала в уравнение Эйнштейна (1.1) для свободной диффузии вводят поправочный коэффициент В, учитывающий все осложнения процесса. Уравнение коэффициента внутренней диффузии в этом случае будет иметь вид:

, (1.2)

Для материала с клеточной структурой значение коэффициента внутренней диффузии значительно меньше, чем значение коэффициента свободной диффузии. Так, величина коэффициента свободной диффузии для многих природных соединений находится в пределах 10^–4 – 10^–5 м²/с. Для этих же соединений значение коэффициента диффузии в порах материала с клеточной структурой на 2-3 порядка меньше, т.е. 10^–6 – 10^–8 м²/с.

Особенности извлечения биологически активных веществ из материалов с клеточной структурой связаны с тем, что на пути к веществам, содержащимся в клетке, находится клеточная стенка, физиологическое состояние которой может быть различным. Так, живая растительная клетка имеет пристенный слой протоплазмы определенной толщины. Он накладывает особый отпечаток на свойства клеточной стенки, как перегородки, отделяющей раствор внутри клетки (клеточный сок) от жидкости вне клетки.

Пока протоплазма жива, клеточная стенка является полупроницаемой перегородкой, не пропускающей наружу вещества, растворенные в клеточном соке. В этом случае возможно лишь проникновение экстрагента внутрь клетки (осмос).

Совершенно по-другому ведет себя мертвая клетка. Вследствие гибели протоплазмы (плазмолиза) клеточная стенка теряет характер полупроницаемой перегородки и начинает пропускать вещества в обе стороны (диализ). То есть клеточная стенка приобретает свойства пористой перегородки, через которую могут диффундировать биологически активные вещества, молекулы которых не превышают размера пор.

Подавляющее большинство экстракционных препаратов получают из высушенного растительного сырья, т.е. обезвоженного путем тепловой сушки. В случае получения препаратов из свежих растений клетки умерщвляют этиловым спиртом. Он очень гигроскопичен и при соприкосновении с растительной клеткой обезвоживает ее, вызывая сильнейший плазмолиз. Умерщвление клеток сырья животного происхождения достигается теми же способами: сушкой или обезвоживанием спиртом и ацетоном.

При получении препаратов из свежего сырья, клетки которого не обезвожены, скорее имеет место вымывание клеточного сока из разрушенных клеток и открытых пор, чем процесс экстрагирования.