Анатомическое (или гистологическое) строение растительного материала

• Стенки клеток служат преградой для прохождения жидкостей. Клеточные оболочки состоят из клетчатки, часто пропитанной инкрустирующими веществами (церином, воском и др.), изменяющими размер пор и характер смачиваемости. Поры клеток имеют ультрамикроскопические размеры, и через них путём ультрафильтрации проникают лишь истинные растворы. Кроме того, клеточная оболочка содержит несколько крупных пор, через которые происходит медленное протекание жидкости. — Через тонкостенные паренхимные клеточные оболочки травянистых частей растения, листьев и цветков, имеющих большое количество устьиц, экстрагент и вещества в молекулярно-ионном состоянии диффундируют легко. • При экстракции свежего растительного материала на процесс экстрагирования большое влияние оказывает протоплазма, заполняющая всю внутреннюю часть клетки и выстилающая оболочку. Эта плёнка плазмы в коллоидном состоянии не пропускает растворы солей, Сахаров и других веществ. Поэтому перед процессом экстракции её необходимо разрушить, что достигается кипячением или обработкой растительного материала крепким спиртом.

— При кипячении происходит денатурация белков плазмы.

— При обработке спиртом (как при сушке сырья) происходят обезвоживание клеток и их гибель.

Спирт обладает высокой гигроскопичностью, при соприкосновении с растительной клеткой «оттягивает» из неё влагу и вызывает плазмолиз.

Степень и характер измельчения растительного материала. Для каждого растительного материала оптимальная степень измельчения и его характер зависят от анатомического строения и химического состава экстрагируемого сырья.

• Степень измельчения определяет поверхность соприкосновения фаз (чем она больше, тем скорее протекает диффузия). — Однако очень мелкие растительные порошки для экстрагирования применять не следует, что связано со следующими причинами. ♦ Мелкие порошки содержат много разрушенных клеток, из них в извлечение переходит большое количество балластных веществ, нерастворимых частиц и коллоидов. В результате получается мутная, трудно очищаемая жидкость. ♦ Очень мелкий порошок образует с растворителем тестообразную массу (а при содержании в нём слизей — студенистую массу), экстрагирование которой затруднено, так как она оказывает большое сопротивление прохождению извлекателя. — Обычно для различного растительного материала рекомендуют следующую крупность измельчения: листья, цветки и травы — до частиц размером 3—5 мм, стебли, корни и кора — до частиц размером 1—3 мм, плоды и семена — до частиц размером 0,3—0,5 мм (так как оболочка их клеток покрыта гидрофобными веществами).

• Характер измельчения растительного сырья оказывает большое влияние на процесс экстракции и качество вытяжки. — Растительные материалы, содержащие большое количество слизей, коллоидов и других набухающих веществ, рационально измельчать на корнетраворезках таким образом, чтобы срезы их по возможности были гладкими (уменьшается количество разрушенных клеток, улучшается качество извлечения). — Растительные материалы (древесину), содержащие дубильные вещества, целесообразно измельчать поперёк волокон (клетки имеют удлинённую веретенообразную форму, при поперечном измельчении вскрывается их большое количество, что обеспечивает доступ экстрагента). — Многие растительные материалы целесообразно измельчать таким образом, чтобы поверхность среза была рваной (увеличивается количество вскрытых клеток, поэтому экстракция протекает значительно быстрее, но в жидкость переходит и много нерастворимых веществ).

Разность концентраций. Разность концентраций является основной движущей силой диффузионного процесса. Диффузионный процесс при экстракции протекает до установления динамического равновесия концентраций в системе твёрдое тело-жидкость. Поэтому в процессе экстракции необходимо поддерживать максимальную разность концентраций, чего на практике достигают перемешиванием, циркуляцией экстрагента или заменой извлечения чистым экстрагентом (можно осуществлять периодически и непрерывно).

Температурный режим и длительность экстракции. Температурный режим необходимо подбирать в зависимости от характера растительного сырья и свойств лекарственных веществ. • Под влиянием температуры усиливается процесс диффузии и диализа, материал быстрее набухает, что в ряде случаев приводит к разрыву клеток, гибели микрофлоры, инактивации ферментов, а при экстракции свежего растительного материала — разрушению плазмы, свёртыванию белков, что значительно ускоряет процесс экстракции. Например, повышение температуры на 50 "С приводит к увеличению коэффициента диффузии в 3 раза. Однако повышение температуры не всегда целесообразно, так как может привести к разрушению термолабильных лекарственных веществ (например, гликозидов, алкалоидов). Длительность экстракции. Количество вещества, продиффундировавшего через слой сырья, прямо пропорционально длительности процесса. Во время экстракции в извлечение переходят не только биологически активные, но и балластные вещества. Поэтому о конце процесса извлечения необходимо судить не по сумме экстрактивных, а по количеству действующих веществ. Природа экстрагента.Выбор оптимального экстрагента в технологии фитохимических препаратов имеет большое значение. Экстрагент должен удовлетворять следующим требованиям. • Обладать избирательностью действия, т.е. максимально извлекать необходимое лекарственное вещество (или их комплекс) из растений и минимально — балластные вещества. • Хорошо смачивать растительный материал, обладать необходимым десорбирующим действием для проникновения через стенки клеток. • Не вступать в химические реакции с лекарственными веществами и не изменять их фармакотерапевтических свойств. • Быть фармакологически индифферентным (если он входит в состав препарата) и удобным в использовании с точки зрения техники безопасности (с учётом горючести, взрывоопасности и вредных воздействий на организм обслуживающего персонала). • Быть дешёвым, доступным и экономичным.

К наиболее распространённым экстрагентам в производстве фитохимических препаратов относят воду очищенную и этиловый спирт.

• Вода очищенная (Aqua puriflcata). — Преимущества воды очищенной как извлекателя: хорошо проникает через клеточные стенки (если они не пропитаны гидрофобными веществами), растворяет многие лекарственные вещества (в т.ч. лучше других извлекателей — соли алкалоидов, гликозиды, дубильные вещества), доступность, дешевизна и соответствие всем требованиям техники безопасности, фармакологическая индифферентность.

— Недостатки воды очищенной как извлекателя: в ней не растворимы многие неполярные лекарственные вещества (например, масла, смолы, кумарины), она имеет большое поверхностное натяжение, отсутствуют антисептические свойства (поэтому водные извлечения не стойки при хранении), вызывает гидролитическое расщепление многих веществ (особенно при высокой температуре), имеет большие значения температуры кипения (100 °С) и теплоты парообразования (539 ккал/кг, или 2258 кДж/кг).

- Этиловый спирт (Spiritus aethylicus) служит хорошим растворителем для ряда лекарственных веществ, плохо растворимых в воде (например, многих гликозидов, алкалоидов, эфирных масел, смол). Его широко применяют в производстве фитохимических препаратов, особенно галеновых (настоек, жидких экстрактов). — Преимущества этилового спирта как извлекателя: обладает бактериостатическим действием (в извлечениях, содержащих не менее 20% этилового спирта, не развиваются микроорганизмы), инактивирует ферменты (поэтому препятствует течению гидролитических процессов в растительных тканях), вследствие летучести этилового спирта спиртовые растворы легко сгущаются до состояния густых и порошкообразных веществ, имеет более низкие, чем у воды, значения теплоты парообразования (216,4 ккал/кг, или 906,7 кДж/кг) и температуры кипения (у безводного этилового спирта 78,4 °С), доступность и относительная дешевизна. — Недостатки этилового спирта как извлекателя: огне- и взрывоопасность, фармакологически не индифферентен (оказывает местное и общее действия на организм человека). При выборе растворителя исходят из принципа «подобное растворяется в подобном». Для извлечения полярных веществ применяют полярный экстрагент, неполярных (эфирных масел, кумаринов, оснований алкалоидов) — неполярный экстрагент. О полярности экстрагента можно судить по значению диэлектрической проницаемости: чем она выше, тем полярнее экстрагент.

Вязкость экстрагента.Коэффициент диффузии обратно пропорционален вязкости экстрагента. Следовательно, в менее вязких жидкостях быстрее протекают диффузионные процессы. На вязкость извлекателей большое влияние оказывает температура, поэтому при необходимости экстракции извлекателем с большой вязкостью его целесообразно использовать в нагретом состоянии. Большая вязкость экстрагента и его поверхностное натяжение затрудняют проникновение жидкости в узкие капилляры (каналы) клеточных оболочек.

Поверхностно-активные вещества. Для увеличения скорости экстрагирования и большей полноты извлечения действующих веществ применяют в виде добавок к извлекателю ПАВ. Эти вещества значительно ускоряют процесс экстракции алкалоидов, гликозидов, эфирных масел и других веществ из растительного сырья. К ПАВ относят органические соединения, в молекулы которых входят одновременно полярные группы (например, —ОН, -СООН, —NH2) и неполярные углеводородные цепочки. Молекулы таких веществ являются дифильными. Различают ПАВ катионного и анионного типов, а также неионогенные ПАВ.Оптимальны для экстракции алкалоидов ПАВ катионного_типа, например, цетаб (цетилтриметиламмоний бромид). Высокий эффект катионных ПАВ предположительно связан не только со снижением поверхностного натяжения и улучшением смачиваемости, но и с их ионообменными свойствами. ПАВ анионного типа не пригодны для ускорения процесса экстракции, так как докалоиды, например, в их присутствии осаждаются. Неионогенные ПАВ в значительной в значительной степени влияют на выход гликозидов.

Гидродинамика слоя растительного материала. Движущей силой перемещения жидкостей через слой сырья служит разность давлений. На эффективность диффузионного процесса влияют удельная загрузка экстрактора (загрузочная плотность материала); общая длина (высота) слоя; скорость поступления экстрагента и равномерность его движения по сечению аппарата. Удельная загрузка экстрактора в значительной степени влияет на пористость (порозность) слоя и, соответственно, на его сопротивление прохождению жидкости. Пористость слоя определяет его пропускную способность и зависит от размера и структуры каналов (капилляров).

14.Интенсивные методы экстракции.

Интенсификация процессов экстракции должна идти путём создания условий, способствующих повышению коэффициента массопередачи. Наравне с другими факторами при разработке оптимального режима экстракторов всех систем необходимо учитывать гидродинамику слоя. При исследовании гидродинамики некоторых видов сырья, обладающих различными упругими свойствами (т.е. способностью сопротивляться внешнему давлению), были получены следующие результаты. - Наибольшего сопротивления слой растительного материала достигает после полного набухания. Слои разных видов сырья в полностью набухшем состоянии обладают различной упругостью. Исходя из величины наблюдаемого критического давления, при превышении которого нарушается гидродинамическая закономерность в слое (структура слоя), исследуемое сырьё, по данным проф. П.Г. Романкова и соавт., подразделяют на три группы. — К первой группе относят сырьё, обладающее большой упругостью, которое без изменения структуры слоя выдерживает перепад давлений до 5 атм (плоды боярышника и сои). — Ко второй группе относят сырьё, в слое которого происходят внутренние изменения при перепаде давлений более 0,5 атм, хотя внешнее изменение начинается лишь при перепаде давлений выше 5 атм (хвоя еловая, травы эфедры и анабазиса, плоды солянки Рихтера). При данном перепаде давлений предположительно в слое сырья вследствие превышения предела упругой деформации набухших частиц происходят расширение и выпрямление части каналов, и вода устремляется по каналам с меньшим сопротивлением, поэтому прирост скорости начинает опережать прирост перепада давлений. — Третья группа включает сырьё, внутренние и внешние изменения слоя которого происходят при перепаде давлений, равном 2 атм (трава адониса, листья и надземная часть красавки, листья ландыша, плоды можжевельника). В этой группе прирост сопротивления движению опережает прирост скорости, потому что в слое сырья по мере сжатия и уменьшения пористости более определённой величины происходят значительное уменьшение сечения большинства каналов и увеличение их извилистости.

Таким образом, на эффективность процесса экстракции влияет множество факторов, которые необходимо учитывать при выборе экстрагента и режима экстрагирования.