Краткие теоретические основы извлечения

 

В аптечных условиях исходным материалом при извлечении, как правило, являются высушенные и измельченные части, органы или ткани различных лекарственных растений - травы, корни, корневища, клубни, кора, цветки, плоды и т. д.

Особенностями исходных материалов, применяемых для получения большинства вытяжек, являются клеточная структура и характерный для биологических объектов сложный состав, слагающийся из ряда растворимых и нерастворимых компонентов.

По сравнению с обычным растворением, отличающимся полным и, как правило, беспрепятственным переходом исходного вещества в раствор, извлечение является более сложным процессом. На первый взгляд оно характеризуется тем, что взятый исходный материал никогда не переходит в раствор полностью. В вытяжку переходит обычно лишь часть экстрактивных веществ, растворимых в данном растворителе. Основная масса исходного материала остается в виде нерастворимого остатка и в большинстве случаев отбрасывается.

Как технологический процесс извлечение сырья, имеющего клеточную структуру, осложняется тем, что растворимые компоненты исходного материала помещаются внутри замкнутых клеточных полостей. При приготовлении вытяжки растворитель должен сначала проникнуть внутрь клеток, а затем впоследствии образовавшийся раствор должен выйти из них наружу. Кроме того, часть растворимых компонентов исходного клеточного материала может оказаться недоступной для действия растворителя вследствие образования адсорбционных соединений с различными нерастворимыми микроструктурами, находящимися внутри клетки. Соответственно сказанному, жидкость, применяемая для получения полноценной вытяжки, должна обладать способностью не только растворять ценные вещества, но в случае необходимости и десорбировать их и выносить образовавшийся раствор за пределы клеточных полостей. В связи с указанной своеобразной технологической ролью, отводимой применяющейся жидкости, последнюю часто называют экстрагент, или извлекатель.

Высушенные растительные материалы богаты гидрофильными компонентами, поэтому они гигроскопичны, хорошо смачиваются водой и в значительном количестве поглощают воду за счет набухания. Губчатая микроструктура и наличие большого количества тонких и тончайших трубок (сосудов) обусловливают капиллярные свойства большинства растительных материалов. При обливании их водой жидкость под воздействием капиллярных сил активно всасывается растительными тканями и  через  систему  сосудов  межклеточного  пространства и пор в клеточных стенках проникает внутрь клеток и наполняет их полости.

После пропитывания материала водой внутри клеток происходят процессы набухания ограниченно набухающих соединений (клетчатка, гемицеллюлоза, крахмал, пектины) и растворение многочисленных неограниченно набухающих и растворимых компонентов протоплазмы и клеточного сока.

В результате растворения, неограниченного набухания и десорбции экстрактивных веществ клеточные полости спустя некоторое время наполняются концентрированным раствором - «первичным соком».

Высокая концентрация первичного сока, находящегося внутри клеточных полостей материала, создает значительное осмотическое давление. Последнее в свою очередь является причиной диффузионного обмена между содержимым клеток и окружающей жидкостью, обладающей меньшим осмотическим давлением. Диффузионный обмен вначале протекает весьма интенсивно, но по мере выравнивания концентраций растворенных веществ по обе стороны клеточных мембран постепенно затухает. Скорость диффузии различных веществ весьма различна: низкомолекулярные вещества диффундируют с большей, а высокомолекулярные - с меньшей скоростью. Наименьшей диффузионной способностью отличаются коллоидные компоненты растительных материалов.

Диффузионный обмен, пли массопередача, является процессом спонтанным (самопроизвольным). В этом сложном физико-химическом процессе различают два принципиально различных механизма переноса вещества: 1) диффузию молекулярную и 2) диффузию конвективную.

Молекулярная диффузия осуществляется за счет собственного теплового движения молекул (броуновского движения). Основная особенность процесса молекулярной диффузии - взаимная неподвижность фаз (в данном случае растительного материала и экстрагента). Протекая в неподвижных фазах, молекулярная диффузия является медленным процессом.

Конвективная диффузия в отличие от молекулярной обусловлена движением фаз в результате встряхивания, перемешивания, изменения температуры и других внешних воздействий. В жидкой или газообразной среде - это основной вид диффузии, осуществляемой за счет перемещающихся внутри данной фазы конвективных потоков, несущих диффундирующее вещество. Его перенос осуществляется вследствие перемещения отдельных весьма малых (элементарных) объемов жидкой или газообразной фазы, причем вещества внутри этих элементарных объемов переносятся посредством молекулярной диффузии, характерной для неподвижной фазы, которой и является элементарный объем жидкости пли газа.

Конвективная диффузия - процесс более быстрый, чем диффузия молекулярная: ее скорость в 10-12 раз выше.

Диффузионный обмен продолжается до тех пор, пока концентрации растворов, находящихся внутри и снаружи клеточных полостей, не станут одинаковыми. Выравнивание концентраций приводит к подвижному равновесному состоянию, которое характеризуется одинаковой скоростью диффузии растворенных веществ в ту и в другую сторону. Наступающее диффузионное равновесие означает окончание процесса экстракции.

По окончании экстракции и сливания образовавшейся вытяжки извлеченный растительный материал остается пропитанным вытяжкой. Количество впитанной жидкости достигает 100-150% от массы растительного материала. Само собой разумеется, что вместе с извлечением, впитанным в растительный материал, в последнем остается часть экстрактивных, в том числе действующих, веществ, составляющих предмет и  цель технологической обработки. Поэтому вытяжка, полученная сливанием жидкости с извлеченного материала без дальнейшей обработки, всегда содержит экстрактивных веществ меньше, чем соответственное количество исходного растительного материала.

Потери экстрактивных веществ, вызванные впитыванием вытяжки в извлеченный растительный материал, часто называют потерями на диффузии. На практике их уменьшения обычно достигают путем возможно сильного выжимания извлеченного растительного материала при помощи разнообразных приспособлений. Выжатую жидкость присоединяют к ранее слитой вытяжке.

Влияние свойств растительного материала. Состав вытяжек и полнота извлечения растительных материалов при их обработке водой в значительной степени зависят от степени измельченности исходного сырья.

Рыхлые материалы, содержащие большое количество межклеточных пространств и состоящие из тонкостенных паренхиматозных клеток, легко проницаемы для воды и представляют собой относительно небольшие препятствия для извлечения их содержимого. Этими особенностями отличаются многие цветки, листья, травы.

Материалы, имеющие плотную структуру и состояние из толстостенных клеток с одревесневшими стенками, экстрагируются более трудно. Во многих случаях клеточная структура составляет серьезное препятствие для экстракции растительных объектов водой. Чем крупнее куски экстрагируемых материалов, тем более длинным и трудным является путь, который при экстракции должны пройти растворитель и образовавшийся в клетках раствор. Однако отсюда нельзя делать вывод о целесообразности возможно тонкого измельчения извлекаемых объектов.

В тонкоизмельченных растительных материалах большое число клеток оказывается разрушенным вследствие повреждения их оболочек. Из вскрытых клеток при обработке их жидкостями механически вымываются не только растворимые, но и нерастворимые вещества: крахмальные зерна, мелкие обрывки тканей, коагулянты белковых тел и т. п. В результате полученное извлечение оказывается загрязненным большим количеством трудно удаляемых мелких и мельчайших хлопьев. Кроме того, тонкоизмельченные материалы с сильно поврежденным целлюлозным скелетом отличаются способностью к набуханию, сопровождающемуся большими потерями жидкости и частым слипанием растительных порошков в плотные ослизняю-щиеся комки, трудно проницаемые для растворителя.

Во избежание подобных осложнений при экстрагировании клеточных материалов и получения недоброкачественных вытяжек на практике вместо нецелесообразного применения тонко-измельченных материалов применяют порошки средней крупности с поперечником 5 мм, а в отдельных случаях - даже 10 мм по наибольшему поперечнику.

По предписанию ГФХ (статья № 349), для приготовления экстемпоралъных водных извлечений семена и плоды измельчают до частиц размером не более 0,5 мм, стебли, кору, корни и корневища - не более 3 мм, листья, цветки и травы - до частиц размером не более 5 мм.

Большинство цветков (ромашка, бузина, коровяк, тысячелистник, мальва, лаванда) экстрагируется измельченными вследствие малых размеров или легкой проницаемости для воды и чрезмерного крошения при изрезывании. Однако цветки подсолнечника, соцветия липы и арники, отличающиеся крупными размерами, должны изрезываться аналогично большинству растительных материалов.

Кора дуба и крушины ломкой достаточно хорошо экстрагируются водой при изрезывании до частиц размером 3-5 мм в поперечнике, тогда как кора гранатника должна превращаться в крупный порошок. Материалы, содержащие экстрагируемые соединения, находящиеся в наружных слоях покровных оболочек (слизь в семенах льна и айвы), экстрагируются в измельченном виде.

Качество получаемых вытяжек в значительной мере зависит не только от степени, но и от способа измельчения растительных материалов. Стебли, кору, листья, цветки, травы, большинство корней и корневищ предпочтительно измельчать путем из-резывания.

Влияние температуры. Скорость диффузионного обмена, а следовательно, и скорость экстрагирования растительных материалов сильно зависят от температуры, при которой производится извлечение. Можно считать, что повышение температуры на 40 °С увеличивает скорость диффузии в 2 раза.

Поэтому экстрагирование при помощи нагретых растворителей является эффективным приемом для интенсификации процесса извлечения, тем более что растворимость многих растворимых компонентов растительных материалов при нагревании увеличивается.

Вытяжки, получаемые с помощью горячей воды, интересны тем, что в них отсутствуют активные ферменты и большая часть белков, коагулирующих при нагревании выше 60 °С. Крахмал, содержащийся в исходных материалах, под воздействием горячей воды клейстеризуется и переходит в состав вытяжки. По сравнению с холодными извлечениями в состав настоев и отваров переходит значительно большее количество пектиновых веществ и других соединений, трудно растворимых, медленно диффундирующих или образующихся в результате гидролиза нерастворимых нативных компонентов исходных материалов. Большими преимуществами вытяжек, приготовленных с помощью горячей воды, являются их относительная стерильность и связанная с этим столь же относительная устойчивость.

Однако в случае извлечения лекарственного растительного материала, содержащего термолабильные вещества, или использования легколетучих экстрагентов повышение температуры недопустимо, так как это приводит к разрушению первых и улетучиванию вторых.

28.06.2015