Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Алтайский государственный медицинский университет

Федерального агентства по здравоохранению

и социальному развитию

Турецкова В.Ф., Талыкова Н.М.

Экстракционные препараты

из сырья растительного

и животного происхождения

Учебное пособие для студентов

фармацевтического факультета

Барнаул, 2007

УДК 615.322/324

ББК 52.81

Т 81

Утверждено на заседании ЦКМС ГОУ ВПО АГМУ Росздрава

25 апреля 2007 г., протокол № 4

Составители:

Зав. кафедрой фармацевтической технологии, доктор фармацевтических наук, профессор В.Ф. Турецкова.

Доцент кафедры фармацевтической технологии, кандидат фармацевтических наук Н.М. Талыкова.

Рецензент:

Зав. кафедрой фармацевтической химии, доктор фармацевтических наук, профессор Л.М. Федосеева.

Экстракционные препараты из сырья растительного и животного происхождения : учебное пособие для студентов фармацевтического факультета / Турецкова В.Ф., Талыкова Н.М. – Барнаул : Изд-во ГОУ ВПО АГМУ Росздрава, 2007. – 268 с.

(в обложке)

Учебное пособие для студентов фармацевтического факультета «Экстракционные препараты из сырья растительного и животного происхождения» разработано на основании примерной программы по дисциплине «Фармацевтическая технология» по специальности 040500 «Фармация» (Москва 2002 г.). Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов очного и заочного отделений фармацевтического факультета при подготовке к занятиям по фармацевтической технологии и выполнении контрольных работ. Пособие содержит информацию как о классических, так и современных способах изготовления экстракционных препаратов из сырья растительного и животного происхождения. С целью систематизации знаний студентов в основу изложения материала положены технологические схемы изготовления той или иной группы препаратов. В данном пособии особое внимание также уделено влиянию технологических факторов на процесс извлечения биологически активных веществ из растительного и животного сырья и способам оценки качества экстракционных препаратов.

УДК 615.322/324

ББК 52.81

© Алтайский государственный

медицинский университет, 2007

© Коллектив авторов, 2007

Глава I. Теоретические основы процесса экстрагирования Введение

Процессы экстрагирования лежат в основе получения многих лекарственных препаратов из сырья растительного и животного происхождения (суммарных неочищенных препаратов; максимально очищенных препаратов; препаратов индивидуальных веществ).

Различают экстрагирование в системе:

• твердое тело – жидкость;

• жидкость – жидкость.

В фармацевтической практике наиболее распространено экстрагирование в системе твердое тело-жидкость.

Физическая сущность процесса экстрагирования заключается в переходе извлекаемых веществ из одной фазы (твердой или жидкой) в фазу жидкого экстрагента при их взаимном соприкосновении.

Процесс экстрагирования управляется:

• общими законами массопередачи в частности законами диффузии и равновесного распределения);

• свойствами растительной или животной ткани;

• физико-химическим сродством растворителя и извлекаемого вещества.

1. Общие законы массообмена

Процесс экстрагирования относится к массообменным процессам или процессам массопередачи. В общем случае процессом массопередачи называют перенос вещества в направлении достижения равновесия. Большинство видов массопередачи (в частности массопередачи в системах: твердое тело – жидкость и жидкость-жидкость) происходят вследствие процессов диффузии.

Диффузия – процесс выравнивания концентрации между растворителем и раствором вещества. Экстрагирование в системе твердое тело – жидкость приводит к образованию двух фаз:

• раствор веществ в сырье;

• раствор веществ в экстрагенте, омывающем сырье.

Переход веществ из одной фазы в другую посредством диффузии осуществляется до тех пор, пока они будут иметь равную концентрацию. Поэтому разность концентрации является движущей силой процесса диффузии.

Различают:

1. молекулярную диффузию;

2. конвективную диффузию.

Молекулярная диффузия – процесс взаимного проникновения веществ, граничащих друг с другом и находящихся в макроскопическом покое, за счет беспорядочного хаотического движения молекул.

Интенсивность молекулярной диффузии зависит от кинетической энергии молекул. Например:

• газы легко диффундируют друг в друга, их молекулы движутся с большими скоростями;

• молекулярная диффузия в жидкостях и растворах твердых веществ замедлена.

Математическое выражение молекулярной диффузии может быть представлено следующим образом (закон Фика или Щукарева-Фика):

,

^где:

dC – разность концентраций, на границе раздела фаз, кг/м³;

dx – изменение толщины диффузионного слоя, м;

F – поверхность раздела фаз, м²;

D – коэффициент молекулярной диффузии, который показывает количество вещества (кг), которое диффундирует в единицу времени (с), через единицу площади (м²); при разности концентраций, равной единице (кг/м³) и толщине слоя – 1 м.

Знак «–» означает направление процесса в сторону уменьшения концентрации (из клетки).

Математическое выражение коэффициента молекулярной диффузии было дано Эйнштейном:

,

где:

R – газовая постоянная, 8,32 Дж/град. моль;

T – абсолютная температура;

N₀ – число Авогадро ( 6,06  10²³);

 – вязкость, н/ (с  м²);

r – радиус диффундирующих частиц.

Анализ вышеприведенного уравнения позволяет сделать вывод, что скорость молекулярной диффузии увеличивается с:

• увеличением разности концентраций;

• увеличением температуры;

• увеличением измельченности твердой фазы (т. е. поверхности массообмена);

• уменьшением вязкости экстрагента (специальный подбор экстрагентов, нагревание экстрагентов);

• уменьшением толщины диффузионного слоя (за счет применения УЗ или гидравлических пульсаций в системе на границе раздела фаз).

Конвективная диффузия – процесс перехода вещества из одной фазы в другую за счет перемещения объемов при движении фаз раствора относительно друг друга. Математическое выражение скорости конвективной диффузии представлено уравнением:

,

где:

F, d C – см. молекулярную диффузию;

 – коэффициент конвективной диффузии, который показывает количество вещества (кг) переносимое за 1 с через поверхность в 1 м² при разности концентраций 1 кг/м³.

Скорость конвективной диффузии можно увеличить следующим образом:

• увеличить разность концентраций (за счет диализа, замены растворителя и т. д.);

• увеличить поверхность массообмена.

Конвективная диффузия может быть двух видов:

1. Естественная (протекает вследствие разности плотностей экстрагента и раствора, изменения температуры, гидростатического столба жидкости).

2. Принудительной (искусственной) (протекает за счет перемешивания мешалками, насосами, вибрации).

Скорость конвективной диффузии определяется опытным путем и при этом в десятки раз (до 10¹² раз) выше скорости молекулярной диффузии.

Рассмотренные положения относятся к свободной диффузии, т. е. когда между соприкасающимися растворами или жидкостями нет никаких перегородок.

Процесс экстрагирования растительного сырья усложняется, когда на пути экстрагента к БАВ и при обратном движении раствора находится клеточная стенка лекарственного растительного сырья (ЛРС). Живая клетка обладает свойством полупроницаемости, т. е. проникают внутрь растворитель и некоторые вещества, но не пропускает наружу вещества, растворимые в клеточном соке.

Избирательная проницаемость свежего сырья может быть нарушена вследствие плазмолиза, который может быть осуществлен следующим образом:

• обезвоживанием при тепловой сушке;

• обезвоживанием дегидратирующими веществами, вызывающими плазмолиз живых клеток (обычно растительное сырье обрабатывают крепким этанолом, сырье животного происхождения – ацетоном).

При экстрагировании свежего и набухшего сырья происходят следующие процессы:

1. Смыв клеточного сока из разрушенных клеток и открытых пор.

2. Диализ низкомолекулярных веществ через микропоры оболочек клеток.

3. Диффузия веществ через макропоры низкомолекулярных соединений и высокомолекулярных соединений.

4. Распределение веществ от поверхности материала в растворитель.

(Второй и третий процессы имеют место, когда избирательная проницаемость клеток свежего сырья нарушена при обработке этанолом высокой концентрации).

При экстрагировании высушенного сырья (когда избирательная проницаемость клеток нарушена вследствие тепловой сушки) происходят следующие процессы:

1. Проникновение экстрагента в сырье.

2. Смачивание сырья.

3. Десорбция и растворение веществ, находящихся внутри клетки.

4. Диализ низкомолекулярных веществ через микропоры оболочек клеток.

5. Диффузия низкомолекулярных и ВМС через макропоры оболочек клеток.

6. Распределение веществ от поверхности материала в растворитель.

Проникновение экстрагента в сырье происходит за счет капиллярных сил. Проникновению воды способствует то, что клетчатка, из которой состоят клеточные стенки, в основном, гидрофильна (есть и гидрофобные участки).

В целые клетки вода проникает через клеточные мембраны за счет сорбции на материале мембраны, диффузии через нее (диализ) и десорбции с другой стороны. Весь этот процесс называется эндосмосом. После проникновения воды внутрь частиц лекарственного растительного сырья последние набухают.

Клетки РС соединены друг с другом порами, размер которых составляет несколько микрометров. Между клетками имеются межклеточные пространства, в целом это губчатая структура.

Проникновение экстрагента в сырье происходит под влиянием капиллярных сил. Заполнению сырья мешает воздух, для удаления которого рекомендуется:

• вакуумировать сырье;

• повысить давление жидкости;

• заменить воздух на легко растворимый газ.

Смачивание сырья протекает одновременно с проникновением экстрагента в сырье и при этом способствует его проникновению. Материал, из которого выполнены клеточные стенки, обладает дифильными свойствами. Но гидрофильность клетчатки более выражена, в связи с чем растительное сырье лучше смачивается гидрофильными экстрагентами.

Смачивание веществ, находящихся внутри сырья

Процессы смачивания веществ протекают одновременно с проникновением экстрагента в сырье, и от них в свою очередь зависит скорость проникновения экстрагента. Скорость смачивания зависит от химического сродства веществ и экстрагента.

Внутри клеток экстрагент взаимодействует с находящимися в них веществами:

• вещества, способные образовывать истинные растворы, растворяются;

• неограниченно набухающие ВМС набухают и пептизируются;

• ограниченно набухающие ВМС набухают и образуют гели.

Процесс растворения осложняется тем, что многие растворимые соединения находятся в адсорбированном состоянии на ВМС. Поэтому экстрагент, кроме хорошей растворяющей способности, должен обладать десорбирующими свойствами. Так, бензин хорошо растворяет хлорофилл, но не извлекает его из растений. При добавлении к бензину этилового спирта хлорофилл хорошо извлекается, т. к. этанол обладает десорбирующими свойствами.

Растворение веществ, находящихся на клеточных стенках

или в виде высохших кусочков

Вода после проникновения через клеточные мембраны взаимодействует с находящимися в них веществами, при этом:

• вещества, способные образовывать истинные растворы, растворяются;

• неограниченно набухающие ВМС набухают и пептизируются;

• ограниченно набухающие ВМС набухают, образуя гели.

В результате чего в раствор переходят низкомолекулярные вещества и ВМС, растворимые в воде.

Процессу растворения чаще всего предшествует процесс десорбции, т. к. в высушенном лекарственно-растительном сырье низкомолекулярные вещества чаще всего связаны адсорбционными силами взаимодействия с нерастворимыми компонентами клетки.

Экстрагент должен преодолеть эти силы и десорбировать вещество, так, бензин растворяет хлорофилл, но не извлекает его из растительного сырья, добавление к нему небольшого количества этанола, выполняющего роль десорбента, помогает извлечь хлорофилл.

Иногда к экстрагенту для улучшения процесса десорбции добавляют ПАВ, которые, как указывалось выше, оказывают солюбилизирующее действие.

Массоперенос веществ через пористые клеточные стенки

После растворения веществ концентрация веществ внутри клетки повышается, образуется «первичный сок», при этом:

повышается осмотическое давление раствора внутри клетки, после чего начинается перенос растворенных веществ в экстрагент, находящихся вне клеток за счет диализа;

скорость диализа зависит от разности концентрации и размеров пор растительной мембраны;

в первую очередь диффундируют низкомолекулярные вещества, затем ВМС. Наименьшей скоростью диффузии обладают коллоидные компоненты. Описанный процесс называется экзосмосом.

Массоотдача веществ от поверхности растительного

материала в раствор

Является последней стадией. Скорость переноса веществ в данном случае зависит от градиента концентрации. Когда концентрация веществ внутри клетки по всему объему экстрагента становятся равной, процесс извлечения прекращается.

Таким образом, процесс извлечения следует рассматривать как сложный процесс, состоящий из отдельных моментов: смачивания, десорбции, растворения, диализа, диффузии, протекающих как самостоятельно, так и одновременно как единый, общий процесс.

Но независимо от вида применяемого сырья в процессе экстрагирования ЛРС можно выделить следующие стадии:

1. «Внутренняя диффузия», к которой относятся все явления переноса вещества внутри частиц сырья.

2. Перенос вещества в пределах диффузионного пограничного слоя.

3. Перенос вещества движущимся экстрагентом.

«Внутренней диффузией» называется весь комплекс диффузионных явлений, протекающих внутри кусочков растительного материала. В основном она заключается в диффузии через пористую перегородку (стенка мертвой клетки) и свободной молекулярной диффузии. В связи с чем к внутренней диффузии применим закон Фика с поправкой (В), учитывающей все особенности процесса:

Коэффициент внутренней диффузии может быть выражен следующим образом:

_,

где:

B – поправочный коэффициент.

Вторая стадия начинается после переноса веществ к наружной поверхности кусочков сырья. На поверхности сырья существует пристенный неподвижный слой экстрагента, который называется пограничным диффузионным слоем.

Если экстрагент и сырье находятся в состоянии относительного покоя, то диффузионный слой равняется всей толщине слоя неподвижной жидкости.

При перемещении экстрагента диффузионный слой уменьшается и приобретает некоторую величину.

При очень высоких скоростях движения экстрагента (вихревая экстракция) величина диффузионного слоя равна нулю.

Для диффузионного пограничного слоя характерна молекулярная диффузия веществ, поступивших в него, поэтому количественно оценивается величиной коэффициента свободной молекулярной диффузии D.

Третья стадия (заключительная) – перенос вещества в центр потока при помощи конвективной диффузии, которая количественно оценивается величиной В. Для количественной оценки переноса веществ, независимо от способа передачи, существует такое понятие как массопередача. Математически процесс массопередачи может быть выражен следующим образом:

S = K  F  (C – c)   ,

где:

S – количество вещества переходящее из одной фазы в другую, кг;

F – поверхность соприкосновения фаз, м;

 – время, с;

С – с – разность концентраций, кг/м;

К – коэффициент массопередачи, означающий количество вещества (кг), переносимое за одну секунду через поверхность 1 м при разности концентраций 1 кг/м.

Коэффициент массопередачи суммирует все величины, являющиеся количественными характеристиками трех этапов диффузионного пути.

,

где:

2 r – толщина частиц растительного сырья;

n – коэффициент;

D вн. – коэффициент внутренней диффузии;

 – толщина диффузионного пограничного слоя;

В – коэффициент конвективной диффузии;

D – коэффициент молекулярной диффузии.

Анализ уравнения позволяет сделать следующие выводы:

1. Если жидкая фаза перемешивается с небольшой скоростью, то присутствуют все три этапа диффузионного пути.

2. Если жидкая фаза неподвижна, т. е. конвекция отсутствует (В = 0).

Это характерно для мацерации без перемешивания, но это очень длительный процесс.

3. Жидкая фаза перемещается с большой скоростью (вихревая экстракция).

А) Толщина пограничного диффузионного слоя становится равной 0 (=0), следовательно, отпадает второй член уравнения.

Б) В – возрастает до бесконечности, конвективный перенос осуществляется мгновенно, следовательно, отпадает и третий член уравнения.

Таким образом, второй и третий этапы диффузионного пути могут отсутствовать, но наличие первого этапа неотделимо от процесса экстракции в системе твердое тело – жидкость.