[科普中国]-电场强化萃取

发展历史

目标成分的提取率很大程度上取决于对生物材料的细胞破壁状况，传统的破壁方法有物理法、化学法和生物法等；为了提高萃取率，缩短萃取时间等，寻找强化萃取的方法已经成为当今人们关注和研究的热点问题。现代科学技术发展的特点之一是各个学科之间的相互交叉、渗透与融合。早在1987年和1991年，美国National Research Council以及National Science Foundation分别在其讨论和报告中指出，预言未来分离技术发展的重点应是对外场强化分离技术的研究，报告认为将传统分离技术和外场结合可以产生一些适应现代分离要求的新型分离技术。地球物理环境中除了存在引力场外，还存在着自然电场，随着科学技术研究手段的进步，人们逐渐将电场与动植物生理联系起来，研究认为随着环境电场的变化，生物体内物质的电荷分布、排列、运动方式将随之发生改变，从而成为影响生物体生命活动的重要原因。1

利用物理场来强化萃取过程可以在强化萃取过程的同时不污染环境，是一种新型对环境友好的高效分离技术，也是静电技术与化工分离相互交叉的学科前沿。强电场萃取(PEF)辅助提取主要是利用细胞膜电穿孔原理，使组织细胞发生不可逆的破坏，5～50 kV/em的电场，能够在几微秒的时间内对细胞膜造成穿孔和破坏，从而促进细胞质内的离子泄露和细胞内的生物物质释放，加速生物细胞胞内物质向外的传质过程。和其他的破碎技术相比，电穿孔技术具有对细胞内外液态组分的不良影响最小、不会引起温度的大幅度增加、不会产生细胞碎片等诸多优点。1968年，Weatherley等提出在液一液萃取体系中加入电场可以产生小液滴，并在库仑力的作用下使其在连续相中高速运动，从而提高液滴内外的传质系数，强化传质过程。20世纪80年代以来，电场强化萃取技术发展较快．具有潜在的工业市场，电场的强化作用可以强化扩散系数或强化两相的分散与澄清过程，从而能成倍地提高萃取设备的分离效率，降低几个数量级能耗。因此，PEF预处理能够显著缩短固一液提取的时间、提高提取效率、减少高温对其活性的影响，可应用于多糖、蛋白质、核酸和多酚等天然产物中活性成分的提取。1

技术特点强电场萃取的传质可以通过外力作用产生较大的传质比表面，或者利用外力在液滴内部以及周围产生高强度的湍动，增大传质系数。研究结果表明电场的引入，不仅可以克服在液一液萃取过程中小液滴的运动速率较慢这一问题，而且使其在连续相中可以高速运动，致使两种作用同时出现得以实现，用于两相密度差很小、界面张力较大、液滴易合并而不易分散的场合。总结起来电场强化萃取可通过4种途径强化液一液萃取过程：在高强度的电场力作用下，分散相的液滴被破碎，增大了传质比表面积；促使小液滴内部产生内循环，强化分散相滴内传质系数；分散相通过连续相时由于静电加速作用提高了界面剪应力，因此增强了连续相的膜传质系数；在电场强度不够高的电场力的作用下，小液滴的聚并速率被加快，减少了两相的分离时间，并可减少两相的夹带。1

基本原理关于高压脉冲电场的作用机理，现有多种假说：主要有细胞膜穿孔效应、电磁机制模型、黏弹极性形成模型，电解产物效应、臭氧效应等，而高压脉冲电场的提取机理的解释大多数学者倾向于认同电崩解(electric breakdown)和电穿孔(electro poration)。电崩解认为微生物的细胞膜可以看作一个注满电解质的电容器，在外加电场的作用下细胞膜上的膜电位差会随电压的增大而增大，导致细胞膜厚度减少。当外加电场达到临界崩解电位差(生物细胞膜自然电位差)时，细胞膜上有孔形成，在膜上产生瞬间放电，使膜分解。电穿孔则是认为外加电场下细胞膜压缩形成小孔，通透性增强，小分子进入到细胞内，致使细胞的体积膨胀，导致细胞膜的破裂，内容物外漏。高压脉冲电场能显著提高提取率的原理是：在脉冲电场作用下，细胞膜结构分子伴随电场的传动而取向的阻力与水分子间存在着显著的不同。一定条件下，高压脉冲电场电能主要蓄积于细胞膜系统。生物膜结构的不均匀性，特别是膜蛋白的类似半导体特征使生物膜存在动态的“导通”点——在细胞膜脂双层上形成的瞬时微孔，从而细胞膜的通透性和膜电导瞬时增大。在高压脉冲放电中，由于气态等离子体剧烈膨胀爆炸而产生的剧烈冲击波可摧毁各种亚细胞结构，使细胞器、细胞膜崩溃，使那些在正常情况下不易通过细胞膜的亲水分子、病毒颗粒、DNA、蛋白质以及染料颗粒等能通过细胞膜而尽可能完全从细胞中溢出。因此。在细胞中有连续完整的水分子层时，高压脉冲电场可显著改善浸出溶剂与膜脂等精油成分的互溶速率及通过胞壁物质的传质能力，从而提高提取效率。2

综上所述，影响提取效果的重要因子是利用PEF技术在细胞膜上形成纳米级的微孔，从而使其细胞的内容物溢出。电场的穿孔可分为三个阶段：①非电场穿孔阶段，脉冲强度远远小于临界电场强度，电场不能在细胞膜上形成纳米级的微孔；②电场穿孔阶段，电场强度大于临界电场强度，细胞内外的物质可以通过被穿破的微孔自由交换；③饱和阶段，即稳定的状态，即使电场强度的增加，也不会使细胞膜的透过性增加。在这个阶段，细胞会被破坏。PEF技术用来提取细胞内物质，其原理是对两极间的物料施加短脉冲的高电压处理，极性物质在电场的作用下高速向电极方向运动，利用细胞膜电穿孔原理，造成组织细胞的不可逆破坏，从而促进生物活性物质的溶出，并且PEF处理过程不会造成原料温度的升高，可以有效地保护提取物的生理活性，对细胞内物质的提取具有很好的效果。2

静电场或交变电场对萃取过程的强化静电场或交变电场在化工中早已得到广泛的应用，如静电喷涂、静电除尘等。在液液萃取过程中的应用主要是破乳或促进分相，特别是电场破乳技术受到了人们的关注。近年来，随着电场强化传质分离技术研究的深入，液液萃取过程的电场强化技术也得到了相应的发展，而且，电场强化液液萃取过程的机理性研究也得到了广泛重视。十分明显，作为静电场或交变电场介入的条件，液液萃取体系中的连续相导电能力可以较弱，但分散相液滴则需要具有较好的导电能力。在这类体系中加入高场强的电场，分散相的液滴直径、液滴在设备内的运动速度以及液滴的聚并都会发生变化，液滴界面的湍动状况也会受到较大的影响，从而提高了传质系数。3

静电场和交变电场的加入对液液萃取过程的强化机理大致可以从以下方面加以理解。

① 高强度的电场力作用下，分散相液滴进一步破碎，增大了传质比表面积。

在液液萃取体系中，如果分散相具有很好的导电能力丽连续相导电能力很弱甚至不导电，外加高强度电场时，根据静电感应原理，导电的分散相液滴在电场力作用下会发生极化现象。导电液滴内部的自由电荷将向电性质发生明显变化的两相界面区域聚集，在连续相一侧也会产生相应的变化。这样，在外加电场的作用下，液一液两相界面处会产生较大的界面电场力。如果这种界面电场力足以克服维持界面的作用力，如界面张力等，界面将会变得不稳定并发生剧烈的湍动，引起界面变形甚至破碎。正是由于这种作用机理，在静电场作用下的液液萃取体系内，很容易产生较小的液滴，甚至可以使液滴直径达到5um，从而使电萃取的两相传质比表面积比一般的萃取过程大很多。由于电场力的作用效率高且选择性地作用在液一液界面上，所以，可以通过控制电场强度来有效地控制液滴的大小。3

②在电场力的作用下，导电能力较强的液滴在连续相中的运动速度发生变化．从而提高了滴内或滴外的传质系数。

通过与两相电极的接触和静电感应，分散相液滴会成为荷电的粒子，在库仑力的作用下，这些荷电粒子在连续相内快速运动。这样，一方面可以加剧液滴内液体的湍动，另一方面也可以使液滴周围的液体的运动发生变化，从而实现较大的传质系数，有效地强化传质过程。

③小液滴的聚并速度加快，减少了相分离时间，两相的夹带量明显下降。

在电场强度不够高的电场力作用下，可有利于液滴的聚并，达到利用外加电场加速液滴的聚并，缩短分相时间，减少两相夹带的目的。

上述这些作用机理是静电场或交变电场强化液一液萃取传质过程的基础。由于液一液界面的传质过程以及界面电性质涉及许多微观现象的研究，有关的研究结果的报道相对较少，许多问题有待于进一步的深入研究。