Настои и отвары

T - абсолютная температура;

N₀ - число Авогадро (6,06 10²³);

- 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:

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

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:

Смыв клеточного сока из разрушенных клеток и открытых пор.

Диализ низкомолекулярных веществ через микропоры оболочек клеток.

Диффузия веществ через макропоры низкомолекулярных соединений и высокомолекулярных соединений.

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:

Проникновение экстрагента в сырье.

Смачивание сырья.

Десорбция и растворение веществ, находящихся внутри клетки.

Диализ низкомолекулярных веществ через микропоры оболочек клеток.

Диффузия низкомолекулярных и ВМС через макропоры оболочек клеток.

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

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. Например, 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 лекарственном растительном сырье низкомолекулярные вещества чаще всего связаны адсорбционными силами взаимодействия с нерастворимыми компонентами клетки.

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.

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

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

Перенос вещества в пределах диффузионного пограничного слоя.

Перенос вещества движущимсяэкстрагентом.

«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 = KF (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 - коэффициентмассопередачи, 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:

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

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

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

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.

Потеря на диффузию

После экстрагирования растительный материал за счет набухания удерживает часть экстрагента с БАВ, их называют потерей на диффузию и определяют по формуле:

,

где:

x₀ - количество БАВ в сырье, кг;

a - количество экстрагента, оставшегося в шроте, л;

n - общее количество взятого экстрагента, л.

Для уменьшения потерь на диффузию шрот отжимают или применяют дробное экстрагирование.

3. Лекарственное растительное сырье

Требования к качеству ЛРС сформулированы в общих и частных ФС, ФСП и ГФ XI издания. Для ряда видов сырья нормативными документами являются ТУ, которые имеют более низкий уровень, и это требует пересмотра.

В России к медицинскому применению разрешено более 200 видов ЛРС. В ГФ XI издания включено 20 общих статей, из них 13 посвящены общим методам контроля ЛРС, 7-нормированию качества отдельных морфологических групп сырья: листьев, трав, цветков, плодов, семян, коры, корней, корневищ и других подземных органов.

В связи с выходом ОСТ 91599.05.001-00 «Стандарты качества ЛС. Основные положения» (01.03.00) все предприятия-производители ЛС должны разрабатывать ФСП (в т. ч на ЛРС и препараты из него).

Ранее утвержденные ФС и ВФС на растительное сырье действуют до указанных в них сроков, после чего должны перерабатываться в ФСП.

ЛРС, подлежащее экстрагированию, имеет клеточную структуру. ЛРС различается по анатомическому строению, химическому составу и физическим свойствам. Все вещества ЛРС, переходящие в экстрагент в виде раствора, называются экстрактивными веществами.

Среди экстрактивных веществ выделяют:

биологически активные вещества - вещества, обладающие выраженнойфармакологической активностью и представляющие интерес с позиции лечения и профилактики заболеваний (алкалоиды, флавоноиды, кумарины, витамины, эфирные масла и т.д.);

сопутствующие вещества - естественные спутники БАВ, играющие важную роль в жизнедеятельности ЛР, не представляющие определенного интереса с фармакотерапевтической точки зрения, но так или иначе влияющие на проявление терапевтического действия БАВ.

Например: слизи, камеди снижают побочное действие БАВ и замедляют их всасывания, вследствие повышения вязкости и обволакивающего действия, сапонины усиливают всасывание БАВ, т.к. являются ПАВ; дубильные вещества замедляют всасывание.

Балластные вещества - сопутствующие вещества, не принимающие существенного участия в проявлении терапевтического действия.

С современной биофармацевтической точки зрения балластных веществ нет, т.к. все вещества так или иначе оказывают влияние на терапевтическое действие БАВ.

Нет также четкой границы между понятиями БАВ и сопутствующие вещества, так в одних случаях вещества являются биологически активными, в других - сопутствующими. Так, дубильные вещества являются веществами, обеспечивающими ранозаживляющее, подсушивающее и противоязвенное действие.

По отношению к экстрагентам, т.е. по степени гидрофильности БАВ можно разделить на три группы (табл. 1).

Измельчение ЛРС

С целью более полного извлечения действующих веществ, содержащихся во входящем в состав сборов лекарственном растительном сырье, последнее в большинстве случаев предварительно измельчают. Сырье, входящее в состав сборов, измельчают по отдельности. Листья, травы и кору режут, для чего используют ножницы или ножи, корне- и траворезки (кожистые листья сначала режут, а затем превращают в ступке в крупный порошок).

Корни и корневища в зависимости от формы, величины и твердости режут или дробят (толкут) в ступках. Для их измельчения могут быть использованы также различные мельницы (например, небольшие мельницы типа «Эксцельсиор»).

Плоды и семена пропускают через вальцы, бегуны или дисковые мельницы. В условиях аптеки, где такого оборудования нет, их можно измельчать (раздавливать и растирать) в большой фарфоровой или металлической ступке.

Цветки и мелкие соцветия употребляют в неизмельченном, цельном виде, поскольку цветочная оболочка не препятствует извлечению действующих веществ (исключение составляют цветки липы, состоящие из плотной растительной ткани; их измельчают до размера 0,5-20 мм). Некоторые семена и ягоды также берут цельными.

Растительное сырье представляет собой в достаточной степени трудно измельчаемый объект вследствие наличия в растениях воды. С целью облегчения измельчения сырье высушивают до остаточной влажности не более 5-7%, что значительно увеличивает его хрупкость (вспомните: сухую ветку значительно легче сломать, чем влажную),

Согласно требованиям ГФХ, степень измельчения зависит от назначения сбора. Так, части растений, входящие в состав чаев или сборов, которые служат для приготовления настоев или отваров для употребления внутрь или для полоскания горла, измельчают в соответствии с особенностями растительного сырья (листья, цветки и травы - до частиц размером не более 5 мм, стебли, кору корневища и корни - не более 3 мм, плоды и семена - не более 0,5 мм), а входящие в состав сборов для ванн и мягчительных сборов для припарок должны быть измельчены на кусочки размером не более 2 мм.

Необходимая степень измельчения достигается применением сит. При всех степенях измельчения пыль отсеивают сквозь сито с отверстиями размером 0,2 мм.

Существенным правилом при измельчении лекарственных растительных материалов является необходимость измельчать взятое количество сырья без остатка. Это объясняется тем, что различные ткани растения (даже одного и того же его органа, например листа) содержат различное количество действующих веществ и обладают различными механическими свойствами. При неправильном измельчении может быть получен материал с заниженным содержанием действующих веществ.

Таблица 1. Классификация БАВ по степени гидрофильности

Как видно из данных, представленных в таблице, большинство БАВ являются гидрофильными или относятся к смешанной группе.

Подготовка ЛРС для экстрагирования

Перед проведением процесса экстрагирования лекарственное растительное сырье подвергается анализу и предварительной подготовке.

Определяется состав и свойства сырья на соответствие требованиям НД.

Проводится измельчение и просеивание (не всегда, т.к. очень трудоемкая операция).

Определяются технологические свойства сырья.

Технологические свойства измельченного растительного материала определяют с целью выбора емкости оборудования, подбора загрузочных средств, расчета количества экстрагента и проведения оптимизации процесса экстрагирования.

Основные технологические свойства сырья

Доброкачественность сырья(А) - отношение содержания БАВ (а) к количеству экстрактивных веществ (в).

А = а/в

Доброкачественность препарата(А₁) - отношение БАВ (а) к сухому остатку (с).

А₁ = а/с

Относительная доброкачественность(В) - отношение доброкачественности препарата к доброкачественности сырья.

В=А/А₁

Фракционный состав (измельченность сырья). В технологических исследованиях измельченность определяется с помощью ситового анализа и выражается в процентах фракций различной измельченности.

Степень измельчения сырья (n) оценивают по отношению диаметра наиболее крупных частиц до измельчения (D) к диаметру наиболее крупных частиц после измельчения (d).

n = D/d

В зависимости от органа растения рекомендуют различную измельченность сырья (ГФ XI изд.):

Листья, цветы, травы - 3-5 мм;

Корни, плоды, коры - 1-3 мм;

Плоды, семена - 0,3-0,5 мм.

В промышленных условиях данных значений придерживаются редко. Оптимальную измельченность каждого конкретного вида сырья выбирают экспериментально. С целью оценки однородности сырья определяют его фракционный состав. Измельченность сырья имеет большое значение, т.к. с ее увеличением увеличивается поверхность массообмена при экстракции.

Коэффициент поглощения - отношение массы сырья после набухания к массе сырья до набухания.

К = Р₁/Р

Коэффициент поглощения (КП) используют при расчете количества экстрагента, поглощенного сырьем и последующего определения объема или массы заливаемого экстрагента. Коэффициент поглощения характеризует набухаемость сырья.

Коэффициент вымывания. При экстрагировании ЛРС происходят два процесса:

растворение и быстрое вымывание веществ из разрушенных клеток (период быстрой экстракции);

медленная диффузия БАВ из неразрушенных клеток (период медленной экстракции).

Коэффициент вымывания характеризует количество вымываемых веществ из разрушенных клеток и определяет период быстрой экстракции, чаще всего определяют графоаналитическим способом (путем анализа истощенности сырья от времени экстрагирования).

Пористость сырья - величина пустот внутри растительной ткани. Определяет гидродинамическое сопротивление растительного сырья при экстрагировании. Пористость слоя экстрагируемого сырья состоит из внутренней микропористости частиц и внешней - объема между частицами. При решении гидродинамических вопросов микропористость частиц не учитывают, т.к. жидкость движется, в основном, по каналу между частицами.

Рв = (d_y - d₀)/d_y,

где:

d_y - относительная плотность (отношение плотности стенок сырья к плотности воды);

d₀ - объемная масса (отношение массы высушенного сырья к его объему).

Пористость прямо пропорциональна количеству внутреннего сока.

Порозность сырьяопределяет величину пустот между кусочками растительного сырья и характеризует количество внутреннего сока. Является важнейшей характеристикой при решении гидродинамических вопросов, т.к. жидкость движется по каналу между клетками.

Pm = (d₀ - d_n)/d₀

где:

d₀ - объемная масса;

d_n - насыпная масса (определенный объем взвешанной порции материала) различна для сырья различной измельченности и различной степени спрессованности.

4. Экстрагенты

Для извлечения БАВ из ЛРС применяются разнообразные экстрагенты. Под экстрагентами подразумеваются растворители, используемые для экстрагирования растительного или биологического материала, или экстрагирования из жидкостей тех или иных ценных веществ.

К экстрагентам предъявляются следующие требования:

Избирательная растворимость (т.е. максимальное извлечение БАВ и минимальное извлечение балластных веществ).

Хорошая смачиваемость сырья, десорбирующие свойства, высокая диффузионная способность, обеспечивающая проникновение внутрь материала.

Микробиологическая устойчивость.

Индифферентность по отношению к извлекаемым веществам.

Фармакологическая индифферентность.

Летучесть, при относительно невысокой температуре кипения.

Легкая регенирируемость.

Невоспламеняемость.

Способность не образовывать горючих смесей с воздухом.

Доступность и дешевизна.

Идеального экстрагента нет, поэтому в качестве экстрагентов применяют значительное число жидкостей, которые подразделяют на группы, представленные в таблице 2.

Таблица 2. Классификация экстрагентов по степени полярности

При выборе экстрагента руководствуются известным правилом: «подобное растворяется в подобном». При сопоставлении данных, представленных в таблице 2, можно сделать заключение, что вещества гидрофильной группы хорошо растворимы в полярных растворителях, вещества смешанной группы - в малополярных растворителях, липофильные вещества - в неполярных растворителях.

Экстрагент оказывает влияние не только на количество извлеченных БАВ, но и на общее количество извлекаемых экстрактивных веществ. Большинство веществ в растениях являются гидрофильными, поэтому полярные растворители экстрагируют большее количество экстрактивных веществ.

Наиболее часто используются в качестве экстрагента водно-этанольные смеси. Диэлектрическая постоянная водно-этанольных смесей и, следовательно, ее экстрагирующая способность по отношению к различным группам БАВ зависит от концентрации (т.е. от содержания этанола, что позволяет таким смесям экстрагировать больший круг веществ).

Вода очищенная

Вода очищенная как экстрагент имеет следующие преимущества и недостатки.

Преимущества:

Извлекает большое количество БАВ (соли алкалоидов, гликозиды, сапонины, дубильные вещества, слизи и т.д.).

Достаточно хорошо проникает через клеточные мембраны (не пропитанные липофильными веществами).

Индифферентна в фармакологическом отношении.

Доступность и дешевизна.

Не горюча

Недостатки:

Подвержена микробной кантаминации.

Является частой причиной гидролиза БАВ.

Имеет довольно высокую температуру кипения, в связи с чем удаляется только под вакуумом.

Спирт этиловый (этанол)

В фармации в качестве самостоятельных экстрагентов и при изготовлении сложных экстрагентов разрешается использовать:

спирт этиловый (этанол) (ФС 42-3072-94);

спирт этиловый ректификованный (ГОСТ 5962-67).

Спирт этиловый как экстрагент имеет свои преимущества и недостатки.

Преимущества:

Хорошо растворяет лекарственные вещества, которые довольно плохо растворимы в воде.

В меньшей степени, по сравнению с водой, способствует протеканию гидролитических процессов (зависит от концентрации этанола).

Инактивирует многие ферменты.

Обладает бактерицидным действием.

5. Достаточно летуч, имеет температуру кипения в пределах от 88,5-78,8 ⁰С при изменении концентрации от 20 до 90%, что позволяет сохранить термолабильные вещества при выпаривании и сушке.

Недостатки:

Труднее, чем вода, проникает через стенки клеток.

Огнеопасен (требует особых условий работы).

Фармакологическая не индифферентность.

Размещено на Allbest.ru