近日,深圳华声强化技术有限公司与天津中医药大学李文龙教授合作,基于“低能耗、高效率”理念的指导下,采用声共振技术开发了一种高效的桑叶提取工艺,该提取工艺能够大幅度缩短提取时间,高效提取热敏性成分,这不仅为当下桑叶的提取工艺提供了新的技术依据,还可以进一步作为研究和开发的平台,去推动蜂鸟声共振技术在药材提取领域的广泛应用。相关成果发表于《Sustainable Chemistry and Pharmacy》上,天津中医药大学闫子轩为论文的第一作者,深圳华声强化技术有限公司吴伟高工和天津中医药大学李文龙教授为论文共同通讯作者。论文题录:Zixuan Yan , Yijing Zhang , Yinglian Yang , Guoxiang Li , Zhiqi Guan , Wei Wu *, Wenlong Li*,. Hummer acoustic resonance as an innovative green technology for extracting active components from mulberry leaves, DOI: 10.1016/j.scp.2024.101853

桑叶指桑树的嫩叶,其不仅是蚕的主要食物,更是中国传统医学中的重要药材。桑叶提取物中含有丰富的生物活性成分,包括黄酮类化合物、多酚类化合物、糖类以及生物碱类等,此外,桑叶中也含有钙、碳水化合物、铁、蛋白质、维生素等功效性成分,这些活性成分具有抗氧化、抗菌、抗炎、降血糖、降血脂等多种功效。

近年来,针对从桑叶中提取功能性化学物质的研究逐渐增多,提取工艺的有效性一般与所选择的提取方法密切相关,传统的提取方法如渗漉法、煎煮法和回流法虽在一定程度上有效,但由于存在处理时间长、溶剂需求高、溶剂回收效率低以及提取成本较高等问题,这些方法的应用逐渐受到限制。因此,亟需开发一种新型的提取方法,既能去提高提取效率,又能做到减少溶剂和能源的消耗。蜂鸟声共振技术是一种基于简谐振动方程的创新方法,可通过从容器底部向上传播的压力波在整个容器内形成稳定的声场,该声场能够创建多个区域达到对容器整场的覆盖,进而有效避免了死区的形成,并且还能确保剪切力均匀分布(图1)

。

图1 蜂鸟声共振微混合区域分布示意图

当药材粉末在设备共振下处理时,声压波的传播能够将设备产生的机械能几乎无损失地传递到容器中的料体上

(图2)。这种高效的能量传递方式,使得蜂鸟声共振技术在提取过程中的应用具有显著优势。因此,我们将这一技术应用于桑叶活性成分的提取,探索该技术在植物提取领域的潜力和应用前景。

图2 蜂鸟声共振驱动力与能量的相互作用

在桑叶活性成分的提取过程中,包括溶剂浓度、萃取时间、萃取温度和液固比等的多个工艺参数都会对提取效果产生显著影响。由于这些因素相互作用且关系复杂,若没有有效的数学模型,分析和优化提取条件往往会是一个耗时且昂贵的过程。响应面法(RSM)是一种综合实验设计和数学建模的优化方法,能够有效分析复杂的系统性能,并优化提取过程中的各项参数。RSM方法以试验次数少、精度高、预测性能优良等优点,被广泛应用于优化从植物资源中提取化合物的各种工艺。

支持向量机回归(SVR)是一种用于回归的监督机器学习算法,在解决回归问题时,SVR将输入数据转换为高维特征空间并在该空间中执行线性回归来处理复杂的非线性关系,SVR独特的品质包括不易收敛于局部极小值、使用核技巧解决非线性问题、优异的性能和高稳定性,基于此从而使其成为了一种有前途的预测方法。遗传算法(GA)是一种基于自然选择和遗传学原理的优化技术,通过适应度标准、操作进化假设和其他函数来优化和研究问题,具有全局优化的特点。我们建立了一种全新的集成方法,GA的全局搜索能力与SVR的高精度预测能力被耦合在这种方法之中,用于进一步优化提取过程。

本研究首次采用蜂鸟声共振技术对桑叶的活性成分进行提取,并采用层次分析法结合熵权法对各指标进行赋权,来计算综合评分并为优化模型提供决策支持。通过实验数据的分析,RSM和SVR耦合GA模型在提取工艺优化中表现出色,能够高效预测最佳提取条件。在此基础上,研究进一步将蜂鸟声共振技术的提取效果与传统回流提取方法进行了对比。结果表明,蜂鸟声共振技术在提高提取效率、降低溶剂消耗及缩短提取时间等方面具有显著优势,展现出其在药材提取领域的广阔应用前景。

本研究不仅为桑叶的高效提取提供了科学依据,也为蜂鸟声共振技术在药材提取中的应用探索了新的路径。通过优化提取工艺,可以进一步提高桑叶中活性成分的提取效率,降低环境负担,推动药材提取技术的绿色发展。随着技术的进一步成熟,蜂鸟声共振技术有望在其他药材的提取中得到广泛应用,为制药行业的可持续发展做出贡献。