Под извлечением понимают процесс перехода лекарственных веществ из лекарственного растительного или иного сырья в вытяжку, приготовленную с помощью воды или спирта.
В настоящее время получение спиртовых вытяжек (извлечений), требующее больших затрат времени, полностью перенесено в фармацевтическую промышленность; на долю аптеки осталось приготовление лишь водных извлечений, которые могут быть получены примерно в течение часа, что делает исполнение выписанного на извлечение рецепта весьма быстрым.
Термин «извлечение» применяется не только для обозначения технологического процесса приготовления вытяжки; извлечением называют и жидкость, полученную в его результате, хотя более рационально было бы называть ее вытяжкой.
Водные извлечения являются давно применяемыми лекарствами. Они не требуют ни сложной аппаратуры, ни дорогих извлекателей. Эти обстоятельства не в последнюю очередь явились причиной того, что извлечения, появившиеся еще до Галена, сохранили определенное значение и в настоящее время. Водные извлечения служат как для наружного, так и для внутреннего применения.
Некоторые извлечения, согласно указаниям, могут быть приготовлены путем растворения в воде соответствующих экстрактов.
В качестве исходных материалов для изготовления водных извлечений в настоящее время используют различные надземные и подземные части лекарственных растений (листья, цветки, кору, корни и корневища, траву и т. п.).
С фармацевтической точки зрения, состав растительных материалов условно разграничивают на два типа компонентов: действующие и сопутствующие вещества.
К категории действующих веществ относятся разнообразные соединения, обладающие выраженной фармакологической активностью и представляющие интерес для лечебных целей. Примерами действующих веществ лекарственных растений могут служить многие алкалоиды, дубильные вещества, витамины, эфирные масла и другие, как правило, сложные органические соединения.
Сопутствующими веществами называются естественные спутники действующих веществ, играющие в организмах лекарственных растений несомненно важную биологическую роль, но не представляющие самостоятельного интереса с терапевтической точки зрения. Часть сопутствующих веществ представляет собой соединения, лишенные выраженного фармакологического действия, как, например, белки, сахара, крахмал. Другие характеризуются заметным, а подчас даже сильным нежелательным, например раздражающим, действием.
Некоторые сопутствующие вещества усиливают всасывание действующих веществ из желудочно-кишечного тракта (сапонины) и за этот счет усиливают действие последних; другие, наоборот, замедляют всасывание и обеспечивают нередко эффект дюрантного (продленного) действия (дубильные вещества); третьи обладают обволакивающим действием и умеряют местное раздражающее действие (слизи, камеди). Сопутствующие вещества, не принимающие существенного участия в ценном терапевтическом воздействии, которым характеризуется данный растительный объект, часто называют «балластными» веществами (клетчатка, жиры, воски, стерины, крахмал, протеины и т. п.). Однако отнесение того или иного соединения к категории балластных веществ весьма условно.
Многочисленные компоненты лекарственного растительного сырья отличаются весьма различной растворимостью, которая определяет химический состав растительных вытяжек.
Компоненты исходного материала, переходящие в раствор при действии того или иного растворителя, носят общее название экстрактивных веществ.
По физико-химической природе водные вытяжки из растительных материалов представляют собой многокомпонентные истинные растворы низко- и высокомолекулярных соединений. Очень часто эти растворы содержат коллоидные компоненты (обычно коллоидные электролиты) и, как правило, небольшое количество водонерастворимых примесей.
Состав водных вытяжек зависит не только от состава исходных материалов, но и от температуры, при которой производилось их получение.
При обработке растительных материалов холодной водой в состав получаемой вытяжки переходят: белки, сахара, слизи, камеди, некоторые пектиновые вещества, многие органические кислоты, растворимые соли металлов и органических оснований, в том числе алкалоидов, многие гликозиды, дубильные вещества, пигменты, следы эфирного масла.
Вытяжки, приготовленные с помощью холодной воды, характеризуются значительным содержанием различных ферментов, приводящих к быстрому изменению многих компонентов извлечения. Особенно недолговечными в этих условиях являются соединения, имеющие гликозидную природу, и многочисленные вещества, обладающие характером фенолов, особенно многоатомных.
При получении водных вытяжек из растительных материалов на холоду сумма экстрактивных веществ освобождается от клетчатки, лигнина, гемицеллюлозы, крахмала, жиров, воскообразных и смолоподобных веществ, стеринов, хлорофилла и других компонентов сырья, нерастворимых в холодной воде.
Вытяжки, получаемые из растительных материалов путем недолговременной обработки горячей водой, отличаются отсутствием белков и ферментов, денатурирующихся при высокой температуре в присутствии воды. Большинство водорастворимых веществ извлекается горячей водой с большей полнотой. В особенности это относится к эфирным маслам, высокомолекулярным дубильным веществам (часто выпадающим в осадок при охлаждении горячей вытяжки) и пектинам. В вытяжки, приготовленные на горячей воде, переходит в виде клейстера крахмал, содержащийся в растительных материалах.
При долговременной обработке растительных материалов водой при температуре, близкой к кипению, получаются сильно видоизмененные вытяжки. В этих случаях остаются неизменными лишь термостабильные составные части растительных материалов.
При длительном кипячении с водой ферменты денатурируются, белки подвергаются свертыванию и выпадают в осадок. Некоагулирующие белки подвергаются более или менее глубокому гидролитическому расщеплению.
Соединения, имеющие сложноэфирную природу, и большинство гликозидов при долговременной обработке кипящей или почти кипящей водой подвергаются гидролизу. Многие высокомолекулярные вещества деполимеризуются. Крахмалы не только клейстеризуются, но в большей или меньшей степени декстринизируются и осахариваются, особенно в кислых средах.
В длительно нагревающейся вытяжке происходят многочисленные окислительные реакции, сопровождающиеся образованием темноокрашенных соединений. Летучие вещества подвергаются улетучиванию. Потери обычно являются тем большими, чем более долговременной была тепловая обработка извлечения и чем выше была температура.
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, листья, цветки, плоды и т. д.
Особенностью исходных материалов, применяемых для получения большинства вытяжек, является клеточная структура и характерный для биологических объектов сложный состав, слагающийся из ряда растворимых и нерастворимых компонентов.
Сравнительно с обычным растворением, отличающимся полным и обычно 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. Главная весовая доля 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, примененная для получения полноценной вытяжки, должна обладать не только способностью растворять ценные вещества, но также в случае необходимости способностью десорбировать их и выносить образовавшийся раствор за пределы клеточных полостей. В связи с указанной своеобразной технологической ролью, возлагаемой на применяемую жидкость, 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 действием капиллярных сил активно всасывается растительными тканями и через систему сосудов, межклетников 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, или 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).
Основной особенностью процесса молекулярной диффузии является 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 в результате перемещения отдельных весьма малых (элементарных) объемов жидкой или газообразной фазы, причем перенос вещества внутри этих элементарных объемов осуществляется посредством молекулярной диффузии, характерной для неподвижной фазы, которой и является элементарный объем жидкости или газа.
Конвективная диффузия — процесс более быстрый, нежели 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 обозначает окончание процесса экстракции.
После окончания экстракции и сливания образовавшейся вытяжки извлеченный растительный материал остается пропитанным вытяжкой. Количество впитанной жидкости достигает 100—150% от веса 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 уменьшение обычно достигается путем возможно сильного выжимания извлеченного растительного материала при помощи разнообразных приспособлений. Выжатая жидкость присоединяется к ранее слитой вытяжке.
Влияние свойств растительного материала. Состав вытяжек и полнота извлечения растительных материалов при их обработке водой в значительной степени зависят от измельченности исходного сырья.
Рыхлые материалы, содержащие большое число межклеточных пространств и состоящие из тонкостенных паренхиматозных клеток, легко проницаемы для воды и представляют относительно небольшие препятствия для извлечения их содержимого. Этими особенностями отличаются многие цветки, листья, травы.
Материалы, имеющие плотную структуру и состоящие 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 должен пройти растворитель и образовавшийся в клетках раствор. Однако отсюда нельзя делать вывода 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, тонко измельченные материалы с сильно поврежденным целлюлозным скелетом отличаются способностью к набуханию, сопровождающемуся большими потерями жидкости и частым слипанием растительных порошков в плотные ослизняющиеся 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, при приготовлении экстемпоральных 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) экстрагируются неизмельченными 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 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 неизмельченном 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 изрезывания.
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° 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 при помощи горячей воды, интересны отсутствием активных ферментов и большей части белков, коагулирующих при нагревании выше 60°. Крахмал, содержащийся в исходных материалах, при действии горячей воды клейстеризуется и переходит в состав вытяжки. Сравнительно с холодными извлечениями в состав настоев и отваров переходит значительное количество пектиновых веществ и других соединений, труднорастворимых, медленно диффундирующих или образующихся в результате гидролиза нерастворимых нативных компонентов исходных материалов. Большим преимуществом вытяжек, приготовленных с помощью горячей воды, является их относительная стерильность и связанная с этим столь же относительная устойчивость.