在超声辅助从中国红豆杉（Taxus chinensis）中提取紫杉醇的过程中，对传质系数、溶解度及产率之间的动态关系进行了建模分析

《Process Biochemistry》：Kinetic modeling and correlation between mass transfer coefficient, solubility, and yield in the ultrasound-assisted extraction of paclitaxel from Taxus chinensis

　　

郑素英|延敏珠|金真贤

韩国全州国立大学化学工程系未来可持续技术中心，天安330-717

摘要

本研究量化了超声波功率（180-380 W）和温度（25-45 °C）对从Taxus chinensis中提取紫杉醇的影响。虽然溶解度主要受温度影响（影响程度高出6.98倍），但质量传递系数和产量受超声波功率的影响更为显著（分别高出3.36倍和3.49倍）。产量和质量传递的增加速率相当，且均显著超过溶解度的增加速率，这证实提取过程主要是由空化作用引起的细胞破坏和质量传递驱动的，而非溶解度的提高。所有动力学参数（速率常数、平衡浓度和初始提取速率）均随着温度和超声波功率的增加而呈上升趋势。基于溶解度和质量传递系数的开发模型在预测提取浓度方面表现出高准确性（平均绝对百分比误差分别为4.6%和2.7%），其中基于质量传递系数的模型表现更优。

引言

紫杉醇是一种从太平洋紫杉（Taxus brevifolia）树皮中提取的二萜类化合物，是一线化疗药物的代表。它广泛用于单药治疗或联合治疗（与卡铂、吉西他滨等），用于治疗多种实体瘤，包括卵巢癌、乳腺癌、宫颈癌、卡波西肉瘤和肺癌[1]、[2]、[3]。微管在纺锤体形成和维持细胞结构中起着重要作用。紫杉醇通过C₁₃位置的酯侧链与微管的β-微管蛋白结合，促进微管稳定。这导致细胞周期在G2/M阶段停滞，并激活NF-κB和JAK-STAT等凋亡途径，诱导癌细胞凋亡[4]。紫杉醇在治疗卵巢癌、乳腺癌和卡波西肉瘤方面表现出优异的效果，并获得了FDA的批准。最近，其应用范围已扩展到神经退行性疾病（阿尔茨海默病、帕金森病）、动脉粥样硬化和银屑病。涉及多种药物联合治疗的临床试验也正在进行中，表明需求持续增长[5]、[6]、[7]。根据最终产品估算，2021年全球紫杉醇市场规模约为45.1亿美元，预计从2022年到2030年将以12.5%的复合年增长率（CAGR）增长，到2030年超过111.6亿美元[6]。

紫杉醇的生产主要有三种方法。早期研究中主要使用紫杉树皮提取法，但由于树木生长缓慢且含量极低（0.001-0.05%），该方法不适合大规模生产。实际上，治疗一名患者所需的量（约2克）至少需要消耗三棵成年树木，导致严重的资源消耗问题[8]。第二种方法是半合成法，即将侧链连接到从叶子或树枝中提取的前体（如Baccatin III、10-Deacetylbaccatin III等）上。这种方法利用叶子作为原料供应稳定，但由于合成过程复杂和制造成本高，产量较低[9]。第三种方法是植物细胞培养，涉及大规模培养紫杉衍生的愈伤组织。这是一种创新的替代方法，可以防止环境破坏，并实现高质量紫杉醇的大规模生产[10]。最近，随着合成生物学和生物反应器优化技术的结合，生产效率和标准化水平显著提高，使其成为备受关注的下一代核心工艺[10]、[11]。

通过植物细胞培养生产的紫杉醇是细胞内产物，主要积累在生物质（植物细胞）中[12]。从生物质中获得的紫杉醇经过分离和纯化过程后制成活性药物成分（API），然后通过制剂阶段制成各种最终抗癌产品的剂型[13]、[14]。从生物质中回收紫杉醇的典型方法是使用有机溶剂的常规提取法。然而，这种方法至少需要重复提取四次才能达到99%以上的回收率，导致有机溶剂消耗过多和工艺时间过长[15]、[16]、[17]、[18]。因此，为了克服现有方法的局限性并提高提取效率，最近积极引入了超声波辅助提取（UAE）技术[19]、[20]、[21]、[22]。

当高频声波在液体蒸汽压以下引起局部压力下降时，会发生超声波空化现象，触发微小气泡的快速形成和随后的破裂。这些气泡在微秒内膨胀和崩溃，产生极端温度和高压冲击波的局部热点[23]、[24]、[25]。这种物理能量对细胞壁施加强烈的剪切力，破坏细胞结构或增加通透性，从而促进活性成分的扩散[26]。此外，崩溃时产生的强烈局部加热会暂时提高溶质的溶解度，最大化提取效率[27]。然而，现有研究主要集中在优化紫杉醇提取条件或细胞结构的定性分析上，这限制了对细胞破坏程度的定量评估。特别是，系统研究溶解度变化与细胞破坏效果对产量影响之间的关联仍然不足[19]。因此，本研究评估了核心变量（超声波功率和温度）对从Taxus chinensis中提取紫杉醇过程中溶解度的影响，并引入质量传递系数作为量化细胞破坏程度的指标。我们还综合分析了产量、溶解度和质量传递系数之间的相关性，以确定溶解度或细胞破坏哪个是决定产量提高的关键因素，并为每个变量建立了预测回归模型。此外，我们通过标准化回归系数分析了每个变量的相对影响，并基于二阶动力学模型建立了以溶解度和质量传递系数为变量的提取浓度预测模型。

章节摘录

生物质制备

本研究使用了来自Taxus chinensis叶子的悬浮细胞。细胞在24℃的黑暗条件下，以150 rpm的搅拌速度在Gamborg’s B5培养基中培养，每两周传代一次[28]。在培养7天和21天时，添加1–2%（w/v）的麦芽糖以提高生产力并延长培养期，并在培养开始时添加4 μM的AgNO₃作为诱导剂。培养结束后，使用Decanter收集植物细胞和细胞碎片

超声波功率和温度对紫杉醇产量和细胞破坏的影响

紫杉醇主要积累在生物质中。根据现有文献，甲醇是各种有机溶剂中提取紫杉醇最有效的一种[39]。本研究分析了不同超声波功率（180、250和380 W）和温度（25、35和45 °C）下，随时间（1、2、4、6、8和10分钟）的提取曲线（图2）。基于

结论

本研究定量分析了超声波功率和温度对超声波辅助提取过程中紫杉醇产量的影响，包括溶解度和质量传递系数。随着功率和温度的提高，产量总体上有所提高，在所有条件下均在10分钟内达到平衡。过程变量贡献的分析显示，溶解度受温度的影响是功率的6.98倍

CRediT作者贡献声明

郑素英：撰写——初稿，数据整理，概念构思。金真贤：撰写——审阅与编辑，验证，调查，概念构思。延敏珠：撰写——审阅与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的资助（资助编号：RS-2024-00333224）。