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对中药提取分离新技术及其设备的研究

2013-10-10夏玉婷谷旭晗刘傲霞

机电信息 2013年32期
关键词:逆流超临界溶剂

韩 伟 夏玉婷 谷旭晗 刘傲霞 成 悦

(华东理工大学中药现代化工程中心,上海200237)

0 引言

中药所含的化学成分十分复杂,如何将所需要的有效成分提取出来是中药研究的关键所在。传统的提取方法如煎煮法、回流法、浸渍法等,尽管各有其优越性,但往往存在分离时间长、提取率低、操作繁琐等缺点。近年来发展起来的现代提取分离技术,如酶法提取、闪式提取、膜分离等,为实现快速、高效地提取分离中药有效成分提供了新的途径。同时,针对新技术的各种设备也在不断地开发完善中。这些新技术及其设备的应用为实现中药有效成分的高效提取分离创造了更好的条件。

本文就近年来中药有效成分提取分离新技术及相应设备的原理、特点和应用现状进行了综述。

1 超声提取技术

超声提取(Ultrasonic Extraction)技术是常用的现代中药有效成分提取方法,该技术运用超声的微扰效应,增大了溶剂进入提取物细胞的渗透性,加强了传质过程。超声空化产生的强大剪切力能使植物细胞壁破裂,使细胞容易释放出内含物[1]。相比传统的提取技术,超声法具有提取率高、提取时间短等优点。低温条件下,超声提取还有利于维持原药中有效成分的性质[2]。

超声提取设备主要由超声波发生器(超声频电源)、换能器振子、处理容器组成。超声波发生器是将220 V/50 Hz或380 V/50 Hz的电信号转化为500~800 V/20~100 kHz的电信号,驱动换能器振子发出超声波。换能器振子分为2种:(1)夹心式压电换能器:成本低、性能稳定、作用面积大,但功率强度小。(2)聚能式换能器:能量高,但作用范围小、自身产生热量大、难以长时间连续工作、成本高,无法适合工业化应用。处理容器一般为内壁圆滑的圆形管或罐,作用是盛装需要超声加工处理的物质[3]。

实验过程中常用的超声设备有超声波清洗仪和超声波粉碎仪。罗登林[4]等根据超声波的特点和提取理论,设计出了可用于工业化生产的双频超声动态逆流高效提取装置。该设备根据不同频率的超声波作用特点的不同,结合管道传输的理论,进行科学合理地配置和组合,能取代现有的提取装置,促进提取设备与工艺的现代化。

超声提取因其快速、高效的特点已被广泛应用于实验室小量样品制备及分析样品的处理,但是由于缺乏有效的工程放大手段和方法,超声场的范围和强度限制了每次处理的物料量,从而阻碍了其在大规模生产中的应用。

为了解决传统超声提取中存在的工程放大难题,循环超声技术及设备应运而生。该提取装置的提取时间、提取温度、超声功率、循环速度等主要参数均可设定和自动控制,提取效率是常规提取的几倍到几十倍,提取温度可降低到室温。设备性能达到了国际先进水平,同传统方法比较可节省能耗50%以上,提取成本可降低25%以上。循环超声技术及其设备在工业化生产中的成功应用,有效地解决了超声提取工程放大的难题,为超声提取在中药大规模生产中的应用奠定了基础。同现有的其他相关技术相比,它具有显著的技术经济优势,因此具有广泛的应用前景[5]。

图1 超临界流体萃取工艺流程示意图

2 超临界流体萃取技术

超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction,SFE)技术是近年来发展起来的一种新型分离技术。SFE利用超临界流体所具有的与液体溶剂相当的溶解能力和优良的传质性能,在高于临界温度和临界压力条件下与待分离的固体或液体混合物接触,萃取出所需要的物质。随后通过降压或升温或两者兼用的方法,降低超临界流体的密度,从而降低其对被萃取物的溶解度,或用吸附的方法,使两者得到分离[6]。

超临界流体萃取工艺主要由萃取阶段和分离阶段2部分组成,流程示意图如图1所示。其工艺设备主要有萃取釜、分离釜、压缩机、冷凝器和换热器等。此外,因控制和测量的需要,还需有数据采集系统、处理系统和控制系统。在超临界流体萃取技术中,萃取装置是关键。中小型萃取设备装置结构简单、体积小,便于操作与使用,适合一般科研机构。而大型工业化装置要求能连续装填物料,具有连续萃取的功能,在溶剂的使用方面还要求能回收CO2气体,其研发和应用显得更为重要和困难。近年来,国内已解决了许多有关超临界方面的技术难题,如超临界流体萃取装置的工艺流程问题、超临界流体萃取釜、分离釜结构及寿命问题、快开结构与密封件的材料耐用度问题等。超临界技术的应用在我国得到了迅速发展[7]。

超临界流体萃取技术具有条件温和、选择性好、收率高、快速高效及成本低等特点,在中药有效成分提取和研究方面具有巨大的优越性。目前,国内外研究者多采用CO2超临界流体萃取技术提取中草药中不同种类的药用成分,如挥发油、生物碱、萜类、丙素酚类、醌类及蒽衍生物及其他成分等[8],其中提取挥发油和精油的研究最为广泛[9-10]。

吴怀恩等[11]考察超临界CO2流体萃取法与水蒸气蒸馏法提取五月艾挥发油化学成分的区别,发现2种提取方法得到的五月艾挥发油组分与含量相差较大,超临界法可提取出极性较低的组分,大分子量的成分相对较多,收率更高并且不存在有机溶剂残留所带来的相关问题。

3 动态逆流提取技术

动态逆流提取(Dynamic Countercurrent Extraction)技术是在动态提取的基础上,根据现代提取技术和工艺设备的要求发展起来的一种中药提取新技术。它通过多个(或多段)提取单元之间物料和溶剂的合理的浓度梯度排列和相应的流程配置,结合物料的粒度、提取单元组数、提取温度和提取溶媒用量,循环组合,对物料进行提取[12]。要达到快速完全地提取物料中的有效成分,必须保证物料周围始终存在最大的浓度差,故需经常更新固液两相界面层,使浓度差保持在较高的水平[13]。动态逆流提取即是根据这一原理进行工作的:在提取过程中,物料与溶剂分别从提取器的两端加入,这样物料在机械力的推动下,溶剂在重力的作用下,两者作逆向运动并且接触界面始终处于高浓度差状态下。经过多级渗溶提取后,固体料渣被排出,而溶剂则由于物料的有效成分逐级渗入,变成高浓度的提取液,从相反的方向流出[14]。

采用动态逆流的提取工艺具有节约溶剂用量、降低能耗、提高提取率、最终溶剂的有效成分含量高等优点,大大提高了生产效率[15]。王坤[16]分别用罐组式动态逆流提取与传统单罐提取工艺进行益母草提取试验,测定产品有效成分含量、各项工艺参数及经济指标。结果表明,罐组式动态逆流提取工艺与传统的单罐提取工艺相比较,有效成分提取率较高,并且节省能源、缩短生产周期。

动态逆流提取设备主要由动力装置、进料装置、提取装置、排渣装置、溶媒回收装置、温控装置等部分组成[17]。常见的有罐组式动态逆流提取设备、螺旋式连续逆流提取设备、U型槽式逆流提取机3种类型。其中,罐组式提取设备(图2)将2种动态提罐机组串联,提取溶剂沿着罐组内各罐药料的溶质浓度梯度逆向地由低向高顺次输送通过各罐,并与药料保持一定提取时间多次套用,是目前在中药提取中应用最为广泛的动态逆流提取设备[18]。

图2 罐组式逆流提取设备1—冷却器 2—溶剂贮藏 3、5—输送泵 4—提取液贮藏A1、A2、A3、A4、A5、A6—提取罐

4 大孔树脂吸附技术

大孔吸附树脂(Macro Absorption Resin)是一类具有大孔结构、吸附性能较好的有机高聚物吸附剂,是吸附树脂的一种,由聚合单体和交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂经聚合反应制备而成,是吸附性和筛选性原理相结合的分离材料。大孔树脂吸附技术是采用特殊的吸附剂,从中药或复方煎液中有选择地吸附其中的有效部分,除去无效部分的一种提取精制的新工艺。其吸附作用主要是通过表面吸附、表面电性或形成氢键等来实现[19]。该技术自20世纪70年代末开始应用于中草药有效成分的分离,具有理化性质稳定、吸附容量大、分离度好、再生简单、抗污染能力强、热稳定性好、灵敏度高等优点,常应用于中草药化学成分如黄酮、生物碱、皂苷、苷类及一些其他活性成分的提取分离,具有良好的应用前景。

大孔树脂吸附技术的操作方式分为静态吸附分离和动态吸附分离2种类型。静态法一般用于实验室研究,是将一定数量的大孔吸附树脂与被处理的药液混合并搅拌,然后采用过滤、倾泻、离心沉降等方法将含药树脂与溶液分离。动态吸附法,即管柱法,与柱层析相似,它将待处理的药液通过装有大孔吸附树脂的柱内,药液从柱的上部逐渐往下流动时,柱内树脂从上往下依次达到吸附饱和状态,达到一定饱和程度后,用合适容积将有效成分洗脱下来。管柱法有利于吸附完全。实验室的吸附柱多半是玻璃,柱长度与柱直径之比值(L/D)大约为10~30。工厂的吸附柱要求能耐化学制剂侵蚀,经久耐用,加料分布均匀及压降小[20]。现常用于中草药成分提取分离的大孔吸附树脂包括南大D6、南大D7、南大DS8、南大DS5、南大DM2、AB-8(天津南开)、X-5(天津南开)、ADS-7(天津南开)、ADS-15(天津南开)、D-101(天津制胶厂)、D103(天津制胶厂)、GDX-102(天津试剂二厂)、MD(天津试剂二厂)、DA(天津试剂二厂)[21]。李安林等[22]通过比较D-101、AB-8、X-5、DA-201、HZ-806和HZ-801,6种不同性质大孔吸附树脂对夏枯草果穗总黄酮的静态吸附和解吸附性能,筛选出了适合夏枯草果穗总黄酮分离纯化的树脂。影响大孔树脂分离效果的因素有很多,所以需要从树脂型号、规格和性能等方面综合考虑,选择合适的树脂,并有针对性地按照操作说明使用不同的树脂,才能发挥树脂的最佳分离效果[23]。

5 分子蒸馏技术

分子蒸馏(Molecular Distillation)又叫短程蒸馏(Short Path Distillation)是一种非平衡蒸馏,它依据不同物质分子运动平均自由程的差别在高真空(压强一般小于5 Pa)下实现物质间的分离。它能大大降低高沸点物料的分离成本,极好地保护热敏物料的品质,特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物质的分离纯化。近年来分子蒸馏技术已逐渐成为中药现代化生产的关键分离技术之一[24]。

一套完整的分子蒸馏设备主要包括分子蒸发器、进料系统、加热系统、冷却系统、真空系统和控制系统。根据分子蒸馏装置的大小可分为:实验型分子蒸馏、中试型分子蒸馏和工业化分子蒸馏装置。

根据行程蒸发液膜的不同和分子蒸发器结构的差异,又可分为4类:(1)间歇釜式分子蒸馏器:结构简单,但分离能力低、效果差、物料停留时间长、物料容易分解,目前已经不再使用。(2)降膜式分子蒸馏器:该装置液膜厚度小,停留时间短,热分解率降低,蒸馏过程可连续进行,生产能力大,但容易使组分分解且分离效率较低。(3)刮膜式分子蒸馏器:在降膜分子蒸馏装置内设置一个转动的刮膜器,当物料在重力作用下沿蒸发面向下流动时,借助刮膜器将物料迅速刮成厚度均匀、连续更新的液膜,从而强化传热和传质过程,提高了蒸发速率和分离效率,在工业上应用较广。(4)离心式分子蒸馏器:该装置较为理想,但与其他结构相比,技术难度大,设备成本高,更适用于高附加值品种,在国内较少采用[25]。综合上述4种设备的优缺点,并通过多种中药成分的分离比较,国内常选用刮膜式分子蒸馏器。其主要技术特点是蒸馏温度低、系统压强低、受热时间短、分离程度高、产品耗能小、生产能力大,蒸馏过程可以连续进行,其已用于多个品种的研究及验证,并进行了装备的推广应用。

由于分离温度低、分离能力强、分离过程中无需加入任何化学物质、无污染且操作成本低、利于脱溶剂和脱色等优点,分子蒸馏技术在中药现代化产业中得到越来越广泛的应用[26]。但分子蒸馏技术也有一定的局限性,只适用于液体或适当加温即具流动性的半固体物质的分离纯化,并且由于设备价格较高,更适于高附加值产品的应用[27]。

6 高速逆流色谱技术

高速逆流色谱技术(High-speed Countercurrent Chromatography,HSC-CC)是一种不用任何固体载体或支撑体的液-液色谱技术。高速逆流分离基于流体动力学中的单向流动力学平衡现象,利用螺旋管的方向性与高速行星式运动相结合,使两相互不混溶的溶剂在螺旋管中实现高效接触、混合、分配和传递,从而将具有不同分配比的样品组分分离出来[28-29]。

一台高速逆流色谱仪由输液泵、分离柱、检测器、工作站、数据采集系统及馏分收集器等组成。在仪器运行的时候,可调节溶剂、固定相、流动相、样品浓度、柱温、洗脱方式、进样方式、流动相的流速及转速等,使分离效果达到最好。还需根据所检测样品的特点,选择不同的检测器:UV-VIS(紫外-可见光检测器)、ELSD(蒸发光散射检测器)或者质谱检测器等。HSC-CC的应用实现了提取、分离、结构分析的自动化[30-31]。

HSC-CC分离效率高、产品纯度高、不存在载体对样品的吸附和污染、制备量大并且溶剂消耗少。同时,高速逆流色谱分离仪器价格低廉,性能可靠,分析成本低,易于操作,尽管与高效液相色谱分离相比有时柱效不太高,但可避免其对样品的吸附及不可回收的弊端。

目前,已成功开发出分析型、生产型2大类高速逆流色谱仪,可分别用于中药有效成分的分离制备和定量分析。进样量可从毫克级到克级,进样体积可从几毫升到几百毫升,不仅适用于非极性化合物的分离,也适用于极性化合物的分离;既可用于中药粗提取物中各组分的分离,也可用于进一步精制[32]。应用HSC-CC可以分离纯化生物碱、黄酮、皂苷、蒽醌等中药有效成分[30]。HSC-CC还可与其他新型分离技术相耦合分离中药有效成分。

张敏等[33]应用高速逆流色谱技术分离人参中的人参皂苷,以溶剂配比为醋酸乙酯-正丁醇-水-醋酸(4:1:3:0.02,V:V:V:V)作为制备型逆流色谱分离的溶剂系统,分离得到3个单体皂苷和1个混合物组分,单体皂苷的纯度均高于95%。与常规色谱方法比较,该法具有简便、快速、节省溶剂的特点,具有较好的实际应用价值。

7 酶法提取技术

酶法提取(Enzymatic Extraction)技术是利用相关酶破坏植物细胞的细胞壁,从而使有效成分流出的一种提取方法。植物的细胞壁是由纤维素、半纤维素、果胶质构成的,在合适的酶作用下,可发生物质降解,这时细胞壁的结构会遭到破坏,细胞壁、细胞间质等传质屏障对有效成分从胞内向提取介质扩散的传质阻力会减少,从而使有效成分提取率提高。此外,植物中多含有脂溶性、难溶于水或不溶于水的成分,通过加入合适的酶如葡萄糖苷酶或转糖苷酶,可使这些有效成分转移到水溶性苷糖中,从而使有效成分提取率提高[34]。

酶法提取包括酶解处理和提取有效成分2个步骤。其影响因素主要有药材颗粒度、提取溶剂、温度及pH值、酶解时间等[35]。酶法提取对温度的控制要求较高,主要用恒温水浴锅控制温度。可成友等[36]采用酶解法对五味子进行提取,试验结果表明,最佳工艺路线为缓冲液pH值6.0,提取时间3 h,提取温度55℃,加酶量1%。通过比较酶法提取与传统水法提取的平均提取率,发现酶法的平均提取率比水法提高16.79%,说明酶法提取效率更高。

酶法提取具有反应条件温和、保持有效成分药效、优化有效组分等特点。因其试剂设备简单,对中药提取物进行酶法处理可降低成本,并且环保节能,故酶法提取已广泛应用于中药有效成分的提取过程。但酶法提取要综合考虑反应温度、pH值、酶及底物浓度等影响,对实验条件要求较高。酶法提取常常与其他方法(如超声波、微波、超临界技术等)联用,以提高中药的提取效果[37]。

8 膜分离技术

膜分离(Membrane Separation)技术是用天然或人工合成的高分子薄膜,借助外界能量或化学位差的推动,通过特定膜的渗透作用,实现对两组分或多组分混合的液体或气体进行分离、分级、提纯以及浓缩富集的方法。由20世纪60年代发展至今,膜分离技术因具有分离过程简单、可在常温下操作、无相变、无二次污染、分离系数高、能耗低等优点,已在医药领域中得到广泛的应用。然而,由于中药成分中黏性物质的含量很高,膜污染现象阻碍了膜分离技术的发展。可以通过原料液的预处理、选择与提取液性质相匹配的膜、控制操作过程中的工艺参数以及进一步改进膜的性质等方法来避免膜污染的发生。

目前在中药分离工程中采用的膜分离技术主要以压力差为驱动,包含微滤(microfiltration,MF)、超滤(ultrafiltration,UF)、纳滤(nanofiltration,NF)、反渗透(reverse osmosis,RO)。当膜两侧存在一定压力差时,可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜,而微粒、大分子、盐等被膜截留下来,从而达到分离的目的。4种膜的透过机理基本相同,主要是被分离物颗粒或分子的大小和所采用膜的结构与性能有所差异[38]。

各种膜分离装置主要包括:膜分离器、泵、过滤器、阀、仪表及管路等。膜分离器是将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内,然后在外界驱动力作用下能实现对混合物中各组分分离的器件,它又被称为膜组件或简称组件。在膜分离的工业装置中,根据生产需要,一般可设置数个至数千个膜组件。工业上常用的膜组件形式有板框式、螺旋卷式、管式、中空纤维式等[39]。

膜分离技术不仅可以将各类膜联合利用,还可以与其他分离技术或化学反应联用以提高提取分离效率。李季文等[40]采用超滤与大孔树脂吸附技术联用提取分离胡芦巴药材中的胡芦巴总苷,发现技术联用后获得的薯蓣皂苷元含量明显提高,并且胡芦巴提取液经大孔树脂吸附精制后,也使污染超滤膜的成分大大降低。

9 闪式提取技术

闪式提取(Flash-type Extraction)技术作为中药化学及相关学科中的一种提取方法于1993年被首次提出,当时是利用日本冈山大学奥田拓男教授所赠送的日本三菱JM-E31型混合器完成的,该仪器只适用于对植物叶类、部分鲜果、鲜根及非韧性全草进行提取并且多不耐有机溶剂。为了扩大该仪器的应用范围,我国自主研制出了首台能用于硬组织破碎提取的样机并用于实践,后又相继试制数台陆续被国内部分学校及研究机构所采用的闪式提取器[41]。自此,闪式提取技术因其高效、快速、节能环保、可以有效地保护热敏性成分不被破坏等特点为中药现代化研究与生产带来了重大变革[42]。

闪式提取技术是利用闪式提取器的巧妙设计,在室温和适当溶剂存在下,将药材在数秒钟内破碎至细微颗粒,同时通过实现高速搅拌、振动、负压渗滤3种因素的最佳结合,使有效成分迅速达到药材组织内外平衡,经过滤最终达到充分提高提取效率的目的[41-43]。

闪式提取器由破碎刀具、动力部分、升降系统、控制系统及物料容器组成,结合剪切、真空、渗透、流体动力等原理,通过技术间的组合相承对被破碎的材料产生破碎作用,速度可达到传统提取方法的百倍以上[44]。闪式提取器的破碎刀头在设计方面考虑到在使药材达到适当颗粒度利于组织内外的平衡的同时不至于因颗粒太细而影响下游的过滤,一般将破碎颗粒范围控制在40~60目[41-42]。

闪式提取器问世近20年来,使得对诃子、柳兰、鬼灯檠、千屈菜、桃金娘等中草药中单宁、多元酚类化合物的研究变成可能,同时也使黄酮类、皂苷类等成分的提取和植物不同入药部位及中药复方的提取工艺等方面的研究取得了较大进展。邓引梅等[45]对比研究了闪式提取、索氏抽提、搅拌提取、超声波提取4种方法对胀果甘草叶总黄酮的提取效果,将一定量的胀果甘草叶粉末与提取溶剂在闪式提取装置中混合提取,通过机械及液力剪切作用使物料破碎和有效成分的提取同步进行。结果表明,闪式提取与其他传统提取方法相比,具有提取率高、提取时间短、提取溶剂用量少、成本低等优点。

10 微波辅助萃取技术

微波辅助萃取(Microvave Assisted Extraction,MAE)又称微波萃取,是微波和传统的溶剂提取法相结合而成的一种颇具发展潜力的新型萃取技术[46]。微波提取的原理是高频电磁波到达物料的内部维管束和腺胞系统,细胞吸收微波能后内部温度迅速上升,使其细胞内部压力增加导致细胞破裂,细胞内有效成分自由流出溶解到萃取介质中[47]。微波萃取具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、节省溶媒、污染小、生产线整体造价和运行成本低等特点[48],是国内中药有效成分提取的常用方法之一。

微波提取设备主要分2类:(1)微波提取罐:由罐体、微波作用腔、搅拌器、进料口、出料口、微波源、功率调节装置、温控装置、压力控制装置等组成[49]。该设备与常规动态提取罐结构相仿,不同之处是将蒸汽夹套加热改为微波腔加热,将平面加热改为立体加热,热源由蒸汽夹套壁改为料液本身发热。微波提取罐可以满足不同中草药提取的工艺参数要求。(2)连续微波提取线:由微波源、微波作用腔、输送管道以及2个储料罐组成[48]。在一个储料罐内将粉状物料与溶媒混合用泵送入微波工程材料制造的管路中,微波工程材料对微波是透明的,物料与溶媒流过微波作用腔时被微波直接加热、萃取,使得有效成分转移,提取完成送至另一个储料罐,其示意图如图3所示。两者主要区别为:微波提取罐是分批处理物料,类似常规的多功能提取罐;连续微波提取线是以连续方式工作的提取设备。设备的具体参数一般由设备生产厂根据使用厂家的要求设计[46]。

图3 连续微波提取线示意图

谢静[50]等运用微波辅助提取技术萃取连翘中的连翘苷。实验结果显示,在加热时间及溶剂量相同的条件下,微波辅助萃取所得的干浸膏中连翘苷含量比传统方法提高了82%,转移率比传统方法提高约80%。与传统回流提取方式相比,微波辅助萃取所得产品目标组分得率高、提取效果好,充分体现了微波辅助萃取技术的优势。

目前,工业化微波设备在我国已经研制成功,填补了国内空白[47]。连续微波提取线若与膜分离技术、微波干燥或喷雾干燥组成提取物生产线,肯定是一条节能、高效、优质、高产、低耗和低成本的生产线。微波提取试验研究多为国内单方研究,工业设备虽有出现,但推广应用缓慢,还处于观望阶段[51]。

11 结语

中药有效成分的提取分离对提高中药制剂的质量及加快新药开发起着重要作用。相关技术及设备已有了很大进展,其快速性和高效性是传统的提取分离技术所无法比拟的。但不同的方法具有不同的优缺点,在使用过程中应根据提取中药及目标产物的特点,选取合适的技术及设备。近年来,多种分离技术联用也是一个很好的选择。随着新技术、新设备的不断开发和广泛应用,中药有效成分将被最大程度的获取,在提高中药利用率的同时还为新药研发创造了有利条件。因此应加强对中药提取分离新技术、新设备用于工业化生产的研究,使得传统中药领域向现代化、科学化、产业化迈进,以实现我国中药产业跨越式发展。

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