液体浓缩技术在中草药研究中的应用进展

2014-01-24玲袁珂刘延泽

中国医药指南 2014年16期

关键词：闪蒸常压蒸发器

王玲袁珂刘延泽*

（1 河南中医学院药学院，河南郑州 450046；2 浙江农林大学，浙江临安 311300；3 中国医学科学院药用植物研究所/中国协和医科大学，北京 100193）

液体浓缩技术在中草药研究中的应用进展

王玲1袁珂2刘延泽3*

（1 河南中医学院药学院，河南郑州 450046；2 浙江农林大学，浙江临安 311300；3 中国医学科学院药用植物研究所/中国协和医科大学，北京 100193）

在中草药研究及生产中，提取是常使用的重要工艺之一，而提取液的浓缩也是同等重要的一步。本文对传统的常压蒸发（熬制）、减压蒸发（真空浓缩）、薄膜浓缩、冷冻浓缩及喷雾浓缩的基本原理和应用进展进行了简要概述，尤其对实现薄膜浓缩中的旋转薄膜浓缩和流动式瞬间蒸发进行了较详细的介绍，以期对本领域的同道具有一定的参考与启发。

液体浓缩；中草药；流动式瞬间蒸发；薄膜浓缩；闪式浓缩

提取是中草药研究与制剂生产中最常用的基本工艺之一，提取的效率、提取物的收率及有效成分的含量是评价提取工艺优劣的重要指标。近年不断发展的中草药组织破碎提取法以其快速、安全、简便等优势正不断得到业界的认可，使研究者从繁琐枯燥的提取劳动中解放出来，并逐步向中试及生产方面转化[1-4]。但是，提取液的浓缩技术具有同等甚至更为重要的作用，因为几乎任一提取步骤之后的提取液都要经过浓缩。如果浓缩效率低、温度高、时间长，那么不仅使提取工艺的先进性大打折扣，而且也将会因长时间加热所可能导致非耐热成分的破坏而功亏一篑。为此，作者等曾根据最基本的真空薄膜蒸发的原理设计了实验室用真空薄膜蒸发器[5，8]，之后又经仪器化和实用化的不断改进发展出了闪式浓缩器[6]、多级闪蒸器[7]及旋转闪蒸器[9]等。这些仪器的研发及真正实现中草药的快速提取浓缩并使研究者从繁琐的劳动中解脱出来，对中草药研究的现代化起到了积极的作用。本文将在对传统方法简要回顾基础上，重点对闪式浓缩等新技术的应用及发展前景进行较详细的论述。

1 传统浓缩技术的回顾

熬制膏药应该是最早的液体浓缩技术。海水经日晒自然蒸发后析出食盐的结晶及甘蔗榨汁后经除杂和熬制浓缩后形成冰糖、白糖等结晶，均为传统液体浓缩技术的典型代表，在当今制药工业中传统浓缩技术仍在较大范围使用。

1.1 常压蒸发

前已述及，海水晒盐为常压蒸发的典型实例，通过水分的蒸发而使海水中盐的浓度不断提高，通过达到过饱和而实现食盐氯化钠结晶的目的。熬制膏药、熬制阿胶等药用膏或胶剂及生产中药糖浆剂等则是加热常压蒸发的典型实例，目前仍常使用。现代中药制剂中的片剂、丸剂、胶囊剂、冲剂、颗粒剂、注射剂等还是用水作溶剂进行提取时，多是采用常压蒸发浓缩至一定程度再行喷雾干燥、真空干燥或直接用于制备糖浆，冲剂等。其主要优点是：①完全尊重了中药使用的传统；②设备简单，不需要真空系统、冷却系统等；③作为溶剂的水易得，不必回收。实验中常使用大口蒸发器在水浴锅上直接蒸发成膏。当需要较精准回收所使用的乙醇等有机溶剂时也往往使用常压蒸发，但这时冷却系统是必不可少的。常压蒸发的主要缺点就是加热温度随浓缩程度的提高而不断升高，在如此较高的温度及长时间加热的情况下，一些不耐热的有效成分容易发生水解、氧化、聚合等反应而至破坏，如苷类化合物、酚酸类化合物、脂和内酯类化合物等。

1.2 真空浓缩

无论在实验室规模还是在工业生产中，无论是有机溶剂、含水有机溶剂或纯水溶剂，真空浓缩是当前最普遍的一种方式。中草药提取液在真空条件下蒸发的温度（沸点）显著降低，且随真空度的提高而降低。这样不仅使浓缩过程的时间显著缩短，而且十分有利于避免或减少不耐热成分的破坏，同时往往因为冷凝装置的使用可达到回收乙醇等有机溶剂的目的。实现真空浓缩可以通过实验室中最基本的减压蒸馏系统（一般由电热套、蒸馏瓶、蒸馏接头、冷凝管、真空泵、冷凝水及管线等）及旋转蒸发器实现，工业生产中则通过依同样原理放大的真空浓缩罐、加热系统、真空系统、冷却系统及收集装置等联合实现。该方法与常压蒸发相比，效率显著提高，有效成分破坏的可能性减小，且更有利于回收溶剂。其主要缺点是装置或设备组成复杂，操作麻烦，尤其是被浓缩成分自始至终一直处于受热状态而仍有发生分解等破坏的风险。无论是旋转蒸发、简易蒸溜，还是工业蒸馏罐蒸馏等均有此风险。此外，在蒸发过程中常因大量泡沫的产生及爆沸现象而影响蒸发效果。

1.3 薄膜浓缩

作为一般原理，当受热或蒸发面积增大时，蒸发效率就会提高；当液层变薄时，液体也更易受热而蒸发。据此原理发展出来的薄膜蒸发器无论在实验室规模，还是应用于大生产规模都得到了广泛使用。

1.3.1 旋转薄膜浓缩

旋转蒸发器利用烧瓶壁上溶液薄膜的形式及因不停转动所形成的搅拌和均匀沸腾现象而使蒸发速度加快且能因真空作用而降低蒸发温度。另外，该仪器由于开发较早，仪器化及易控性程度高，操作相对简便，因而得到了广泛的普及。但是，该仪器虽然旋转速度、真空度、加热温度及承载容量等均易调控，但其致命缺点就是前述的被浓缩液体自稀至浓始终处在受热状态下，尤其在大量稀溶剂需要不断注入到液体蒸馏瓶的情况下，从而为其有效成分带来分解的可能性。另外，泡沫与爆沸现象常是不易克服的难题，在此情况下，往往需要视所浓缩液体的目的不同通过加入甲苯、正丁醇、乙醇等有效溶剂达到消除泡沫的目的。旋转蒸发器的另一优势就是能将被浓缩液体一直浓缩至稠膏直至干燥粉末。

1.3.2 升膜和降膜薄膜浓缩器

工业生产中使用的薄膜浓缩器有升膜型薄膜浓缩机和降膜型薄膜浓缩器。在降膜型薄膜蒸发器中被浓缩液体在内壁光滑的加热空腔内沿壁自上而下流过加热室形成液体薄膜，该液体薄膜受热的作用迅速蒸发，然后在真空的引领下，蒸发的汽体离开加热室再经冷却回收得到溶剂，浓缩后的液体流入到收集器内而达到浓缩目的。升膜蒸发器与其相反，被浓缩液体在真空的作用下自下而上通过加热室，从而达到浓缩的目的。欲使液体由下而上移动，除真空外还要借助另一种外力即旋转刮板将液体均匀涂布于加热器表面，因此，该方法又称刮板型薄膜浓缩器。

1.3.3 流动式瞬间蒸发器

为了克服前述减压浓缩中被浓缩液体中的成分受热时间过长的问题，流动式瞬间蒸发器起到了积极作用。其基本原理就是被浓缩液体在真空的作用下，通过粗细合适的管路进入加热室，在加热室内迅速被加热至真空下的沸点而发生汽化，汽化后的混合体在同一真空系统的作用下进入汽液分离器而脱离热源，在汽液分离器内汽体因质轻而随真空进入冷凝系统受冷却成回收溶剂，浓缩后液体因质重靠重力作用流入浓缩液收集器，从而达到蒸发浓缩的目的。早期制成的多功能闪蒸装置[5-8]除用于中草药提取液的快速浓缩外，还可以用于制备蒸馏水，用作部分中草药的连续提取。

为进一步提高溶剂回收效率，袁珂等在汽液分离器的出口加装了并联的冷凝管。此外，在提高加热效率、提高蒸发速度等方面仍有多方面的改进潜能。

该装置完全克服了传统薄膜浓缩和旋转蒸发器中被浓缩液体受热时间过长的弊端。为了能使各组成部分标准化、仪器化、电子化和功能优化并利于控制，目前已基本实现了除真空系统外，所有部件均一体化的较合理设计[6]。由于其快速突现浓缩的功能而称之为闪蒸浓缩器。为了进一步提高加热效率，经改进将加热器部分用多级串联起来形成了多级闪蒸器[7]。该仪器不仅适合于常用的水及含水有机溶剂的浓缩，在最大限度缩短被浓缩液体的受热时间、减少有效成分破坏的可能方面发挥出了积极作用。

受旋转蒸发器和上述流动式瞬间蒸发器两种原理的启发，兼具二者优点的旋转闪蒸器的概念型仪器已初步试验成功并获得国家专利[9]，有望在近期投放市场。

1.4 冷冻浓缩

作为冷冻干燥的前身，对于一些含热超敏感成分的中草药提取液的浓缩，冷冻浓缩将起到十分重要的作用。通过压榨、匀浆化、连续萃取等方法获得的含热超敏感成分的中草药水提取液可直接用于冷冻干燥机，冷冻至冰状的中草药提取液在高真空的作用下，通过升华作用，冰态水分子以汽体形式离开，溶质则以蜂窝状形式得到浓缩直至干燥。中草药中蛋白、酶类、活性多肽等均可通过冷冻浓缩或干燥的方法获得。更多信息可参考李亚等对冷冻技术的应用及研究进展的综述[10]。

1.5 喷雾浓缩

喷雾干燥设备已在食品及制药生产中广泛使用[11]，通过改进和调节控制参数也可达到浓缩的目的。近期开发出的喷雾冷冻浓缩器[12]集中了冷冻、喷雾、真空等技术优势于一体而达到了浓缩的目的。该装置主要由空气冷冻机、预冷器、喷雾结冰器、集冰罐、浓缩液储罐、储冰罐、旋风分离器、分离机及自动控制系统组成。主要可用于中药提取液、工厂废水、发酵液等含固量较少的液体的浓缩。通过调整参数，可达到既可浓缩，又可冷冻干燥的目的。

2 小结

浓缩是中草药化学成分研究、制剂生产及食品行业中常用工艺，节能、高效、安全、简易是评价浓缩工艺是否先进的重要指标。本文在从传统到现代、从实验室规模到工业生产方面，对当今常用的浓缩技术进行简要描述与评价的基础上，对流动式瞬间蒸发器的原理及实践表现出的诸多优势给予了更多地肯定。“瞬间蒸发，一过了之”的基本概括充分表达了实现该技术的基本思想。尽管与旋转蒸发器相比尚未能实现通过一次或几次循环达到浓缩至干的目的，但通过进一步技术优化，其优势将会更加明显，并将会在工业生产中起到积极作用。

[1] 刘延泽,袁珂,冀春茹.中草药化学成分提取新方法:植物组织破碎提取法[J].河南科学,1993,4(11):265-268.

[2] 刘延泽.植物组织破碎提取法及闪式提取器的创制与实践[J].中国天然药物,2007,5(6):401-407.

[3] 李精云,刘延泽.组织破碎提取法在中药研究中的应用进展[J].中草药,2011,42(10):2145-2149.

[4] 赵余庆.中药及天然产物提取制备关键技术[M].北京:中国医药科技出版社,2012.

[5] 刘延泽,袁珂.多功能闪蒸装置[P].中国,92232741.6.1993-06-16.

[6] 刘延泽,卢付军,等.闪式浓缩器[P].中国,200620031407.1.2006-04 -03.

[7] 刘延泽,卢付军.多级闪蒸器[P].中国,200820148242.5.2008-07-29.

[8] 袁珂,俞莉.真空薄膜浓缩装置的研制及应用研究[J].分析化学,2005,33(9):1358-1360.

[9] 刘延泽,卢付军.旋转闪蒸器[P].中国,200820148240.6.2008-07-29.

[10] 李亚,孙潇,孙卫东.冷冻浓缩技术的应用及研究进展[J].广西轻工业,2008(3):9-10.

[11] 徐江波,肖江,陈元涛.喷雾干燥法制备紫苏籽油微胶囊的研究[J].中国调味品,2013,38(12):9-13.

[12] 宋力飞.喷雾冷冻浓缩器[P].中国,CN2569062.2003-08-27.