先进萃取技术及装备在中药生产中的应用

    中药材所含成分十分复杂，既有有效成分，又有无效成分和有害成分。为了提高中药的治疗效果，就要最大限度提取有效成分、去除无效成分及有毒成分。因此，中药提取是中药生产的关键环节。现阶段常用的提取方法有煎煮法、回流法、浸渍法、渗漉法等，但这些提取方法存在着易破坏有效成分、生产周期长、生产工序多、提取率不高、工艺复杂、产品纯度不高、易残留有害物质等缺点。近10余年来，在中药提取方面出现了许多新技术、新工艺，如超临界萃取、超声波萃取、微波萃取技术等，这些新技术和新工艺的应用，提高了中药提取物质量与提取得率，提高了生产效率，加快了中药现代化与国际接轨的步伐，本文试就这些新技术、新工艺及装备应用于中药生产的情况作一比较分析。

1    超临界流体萃取技术及装备

1.1    超临界流体萃取技术简介

　　超临界流体萃取（简称SCFE）是一种以超临界流体（简称SCF）代替常规有机溶剂对中药材有效成分进行萃取和分离的新型技术，其原理是利用流体在超临界状态下某一区域内与中药材中的待分离成分具有异常相平衡行为和传递性能，且对该成分的溶解能力随压力和温度的改变而在一定的范围内变动，在某一超临界状态下将该成分溶解出来，当改变温度和压力后，又在某一温度和压力状态下（仍是超临界状态）将该成分释放出来以便于收集。超临界流体萃取是一种新型的分离技术, 它是利用流体在超临界状态时具有密度大、粘度小、扩散系数大等优良的传质特性而达到萃取分离目的的。利用这种SCF作溶剂，可以从多种液态或固态物中萃取出待分离组分。

　　一般采用CO2作为超临界流体，因为CO2是一种很常见的气体，且无毒无味，不易燃易爆，并且价格低廉，安全高效。CO2在温度高于临界温度Tc＝31.3 ℃、压力高于临界压力Pc＝7.2 MPa的状态下，性质会发生变化，其密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力。用它可溶解多种物质，通过改变温度和压力从而改变CO2的溶解能力来达到提取其中的有效成分的目的。

1.2    超临界萃取技术在中药生产中的应用

　　超临界萃取技术已广泛应用于：（1）鱼油中的高级脂肪酸（EPA、DHA、脱氢抗坏血酸等）的提取；（2）植物或菌体中高级脂肪酸（γ-亚麻酸等）的提取；（3）药效成分（生物碱、黄酮、脂溶性维生素、甙等）的提取；（4）香料成分（动物香料、植物香料等）的提取；（5）化妆品原料（美肤效果剂、表面活性剂、脂肪酸酯等）的提取；（6）烟草脱除尼古丁。

　　超临界萃取技术现在已应用于部分中药材大批量萃取生产。国内已采用超临界萃取技术的部份中药品种如：厚朴酚及和厚朴酚、银杏黄酮和银杏内酯、青蒿素、大蒜油、莽草酸、灵芝孢子油、沙棘籽油、番茄红素、大豆卵磷脂、大豆异黄酮、β-胡萝卜素（螺旋藻）、桂枝、麦冬等。

　　例如，从沙棘籽中萃取沙棘油，现在国内已广泛应用超临界萃取技术从沙棘籽中萃取沙棘油，并有数个厂家形成年产20 t以上沙棘油的生产能力。采用CO2作为萃取介质，工艺条件为：温度35～55 ℃，压力25.0～30.0 MPa。如青海康普德生物制药有限公司采用温州市中制药机械设备厂生产的TH321—400×3型超临界CO2萃取装置用于沙棘油的萃取生产，取得了较好的效果。

　　但是，超临界萃取技术的应用也有它的局限性，超临界流体萃取技术对于极性偏大的物质萃取分离较为困难，也不适于中药复方的提取。

1.3    超临界CO2萃取装置生产情况

　　目前国内生产的最大超临界萃取装置规格已达3 000 L。随着超临界萃取技术逐步被人们认识和应用，国内已有部分企业专业从事超临界萃取装置的开发生产。根据国内超临界萃取装置生产企业的生产能力，基本上可以分成24 L以下及24 L以上两类。24 L以下的超临界萃取装置主要由一些研发力量及生产能力有限的企业生产，国内已经有众多企业具备24 L以下超临界萃取装置的生产能力，而且产品也能完全满足客户工艺要求，各个厂家生产的产品基本上都差不多，产品主要用于中试及小批量生产。24 L以上超临界萃取装置在国内只有为数不多的几家企业能够设计制造，由于是高压容器，生产厂家必须具备三类压力容器制造资质，所以国内许多企业只是设计和组装，高压容器类主要是靠外协。目前国内生产工业化超临界萃取装置的企业有温州市中制药机械设备厂、贵州乌江机电设备有限公司、广州美晨高新分离技术有限公司等。

2    超声波萃取技术及装备

2.1    超声波萃取技术简介

　　超声波是一种高频机械波。超声技术是以物理、机械振动、电子、材料等学科为基础的高新技术之一，它是以超声能量使物体或物性某些状态发生变化的应用技术。在国民经济建设中它对提高产品质量、降低生产成本、防止环境污染、提高生产效率等具有特殊的潜在能力。将超声振动应用在中草药提取生产中，是国内近几年发展起来的一项新技术。

　　超声波萃取理论依据：根据超声具有空化、粉碎、搅拌等特殊作用，超声波在液体介质中传播产生特殊的“空化效应”，“空化效应”不断产生无数内部压力达到上千个大气压的微气穴，并不断“爆破”产生微观上的强大冲击波作用在中药材上，对植物药材的细胞有破坏现象，使溶媒渗透到药材的细胞中，以便使药材中的化学成分溶于溶媒之中，通过分离、提纯获得所需的化学成分，加速植物有效成分的浸出提取。

　　国内大量实验表明，超声波提取可以缩短时间，提高有效成分的提出率，适用于中药材有效成份的萃取，可以改变传统的中药制药萃取工艺。与水煮、醇沉工艺相比，超声波萃取具有如下突出特点：

    （1）萃取温度低。一般在40～50 ℃水温下进行超声波强化萃取，不会破坏中药材中某些具有热不稳定、易水解或氧化特性的有效成分；

    （2）常压萃取，安全性好，操作简单易行，维护保养方便；

    （3）萃取效率高。超声波强化萃取30～50 min即可获最佳提取率，萃取时间仅为水煮、醇沉法的1/4或更少。萃取充分，萃取量是传统方法的2倍以上；

    （4）适用范围广。绝大多数的各类中药材成分均可采用超声萃取，超声波萃取与溶剂和目标萃取物的性质（如极性）关系不大。因此，可供选择的萃取溶剂种类多、目标萃取物范围广泛；

    （5）减少能耗。由于超声萃取无需加热或加热温度低，萃取时间短，因此能耗大大降低；

    （6）药材原料处理量大，可以提高数倍，且杂质少，有效成分易于分离、纯化；

　　（7）萃取工艺成本低，综合经济效益显著。

2.2    超声波萃取技术及装备的应用

　　目前，超声波中药萃取装置主要有以下3种形式：

    （1）采用多边形换能器，超声波振子焊接在换能器内，超声波从换能器内沿径向四周发射；

    （2）圆棒式新型径向超声换能器，超声波可以沿360°方向发射；

    （3）采用连续螺旋输送式超声萃取机组，超声波振子固定在萃取器的外壁，由外向内发射，可以实现连续自动萃取生产。

　　上述3种方式中，（1）、（2）都是将超声波换能器沿提取罐轴线置于罐体内，只能是间歇式生产，（3）是一种全新的连续式萃取装置，可以实现逆流或顺流自动提取，自动进料、自动排渣、自动过滤，是一种值得研究和推广的方式。

　　目前，超声波萃取技术已经应用于金银花、茶多酚、枸杞等中药的萃取生产。
　　
3    微波萃取技术及装备

3.1    微波萃取技术简介

　　微波能是一种能量形式，它在传输过程中能对许多由极性分子组成的物质产生作用，微波电磁场使物质的分子产生瞬时极化。当用频率为2 450 MHz的微波能作萃取时，溶质或溶剂的分子并以24.5亿次/s的速度做极性变换运动，从而产生分子之间的相互摩擦、碰撞，促进分子活性部分（极性部分）更好地接触和反应，同时迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出来并扩散到溶剂中。

　　微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质，到达物料的内部纤维管束和腺胞系统。由于吸收微波能，细胞内部温度迅速上升，使其细胞内部压力超过细胞壁膨胀承受能力，细胞破裂。细胞内有效成分自由流出，在较低的温度条件下被取介质捕获并溶解。通过进一步过滤和分离，便获得提取物料。

　　微波辅助萃取技术主要是依赖微波加热的特性来实现物质的提取或分离。微波辅助提取的研究表明，微波辐射诱导萃取技术具有选择性高、操作时间短、溶剂耗量少、有效成分得率高的特点，已被应用于环保方面有机污染物的提取、中药及天然化合物的生物活性成分提取等方面。微波加热属内部加热，经过微波辐射后能富集药材中的有效成分。与常规提取工艺相比具有如下特点：

　　（1）传统热萃取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行，而微波辅助提取是里、外同时加热。没有高温热源，消除了热梯度，从而使提取质量大大提高，有效地保护中药材中的有效成分；

　　（2）由于微波可以穿透式加热，提取的时间大大节省；

　　（3）微波能有超常的提取能力，同样的原料用常规方法需二、三次提净，在微波场下可一次性提净，大大简化工艺流程；

　　（4）微波提取没有热惯性，易控制，所有参数均可数据化，和制药现代化水平接轨；

　　（5）微波提取物纯度高，可水提、醇提、脂提，适用广泛；

　　（6）溶剂用量少（可较常规方法少50%～90%）。

3.2    微波萃取技术及装备的应用

　　目前在我国中药制药领域，微波萃取已经被用于一些中草药的浸取生产之中，如葛根、苷类、银杏等。这种新的提取技术无论是萃取速度、萃取效率还是萃取质量均比常规生产工艺更有优势。

　　微波萃取技术虽然具有上述诸多优点，但是在中药萃取批量生产中应用还不是很多，主要还是进行小试及中试方面的研究，实验室内已经获得大量成果，证实了中药微波萃取技术有较高的实用价值。

　　微波萃取设备主要有以下几种结构：

　　（1）管道式微波萃取设备：主要由微波源、微波作用腔、输送管道及储料罐组成；

　　（2）罐式微波萃取设备：主要由罐体、微波作用腔、搅拌器、加料口、加液口、微波源、出料口及出液口组成。

　　国内大专院校、研究机构大多采用的是第（2）类微波萃取设备。
 
4    三种先进萃取技术在中药应用的比较

　　超临界CO2萃取、超声波萃取、微波萃取技术与常规中药萃取工艺相比，都具有显著的优越性能。

4.1    超临界CO2萃取技术的比较

　　超临界CO2萃取方法与传统提取方法相比，最大的优点是可以在近常温的条件下提取分离，可以准确地萃取出所需的有效组分，几乎保留产品中全部有效成分，无有机溶剂残留，产品纯度非常高，操作简单、速度快、节能，各项工艺参数易于控制。由于萃取温度低，且系统密闭，可大量保存对热不稳定及易氧化的挥发性成分， 为中药挥发性成分的提取分离提供了目前最先进的方法。用超临界CO2萃取法可以从许多种植物中提取其有效成分，而这些成分过去用化学方法是提取不出来的。超临界CO2萃取装置可以实现PLC自动控制，对温度、压力等工艺参数进行自动控制，实现自动化生产。这项技术的推广应用一定会加速中药现化化进程，具有广阔的发展前景。

　　超临界CO2萃取工艺对生产设备的工艺要求较高，一次性投资较大。但是，该工艺在中药萃取方面的高选择性、高收率、低毒害是其它所有萃取方法不能比拟的，因而超临界CO2萃取技术成为各种先进中药萃取技术的首选。

4.2    超声波萃取技术的比较

　　超声波萃取技术具有设备简单、操作方便、投资少等优点。与常规提取法相比，提取时间短，生产率高，无需加热。它主要是利用机械波的“空化作用”进行萃取生产，可以实现连续自动萃取生产，因而得到一定应用。但是，超声波萃取技术在装置放大方面有待于进一步研究，以形成一定的数据模型，从而进一步推广应用。

　　虽然超声波萃取技术与常规中药萃取生产相比具有诸多优点，但是目前在国内超声波萃取技术应用于中药萃取批量生产的还不多。超声波超声作用的时间和强度需要一系列实验来确定，而且放大也存在许多问题。有的中药材在采用超声波强化萃取出有效成分的同时，也会将不需要的或者有害的成分萃取出来。同时，由于超声波发生器工作噪音比较大，需要注意防护，因此在工业应用方面存在一定的局限性。

4.3    微波萃取技术的比较

　　微波萃取技术是利用微波对中药材内外同时进行热辐射而达到萃取出有效组分的目的，具有萃取温度低、萃取效率高、工艺简单、设备投资少等特点。微波萃取技术推广应用的一个焦点便是微波萃取设备的微波泄漏可能对人体产生的危害。目前，专业工业微波机械设备生产厂家出厂的微波泄漏标准按照国家规定控制在1 mW/cm2以下，不论管道式或者罐式微波萃取设备，封闭性均较强，均能够达到微波泄漏标准要求。

　　微波萃取技术的缺点是实现自动化生产比较困难，不能与其它仪器实行在线联机，微波萃取装置设计方面还有待于进一步研究探讨。同时，微波萃取技术及装置还少有应用于中药萃取大批量生产的报道。

5    结论

　　本文介绍了超临界流体萃取、超声波萃取、微波萃取技术及装备应用于中药萃取生产的情况，分析了上述3种萃取技术的适用范围及应用前景。通过分析可得出这样一个结论：超临界CO2萃取技术成为各种先进中药萃取技术的首选。