突破工艺“瓶颈” 改善提取效果——循环超声提取技术应用潜力凸显
我国的中药提取技术水平与世界先进的天然药物提取水平差距很大。因此，研究开发适宜于工业化应用的中药提取新技术、新设备，对于提高我国中药提取技术水平和产品质量，增强产品在国际市场上的竞争力，具有非常重要的意义。近来，由中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室与北京弘祥隆生物技术开发有限公司合作开发的新型循环超声提取技术及设备，在北京同仁堂科技有限公司、北京大学药学院中药现代化研究中心等十几家企业和研究机构投入使用。这一获得多项自主知识产权的提取技术，是科研人员针对我国目前超声提取技术存在的工艺放大的难题，在国家“863”和“九·五”攻关项目的支持下，采用生化工程原理和技术研究开发的。该自主创新成果为超声提取技术在中药大规模生产中的应用奠定了基础。
■提取技术亟待改进和创新
在发达国家，天然药物从投料开始，整个操作在连续封闭的环境下进行，自动化程度高，粉碎后的药材定时被投入提取设备，提取液连续从提取罐中排出，药液和药渣均在封闭的管道中运行，保持了环境的清洁，提高了药材资源的利用率。由于自动出渣离心机分离效率高，整个生产过程采用计算机控制，避免了由于人为因素造成的产品质量不稳定的情况。
然而，与国外天然药物的提取技术水平相比，我国的中药提取水平差距很大。虽然目前已有一些新的提取技术应用于中药的生产，但仍存在一定的局限性。例如超临界流体萃取技术(一般常用超临界CO2萃取技术)虽然具有一定的分离功能，可在接近室温下萃取，但其较适用于亲脂性、分子量较小物质的萃取，对于极性大、分子量太大的物质(如苷类、多糖类)的提取，则需要使用夹带剂，并且要在很高的压力下进行，给工业化生产带来一定的难度。
又如超声提取技术，虽然其在实验室小量样品制备中效果很好并且已经得到广泛应用(特别是在分析样品的处理中)，其快速、高效的特点已被广泛认同，但是，在一些大规模提取中尚未得到推广。“瓶颈”在于缺乏有效的工艺放大手段和方法。超声场的范围和强度限制了每次处理的物料量。因此，在采用超声波提取中药的进一步研究中，需要对其作用机理和动力学模型进行深入探讨，以便建立一套较为通用的模式，为不同提取对象的操作条件提供依据；同时，还应注重有关工艺问题的研究，以便有效地解决超声提取的工艺放大难题。
■循环超声提取突破“放大”瓶颈
近年来，针对超声提取过程中存在的工艺放大的难题，中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室的研究人员，以褐藻硫酸酯多糖和青蒿素等为研究对象，系统地研究了各种超声提取过程的特点，并与北京弘祥隆生物技术开发有限公司合作，进行新型超声提取设备的研究开发。
科研人员研发的循环超声提取技术是基于生化工程理论和方法，采用“模拟移动”理论，通过液-固体系的充分混合、流动设计等，使物料颗粒“提取机会相同”，从而大幅度提高超声场的利用率，解决局部过度超声处理和超声波在介质中的快速衰减问题，使提取时间更短、提取率更高。同时，该技术解决了静止物料超声提取作用范围有限、提取原料有限的问题。通过采用循环技术和对超声场的合理设计，可显著增加超声场的物料处理能力，使小功率超声场能够处理大量物料。在保证物料循环流动的前提下，可使超声场处理的物料量不受限制，解决了超声提取的工艺放大难题，从而大大拓宽了超声提取的应用范围。研究表明，循环超声提取设备不但适用于陆地、海洋多种天然产物的提取，而且还可以用于超声分散、乳液制备、缓释药物超微胶囊和纳米胶囊等的制备，应用范围涉及药品、保健品、化妆品、食品及农产品深加工等多个领域。
■优化部分中药提取工艺
据科研人员介绍，中药有С煞职ǘ嗵抢唷⒒仆唷⑤评唷㈢尢謇唷⑸?br>碱及酚性成分等，其提取方法各不相同。且相同设备在不同的工艺条件下，提取结果可能相差较大。因此，需要在不同的工艺条件下，针对不同的提取原料和提取物进行工艺优化。
目前，循环超声提取技术和装置已经成功地用于数十种中药材原料的提取，获得了较理想的提取效果。如青蒿素的传统提取方法是在50℃以下采用有机溶剂冷浸或搅拌提取，提取率为60%左右，提取时间为24~48小时；改用HF-2B型循环超声提取设备提取青蒿素，青蒿素提取率达到90%以上，提取时间缩短为20分钟，有机溶剂回收率达到90%，较常规提取方法有显著提高。银杏黄酮的常规提取方法为水煮4小时，提取率为56.5%；而在室温下，用HF-2B型设备提取10分钟，提取率达到82.6%，提取30分钟，提取率提高到88.3%，在40℃下，用HF-50G型设备提取30分钟，提取率可达91.6%。从蜂胶中提取黄酮时，常规浸提48小时，提取率达36%；而用HF-2B型设备于室温下提取30分钟，提取率达41.8%。对肉苁蓉用水提取甜菜碱时，用HF-2B型设备提取20分钟与常规浸提24小时和100℃下回流提取6小时，所获得的甜菜碱提取率相当。
■节能环保降本增效
据研发人员介绍，在循环超声提取技术基础上研发出的高效循环超声提取装置，可同时进行间歇提取和多级连续提取。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。其提取效率是常规提取的几倍到几十倍。提取液和药渣被连续排出，由连接立式自动刮刀离心机进行连续自动分离，可节约大量劳动力和改善车间生产环境。提取温度由100℃可降低到室温(小型设备还可实现低温提取)，从而可最大限度地保持物料中原有的各钟行С煞值幕钚裕?br>特别是各种热敏性成分等，达到提高药效、减少用量的目的。同时，由于提取时间短，提取产品中其它无用的杂组分含量减少，提高了提取物的品质，为后续分离纯化过程奠定了良好的基础，可显著降低单一组分等其它高端产品的生产成本。据统计，同传统方法比较，采用这种设备可节省能耗50%以上，提取成本可降低25%以上。
文/赵兵
■相关链接：
循环超声提取技术采用聚能式超声波，单个聚能式换能器功率达到900~1800瓦，最高可达2800瓦，能满足各种细胞破壁要求；普通超声提取技术采用发散式超声波，单个换能器功率小，一般最多仅为几十瓦，难于满足各种细胞破壁要求。
在提取中，聚能式换能器直接与物料接触，超声波利用率接近100%。所有物料都处于超声场的有效范围，物料为拟均相，接受超声处理机会相等；普通超声提取技术的换能器嵌在管壁、提取罐壁等部位，超声波需要通过器壁再传递到物料，超声场仅分布在管圆周的一定范围之内，超声波利用率低，有的物料无法接受超声波，而有的物料过度接受超声处理。
循环超声与物料之间成逆向或顺向流动，超声场中除了混合物料外，没有其它任何影响流动和超声波作用的部件；普通的管道式设备，物料向上移动要靠螺旋往上推，液体依靠高度差往下流，由于流动相和超声垂直作用的关系，会有部分细料难以达到顶部，造成物料混合均匀度差和过度破碎，而且动力消耗较高。(赵兵)
■提取技术亟待改进和创新
在发达国家，天然药物从投料开始，整个操作在连续封闭的环境下进行，自动化程度高，粉碎后的药材定时被投入提取设备，提取液连续从提取罐中排出，药液和药渣均在封闭的管道中运行，保持了环境的清洁，提高了药材资源的利用率。由于自动出渣离心机分离效率高，整个生产过程采用计算机控制，避免了由于人为因素造成的产品质量不稳定的情况。
然而，与国外天然药物的提取技术水平相比，我国的中药提取水平差距很大。虽然目前已有一些新的提取技术应用于中药的生产，但仍存在一定的局限性。例如超临界流体萃取技术(一般常用超临界CO2萃取技术)虽然具有一定的分离功能，可在接近室温下萃取，但其较适用于亲脂性、分子量较小物质的萃取，对于极性大、分子量太大的物质(如苷类、多糖类)的提取，则需要使用夹带剂，并且要在很高的压力下进行，给工业化生产带来一定的难度。
又如超声提取技术，虽然其在实验室小量样品制备中效果很好并且已经得到广泛应用(特别是在分析样品的处理中)，其快速、高效的特点已被广泛认同，但是，在一些大规模提取中尚未得到推广。“瓶颈”在于缺乏有效的工艺放大手段和方法。超声场的范围和强度限制了每次处理的物料量。因此，在采用超声波提取中药的进一步研究中，需要对其作用机理和动力学模型进行深入探讨，以便建立一套较为通用的模式，为不同提取对象的操作条件提供依据；同时，还应注重有关工艺问题的研究，以便有效地解决超声提取的工艺放大难题。
■循环超声提取突破“放大”瓶颈
近年来，针对超声提取过程中存在的工艺放大的难题，中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室的研究人员，以褐藻硫酸酯多糖和青蒿素等为研究对象，系统地研究了各种超声提取过程的特点，并与北京弘祥隆生物技术开发有限公司合作，进行新型超声提取设备的研究开发。
科研人员研发的循环超声提取技术是基于生化工程理论和方法，采用“模拟移动”理论，通过液-固体系的充分混合、流动设计等，使物料颗粒“提取机会相同”，从而大幅度提高超声场的利用率，解决局部过度超声处理和超声波在介质中的快速衰减问题，使提取时间更短、提取率更高。同时，该技术解决了静止物料超声提取作用范围有限、提取原料有限的问题。通过采用循环技术和对超声场的合理设计，可显著增加超声场的物料处理能力，使小功率超声场能够处理大量物料。在保证物料循环流动的前提下，可使超声场处理的物料量不受限制，解决了超声提取的工艺放大难题，从而大大拓宽了超声提取的应用范围。研究表明，循环超声提取设备不但适用于陆地、海洋多种天然产物的提取，而且还可以用于超声分散、乳液制备、缓释药物超微胶囊和纳米胶囊等的制备，应用范围涉及药品、保健品、化妆品、食品及农产品深加工等多个领域。
■优化部分中药提取工艺
据科研人员介绍，中药有С煞职ǘ嗵抢唷⒒仆唷⑤评唷㈢尢謇唷⑸?br>碱及酚性成分等，其提取方法各不相同。且相同设备在不同的工艺条件下，提取结果可能相差较大。因此，需要在不同的工艺条件下，针对不同的提取原料和提取物进行工艺优化。
目前，循环超声提取技术和装置已经成功地用于数十种中药材原料的提取，获得了较理想的提取效果。如青蒿素的传统提取方法是在50℃以下采用有机溶剂冷浸或搅拌提取，提取率为60%左右，提取时间为24~48小时；改用HF-2B型循环超声提取设备提取青蒿素，青蒿素提取率达到90%以上，提取时间缩短为20分钟，有机溶剂回收率达到90%，较常规提取方法有显著提高。银杏黄酮的常规提取方法为水煮4小时，提取率为56.5%；而在室温下，用HF-2B型设备提取10分钟，提取率达到82.6%，提取30分钟，提取率提高到88.3%，在40℃下，用HF-50G型设备提取30分钟，提取率可达91.6%。从蜂胶中提取黄酮时，常规浸提48小时，提取率达36%；而用HF-2B型设备于室温下提取30分钟，提取率达41.8%。对肉苁蓉用水提取甜菜碱时，用HF-2B型设备提取20分钟与常规浸提24小时和100℃下回流提取6小时，所获得的甜菜碱提取率相当。
■节能环保降本增效
据研发人员介绍，在循环超声提取技术基础上研发出的高效循环超声提取装置，可同时进行间歇提取和多级连续提取。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。其提取效率是常规提取的几倍到几十倍。提取液和药渣被连续排出，由连接立式自动刮刀离心机进行连续自动分离，可节约大量劳动力和改善车间生产环境。提取温度由100℃可降低到室温(小型设备还可实现低温提取)，从而可最大限度地保持物料中原有的各钟行С煞值幕钚裕?br>特别是各种热敏性成分等，达到提高药效、减少用量的目的。同时，由于提取时间短，提取产品中其它无用的杂组分含量减少，提高了提取物的品质，为后续分离纯化过程奠定了良好的基础，可显著降低单一组分等其它高端产品的生产成本。据统计，同传统方法比较，采用这种设备可节省能耗50%以上，提取成本可降低25%以上。
文/赵兵
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循环超声提取技术采用聚能式超声波，单个聚能式换能器功率达到900~1800瓦，最高可达2800瓦，能满足各种细胞破壁要求；普通超声提取技术采用发散式超声波，单个换能器功率小，一般最多仅为几十瓦，难于满足各种细胞破壁要求。
在提取中，聚能式换能器直接与物料接触，超声波利用率接近100%。所有物料都处于超声场的有效范围，物料为拟均相，接受超声处理机会相等；普通超声提取技术的换能器嵌在管壁、提取罐壁等部位，超声波需要通过器壁再传递到物料，超声场仅分布在管圆周的一定范围之内，超声波利用率低，有的物料无法接受超声波，而有的物料过度接受超声处理。
循环超声与物料之间成逆向或顺向流动，超声场中除了混合物料外，没有其它任何影响流动和超声波作用的部件；普通的管道式设备，物料向上移动要靠螺旋往上推，液体依靠高度差往下流，由于流动相和超声垂直作用的关系，会有部分细料难以达到顶部，造成物料混合均匀度差和过度破碎，而且动力消耗较高。(赵兵)