天然药物有效成分的微波连续提取技术
东南医药生物工程技术研究所 郭维图
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轻工机械 福平
摘 要 ：天然药物有效成分提取长期以来一直采用水（醇）热回流提取和醇（水）沉，这种方法提取率低。为了加快中药提取的现代化进程，应用科技前沿技术，如超临界、超声波、微波浸提辅助技术及大孔径树脂、膜分离技术以及冷冻、喷雾和微波干燥相配套，组成一条技术先进又符合国情的生产线，这不啻是极为明智的选择。当前，中央把节约能源、降低消耗、减少污染立为基本国策；国家中医药局提出“中药新产品开发以高效、优质、安全、稳定为目标。”同时指出：“中药工业生产工艺和工程化技术落后，缺乏标准化的专用制药工业装备.”本文着重介绍一种在植物提取物研究、生产中应用的微波连续提取装置。通过22个产品其中单方14个反复8个近300次试验证实，采用微波连续提取工艺不但可以节能、降耗、减排，还可以使中药提取物生产实现自动化、连续化，同时使提取率和有效组分含量大幅度得到提高，进而使中药实现规模化、产业化。这是我们克服重重困难，身体力行执行中央指示和国家中医药局提出的中医药发展战略目标所获得的成果，以此向国庆60周年献礼。
关 键 词 天然药物 中药 提取 有效成分 传统提取 微波提取 微波功率 间歇 连续 节能 减排 降耗 新技术 装备 规模化 产业化 现代化 经济效益
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Abstract Extracting effective ingredients of natural drugs always uses heat
reflux extraction and alcohol-precipitation, these traditional extraction are inefficient. In order to accelerate Chinese tradition medicine extraction realizing modernization , it is a wise choice that uses the frontier science and technology composing of a production line which is advanced technological and in consonant with the situation of country, such as supercritical, ultrasonic, microwave extractioon assistive technology combined with large aperture Eastotac and membrane separation technique, refrigeration, spray and microwave drying. The central government put energy saving, lower consumption and pollution reduction as basic national policy. National bureau of TCM propose that ‘ New Chinese traditional medicine product development should take high efficiency, excellent quality, safty and steady as target’. At the same time, National bureau of TCM also point out that ‘ Chinese traditional medicine manufacturing technique is backward, and lack of standardized dedicated pharmaceuticals industry devices’. This article introduces a set of microwave extraction device used in plant extracts research and production. We used 22 kinds of medicine which contain 14 single and 8 compound medicine, for 300 times experiments to to verify that using microwave ectraction continuous production not only can realize energy saving, lower consumption and pollution reduction, but also can make extracting process realize automation and serialization. At the same time it can greadly improve the extraction efficiency and active principle content, and then bring about Chinese traditional medicine scale and industrialization. This is the achievements that we overcome numerous difficulties an practise the central govement directives and National bureau of TCM medicine development strategic objective. For this reason, we present it as present of National Day's 60th anniversary.
Key words natural drugs, chinese traditional medicine, extraction, active
ingredients, traditional extraction, microwave extraction, microwave power, interval, continuous, energy-saving, emission reduction, consumption reduction, new technique, equipment, scale, industrialization, modernization, economic benefit.
由于化学合成药的毒副作用，医源性、药源性疾病逐渐增多，其新产品研制成本越来越高，医疗费用成为患者不堪的重负。因此，人们冀望于一类毒性、副作用相对较小的治疗药物取代或部分取代化学药物。于是，人们将目光投向天然药物，实践证明，它具有疗效稳定、安全、毒副作用小及对一些疑难病与慢性病疗效好的显著特点，据统计，全球有70%的人接受过中医药治疗或保健。全球天然药物的销售量每年以20%速度增长。 世界各民族在与疾病斗争和预防疾病、营养保健中积累应用天然药物的宝贵经验，纵观中华民族悠久的发展历史，追溯祖国医药学的前进步伐，中医药作为中华民族优秀文化的灿烂结晶，我们的先辈如仲景、华佗、时珍、思邈…他们为民族的昌盛和人类的文明作出了不可磨灭的贡献。近代，为了确定天然药物的确切疗效，科学工作者通过对植物所含成分进行分析，确认其有效成分、无效成分和有害成分，然后采用提取、分离和纯化等科学手段吸其精华弃其糟粕让它为人类的健康服务。随着科学技术的发展，必将进一步推动中药制药工业的进步，在保持中药传统特色和优势的基础上，实现中药现代化是必然的趋势。在加强基础研究和应用研究时应该吸取综合相关学科的理论与实践，充分应用新技术、新方法、新工艺、新设备、新材料、新辅料，从整体上提高中药制药技术水平和产品技术含量，以此作为中药现代化的可靠技术保障。
天然药物几乎都是以植物（俗称中草药）为原料，植物有效成分的分离分析研究是当今研究的热点，由于新技术方法的不断出现和应用，植物活性成分的提取、分离、纯化工作逐步从长周期、低效率、低收率、低含量向短周期、高效率、高收率和高质量方向发展，活性成分的分析测定也更加迅速、微量和准确。中药制剂或保健品、食品添加剂质量好坏、成本的高低取决于提取物活性成分含量的多少、提取率高低。提取物目标成分高、纯度高意味着用药剂量少、疗效高、疗程短，不但可以降低产品成本，而且可以降低居高不下的药费，减轻患者的经济负担。因此，如何提高提取率？怎样增加目标成分的含量和提高纯度？寻找降低产品成本途径成为目前提取物生产和项目研究的重要课题。同时，如何将科研成果转化为生产力，将其成果产业化，这是工艺与装备研究者的急切愿望。
1.目标组分提取的沿革 我国古代医药极为丰富，古书就有“神农尝百草，始有医药”的记载。公元前2140年发现酿酒法及其作用，在商代（公元前1766年）创用汤剂，《经》中已有汤、丸、散、膏、药酒等记载，后汉仲景（公元142～219年）著述中有栓、洗、软膏、浸膏、糖浆和丸剂的论述。公元十六世纪前，我国收载近40个药物剂型，除现代剂型
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中的注射剂与片剂外几乎都有。希腊药学家格林（Galen，公元129～199）认为 ：“植物中有我们需要的成分，但也有无效物质，必须加以分离才能更好地发挥它的效能。”按照他
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的指导思想，我们从植物中提取所需要的物质。因此,提高了用药质量，也促进药剂学的发展。为纪念他人们将浸出制剂如醋剂、酊剂、浸膏剂、油浸剂及乳剂、合剂、溶液剂、软膏剂均称为格林制剂。近代，科学技术发展很快，西方一直在科技发展的前沿，而我国，由于种种历史因素的困挠，直至上世纪80年代才步入经济技术发展的轨道。在此以前，中药仍然停留在丸、散、膏、丹、汤传统剂型上，生产仍然停留在用刀切、大锅熬、石磨推、草纸包的落后工艺，因此，产品外观呈现的是大、黑、粗的形貌。这种令人尴尬的产品质量，主要是提取、浓缩、纯化工艺落后所致，因此，必须采用先进技术，方可有中药产品的未来，才不至于把老祖宗遗留的宝贵遗产挥霍歹尽。应该看到，近25年来，中药提取虽然由多功能提取、多效浓缩、醇（水）沉等近代生产工艺取代大锅熬的传统工艺，产品质量有所改观。但这种技术仍然是能耗高、物耗大、排放多的落后技术。科学技术部等16部委制定的国家
中医药创新发展规划纲要提出“中药新产品开发以高效、优质、安全、稳定的‘三效’（高效、速效、长效）、‘三小’（剂量小、毒性小、副作用小）、‘三方便’（储存、携带、服用方便）为目标。”同时指出：“中药工业生产工艺和工程化技术落后，缺乏标准化的专用制药工业装备.” 中药工业生产工艺和工程化技术落后尤其体现在中药提取物的生产上,中药提取生产线由提取、浓缩（纯化）收膏、干燥组成。常用的提取方法有浸渍法、渗漉法、加热回流法和煎煮法。传统的浓缩方法是直接过滤然后沉降分去沉淀物，清液直接送入加热器浓缩。目前，采用三效或双效浓缩器者居多，三效浓缩器第1效加热温度为95℃、第2效加热温度为85℃，双效浓缩器则第1效加热温度为85℃、第2效加热温度为75℃，此温度为敏感温度，热敏性有效成分易大量被分解，这容易造成收率大大降低。此方法由于过滤不彻底，固形物易粘附于加热管壁，不但造成结垢导致传热速度减慢浪费能源，而且垢层炭化造成浓缩液污染。现在不论采用三效或双效浓缩器，都是在真空状态下进行，而且第三效或第二效后蒸出水蒸汽还须冷凝、冷却，增加能源消耗。按照能耗统计，蒸出1T水需要消耗1.2T蒸汽,冷凝并冷却1T水蒸汽及其凝水需要消耗3～4T冷却水,由此可见其能耗相当可观,尤其
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CME工艺提取所加水量为MAE工艺的1.5～2.5倍,能源消耗就更加突出。尽管浓缩已经改为真空减压蒸发，但由于蒸发量大、加热时间长、能耗高，被分解的热敏性成分大量增加。因此，有些对新技术兴趣浓厚的企业采用超滤法用于浓缩，由于不加热，不存在相变，经实践证明可取得热敏性成分分解大大减少、浓缩时间大大缩短、能源消耗大大降低的可喜效果。
中药分离精制方法有水提醇沉法、醇提水沉法、酸碱法（调pH值法）、离子交换法等。尤其醇（水）沉更为普遍，它主要是利用提取液中各种杂质在不同浓度的醇中的不同溶解度来加以分离，达到纯化的目的。但采用醇沉工艺进行分离除杂时有效成分损失25﹪～75﹪，有效成分不能最大限度保留。不能有效地减少服用剂量，口感差 ，疗效相应也会下降，生产过程中还需要消耗大量的乙醇，导致能耗较高。而且，其它蛋白质分子、生物碱和多糖形成分子间氢键，生成不溶于水的沉淀物；鞣质的酚羟基还会与大多数重金属离子发生络合反应，使高价金属离子还原成低价态，并形成沉淀，使药液浑浊。所以必须将口服液中所含的
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鞣质去除。传统的提取分离工艺存在的弊端，首先，提取围广、选择性差易浸出大量杂质给后续工序带来很大困难。其次，具有主要疗效的成分容易流失、有效成分容易分解，因此提取转移率低。总之，路线长，操作繁杂，有效成分损失大。目前传统提取方法(CEM)能源消耗大（中药制剂产品75%的能耗集中在提取物生产过程，此过程70%能耗又集中在提取工序）、药材损耗多、溶媒用量大、有效成分转移率低（药渣中残存＞30%的有效组分被丢弃）、提取物质量差、生产环境不良、操作不方便、劳动强度大、劳动生产率低、生产周期长、设
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备利用率低、产品成本高等因素严重困挠着中药工业现代化进程。这也是我国在国际市场缺乏竞争力的重要原因。那么出路在何方？
2采用先进工艺技术是提取物生产现代化的必由之路 提取从广义上讲包括提取（浸提）、浓缩、分离纯化、收膏、干燥等工序，关键工序提取和纯化，为了获得提取率高、纯度高目标组分的提取物，科研单位纷纷开展产品的课题研究，其重点放在提取与分离纯化上。 2．1提取（浸提）工艺
目前在提取（浸提）方面有半仿生提取法（简称SBE法）、生物酶解技术、破碎提取技术、超临界流体萃取技术（简称SFE法）、超声波辅助提取技术、微波辅助提取技术等。
半仿生提取法 是将整体药物研究法与分子药物研究法相结合，从生物药剂学角度，模拟
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口服给药及药物经肠胃道运转的原理，为经消化道给药的中药制剂设计的新提取工艺。 生物酶解技术 因植物中富含果胶、淀粉、蛋白质等采用适当的酶法予以分解除去。
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破碎提取技术 通过对植物材料在适当的溶剂中，充分破碎而达到提取的目的 超临界流体萃取技术 一种流体（气体或液体），当其温度和压力均超过其相应临界点值，
则称该状态下的流体为超临界流体，它的密度接近于液体，它具有与液体溶剂相当的萃取能力。扩散系数界于气态和液态之间，其黏度也接近于气体，其传质速率远大于处于液态下的
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溶剂萃取速率。超临界法适用于从单一植物的热敏性化合物中的异构体不同的沸距，提取纯度高的单一组分，它不适用于复方多种成分的提取。
超声波辅助提取 超声波是频率高于20kHz，并不引起听觉的弹性波。普遍认为其空化效应、热效应和机械效应是超声波技术在中药提取中的三论依据。超声波提取就是利用超声波具有的机械效应、空化效应及热效应，通过增大介质分子的运动速度，增大介质的穿透力以
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提取中药有效成分的方法。影响中药超声提取的因素有超声参数和溶剂的选择，尤其是超声参数如超声波频率、超声波强度、超声时间和溶剂浸渍时间等的选择尤为重要。
微波辅助提取 它是建立在CME的基本理论基础上,利用微波(频率:2450MHz.波长12.2CM的连续波)在传输过程中遇到不同的物质其不同性质产生反射、穿透、吸收的差异现象。不
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同物质的介电常数、比热容、形状及含水量不同，将导致各种物质吸收微波能的能力不同。 以上的生物酶解、超声波辅助提取、微波辅助提取等技术都市利用细胞破壁来达到提取目的，他们都有各自的应用围，超临界适用与高纯度高附加值的产品，不适用于复方提取。它要求条件比较苛刻。破碎提取由于细胞完全被粉碎，因此杂质多，后处理难度大。生物酶解适用于含果胶、淀粉、蛋白质等的药材。超声波相应比较噪音大、能耗较高，相对比较微波应用围较广、能耗较低，有更大的推广价值。 2．2分离与纯化
浸泡提取后需要将药渣与提取液进行固液分离，此乃是将机械杂质滤除，其次，还需要尽可能将无益及有害物质（组分）分离，以提高目标成分的纯度，醇（水）沉是常用的经典方法，此工艺一是有机溶剂用量大、成本高，其次，有效成分损失严重、收率低。为克服此弊端，有必要采用新的分离纯化方法。那么，目前用于分离纯化有那些新的手段？
以吸附澄清剂代替醇沉：中药水提液中杂质含有淀粉、蛋白质、黏液质、鞣质、色素、树胶、无机盐等，由于吸附剂存在巨大的界面能，易聚集，聚集后质点的大小超出胶体分散体
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系的围，使质点本身的布朗运动不足以克服重力作用，从而分散介质中析出沉淀。 常用吸附澄清剂有：碳酸钙、明矾、硅藻土、高岭土、101果汁澄清剂、甲壳素类吸附澄清剂及ZTC系列天然澄清剂。
在中药粗提物的分离纯化工艺中使用的吸附剂有活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛、凝胶聚酰胺、交联聚维酮、大孔树脂等。
大孔树脂吸附分离技术是采用特殊的高聚合的有机化合物作为吸附剂，选择性地吸附中药中的有效成分或主要成分，去除了一些无用成分或其他成分，达到使中药制剂的剂量大大减少的目的。大孔树脂吸附分离技术运用于单一药材某种成分的吸附分离有许多研究，也是目前较好的方法。运用大孔树脂吸附分离技术要进行树脂种类的选择、树脂的前处理、再生条件、吸附与解吸的分析、残留物的检查、成分分析等工作。
指纹图谱技术 无论是现代中药制剂，还是传统制剂，指纹图谱技术无疑是一项有效的控制和监测的技术。指纹图谱技术是利用光谱或色谱技术，如薄层色谱、高效液相色谱、气相色谱、毛细管电泳，并与二极管阵列检测器、质谱联用，获得组分群体的特征图谱或图象。通过计算机与数据处理获得特征数据，从而对药物质量进行判断。指纹图谱技术为成分复杂的中药监控质量提供了一个有效的方法，它也适应传统中医药理论的需要，对传统中药制剂的质量监控有积极地促进作用。目前国际上这一技术已趋于流行，并应用于植物药研究或控制产品质量中。
膜分离技术是现代分离领域最先进的技术之一。膜技术包括使用超滤膜、微孔滤膜、半透膜、反渗透等，其作用是可以富集药材中的有效成分，去除杂质。中药的有效成分如生物碱、黄酮类、苷类等分子量较小，无效成分分子量较大，结构复杂，通过选择适宜分子量截留值
的超滤膜，可达到保留有效成分，去除无效成分。发展成熟的技术有反渗透、纳滤、超滤、微滤、透析、电渗析、渗透蒸发、液膜、膜萃取、膜蒸馏等。
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【原理】膜过滤技术是一类以压力差为推动力，使混合物溶液中的某些分子量较小的组分透过膜孔，而另一些分子量较大的组分被截留下来的膜分离技术。透过和截留的物质的大小与膜的孔径有关。一般根据膜的孔径将膜过滤分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)等。微滤膜的孔径围在50nm到10 nm左右，可用来分离溶液中的细小的固体悬浮颗粒、细菌等，特别适用于从一些高分子的蛋白质、多糖产品中去除不溶物和细菌；超滤膜的孔径围在5 nm到0.1nm左右，可用来将蛋白质、多糖等生物大分子与生物碱、多肽、激素等分子量较小的生物活性物质分离；而纳滤膜的平均孔径在0.9 nm到9 nm左右，无机盐、糖类、氨基酸等小分子也可以被截留，可用于对热和有机溶剂特别敏感的生物小分子活性物质的浓缩。
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【膜分离技术的特点】 （1）选择围广，适用性强已有广泛的应用如反渗透、纳滤、超滤、微滤、渗透蒸发、液膜、
膜萃取、膜蒸馏等，为适用于各种中药生产的需求，提供了广阔的选择空间。 （2）富积产物或滤除杂质效率高 可根据药效物质或杂质分子量的分布情况，有目的地选择一定孔径围的滤膜，一次或两次即可完成药效成分的富集，同时完成杂质的去除，其过程简单，操作方便。因此，分离效率高。 （3）无需加热浓缩，药效成分不被破坏 根据不同分子量大小选择不同孔径的滤膜，如先用超滤膜截留大分子物质，分出溶液和中小分子物质，再通过反渗透膜除盐，达到富集药物有效组分的目的，起到膜分离的浓缩作用和纯化作用。该技术不需要加热。因此，能耗低，药效成分被破坏的可能性小。
（4）其他优点类似于超临界萃取和大孔树脂吸附分离技术。但超临界需超低温、超高压；而树脂吸附、解吸，需用大量酸硷，不利环保。膜分离则在常温、操作压力不高的条件下工作。 以上新技术只作概念性的一般介绍，本文着重推荐具有节能、减排、降耗、突出经济效益的微波辅助提取（MAE）技术。
微波辅助提取（MAE）是建立在传统中药提取（CME）的基本理论基础上,利用微波(频率:2450MHz.波长12.2CM的连续波)在传输过程中遇到不同的物质其不同性质产生反射、穿透、吸收的差异现象及不同物质的介电常数、比热容、形状及含水量不同，将导致各种物质
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吸收微波能的能力不同来得到有选择性的提取物。它具有提取周期短、温度低、溶剂用量少、提取率高、纯度高、生产成本低等优点。
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微波技术在中药研究应用方面主要涉及到提取、干燥及炮制三方面。1微波技术在植物目标组分提取中的应用
1.1微波协助提取技术(MAE)的基本原理:极性分子接受微波辐射能量后，通过分子偶极以每秒24.5亿次频率旋转碰撞而迅速生成大量的热能产生热效应。其加热过程对被提取物是外同时加热，其速度快无热损耗，从而大大提高提取速率，又大幅度降低提取温度，使提取的目标成分的生物活性得到充分保护。它的另一个特点是萃取时微波透过透明的萃取剂到达植物部，因其维管束和腺胞系统含水量高，故吸收微波快而升温，使细胞压增大。当压超过细胞壁承受能力时，细胞壁破裂，其部的有效成分自由流出，进入萃取剂而被溶解，去渣存液达到提取目的。而传统提取加热是热传递时物料外温差大，细胞温度上升慢，目标产物的溶解及扩散速度慢，造成整个提取速度减慢。因在浸提过程中溶剂进入植物细胞部要经历液泡和细胞器的膜透过，细胞浆中的目标组分的扩散也要透过细胞壁和细胞膜等复杂的传质过程，故有效成分浸出慢。
1.2微波的重要特性(9)：
【微波的穿透特性】它具有良好的穿透能力，快速进人分子部而产生大量热量，导致植物细
天然药物有效成分的微波连续提取技术
