超滤技术在中药制药研究与生产中的应用
科学技术的发展给中医中药的进步带来了良好的机遇。提高中药传统制剂的质量是中药现代化的一重要环节，而提取、分离、精制过程则是中药制药工业现代化的关键环节之一。引进化学、化工、石油、香料和食品工业中的一些实用高效新型的相关技术则是提高中药制剂质量的一个必然和便捷的途径。 膜分离技术已成功用于临床血透、生物制品除热原、药用水处理、海水淡化等方面，研究亦表明，该技术较适宜于替代与实现现有中药制剂过程中的一些工艺环节的特殊要求，有利于提高传统中药制剂的内在和外在质量。 在膜分离技术中，中药制药工业的应用以超滤技术为主。超滤技术可将溶液中的物质按分子量大小进行分离，中药及其复方的有效成分，如生物碱、黄酮类、苷类等分子量均较小（多在1000以内），而无效成分（通常指蛋白、鞣质、树脂、淀粉等）的分子量较大，结构复杂，通过选择适宜分子量截留值的超滤膜，可达到选择性地去除无效成分、保留有效成分的目的，从而减少中药的服用量，增大制选择的灵活性，也可增加中药制剂的稳定性。 本文就超滤在中药制药研究与生产中的应用，结合我单位的研究情况做一简单探讨。 一、超滤的原理 超滤（Ultrafiltration）技术是膜滤法，也有错流过滤（Cross Filtration）之称。它能从周围含有微粒的介质中分离出10～100A的微粒，个尺寸范围内的微粒，通常是指液体内的溶质。其基本原理是在常温下以一定压力和流量，利用不对称微孔结构和半透膜介质，依靠膜两侧的压力差作为推动力，以错流方式进行过滤，使溶剂及小分子物质通过，大分子物质和微粒子如蛋白质、水溶性高聚物、细菌等被滤膜阻留，从而达到分离、分级、纯化、浓缩目的的一种新型膜分离技术。 二、超滤技术的特点 与传统分离方法相比，超滤技术具有以下特点： （一）滤过程是在常温下进行，条件温和无成分破坏，因而特别适宜对热敏感的物质，如药物、酶、果汁等的分离、分级、浓缩与富集。 （二）滤过程不发生相变化，无需加热，能耗低，无需添加化学试剂，无污染，是一种节能环保的分离技术。 （三）超滤技术分离效率高，对稀溶液中的微量成分的回收、低浓度溶液的浓缩均非常有效。 （四）超滤过程仅采用压力作为膜分离的动力，因此分离装置简单、流程短、操作简便、易于控制和维护。 三、影响超滤的因素 （一）压力与流量 超滤过程中只有当工作压力达到一定程度，才能使液料中的小分子透膜分离。工作压力太小时，滤液的产量小，不能满足正常的生产。而工作压力太大时，会增加极化层的厚度，抵消增压的增速效果，同时也会把沉积在膜上的沉积层压实，难以被冲刷，膜孔很快被堵塞，影响超滤效果，此外，每一种超滤膜均有其耐压范围，使用时应在这个范围内进行。 （二）药液的前处理 药液前处理是超滤不可缺少的工序，这一点对于中药特别重要。中药提取液中杂质较多，大小不一，会堵塞膜孔。预处理效果好坏，直接影响超滤膜的污染程度，系统的生产能力以及超滤膜的使用寿命。中药提取液的预处理一般采用高速离心法、微滤法、调PH值、热处理、冷藏法或多种方法组合进行。近年来发展起来的絮凝剂法可去除中药提取液中的蛋白质、鞣质、色素、果胶等有机大分子不稳定物质，也可用于药液超滤的前处理。 （三）药液的温度 温度升高时可部分克服分子间的作用力，降低粘度。同时也影响膜的工作性能，增加通透性。中药提取液中含有大量的蛋白质、鞣质和淀粉等物质，它们极易吸附、沉积在滤膜表面，一般粒液温度应控制在室温范围（20～40℃），这样既便于操作，也不会降低滤出液量。此外，温度过高也会影响超滤膜的寿命。 （四）药液的浓度 药液浓度直接影响滤速。超滤的通量与浓度的对数呈直线关系。一般来讲，随着药液浓度的增高，药液的粘度会升高，超滤时形成极化层的时间会缩短，从而使超滤的速度降低、效率也降低。因此在超滤时应注意控制药液的浓度，多数认为中药液进行超滤时最高浓度不宜超过含生药1g/ml。 （五）超滤膜孔径大小 超滤膜孔径大小的选择应与药液中目标成分的大小相一致。孔径过大，则分离效果不好，杂质含量过高，影响澄明度和稳定性。孔径过小，有效成分通透率较低，损失较大。 （六）洗脱量 洗脱量的多少影响滤液中目标成分的含量。洗脱量太少，则留在浓缩液中的目标成分会较多，损失较大；洗脱量太大时，虽然回收率增加，但有可能需要后处理或使原有的后处理工序时间延长，应注意协调它们之间的关系。 四、超滤技术在中药制药中的应用实例——陈皮提取液超滤工艺的初步研究 （一）超滤膜孔径对陈皮提取液超滤的影响 选用200000、50000、10000和6000共4种分子量截留值的超滤柱对陈皮提取液进行超滤，跨膜压力为0.06MPa，药液流量为400ml/min。以超滤速度（收集1000mi滤出液的时间）、滤出液陈皮苷收率、总固形物收率以及陈皮苷相对含量（陈皮苷收率与总固形物收率的比值）为指标，考察不同分了量截留值对超滤的影响，结果见表1。 表1 不同分子量膜对陈皮苷、总固形的影响 分子量截留值 200000 50000 10000 600 陈皮苷收率（%） 总固开物收率（%） 超滤速度（min） 陈皮苷相对含量（%） 45.48% 70.33 11.90 64.67% 42.68% 58.89% 16.87 72.48% 25.70% 45.01% 17.94 57.10% 8.56% 30.16% 20.02 28.38% 超滤速度、陈皮苷收率和总固形物收率均随着滤膜孔径的减少而明显降低，这表晨滤膜的分子量截留值的变化不但影响超滤的通量，也影响目标成分和其他成分通过滤膜的机率。 陈皮苷收率和总固形物收率的比值也可反映滤出液中陈皮苷的含量变化。采用50000分子量截留值的超滤膜时陈皮苷的相对含量最高，这表明对某一特定成分，超滤膜有一最适孔径，孔径太大时杂制质会增多，孔径太小时又会影响目标成分的收率和超滤速度。 （二）药液浓度对陈皮提取液超滤的影响 选用200000分子量截留值的超滤柱对含有不同生药量的陈皮提取液进行超滤，跨膜压力为0.06MPa，药液流量为400mi/min。以超滤速度（收集1000ml滤出液的时间）、液出液陈皮苷收率和总固形物收率为指标，考察药液浓度对超滤的影响，结果见表2。 表2 药液浓度对陈皮苷、总固形的影响 药液浓度（生药量；体积） 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 陈皮苷收率（%） 总固形物收率（%） 超滤速度（min） 陈皮苷相对含量（%） 55.10% 69.31% 35.61 79.50% 45.93% 57.82% 13.81 79.44% 45.48% 61.45% 11.90 74.02% 21.91% 40.06% 7.01 54.69% 18.14% 49.49% 7.18 36.66% 超滤速度、陈皮苷收率和总固形物收率均随着药液浓度的增加而降低，这表明药液浓度的变化能影响超滤的通量，也影响目标成分和总成分通过滤膜的机率。在三个指标中，超滤速度受到的影响是最明显的，且在药液浓度由1:2至1:1时超滤速度减少最多，这也证明了中药药液超滤时药液浓度不宜超过1:1这一观点。 （三）药液流量对陈皮提取液超滤的影响 选用50000分子量截留值的超滤柱，对陈皮提取液于不同流量下进行超滤，跨膜压力为0.05MPa。以超滤速度（收集1000ml滤出液的时间）、滤出液陈皮苷收率和总固开物收率为指标，考察药液流量对超滤的影响，结果见表3。 表3 药液流量对陈皮苷、总固形的影响 药液流量(ml/min) 200 300 400 500 600 陈皮苷收率（%） 总固形物收率（%） 超滤速度（min） 41.55% 39.40% 110.46 38.19% 38.77% 89.81 35.65% 41.02% 42.48 38.52% 37.69% 91.49 44.41% 36.97% 75.23 超滤速度随着药液流量的变化呈现出不规律的变化，在400ml/min流量时超滤速度最快，高于或低于此流量时超滤速度均减慢。出现这种现象可能与超滤过程中冲刷力和沉积力的关系有关。在固定膜孔径、药液浓度和跨膜压力的情况下，随着药液流量的变化，陈皮苷收率和总固形物收率变化不明显。 （四）跨膜压力对陈皮提取液超滤的影响 选用50000分子量截留值的超滤柱，对陈皮提取液于不同跨膜压力下进行超滤，药液流量为400ml/min。以超滤速度（收集1000ml滤出液的时间）、滤出液陈皮苷收率和总固表物收率为指标，考察跨膜压力对超滤的影响，结果见表4。 表4 跨膜压力对陈皮苷、总固形的影响 跨膜压力（MPa） 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 陈皮苷收率（%） 总固形物收率（%） 超滤速度（min） 40.57% 36.22% 127.07 39.70% 48.96% 67.32 35.65% 41.02% 42.48 39.78% 38.65% 35.18 46.37% 58.06% 25.76 超滤速度随着跨膜压力的升高而出现明显的上升，在实验中的最高压力和最低压力下的超滤速度相关达近5倍。在固定膜孔径、药液浓度和药液充量的情况下，随着跨膜压力的变化，陈皮苷收率和总固形物收率变化较小，特别是压力为0.03～0.06MPa间时不明显，仅在压力为0.07MPa时有轻微的上升。 （五）洗脱体积对成分收率的影响 取100ml陈皮提取液，进行超滤、跨膜压力为0.05MPa，药液流量为6000ml/min。每1000ml滤出液收集一个样，剩余液加水继续超滤，直至收集到第5个1000ml为止。以滤出液中陈皮苷收率及累积收率、总固形物收率及累积收率为指标，考察洗脱体积成分收率的影响，结果见表5。 洗脱体积（ml） 1000 2000 3000 4000 5000 陈皮苷收率（%） 总固形物收率（%） 陈皮苷累积收率（%） 总固形物累积收率（%） 55.10% 69.31% 55.10% 69.31% 16.69% 11.88% 74.79% 81.18% 5.14% 4.82% 79.93% 86.01% 3.65% 0.90% 83.58% 86.91% 1.66% 0.76% 85.24% 87.67% 当等体积洗脱时，陈皮苷和总固形物的收率分别达55.10%和69.31%，当洗脱体积为两倍量时，两者已分别达到74.79%和81.19%，再继续增加洗脱体积收率虽有进一步增加，但均较少，到洗脱体积为五倍量时，两者才分别达到85.24%和87.67%。与两部量洗脱体积相比，陈皮苷和总固表物的收率分别再升高10.45%和16.48%，而滤出液的体积则增加2.5倍。在实际应用中，洗脱体积应综合考虑实际的需要，如有效成分损失的可接受范围是多少，增加的体积是否会引起后续工艺的不便等。 （六）小结 从本实验对陈皮提取液进行的超滤研究结果分析，超滤膜孔径的大小、药液的浓度均会对超滤的速度、效率、目标成分或总成分的收率产生明显的影响；而超滤时的药液流量和跨膜压力主要对超滤过程本身产生影响，即影响超滤的速度和效率，对目标成分或总成分的收率影响较小。 五、在中药制药中应用超滤技术应注意的问题 超滤技术在中药中应用时存在的主要问题是超滤膜污染，这一点在用于中药提取分离时比应用于其他领域显得为明显。超滤膜在使用过程其性能随着时间的增加，膜透过流速会迅速下降，同时对溶质的阻止率也会明显上升，这是由膜的劣比的附生污垢所引起的。中药提取液成分复杂，易出现污染与堵塞，膜的使用寿命相对较短，有必要对超滤膜的再生进行研究。解决办法一方面是加强药液的前处理，另一方面是对适宜中药超滤用膜的清洗方法的研究，最根本的方法是开发适宜中药提取液超滤、耐老化和耐附生污垢的专用膜的研究。 超滤法用于中药制药，应明确截留什么和除去什么，必须着重研究目标成分的截留率，密切注意各种类型膜的技术标准及其适用范围，客观评价其处理速率是否能达到生产所需，只有较好的解决量与速度，才有纳入中药制剂工艺的可能。
