真空膜蒸餾法濃縮黃芩提取液的工藝研究

石飛燕，　李 博，　潘林梅，　郭立瑋

（南京中醫(yī)藥大學(xué)江蘇省植物藥深加工工程研究中心，江蘇　南京　210023）

真空膜蒸餾法濃縮黃芩提取液的工藝研究

石飛燕，李 博，潘林梅*，郭立瑋

（南京中醫(yī)藥大學(xué)江蘇省植物藥深加工工程研究中心，江蘇南京210023）

目的 采用聚偏氟乙烯中空纖維膜，運(yùn)用真空膜蒸餾法濃縮黃芩提取液，研究濃縮過(guò)程中操作參數(shù)對(duì)濃縮效率的影響。方法 采用HPLC法測(cè)定黃芩提取液及膜蒸餾透過(guò)液中指標(biāo)性成分黃芩苷的量，以黃芩苷截留率和膜通量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察進(jìn)料溫度、真空度和料液體積流量對(duì)濃縮效率的影響。結(jié)果 隨著進(jìn)料溫度、真空度及料液體積流量的增大，膜通量明顯增大。在進(jìn)料溫度59℃，真空度94～95 kPa，料液體積流量1.0～1.2 L/min的條件下，黃芩苷截留率可達(dá)100.0%。結(jié)論 真空膜蒸餾法用于黃芩提取液的濃縮工藝控制較簡(jiǎn)捷，效果明顯，具有較好的應(yīng)用前景。

真空膜蒸餾；黃芩；提取液；膜通量；黃芩苷；截留率

中藥制藥全過(guò)程一般包括提取、濃縮、純化、干燥和制劑成型等工序，制藥工藝流程中各關(guān)鍵環(huán)節(jié)質(zhì)控點(diǎn)的精確控制是確保藥品質(zhì)量的基石［1］。中藥水提液傳統(tǒng)的濃縮方法存在著濃縮溫度高易引起熱敏性藥效成分失效，濃縮時(shí)間長(zhǎng)，分離效率低，一步濃縮難以實(shí)現(xiàn)高相對(duì)密度的質(zhì)量要求等問(wèn)題［2-3］。且對(duì)大多數(shù)廠家來(lái)說(shuō)，濃縮工段的蒸汽消耗約占全廠總蒸汽耗量的60%左右甚至更多［4］。與傳統(tǒng)濃縮方法相比，真空膜蒸餾可以減少上述問(wèn)題，具有操作溫度低，操作壓力低于反滲透過(guò)程，蒸發(fā)面積大，截留率高等優(yōu)點(diǎn)［5-7］。

本實(shí)驗(yàn)以黃芩提取液為研究對(duì)象，黃芩為唇形科植物黃芩Scutellaria baicalensis Georgi的干燥根［8］，系常用中藥。性味苦寒，具有清熱燥濕、瀉火解毒、涼血止血、安胎之功效［9-10］?，F(xiàn)代藥理研究表明，其主要活性成分為黃芩苷、黃芩素等黃酮類化合物，具有抗炎、抑菌、利尿、抗變態(tài)反應(yīng)等作用［11］。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用真空膜蒸餾（VMD）技術(shù)，引進(jìn)物化實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法，采用聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維膜，測(cè)定濃縮過(guò)程中的膜通量、黃芩苷截留率等方面的變化，對(duì)真空膜蒸餾濃縮黃芩水提液的操作條件進(jìn)行初步優(yōu)化，為深入探討膜蒸餾濃縮工藝機(jī)理及工業(yè)化放大奠定基礎(chǔ)。

1　儀器與試藥

真空膜蒸餾裝置（自制）；聚偏氟乙烯（PVDF），外徑1.16 mm，內(nèi)徑0.80 mm，孔徑0.16μm，孔隙率80%～82%，天津工業(yè)大學(xué)提供。聚丙烯腈超濾膜（60～80 K），外徑1.3 mm，內(nèi)徑0.9 mm，有效膜面積0.3 m2，天津愛(ài)生膜科技有限公司生產(chǎn)。

Waters 2695高效液相色譜分析儀（2998型紫外檢測(cè)器，Empower工作站，美國(guó)Waters公司）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海亞榮生化儀器廠）；HH數(shù)顯恒溫水浴鍋（江蘇金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠）；加興水泵；SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水真空泵（鞏義市英峪高科儀器廠）；電子天平Sartorius TE4101-L（德國(guó)）；臺(tái)式冷凍離心機(jī)（A11egra 64R，美國(guó)Beckman公司）。

對(duì)照品黃芩苷（純度91.7%，批號(hào)110715-201117，購(gòu)自中國(guó)食品藥品檢定研究院）。甲醇（色譜純，江蘇漢邦科技有限公司）；磷酸（分析純，南京化學(xué)試劑有限公司）；水為娃哈哈純凈水。黃芩購(gòu)自安徽省亳州市中藥飲片廠，經(jīng)南京中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院劉訓(xùn)紅教授鑒定，符合《中國(guó)藥典》2010年版一部規(guī)定。

2　方法

2.1黃芩水提液的制備及預(yù)處理

2.1.1制備方法 稱取一定量的黃芩藥材，浸泡0.5 h，煎煮2次，第1次加10倍量水，煎煮2 h；第2次加8倍量水，煎煮1.5 h，過(guò)濾，合并濾液，加水至生藥量達(dá)50 g/L。

2.1.2預(yù)處理 將上述提取液以10 000 r/min高速離心10 min，然后用截留相對(duì)分子質(zhì)量為6～8萬(wàn)的聚丙烯腈膜超濾，即得膜蒸餾原液。前期預(yù)實(shí)驗(yàn)表明該預(yù)處理方法較合理，HPLC檢測(cè)預(yù)處理前后藥液的相似度為0.995。

2.2膜蒸餾濃縮工藝及過(guò)程影響參數(shù)

2.2.1膜蒸餾濃縮工藝 將原液放入裝置中的原液槽，置于恒溫水浴鍋中，加熱至一定溫度后開(kāi)啟供液泵，待料液溫度穩(wěn)定，開(kāi)啟真空泵。藥液以一定體積流量流進(jìn)中空纖維膜內(nèi)側(cè)，然后再回流至原液槽中，往復(fù)循環(huán)。膜的外側(cè)抽真空，只有藥液中水蒸氣可以透過(guò)疏水膜，經(jīng)冷凝裝置冷凝成水。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變操作參數(shù)如進(jìn)料溫度、真空度及體積流量，測(cè)量不同操作條件下的膜通量及截留率。膜通量的計(jì)算公式如下：

其中J為膜通量，kg/m2·h；W為一定時(shí)間段內(nèi)出水量，kg；t為膜蒸餾時(shí)間，h；A為有效膜面積，m2。

截留率的計(jì)算公式如下：

其中R為截留率，%；m1為原液中指標(biāo)性成分的含有量；m2為透過(guò)液中指標(biāo)性成分的含有量，m1與m2單位一致。

2.2.2膜蒸餾過(guò)程影響參數(shù) 膜蒸餾是以膜兩側(cè)溫度差產(chǎn)生的蒸氣壓差為推動(dòng)力而進(jìn)行的濃縮過(guò)程，影響該過(guò)程的操作參數(shù)有進(jìn)料溫度、真空度及料液體積流量。待濃縮過(guò)程穩(wěn)定后，記錄各操作參數(shù)。進(jìn)料溫度（℃）以原液槽中溫度計(jì)所測(cè)的溫度為準(zhǔn)；真空度（kPa）以濃縮過(guò)程中循環(huán)水式真空泵顯示的數(shù)字為準(zhǔn)；料液體積流量（L/min）以膜前流量計(jì)上顯示的穩(wěn)定流量為準(zhǔn)。

2.3膜蒸餾濃縮與減壓蒸餾濃縮的比較 采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器對(duì)藥液進(jìn)行減壓蒸餾，先將原液加熱至一定溫度，開(kāi)啟真空泵，對(duì)藥液進(jìn)行濃縮。在相同的操作條件下，分別采用真空膜蒸餾和減壓蒸餾兩種方法濃縮黃芩提取液，并測(cè)定濃縮液與原液的HPLC特征圖譜。為了進(jìn)一步研究?jī)煞N濃縮方法的不同，考察了不同操作條件下兩者出水量的區(qū)別。出水量的公式為：

其中W為一定時(shí)間段內(nèi)出水量，kg；t為濃縮時(shí)間，h。

2.4黃芩苷的測(cè)定及黃芩水提液HPLC特征圖譜比較

2.4.1色譜條件 Phecda-C18色譜柱（4.6 mm× 250 mm，5μm）；進(jìn)樣量10μL。黃芩苷測(cè)定：流動(dòng)相為甲醇-水-磷酸（47∶53∶0.2）；HPLC特征圖譜測(cè)定：流動(dòng)相A為甲醇，流動(dòng)相B為0.05%磷酸水溶液，梯度洗脫（0～40 min，40%A；40～60 min，60%A）；檢測(cè)波長(zhǎng)為280 nm；柱溫30℃；體積流量1.0 mL/min。

2.4.2對(duì)照品溶液的制備 取減壓干燥至恒定質(zhì)量的黃芩苷對(duì)照品適量，精密稱定，分別加甲醇制成每1 mL含黃芩苷5.368μg、268.4μg的對(duì)照品。通過(guò)改變進(jìn)樣量0.1～100μL，以黃芩苷質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)，制備黃芩苷的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并計(jì)算回歸方程。Y=31 902Ⅹ-3.9× 105，在0.536 8～1 342μg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，線性關(guān)系良好。

2.4.3樣品的測(cè)定 取黃芩膜蒸餾原液5 mL加甲醇定容至25 mL，膜蒸餾透過(guò)液5 mL加甲醇定容至10 mL，作為供試品溶液。以透過(guò)液中黃芩苷的含有量計(jì)算膜蒸餾的截留率。

3　結(jié)果

3.1膜蒸餾濃縮過(guò)程各參數(shù)的影響結(jié)果

3.1.1進(jìn)料溫度對(duì)膜蒸餾過(guò)程的影響 在體積流量1.2 L/min、真空度91 kPa下，考察進(jìn)料溫度對(duì)膜通量及截留率的影響，結(jié)果見(jiàn)表1、圖1。隨著溫度升高，膜兩側(cè)的蒸氣壓差增加，使膜兩側(cè)的推動(dòng)力不斷增大。但在62℃時(shí)，截留率略有降低。因此，進(jìn)料溫度并不是越大越好，因?yàn)闇囟冗^(guò)高，蒸汽不能被及時(shí)冷凝導(dǎo)致膜潤(rùn)濕，而且升高溫度會(huì)增加能量消耗。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)綜合膜的最大承受壓差、能量消耗等因素選擇合適的進(jìn)料溫度。

表1　不同操作參數(shù)對(duì)指標(biāo)性成分截留率的影響Tab.1　Effect of different p rocess parameters on the rejection rate of the index com ponent

圖1　進(jìn)料溫度對(duì)膜通量的影響Fig.1　Effect of the feed temperature on trans-membrane fIux

3.1.2真空度對(duì)膜蒸餾過(guò)程的影響 在進(jìn)料溫度59℃、體積流量1.2 L/min下，考察膜通量隨冷側(cè)真空度的變化而變化，結(jié)果見(jiàn)表1、圖2。由圖可以看出，真空度與膜通量基本呈線性關(guān)系。公式J=C·ΔP可以說(shuō)明該現(xiàn)象（其中C為常數(shù)，ΔP為膜兩側(cè)的蒸氣壓差），隨著真空度升高，膜兩側(cè)推動(dòng)力ΔP增大，使通量呈線性增加。但真空度過(guò)低，蒸汽不能及時(shí)冷凝，會(huì)導(dǎo)致截留率下降。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合進(jìn)料溫度選擇最佳的真空度。

3.1.3體積流量對(duì)膜通量的影響 在溫度59℃、真空度94 kPa下，考察體積流量對(duì)膜過(guò)程的影響，結(jié)果見(jiàn)表1、圖3。隨著進(jìn)料側(cè)體積流量增大，膜通量增加，但體積流量0.8、1.4 L/min時(shí)，截留率下降。由于體積流量增大會(huì)加強(qiáng)膜內(nèi)藥液的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而減弱膜蒸餾過(guò)程中的溫差極化和濃差極化，降低阻力，使膜通量在一定程度上有所增大。

圖2　真空度對(duì)膜通量的影響Fig.2　Effect of the vacuum degree on transmembrane fIux

圖3　料液體積流量對(duì)膜通量的影響Fig.3　Effect of the Iiquid fIow on trans-membrane fIux

3.2真空膜蒸餾與減壓蒸餾的比較

3.2.1HPLC特征圖譜的比較 黃芩提取液及濃縮液的HPLC特征圖譜見(jiàn)圖4。用《中藥色譜指紋圖譜相似度評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件》2004年版，以黃芩提取液為參照?qǐng)D譜，相似度結(jié)果見(jiàn)表2。確保藥液濃縮過(guò)程中整體藥效物質(zhì)不發(fā)生較大改變，是應(yīng)用各種技術(shù)濃縮藥液的前提。真空膜蒸餾濃縮黃芩水提液的過(guò)程中，藥液的總體性質(zhì)無(wú)變化；減壓蒸餾濃縮后藥液與原液的相似度達(dá)0.999，藥液總體性質(zhì)幾乎無(wú)變化。由此可見(jiàn)，兩種濃縮方法對(duì)藥液的總體性質(zhì)影響不大。

表2　兩種濃縮方法的藥液相似度評(píng)價(jià)Tab.2 Comparison of Iiquid sim iIarity by two different concentration methods

3.2.2 出水量的比較 HPLC特征圖譜的相似度表明，兩種濃縮方法對(duì)藥液的總體性質(zhì)均無(wú)較大影響。為進(jìn)一步研究?jī)烧叩膮^(qū)別，比較了不同操作條件下兩種方法的單位出水量，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同操作條件下，真空膜蒸餾的出水量較減壓蒸餾更高一些。

4　討論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變真空膜蒸餾過(guò)程中的操作參數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同操作條件會(huì)影響膜的通量及截留率。隨著進(jìn)料溫度、真空度及體積流量增大，膜通量增加。而膜有一定的承受壓力，體積流量增加會(huì)使壓力增大，當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)，膜會(huì)潤(rùn)濕導(dǎo)致截留率下降；真空度過(guò)低時(shí)，由于蒸汽不能被及時(shí)抽出膜外，而在膜表面冷凝亦可能造成膜局部潤(rùn)濕。因此，考慮到疏水膜的液體進(jìn)入壓力及熱量消耗等因素，一般溫度在60℃左右、真空度在90～95 kPa、體積流量在1.0～1.2 L/min之間，即可以達(dá)到較高濃縮效率。實(shí)驗(yàn)表明，在最佳操作條件下，真空膜蒸餾的截留率可高達(dá)100.0%，且對(duì)藥液總體性質(zhì)無(wú)影響。另外，相對(duì)減壓蒸餾，真空膜蒸餾的濃縮效率更高一些。但兩種濃縮方法對(duì)黃芩提取液藥效是否會(huì)有影響，還在進(jìn)一步研究中。

膜污染是制約膜蒸餾工業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題，其中膜潤(rùn)濕是最嚴(yán)重的膜污染現(xiàn)象［12］。現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)表面活性劑類物質(zhì)與疏水膜接觸后，接觸角逐漸減小，液體會(huì)進(jìn)入膜孔，膜逐漸潤(rùn)濕［13］。在黃芩提取液膜蒸餾濃縮過(guò)程中，有時(shí)發(fā)現(xiàn)有膜潤(rùn)濕現(xiàn)象發(fā)生，可能是由于其中的糖苷類或其他高分子成分的交互影響，現(xiàn)正通過(guò)其他理化指標(biāo)的檢測(cè)并結(jié)合膜切片掃描研究等方法找到影響膜潤(rùn)濕的原因，并進(jìn)一步研究膜潤(rùn)濕對(duì)整個(gè)濃縮過(guò)程的影響，為拓寬膜蒸餾在中藥提取液濃縮中的合理科學(xué)化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

圖4　HPLC特征圖譜Fig.4　Characteristic image of HPLC

圖5　不同操作溫度下濃縮方法對(duì)出水量的影響Fig.5　Effect of the concentration method on water penetration under different operating tem peratures

圖6　不同真空度下濃縮方法對(duì)出水量的影響Fig.6　Effect of the concentration method on water penetration under different vacuum degree

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Vacuum membrane distiIIation for the concentration of the extract of Scutellariae Radix

SHIFei-yan， LIBo， PAN Lin-mei*， GUO Li-wei
（Jiangsu Botanical Medicine Refinement Engineering Research Center，Nanjing University of ChineseMedicine，Nanjing 210023，China）

vacuum membrane disti11ation；Scutellariae Radix；extract；trans-membrane f1ux；baica1in；rejection rate

R284.2

A

1001-1528（2015）01-0095-05

10.3969/j.issn.1001-1528.2015.01.019

2013-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（81274096）

石飛燕（1990—），女，碩士生，研究方向：中藥復(fù)方分離。Te1：（025）85811063，E-mai1：sfeiyan126@126.com

潘林梅，女，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向：中藥制備高新技術(shù)。Te1：（025）85811063，E-mai1：1inmeip@126.com