真空膜蒸馏法浓缩黄芩提取液的工艺研究

2015-10-19 02:17石飞燕潘林梅郭立玮
中成药 2015年1期
关键词:原液真空度提取液

石飞燕, 李 博, 潘林梅, 郭立玮

(南京中医药大学江苏省植物药深加工工程研究中心,江苏 南京 210023)

真空膜蒸馏法浓缩黄芩提取液的工艺研究

石飞燕,李 博,潘林梅*,郭立玮

(南京中医药大学江苏省植物药深加工工程研究中心,江苏南京210023)

目的 采用聚偏氟乙烯中空纤维膜,运用真空膜蒸馏法浓缩黄芩提取液,研究浓缩过程中操作参数对浓缩效率的影响。方法 采用HPLC法测定黄芩提取液及膜蒸馏透过液中指标性成分黄芩苷的量,以黄芩苷截留率和膜通量为评价指标,考察进料温度、真空度和料液体积流量对浓缩效率的影响。结果 随着进料温度、真空度及料液体积流量的增大,膜通量明显增大。在进料温度59℃,真空度94~95 kPa,料液体积流量1.0~1.2 L/min的条件下,黄芩苷截留率可达100.0%。结论 真空膜蒸馏法用于黄芩提取液的浓缩工艺控制较简捷,效果明显,具有较好的应用前景。

真空膜蒸馏;黄芩;提取液;膜通量;黄芩苷;截留率

中药制药全过程一般包括提取、浓缩、纯化、干燥和制剂成型等工序,制药工艺流程中各关键环节质控点的精确控制是确保药品质量的基石[1]。中药水提液传统的浓缩方法存在着浓缩温度高易引起热敏性药效成分失效,浓缩时间长,分离效率低,一步浓缩难以实现高相对密度的质量要求等问题[2-3]。且对大多数厂家来说,浓缩工段的蒸汽消耗约占全厂总蒸汽耗量的60%左右甚至更多[4]。与传统浓缩方法相比,真空膜蒸馏可以减少上述问题,具有操作温度低,操作压力低于反渗透过程,蒸发面积大,截留率高等优点[5-7]。

本实验以黄芩提取液为研究对象,黄芩为唇形科植物黄芩Scutellaria baicalensis Georgi的干燥根[8],系常用中药。性味苦寒,具有清热燥湿、泻火解毒、凉血止血、安胎之功效[9-10]。现代药理研究表明,其主要活性成分为黄芩苷、黄芩素等黄酮类化合物,具有抗炎、抑菌、利尿、抗变态反应等作用[11]。本实验应用真空膜蒸馏(VMD)技术,引进物化实验技术方法,采用聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜,测定浓缩过程中的膜通量、黄芩苷截留率等方面的变化,对真空膜蒸馏浓缩黄芩水提液的操作条件进行初步优化,为深入探讨膜蒸馏浓缩工艺机理及工业化放大奠定基础。

1 仪器与试药

真空膜蒸馏装置(自制);聚偏氟乙烯(PVDF),外径1.16 mm,内径0.80 mm,孔径0.16μm,孔隙率80%~82%,天津工业大学提供。聚丙烯腈超滤膜(60~80 K),外径1.3 mm,内径0.9 mm,有效膜面积0.3 m2,天津爱生膜科技有限公司生产。

Waters 2695高效液相色谱分析仪(2998型紫外检测器,Empower工作站,美国Waters公司);旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂);HH数显恒温水浴锅(江苏金坛市金城国胜实验仪器厂);加兴水泵;SHZ-D(Ⅲ)型循环水真空泵(巩义市英峪高科仪器厂);电子天平Sartorius TE4101-L(德国);台式冷冻离心机(A11egra 64R,美国Beckman公司)。

对照品黄芩苷(纯度91.7%,批号110715-201117,购自中国食品药品检定研究院)。甲醇(色谱纯,江苏汉邦科技有限公司);磷酸(分析纯,南京化学试剂有限公司);水为娃哈哈纯净水。黄芩购自安徽省亳州市中药饮片厂,经南京中医药大学药学院刘训红教授鉴定,符合《中国药典》2010年版一部规定。

2 方法

2.1黄芩水提液的制备及预处理

2.1.1制备方法 称取一定量的黄芩药材,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,过滤,合并滤液,加水至生药量达50 g/L。

2.1.2预处理 将上述提取液以10 000 r/min高速离心10 min,然后用截留相对分子质量为6~8万的聚丙烯腈膜超滤,即得膜蒸馏原液。前期预实验表明该预处理方法较合理,HPLC检测预处理前后药液的相似度为0.995。

2.2膜蒸馏浓缩工艺及过程影响参数

2.2.1膜蒸馏浓缩工艺 将原液放入装置中的原液槽,置于恒温水浴锅中,加热至一定温度后开启供液泵,待料液温度稳定,开启真空泵。药液以一定体积流量流进中空纤维膜内侧,然后再回流至原液槽中,往复循环。膜的外侧抽真空,只有药液中水蒸气可以透过疏水膜,经冷凝装置冷凝成水。在实验过程中,改变操作参数如进料温度、真空度及体积流量,测量不同操作条件下的膜通量及截留率。膜通量的计算公式如下:

其中J为膜通量,kg/m2·h;W为一定时间段内出水量,kg;t为膜蒸馏时间,h;A为有效膜面积,m2。

截留率的计算公式如下:

其中R为截留率,%;m1为原液中指标性成分的含有量;m2为透过液中指标性成分的含有量,m1与m2单位一致。

2.2.2膜蒸馏过程影响参数 膜蒸馏是以膜两侧温度差产生的蒸气压差为推动力而进行的浓缩过程,影响该过程的操作参数有进料温度、真空度及料液体积流量。待浓缩过程稳定后,记录各操作参数。进料温度(℃)以原液槽中温度计所测的温度为准;真空度(kPa)以浓缩过程中循环水式真空泵显示的数字为准;料液体积流量(L/min)以膜前流量计上显示的稳定流量为准。

2.3膜蒸馏浓缩与减压蒸馏浓缩的比较 采用旋转蒸发器对药液进行减压蒸馏,先将原液加热至一定温度,开启真空泵,对药液进行浓缩。在相同的操作条件下,分别采用真空膜蒸馏和减压蒸馏两种方法浓缩黄芩提取液,并测定浓缩液与原液的HPLC特征图谱。为了进一步研究两种浓缩方法的不同,考察了不同操作条件下两者出水量的区别。出水量的公式为:

其中W为一定时间段内出水量,kg;t为浓缩时间,h。

2.4黄芩苷的测定及黄芩水提液HPLC特征图谱比较

2.4.1色谱条件 Phecda-C18色谱柱(4.6 mm× 250 mm,5μm);进样量10μL。黄芩苷测定:流动相为甲醇-水-磷酸(47∶53∶0.2);HPLC特征图谱测定:流动相A为甲醇,流动相B为0.05%磷酸水溶液,梯度洗脱(0~40 min,40%A;40~60 min,60%A);检测波长为280 nm;柱温30℃;体积流量1.0 mL/min。

2.4.2对照品溶液的制备 取减压干燥至恒定质量的黄芩苷对照品适量,精密称定,分别加甲醇制成每1 mL含黄芩苷5.368μg、268.4μg的对照品。通过改变进样量0.1~100μL,以黄芩苷质量浓度为横坐标,峰面积为纵坐标,制备黄芩苷的标准曲线,并计算回归方程。Y=31 902Ⅹ-3.9× 105,在0.536 8~1 342μg/mL质量浓度范围内,线性关系良好。

2.4.3样品的测定 取黄芩膜蒸馏原液5 mL加甲醇定容至25 mL,膜蒸馏透过液5 mL加甲醇定容至10 mL,作为供试品溶液。以透过液中黄芩苷的含有量计算膜蒸馏的截留率。

3 结果

3.1膜蒸馏浓缩过程各参数的影响结果

3.1.1进料温度对膜蒸馏过程的影响 在体积流量1.2 L/min、真空度91 kPa下,考察进料温度对膜通量及截留率的影响,结果见表1、图1。随着温度升高,膜两侧的蒸气压差增加,使膜两侧的推动力不断增大。但在62℃时,截留率略有降低。因此,进料温度并不是越大越好,因为温度过高,蒸汽不能被及时冷凝导致膜润湿,而且升高温度会增加能量消耗。实验中应综合膜的最大承受压差、能量消耗等因素选择合适的进料温度。

表1 不同操作参数对指标性成分截留率的影响Tab.1 Effect of different p rocess parameters on the rejection rate of the index com ponent

图1 进料温度对膜通量的影响Fig.1 Effect of the feed temperature on trans-membrane fIux

3.1.2真空度对膜蒸馏过程的影响 在进料温度59℃、体积流量1.2 L/min下,考察膜通量随冷侧真空度的变化而变化,结果见表1、图2。由图可以看出,真空度与膜通量基本呈线性关系。公式J=C·ΔP可以说明该现象(其中C为常数,ΔP为膜两侧的蒸气压差),随着真空度升高,膜两侧推动力ΔP增大,使通量呈线性增加。但真空度过低,蒸汽不能及时冷凝,会导致截留率下降。在实际应用中,应结合进料温度选择最佳的真空度。

3.1.3体积流量对膜通量的影响 在温度59℃、真空度94 kPa下,考察体积流量对膜过程的影响,结果见表1、图3。随着进料侧体积流量增大,膜通量增加,但体积流量0.8、1.4 L/min时,截留率下降。由于体积流量增大会加强膜内药液的流动状态,进而减弱膜蒸馏过程中的温差极化和浓差极化,降低阻力,使膜通量在一定程度上有所增大。

图2 真空度对膜通量的影响Fig.2 Effect of the vacuum degree on transmembrane fIux

图3 料液体积流量对膜通量的影响Fig.3 Effect of the Iiquid fIow on trans-membrane fIux

3.2真空膜蒸馏与减压蒸馏的比较

3.2.1HPLC特征图谱的比较 黄芩提取液及浓缩液的HPLC特征图谱见图4。用《中药色谱指纹图谱相似度评价系统软件》2004年版,以黄芩提取液为参照图谱,相似度结果见表2。确保药液浓缩过程中整体药效物质不发生较大改变,是应用各种技术浓缩药液的前提。真空膜蒸馏浓缩黄芩水提液的过程中,药液的总体性质无变化;减压蒸馏浓缩后药液与原液的相似度达0.999,药液总体性质几乎无变化。由此可见,两种浓缩方法对药液的总体性质影响不大。

表2 两种浓缩方法的药液相似度评价Tab.2 Comparison of Iiquid sim iIarity by two different concentration methods

3.2.2 出水量的比较 HPLC特征图谱的相似度表明,两种浓缩方法对药液的总体性质均无较大影响。为进一步研究两者的区别,比较了不同操作条件下两种方法的单位出水量,结果见图5、图6。实验结果表明,在相同操作条件下,真空膜蒸馏的出水量较减压蒸馏更高一些。

4 讨论

本实验通过改变真空膜蒸馏过程中的操作参数,发现不同操作条件会影响膜的通量及截留率。随着进料温度、真空度及体积流量增大,膜通量增加。而膜有一定的承受压力,体积流量增加会使压力增大,当压力过大时,膜会润湿导致截留率下降;真空度过低时,由于蒸汽不能被及时抽出膜外,而在膜表面冷凝亦可能造成膜局部润湿。因此,考虑到疏水膜的液体进入压力及热量消耗等因素,一般温度在60℃左右、真空度在90~95 kPa、体积流量在1.0~1.2 L/min之间,即可以达到较高浓缩效率。实验表明,在最佳操作条件下,真空膜蒸馏的截留率可高达100.0%,且对药液总体性质无影响。另外,相对减压蒸馏,真空膜蒸馏的浓缩效率更高一些。但两种浓缩方法对黄芩提取液药效是否会有影响,还在进一步研究中。

膜污染是制约膜蒸馏工业化的关键问题,其中膜润湿是最严重的膜污染现象[12]。现有文献报道,当表面活性剂类物质与疏水膜接触后,接触角逐渐减小,液体会进入膜孔,膜逐渐润湿[13]。在黄芩提取液膜蒸馏浓缩过程中,有时发现有膜润湿现象发生,可能是由于其中的糖苷类或其他高分子成分的交互影响,现正通过其他理化指标的检测并结合膜切片扫描研究等方法找到影响膜润湿的原因,并进一步研究膜润湿对整个浓缩过程的影响,为拓宽膜蒸馏在中药提取液浓缩中的合理科学化应用提供科学依据。

图4 HPLC特征图谱Fig.4 Characteristic image of HPLC

图5 不同操作温度下浓缩方法对出水量的影响Fig.5 Effect of the concentration method on water penetration under different operating tem peratures

图6 不同真空度下浓缩方法对出水量的影响Fig.6 Effect of the concentration method on water penetration under different vacuum degree

[1]程翼宇,瞿海斌,张伯礼.论中药制药工程科技创新方略及其工业转化[J].中国中药杂志,2013,38(1):3-5.

[2]刘明言,余 根,王 红.中药提取液浓缩新工艺和新技术进展[J].中国中药杂志,2006,31(3):184-187.

[3]徐龙泉,彭黔荣,杨 敏,等.膜分离技术在中药生产及研究中的应用进展[J].中成药,2013,35(9):1989-1994.

[4]郭维图.膜分离技术在中药提取液浓缩中的应用[J].机电信息,2007,161(5):8-15.

[5]李建梅,王树源,徐志康,等.真空膜蒸馏法浓缩益母草及赤芍提取液的实验研究[J].中成药,2004,26(5):423-424.

[6]Mericq JP,Laborie S,Cabassud C.Vacuum membrane disti1-1ation of seawater reverse osmosis brines[J].Water Research,2010,44:5260-5273.

[7]吕晓龙.膜蒸馏过程探讨[J].膜科学与技术,2010,30(3):1-9.

[8]国家药典委员会.中华人民共和国药典:2010年版一部[S].北京:中国医药科技出版社,2010:282-283.

[9]薛黎明,秦雪梅,张丽增.不同产地黄芩药材的黄芩苷含量测定及指纹图谱研究[J].中成药,2008,30(1):10-13.

[10]刘 雄,高建德.黄芩研究进展[J].甘肃中医学院学报,2007,24(2):46-50.

[11]王 丹,张秋燕,杨兴鑫,等.基于HPLC指纹图谱的黄芩道地药材与非道地药材的鉴别研究[J].中国中药杂志,2013,38(12):1951-1960.

[12]潘林梅,石飞燕,郭立玮.基于膜蒸馏的中药水提液浓缩技术应用前景及问题探讨[J].南京中医药大学学报,2014,30(1):97-100.

[13]吴 霞,韩浩思,丁忠伟,等.十二烷基苯磺酸钠对膜蒸馏过程膜润湿的研究[J].北京化工大学学报:自然科学版,2012,39(4):1-5.

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

国家自然科学基金(81274096)

石飞燕(1990—),女,硕士生,研究方向:中药复方分离。Te1:(025)85811063,E-mai1:sfeiyan126@126.com

潘林梅,女,副研究员,硕士生导师,研究方向:中药制备高新技术。Te1:(025)85811063,E-mai1:1inmeip@126.com

猜你喜欢
原液真空度提取液
高品质原液着色聚酯技术又一项国家重点研发计划项目获批立项
化纤联盟彰显科技担当
一种在线黏度检测装置及实现方法
衡水老白干67度原浆原液的两款酒比较谈
亚麻木脂素提取液渗透模型建立与验证
真空度信号在启停系统中的应用
挤奶机集乳器真空度评估研究
穿山龙提取液不同纯化方法的比较
复方龙脉宁不同提取液对H2O2诱导H9c2 心肌细胞氧化损伤的保护作用
山香圆叶提取液纯化工艺的优化