陶瓷膜應用發展到今天,呈現出新的需求特點:在中藥產業開始獲得規模化應用;而在生物制藥行業,從有機酸、氨基酸到抗生素,陶瓷膜系統普遍得到應用,成套裝置的規模一般在500m2以上;在提高產品收率和質量、降低能耗和工業廢水量等方面,取得了極好的技術經濟效益。本文從陶瓷膜與其他精制技術的比較、陶瓷膜過程及其機制、膜污染與防治等方面對近年來陶瓷膜精制中藥技術的研究進展進行簡要的總結。
1 中藥陶瓷膜精制技術的優勢
目前,用于精制中藥水提液的方法主要有醇沉法、絮凝澄清法及大孔樹脂吸附法等,其目的都是除去非藥效高分子物質。上述方法或可達到不同程度的精制效果,但都無一例外的存在著有效成分的損失、精制程度不高等共性問題,且還存在著各自的缺陷。如醇沉法時間長、成本高、產物在下步成型困難;絮凝法、大孔樹脂法因采用了化學分離介質,存在著絮凝劑或樹脂殘留的問題。現代膜分離技術因其高效、節能等優勢正日益在中藥制劑中得到應用。特別是陶瓷膜技術因具有上述提及的特點,尤其適合于中藥水提液的精制,在我國中藥行業具有普遍的適用性。
1.1 陶瓷膜技術與其他技術比較研究
郭立瑋等以復方山茱萸制劑抗厥注射液和單味山茱萸煎劑為例,比較研究不同濃度水醇法與不同孔徑膜分離澄清中藥制劑對其所含成分的影響。結果表明,用無機陶瓷微濾膜處理藥液,其澄清效果相當于40%乙醇濃度處理,與50%~70%乙醇濃度處理效果相當的超濾膜截留分子在1 103~1 104。首次提出了以膜技術部分代替傳統醇沉工藝的可能性與有效性。在此基礎上開展了膜分離工藝對糖渴清總固體量及降血糖作用的影響研究,將陶瓷膜技術用于中藥新藥糖渴清的開發,該品種已獲得國家食品藥品監督管理局的臨床研究批件,成為我國陶瓷膜法新工藝的首例中藥新藥。徐南平院士認為該技術將對我國中成藥加工工藝的變革產生重要影響。
劉陶世等采用陶瓷膜微濾、超濾、醇沉、離心、絮凝、大孔樹脂吸附6種技術精制清絡通痹復方水提液。以性狀、青藤堿損失率和雜質除去率為指標,對各技術精制效果進行對比研究。發現6種技術均能使藥液澄明度顯著提高;除雜率以樹脂法,達80%以上,陶瓷膜微濾除雜率為21.7%,小于醇沉和超濾,但高于絮凝澄清和高速離心;青藤堿損失率以AB 8樹脂法(6.39%),而85%乙醇沉淀法(58.44%),陶瓷膜微濾法損失率為15.31%,小于超濾、醇沉、高速離心和絮凝;樹脂吸附液的色譜圖與煎煮液色譜圖差別較大,但陶瓷膜微濾等其他5種精制液的色譜圖與煎煮液色譜圖差別較小。因此,認為陶瓷膜微濾具有除雜率適中,有效成分損失少,工藝簡單等優點,是清絡通痹復方水提液的精制技術。
韓燕全等采用苯酚 硫酸顯色法測定六味地黃口服液中多糖的量。比較微濾、超濾和醇沉法對六味地黃口服液中多糖量的影響。3種工藝六味地黃口服液多糖的量以葡萄糖計分別為8.22、7.04、7.24mg/mL。可見,經孔徑為0.18 m微濾膜處理后的六味地黃口服液中多糖的量。徐南平等將陶瓷膜技術引入中藥口服液的生產,并將新工藝與原工藝進行比較。結果采用陶瓷膜直接處理中藥水提液,有效地除去了藥液中的大分子、鞣質及其他非藥用物質,提高了藥液有效成分的量,使得產品的收率和品質得到了顯著的提高,生產周期由原來的15d縮至9d。
1.2 陶瓷膜技術與其他技術聯用研究:高紅寧等]采用陶瓷微濾膜和大孔吸附樹脂聯用精制苦參水提液中總黃酮,并與醇沉和大孔吸附樹脂聯用進行比較。結果發現微濾 大孔吸附樹脂法處理的苦參水提液中總黃酮的吸附率及除雜效果優于醇沉 大孔吸附樹脂法,而且操作簡單、周期短,可以有效地除去雜質,選擇性地保留有效成分,是中藥精制的新方法。在此基礎上,高紅寧等又考察了陶瓷膜微濾大孔樹脂法精制苦參中氧化苦參堿、苦參總黃酮的效果。結果表明苦參提取液經微濾 大孔樹脂法處理后,氧化苦參堿、苦參總黃酮的保留率分別為78.88%和73.4%,固形物去除率為38.95%。說明微濾 大孔樹脂法較醇沉法可更有效地保留有效成分、去除雜質。郭立瑋比較了陶瓷膜微濾、高速離心和醇沉3種預處理方法對AB 8樹脂吸附苦參水提液中總黃酮量及精制效果的影響。發現陶瓷膜微濾法提高AB 8樹脂吸附苦參總黃酮能力強于高速離心法,其精制總黃酮效果優于醇沉法。陶瓷膜微濾可有效減輕中藥水提液對樹脂的毒化作用,提高中藥精制效果。
金萬勤等考察了Al2O3陶瓷微濾膜微濾技術對枳實水提液和苦參水提液的澄清效果,并與傳統的醇沉法進行對比。結果發現Al2O3陶瓷微濾膜處理的兩種水提液的除雜率及有效成分得率與醇沉法接近,并且該微濾膜經過一定處理可以再生。提示Al2O3陶瓷微濾膜微濾技術有望成為澄清中藥水提液的一種新技術。
2 中藥陶瓷膜精制技術的膜過程及其機制
2.1 膜過程與中藥水提液溶液環境的相關性:膜科學技術原理指出,膜過程與應用系統溶液環境有密切關系。從物理化學角度出發,中藥水提液可被視為一種十分復雜的混合分散體系。按線度大小,該分散體系可由分子分散系統(粒子的線度<1nm)、膠體分散系統(粒子的線度為1~100nm)以及粗分散系統(粒子線度>100nm)組成。其中膠體分散系統又由親水膠體和疏水膠體組成。膠體分散系統具有高度的分散性和熱力學不穩定性,但中藥水提液中某些高分子成分(如蛋白質、淀粉等)又可形成均相穩定系統的真溶液而成為熱力學穩定體系。如此復雜的體系其光學性質、熱力學性質及電學性質等將對膜過程產生何種影響,膜過程又對此復雜體系的組成及相關性質產生何種改變,這是研究膜精制中藥的膜過程及其機制必須解決的首要問題。通過考察無機陶瓷膜微濾對中藥水提液物理化學性質的影響,探索中藥水提液復雜體系在無機陶瓷膜分離過程中的微觀表現。陳丹丹等用0.2 mZrO2陶瓷膜微濾,測定了膜分離前后生地黃、黃芪水提液的pH值、濁度、固含物、電導率、 電位等指標。結果表明,生地黃水提液pH值在4.55~4.69;濁度由膜前的140NTU降至膜后的0.165NTU,而截留液的濁度上升至586NTU;固含物由52.8g/L變為滲透液的46.0g/L和截留液的54.5g/L,電導由1300 s/cm下降至1200 s/cm。黃芪水提液的pH值在5.58~5.98;濁度由膜前的376NTU降至膜后的1.2NTU,而截留液的濁度上升至877NTU;固含物由28.6g/L變為滲透液的23.5g/L和截留液的28.9g/L;電導由1430 s/cm下降至1270 s/cm。通過測定枳實、陳皮水提液經過0.2 m陶瓷微濾膜前后的pH、濁度、電導率、粒徑分布等指標,發現枳實、陳皮水提液的理化性質與其通量衰減變化在一定程度上表現出相關性。
樊文玲等研究生地黃等7種藥材和清絡通痹復方中藥水提液中可溶性有機物相對分子質量分布的特點,以及與0.2 m孔徑陶瓷膜穩定通量的相關性,結果發現除半夏和生地外,水提液中相對分子質量小于4000的溶解性有機物所占比例均超過30%,金銀花和清絡通痹復方達到50%左右;膜穩定通量近似的體系,則其相對分子質量分布變化規律基本一致。因此得出了膜穩定通量與中藥水提液中可溶性有機物質相對分子質量分布情況存在一定的相關性的結論。
2.2 膜過程優化研究:郭立瑋等用數據挖掘技術研究常見的7種中藥水提液體系中淀粉、果膠等高分子物質組成、物理化學性質與Al2O3陶瓷膜膜通量之間的關系。結果發現該實驗體系:(1)中藥水提液的黏度、粒徑分布(D50)分別與有關變量呈近線性關系,且果膠量對黏度、D50的影響較大;(2)中藥水提液的pH值與固含物、果膠量等沒有簡單的線性關系,但采用模式識別方法,可以找到pH值的定性規律;(3)初步認識到中藥水提液這一復雜體系影響Al2O3陶瓷微濾膜膜通量的主要因素,即水提液中的蛋白質量、原液pH值和粒徑分布(D90);(4)利用自行開發的數據挖掘軟件處理有關數據,得到膜通量下降速率與原液中粒徑分布參數、pH值之間的定量關系, 留一法交叉驗證 表明該定量關系的預報結果正確,基本鎖定了造成該體系通量衰減的主要因素,使得中藥水提液膜過程優化設計取得突破性進展。樊文玲等[18]以糖渴清復方水提液為實驗體系,從膜過濾阻力角度考查不同預處理方法(調節pH值、絮凝、離心和粗濾等)對0.2 mAl2O3陶瓷膜微濾過程的影響。發現采用不同的方法預處理后,膜通量隨著時間延長仍有一定程度下降,且基本均在15min后膜通量達到穩定狀態;預處理后,膜濾過總阻力均大幅度減小,孔內阻力比例增大,膜表面吸附阻力比例變小;水提液經離心后,膜濾過總阻力最小,膜通量,為方法。
3 中藥陶瓷膜精制技術的膜污染與清洗研究
膜污染是指由于被過濾料液中的微粒、膠體粒子或溶質分子與膜存在物理化學作用而引起的各種粒子在膜表面或膜孔內吸附或沉積,造成膜孔堵塞或變小并使膜的透過流量與分離特性產生不可逆變化的現象。一方面膜