循環(huán)超聲技術(shù)及其在中藥研發(fā)和生產(chǎn)中的應(yīng)用
趙　兵1, 尹　輝2X
（11 *過程工程研究所生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100080;
21 北京弘祥隆生物技術(shù)開發(fā)有限公司, 北京　100083）
　　我國加入W TO 后, 中藥和天然產(chǎn)物生產(chǎn)企業(yè)要想在競(jìng)
爭(zhēng)中贏得主動(dòng), 必須采用*的提取分離技術(shù), 為此, 國家已
將提取分離技術(shù)作為今后重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一。在發(fā)達(dá)國
家, 藥材從投料開始, 整個(gè)操作過程在連續(xù)封閉環(huán)境下進(jìn)行,
自動(dòng)化程度高, 經(jīng)粉碎后的藥材定時(shí)投入提取設(shè)備, 提取液
連續(xù)從提取罐中排出, 藥液和藥渣均在封閉的管道中運(yùn)行,
保持了環(huán)境的整潔, 提高了藥材的利用率, 其提取效率是常
規(guī)方法的3～ 4 倍, 整個(gè)生產(chǎn)過程采用計(jì)算機(jī)控制, 避免了人
為因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定, 因而產(chǎn)品具有競(jìng)
爭(zhēng)力。　　　　　
隨著多學(xué)科互相滲透和對(duì)浸提原料及過程研究的深入,
新的提取技術(shù)不斷出現(xiàn)和應(yīng)用, 為提高我國中藥產(chǎn)品的質(zhì)量
和技術(shù)含量作出了貢獻(xiàn)。循環(huán)超聲技術(shù)就是其中之一, 它解
決了超聲提取的工程放大問題, 大大提高了超聲場(chǎng)強(qiáng)度、物
料對(duì)超聲波的利用率以及物料接受超聲波處理的均勻性, 北
京弘祥隆生物技術(shù)開發(fā)有限公司與*過程工程研
究所合作已成功地將循環(huán)超聲提取設(shè)備應(yīng)用于工業(yè)化生
產(chǎn)中。
1　超聲提取的基本原理及存在問題
當(dāng)大能量的超聲波作用于提取介質(zhì), 在振動(dòng)處于稀疏狀
態(tài)時(shí), 介質(zhì)被撕裂成許多小空穴, 這些小空穴瞬時(shí)即閉合, 閉
合時(shí)產(chǎn)生高達(dá)幾千個(gè)大氣壓的瞬時(shí)壓力, 即空化現(xiàn)象。超聲
波對(duì)各種成分的提取分離的強(qiáng)化作用主要源于其空化作用。
空化中微小氣泡的爆裂產(chǎn)生的極大壓力使被破碎物細(xì)胞壁
及整個(gè)生物體的破裂在瞬間完成, 縮短了破碎時(shí)間, 同時(shí)超
聲波產(chǎn)生的振動(dòng)作用加強(qiáng)了胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴(kuò)散及溶解,
可顯著提高提取效率。超聲波破碎過程是一個(gè)物理過程, 過
程中無化學(xué)反應(yīng), 被浸提的生物活性物質(zhì)保持不變。
在空化發(fā)生時(shí)液體中的微小氣泡核在高強(qiáng)度超聲波作
用下發(fā)生振蕩、生長、收縮及崩潰等一系列動(dòng)力學(xué)過程, 同時(shí)
在崩潰的極短時(shí)間內(nèi), 在空化泡周圍產(chǎn)生高溫、高壓, 強(qiáng)烈沖
擊波和時(shí)速400 kmöh 以上的微射流, 對(duì)固體表面的剝離、
凹蝕和粉碎作用創(chuàng)造了新的活性表面, 這種界面效應(yīng)使傳質(zhì)
表面積增大?？栈瘯r(shí)產(chǎn)生的湍動(dòng)效應(yīng)使固液界面中傳質(zhì)邊界
層變薄, 導(dǎo)致界面層中溶質(zhì)的濃度梯度減少速度大大高于其
他方法?？栈a(chǎn)生的微擾效應(yīng)使固液傳質(zhì)過程的微孔擴(kuò)散得
以強(qiáng)化, 使得渦流擴(kuò)散加強(qiáng), 加快提取過程。超聲頻率增高,
提取時(shí)間延長, 超聲場(chǎng)產(chǎn)生的聚能效應(yīng)導(dǎo)致提取液溫度升
高。湍流效應(yīng)、微擾效應(yīng)、界面效應(yīng)和聚能效應(yīng)與超聲場(chǎng)的頻
率、功率及體系的溫度等有關(guān)。在天然產(chǎn)物提取過程中, 細(xì)胞
的破壁、溶質(zhì)的擴(kuò)散和平衡速度等與單位面積超聲功率相
關(guān), 而且均會(huì)對(duì)提取效率和回收率產(chǎn)生影響, 因此一般選用
低頻大功率超聲。
雖然超聲提取在實(shí)驗(yàn)室小量樣品制備中效果很好并且
已經(jīng)廣泛應(yīng)用, 特別是在分析樣品的處理中, 其快速、的
特點(diǎn)已被廣泛認(rèn)同, 但超聲場(chǎng)的范圍和強(qiáng)度限制了每次處理
的物料量, 缺乏有效的工程放大手段和方法限制了其在大規(guī)
模生產(chǎn)中的應(yīng)用。
2　循環(huán)超聲提取技術(shù)的開發(fā)背景
*過程工程研究所生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
的研究人員針對(duì)我國目前在超聲提取過程中存在的工程放
大的難題, 在國家“863”和“九五”攻關(guān)項(xiàng)目的支持下, 以褐藻
硫酸酯多糖和青蒿素等為研究對(duì)象, 系統(tǒng)地研究了各種超聲
提取的特點(diǎn), 采用生化工程原理和技術(shù), 解決了傳統(tǒng)超聲提
取中存在的工程放大難題, 并獲得多項(xiàng)技術(shù)。北京弘祥
隆生物技術(shù)開發(fā)有限公司（h t tp: ööw ww. hxlbd. com ） 在原有
技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)了系列成套適宜于我國中藥
材提取企業(yè)的新型逆流循環(huán)超聲提取裝置等, 并申請(qǐng)和
獲得了多項(xiàng)相關(guān)。目前已經(jīng)形成從幾百毫升至5 000 L
有效容積的SY、HF、SC 三大系列20 多個(gè)產(chǎn)品, 已經(jīng)被國內(nèi)
數(shù)十家單位使用, 并多次在政府招標(biāo)采購中中標(biāo)。
由于超聲提取工程放大難題的解決, 大大拓寬了超聲提
取的應(yīng)用范圍。循環(huán)超聲技術(shù)及設(shè)備不僅適用于各種天然產(chǎn)
物提取, 而且還可以用于超聲分散、乳液制備、緩釋藥物超微
膠囊和納米膠囊制備等, 應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到藥品、保健品、化妝
品、食品及農(nóng)產(chǎn)品深加工等多個(gè)領(lǐng)域。
3　循環(huán)超聲提取技術(shù)及設(shè)備的特點(diǎn)
新型循環(huán)超聲提取裝置的提取時(shí)間、提取溫度、超
聲功率、循環(huán)速度等主要參數(shù)均可設(shè)定和自動(dòng)控制, 提取效
率是常規(guī)提取的幾倍到幾十倍, 提取溫度由100 ℃可降低到
室溫（SY 系列產(chǎn)品還可實(shí)現(xiàn)低溫提取） , 設(shè)備性能達(dá)到了國
際*水平, 同傳統(tǒng)方法比較可節(jié)省能耗50% 以上, 提取成
本可降低25% 以上, 可以進(jìn)行間歇提取和多級(jí)連續(xù)動(dòng)態(tài)提
取, 物料在封閉管道中運(yùn)行, 提取液和藥渣連續(xù)排出, 液2固
連續(xù)自動(dòng)分離, 能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)控制, 能節(jié)約大
量勞動(dòng)力, 符合GM P 要求。
通過大量試驗(yàn)證明, 同國內(nèi)外相關(guān)設(shè)備相比較, 循環(huán)超
聲提取技術(shù)和設(shè)備具有顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì), 主要包括: 1） 效
·154· 中草藥　Ch inese T radit ional and HerbalD rugs　第37 卷第1 期2006 年1 月
X 收稿日期: 2005207220
率高: 提取時(shí)間短, 提取時(shí)間僅為常規(guī)提取方法的幾分之一
到幾十分之一。2） 提取能耗低: 小功率超聲波即可破碎提取
大量物料, 一般均在室溫下提取, 無須大功率攪拌和加熱, 能
耗較常規(guī)提取方法可降低50% 以上。3） 提取產(chǎn)品質(zhì)量高: zui
大限度保持了各種有效成分的活性, 特別是各種熱敏性成
分, 可達(dá)到提高藥效、減少用量的目的。同時(shí), 由于提取時(shí)間
短, 提取產(chǎn)品中其他無用的組分減少, 可顯著降低單一組分
等其他產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。4） 目標(biāo)提取物提取得率高: 由
于采用超聲破碎提取技術(shù), 使藥材中的有效成分得以充分釋
出, 從而使目標(biāo)提取物的提取率提高。甚至有些用常規(guī)方法
難于提取的組分亦能快速提取出來。5） 適用范圍廣: 同時(shí)適
用于揮發(fā)性和非揮發(fā)性提取介質(zhì), 適用于各種天然產(chǎn)物提取
的實(shí)驗(yàn)研究、中試試驗(yàn)以及工業(yè)化生產(chǎn), 不受提取物相對(duì)分
子質(zhì)量、極性等限制。6） 自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便: 可進(jìn)行間
歇提取或多級(jí)連續(xù)提取。提取時(shí)間、提取溫度、循環(huán)速度等主
要參數(shù)均可設(shè)定和自動(dòng)控制, 減少了人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的
影響, 有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。多級(jí)連續(xù)動(dòng)態(tài)提取時(shí), 提取液和
藥渣在全封閉條件下運(yùn)行, 能節(jié)約大量勞動(dòng)力和符合GM P
要求。7） 產(chǎn)品性價(jià)比高: 循環(huán)超聲提取裝置價(jià)格大大低于超
臨界CO 2 萃取和進(jìn)口設(shè)備, 設(shè)備占地面小, 不需蒸汽等輔助
設(shè)施, 因而節(jié)省投資。循環(huán)超聲技術(shù)與設(shè)備與其他主要超聲
提取設(shè)備對(duì)比見表1。
表1　循環(huán)超聲提取設(shè)備與其他超聲設(shè)備的比較
Table 1　Compar ison of equipmen ts between c irculation ultrason ic extraction and other ultrason ic extraction s
比較項(xiàng)目循環(huán)超聲其他超聲
外形同常規(guī)提取罐管道式、拖鏈?zhǔn)?br />超聲類型聚能式超聲波, 單個(gè)換能器功率900～ 1 800W , zui高可達(dá)
2 800W。單位面積功率強(qiáng)度是發(fā)散式超聲波數(shù)十倍, 能
滿足各種細(xì)胞破壁要求
發(fā)散式超聲波, 主要用于超聲清洗器, 單個(gè)換能器功率小,
一般僅為幾到幾十瓦, 難于滿足各種細(xì)胞破壁要求
與物料接觸
方式
聚能式換能器直接與物料接觸, 超聲波利用效率為100% ,
所有物料都處于超聲場(chǎng)的有效范圍, 物料為擬均相, 接受
超聲處理機(jī)會(huì)均等
超聲換能器均是嵌在管壁、提取罐壁等, 超聲波需要通過器
壁再傳遞到物料, 超聲場(chǎng)僅分布在管圓周的少部分范圍,
超聲波利用率低, 物料有的無法接受超聲波, 有的過度接
超聲場(chǎng)作用受超聲處理
方向
循環(huán)超聲與物料之間成逆向或順向流動(dòng)均可, 超聲場(chǎng)中除
了混合物料以外, 沒有其他任何影響流動(dòng)和超聲波作用
的部件
物料的移動(dòng)方向與超聲場(chǎng)成垂直方向, 管道式設(shè)備中超聲
波存在被推進(jìn)螺旋等反射和損耗
物料推動(dòng)
方式
循環(huán)超聲設(shè)備內(nèi)形成均勻的液固混懸物, 類似于擬均相, 循
環(huán)通過高強(qiáng)度超聲場(chǎng), 使物料有相同的提取機(jī)會(huì), 物料推
動(dòng)消耗動(dòng)力小
管道式設(shè)備物料向上移動(dòng)要靠螺旋往上推, 液體依靠高差
往下流, 由于高差、流動(dòng)和超聲垂直作用的關(guān)系, 會(huì)有部
分細(xì)料很難達(dá)到頂部, 造成物料混合均勻度差和過度破
碎, 而且動(dòng)力消耗較高
占地面積緊湊型結(jié)構(gòu), 占地面積很小, 高度與傳統(tǒng)提取罐相近, 物料
循環(huán)速度和提取時(shí)間任意可調(diào)
管道式設(shè)備要保證足夠的超聲提取時(shí)間需要很長管道和足
夠的高度差, 因此占地面積大, 對(duì)廠房要求高
適用范圍適用于揮發(fā)性和非揮發(fā)性溶媒提取各種成分, 全封閉運(yùn)行,
對(duì)于各種物料（特別是細(xì)物料） 均有良好適應(yīng)性, 從1 000
mL～ 5 000 L 均有系列成套設(shè)備, 能滿足實(shí)驗(yàn)室、中試以
及大規(guī)模生產(chǎn)使用要求
管道式設(shè)備等一般較適于中試規(guī)模, 無法滿足實(shí)驗(yàn)室小量
樣品提取要求, 難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模提取, 而且對(duì)
于強(qiáng)揮發(fā)性溶媒、細(xì)物料等適應(yīng)性較差
應(yīng)用推廣目前實(shí)際用戶已有數(shù)十家, 從1 000 mL～ 3 000 L 設(shè)備均已
成功實(shí)際應(yīng)用, 用戶包括國內(nèi)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、制藥
企業(yè)、生物工程公司, 在上已逐步擁有了度
管道式設(shè)備等其他超聲提取設(shè)備目前實(shí)際用戶數(shù)量相對(duì)
少, 而且還缺乏工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用
4　循環(huán)超聲提取設(shè)備系列產(chǎn)品
經(jīng)過不斷開發(fā), 北京弘祥隆生物技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)
的循環(huán)超聲提取設(shè)備目前已基本形成了較完整的產(chǎn)品系列,
主要包括實(shí)驗(yàn)室用的SY 系列、中試用的HF 系列及工業(yè)化
生產(chǎn)用的SC 系列, 目前共有近20 個(gè)產(chǎn)品。循環(huán)方式有逆流
和順流2 種, 循環(huán)速度、超聲強(qiáng)度、提取溫度等均可調(diào)節(jié)。產(chǎn)
品用戶分布在全國各地的高校、研究及設(shè)計(jì)院所、生產(chǎn)企業(yè)
等, 各系列具體產(chǎn)品見表2。
5　循環(huán)超聲提取技術(shù)及設(shè)備在中藥研發(fā)和生產(chǎn)中的應(yīng)用
從中藥中提取天然成分的首要條件是被提取物能夠快
速、地進(jìn)入提取介質(zhì), 由于中藥有效成分多為胞內(nèi)產(chǎn)物,
提取過程中一般需要破壞原料細(xì)胞壁。循環(huán)超聲提取技術(shù)裝
置目前已經(jīng)成功地用于數(shù)十種中藥材原料中天然產(chǎn)物的提
取, 部分結(jié)果見表3。
上述試驗(yàn)結(jié)果說明循環(huán)超聲提取裝置具有良好的放大
性能, 相同設(shè)備在不同工藝條件下提取結(jié)果可能會(huì)相差較
大, 因此需要針對(duì)不同的提取原料和提取物進(jìn)行工藝優(yōu)化。
表2　循環(huán)超聲各系列設(shè)備
Table 2　Var ious equipmen ts of c irculation
ultrason ic extraction
系　列型　號(hào)有效容積　　備　注
SY 系列ST2500 500 mL 可制冷和加熱
（實(shí)驗(yàn)室） SY21000 　1 000 mL 可制冷和加熱
HF 系列HF22B 2 L 電加熱
（中試或生產(chǎn)） HF25B 5 L 電加熱
HF210B 10 L 電加熱
HF220B 20 L 電加熱
HF250B 50 L 電加熱
HF2100B 100 L 電加熱
HF2200B 200 L 電或蒸汽加熱
HF2500B 500 L 電或蒸汽加熱
HF210G 10 L 提、萃一體, 電加熱
HF220G 20 L 提、萃一體, 電加熱
HF250G 50 L 提、萃一體, 電加熱
HF2100G 100 L 提、萃一體, 電加熱
HF2200G 200 L 提、萃一體, 電或蒸汽加熱
HF2500G 500 L 提、萃一體, 電或蒸汽加熱
SC 系列SC2500 500 L 電或蒸汽加熱
（生產(chǎn)） SC21000 1 000 L 蒸汽加熱
SC23000 3 000 L 蒸汽加熱
SC25000 5 000 L 蒸汽加熱
　　
中草藥　Ch inese T radit ional and HerbalD rugs　第37 卷第1 期2006 年1 月·155·
表3　循環(huán)超聲提取中藥的部分結(jié)果
Table 3　Some results of extraction of by c irculation ultrason ic equipmen ts
原　料提取物條　件設(shè)備規(guī)格提取率　　　　備　注
黃花蒿青蒿素20 m in HF22B ≥90% 常規(guī)60% 左右
銀杏葉黃酮室溫、10 m in HF22B 82. 6% 常規(guī)水煮4 h
室溫、30 m in 88. 3% 時(shí)提取率為
40 ℃、30 m in HF250G 91. 6% 56. 5%
蜂膠黃酮室溫、30 m in HF22B 41. 8% 常規(guī)48 h 為36%
淫羊藿黃酮30 ℃, 30 m in HF22B 87%
甘草黃酮室溫、60 m in HF220B 11. 5% （得率）
砂生槐生物堿室溫、30 m in HF22B 85%
肉蓯蓉甜菜堿40 ℃, 10 m in HF22B 13. 65% （得率） 沸水回流7 h 為131. 5 mgög
苯乙醇糖苷40 ℃, 20 m in HF22B 7. 38% （得率） 相當(dāng)于60 ℃提取5 h
淫羊藿淫羊藿苷30 ℃, 30 m in HF22B 90% 50% 乙醇
海帶硫酸酯多糖30 ℃, 20 m in HF22B 2. 8% （得率） 相當(dāng)于煮4 h
肉蓯蓉多糖40 ℃, 10 m in HF22B 4. 69% （得率） 沸水回流7 h 為43. 7 mgög
海帶硫酸酯多糖室溫、30 m in HF22B 90% , 巖藻糖≥35% 溶劑在漿萃取直接純化
花椒室溫、40 m in HF220B 吸光度為2. 053 煮提8 h, 吸光度為2. 274
卷煙廠廢料芐醇、苯乙醇、
獼猴桃內(nèi)酯、
大柱三烯酮、
庚酸
室溫、30 m in SC23000 HPLC 分析的峰面積分別為
942、1 021、84、1 607、22
常規(guī)分別為877、1 004、74、
1 206、3. 2
6　結(jié)語
循環(huán)超聲提取技術(shù)及設(shè)備有效地解決了超聲提取工程
放大的難題, 為超聲提取在中藥大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定了
基礎(chǔ), 此外它還可以用于超聲分散、乳液制備、緩釋藥物超微
膠囊和納米膠囊制備等。由于具有良好的使用效果, 循環(huán)超
聲提取設(shè)備正在被越來越多的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)使
用, 它的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到藥品、保健品、化妝品、食品及農(nóng)
產(chǎn)品深加工等多個(gè)領(lǐng)域。同現(xiàn)有其他相關(guān)技術(shù)相比, 它具有
顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì), 因此, 具有廣泛的應(yīng)用前景。
References:
[ 1 ]　Ying C F1U ltrasonics （超聲學(xué)） [M ]1Beijing: Science P ress,
19901
[ 2 ]　Zhao B, W ang Y C, Ouyang F, et al1 App lication of ultra2
sonic wave in extraction of natural p roducts from p lants [J ]1
Ch in T rad it H erb D rug s （中草藥） , 1999, 30 （9） : A 12A 31
[ 3 ]　Zhao B, W ang Y C, Ouyang F1A irlift recirculation breakage
ultrasonic of S arg assum thunberg ii fo r iso lation of algae
po lysaccharide [J ]1 Ch in J M arine D rug s （中國海洋藥物） ,
1999, 18 （4） : 192231
[ 4 ]　W ang Q , HuangM , Zhao B, et al1 Extraction of sulfate radi2
cal po lysaccharide from L am inaria jap onica enhanced by ul2
trasonic wave in an air2lift reacto r [J ]1 Ch in J P rocess E ng
（過程工程學(xué)報(bào)） , 2001, 1 （1） : 582611
[ 5 ]　Zhao B, Dong Z H1 The circulation ultrasonic extraction and
its app lication in extracting pharmaceutical components from
Ch inese Herbs [A ]1 International Conf erence on theM od ern2
iz ation of TCM A bstracts [D ]1 Chengdu, 20021
[ 6 ]　Ouyang J , Zhao B, W ang X D, et al1 Circulated extraction of
phenylethano id glyco sides from C istanche d eserticola enhanced
w ith ultrasonic wave [J ]1 N at P rod R es D ev （天然產(chǎn)物研究
與開發(fā)） , 2003, 3 （3） : 23222381
[ 7 ]　Ouyang J , Zhao B, W ang X D, et al1 Circulating extraction
of po lysaccharides and betaine from C istanche d eserticola en2
hanced w ith ultrasonicwave [J ]1 Ch in J P rocess E ng （過程工
程學(xué)報(bào)） , 2003, 3 （3） : 22722301
[ 8 ]　Ouyang J , Zhao B, W ang X D, et al1 A n integrated method
fo r the extraction of effective substances from C istanche d eser2
ticola [J ]1 J W uhan B ot R es （武漢植物學(xué)研究） , 2003, 21
（6） : 52625301
[ 9 ]　Huang K L , L i J F, L iu S Q 1 Kinetic model fo r ultrasonic
enhancement of extraction p rocess of Ch inese traditional
medicine [J ]1 J Chem Ind E ng （化工學(xué)報(bào)） , 2004, 55 （4） :
64626481
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