中药材粉碎分散技术研究进展
时间:2023-02-15   点击量:

  粉碎是中药材加工和中药制剂生产工艺中的重要环节。中药自古就有“水飞”、“挫”、“捣”等精细加工方法,其主要应用对象是矿物药、贵重药和具有特殊性质的中药,但处理量极少。我国现有中药加工传统工艺采用锤击式、球磨式、万能磨粉式、流动式、截切式、滚筒式等多种粉碎机械。由于粉碎方式不同,对于粉末的粒度、出粉率,以及有效成分的保存等方面都有一定局限,且采用非密闭制粉,造成粉尘泄漏大,收粉率不高。[2]

  

       1、中药粉体的制备

  

  中药粉体系指中药包括植物药、动物药、矿物药及其提取物经过粉碎制成的粒度为2000μm以下的粉末,其中又分为普通粉体、微米粉体、纳米粉体三大类。一般认为,在10~200目范围内的中药粉体称为普通粉体,采用超微粉体技术制备的粒径为75μm以下的中药粉体称为微米粉体,经纳米技术制备的粒径小于100nm的中药粉体称为纳米粉体。

  

  中药普通粉体的历史沿革可追溯到战国时期散剂的萌芽,散剂是极具特色的中药传统剂型,散剂的历史可以认为是粉体及粉体技术在中医药领域无意识的应用史。目前,中国药典对普通粉体散剂的质量有了明确的要求,如一般散剂应通过6号筛,干燥、疏松、混合均匀,色泽一致,并对其均匀度、装量差异、微生物限度等均有明确规定,但对于微米粉体、纳米粉体目前尚没有统一的规定。

  

  普通粉体的制备

  

  普通粉体的制备方法分为干法粉碎与湿法粉碎两类。干法粉碎又有单独粉碎、混合粉碎等;湿法粉碎即传统的“水飞法”,现在大生产改进为机械“加液研磨法”等。

  

  微米粉体的制备

  

  微米粉体是利用机械或流体动力的方法,将中药粉碎微米级。超微粉碎与普通粉碎的原理相同,由于细度要求更高,故主要利用外加机械力,破坏物质分子间的内聚力达到粉碎的目的。目前超细粉碎方法可分为高频振动粉碎、贝利粉碎及气流粉碎等。其设备有高频振动粉碎机、贝利粉碎机和气流粉碎机等。

  

  纳米粉体的制备

  

  目前中药纳米粉体制备主要采用超细粉碎高能球磨法和超音速气流粉碎法、分子凝胶、固体脂质纳米粒、微乳和固体分散体等。高能球磨法制备纳米粉体能量利用低,耗费时间长,且产品粒度分布不均匀,易引进杂质。普通超音速气流粉碎机粉碎效能低。旋转碰撞式超音速气流粉碎机粉碎效能得到了进一步提高。分子凝胶、固体脂质纳米粒、微乳和固体分散体等适合用来制备中药提取物纳米粒子。

  

  中药材研磨的颗粒越细,其药效作用越好。其中药理化性能关系与其颗粒度的关系见表1。

 

  

  2、中药材超细粉磨

  

  超细中药制备方法分为物理法和化学法两种,而超细粉碎工艺属于物理法。

  

  超细中药粉碎工艺是传统工业粉碎与中药特性相结合而形成的加工工艺,而传统的工业粉碎主要为三类:机械冲击粉碎法、气流粉碎法和球磨法。表2为超细中药加工设备同其他传统设备的对比。

1-220610155QSS.png

(图片来源:祝战科:新型中药材超细粉磨工艺及粒度分析)

  

  机械粉碎法

  

  机械粉碎法是利用机械粉碎机来对中药材进行粉碎获得粉体。机械粉碎机的工作原理主要是通过改变粉碎介质、增加搅拌振动装置、改变机器的结构或运动形式、安装分级器等方面,使外加力充分而强大地作用于待处理物料,以达到理想的粉碎效果。利用该粉碎机进行普通物料粉碎时可使粉体的D90(颗粒累积分布为90%的粒径)小于2μm,D50(颗粒累积分布为50%的粒径)达到0.1~1μm。新研制开发的MIC研磨剪切超细粉碎机是利用多个高速公转和自转的环状粉碎媒体,获得强大的离心力场,使原料受到强大的压缩力、剪切力及研磨力,将原料粒子“研碎”,得到的粉体粒径可达到2μm以下[5-7]。

  

  气流粉碎技术

  

  气流粉碎技术是利用物料在高速气流的作用下,获得巨大的动能,在粉碎室中造成物料颗粒之间的高速碰撞,剧烈摩擦,以及高速气流对物料的剪切作用,从而达到粉碎物料的目的。这样原料被加工成极细的粉末(<10μm),使原料具备了原来没有的一系列理化特征。

  

  气流粉碎机的发展为中药精细加工提供了可靠的保证。气流式粉碎机也被称为流能磨,其工作原理是使物料颗粒之间以及颗粒与室壁之间在高速流体的作用下发生碰撞、冲击和研磨而产生强烈粉碎作用的一种粉碎设备。该粉碎机对于质地坚硬的物料有较好的适用性,经气流粉碎机粉碎后得到的粉体粒径分布范围窄,同时,在整个粉碎的过程中会产生冷却效应,物料在粉碎时产生的热量与冷却的温度相互抵消,因此,该设备粉碎温度较低,是低熔点和热敏性中药材制备超微粉的首选。但因其在粉碎的时候存在较高的气流速度,会使物料所含的部分挥发性成分损失,该仪器比较适合质地松脆的原料粉碎。但应该注意,该粉碎机消耗能量较高,是普通粉碎方法的数倍。

  

  球磨法

  

  球磨的机理是磨球在重力、离心力、科式力、摩擦力的作用下与罐体内壁及其他磨球相互碰撞、积压、摩擦,从而使物料逐渐破碎或混合。行星球磨机被广泛用于物料混合、细磨、小样制备以及纳米材料分散、高新技术材料的研制。行星球磨机大体分立式和卧式两种,由于卧式球磨机球磨时在球磨罐底部没有物料沉积,球磨效果要好于立式球磨机。工作时物料和磨球按一定比例混合后装入球磨罐内,为获得高的生产效率和好的球磨效果,一般装料量不超过球磨罐容量的三分之二。

  

  振动磨

  

  振动磨主要是利用高强度的振动使物料和器壁进行高速碰撞和切磋,且能在短时间内使得物料混合均匀的超微粉碎技术。影响超微粉碎主要的工艺参数是粉碎时间和介质填充率,振动磨的介质填充率比较高,一般为60%~80%,并且在单位时间内物料撞击和剪切的次数较多,振动磨的冲击次数通常是普通球磨机的4~5倍,所以粉碎效率是普通球磨机的10~20倍,耗能也低很多。同时,由于振动磨配有水冷却装置,可实现低温或常温的粉碎,对含有挥发性成分的中药材同样较适用,经振动磨粉碎制备的产品,粒径平均可达2~3μm以下。

  

  在利用振动磨进行超微粉碎过程中,粒子粒径呈现“快粉碎-慢粉碎-粉碎平衡-逆粉碎”4个阶段的变化,当粉碎达到平衡后,粉体的粒径不再随粉碎时间的延长而减小,甚至会出现粉体团聚导致粒径有所增大的趋势,因此,在应用时应控制粉碎时间。

  

  超细中药研磨法

  

  基于传统球磨机的原理策略,综合机械冲击粉碎机的技术特点,提出了一种新型超细粉磨方法。该方法可涵盖各种物料从超细到纳米尺寸的粉磨。在理论分析及关键设备和技术前期研究的基础上,提出了技术工艺方案,并获取了相关技术参数,形成了该技术的整体设计方案及工艺系统。

  

  对待粉磨的物料即中药材原料,在外界旋转动力T及震力的作用下,研磨介质(简称磨介,即滚棒)做时而散开、时而聚合的上抛运动,滚棒自身做同向自转,速度为ω′,滚棒群做公转,速度为ω,通过内外层的滚棒不断交换位置,两两滚棒不断冲撞、挤压剪切中药材物料,使物料被挤破剪断。在破碎过程中大颗粒受力先被破碎,颗粒从大到小不断地被破碎。整个破碎过程在-10℃的低温环境中进行,使坚韧性中药材变成易粉碎的湿脆体,提高了粉碎效率,且低温条件下的这种粉磨方式可有效防止加工过程成分挥发或氧化,保证药性不受损失。设备结构及原理简图如图3所示。P为挤压力,τ为剪切力。


1-220610155Z3b2.png

  图3设备结构及原理简图

  

  Fig.3 Equipment structure and schematic diagram

  

  结语

  

  随着当今科学技术的进步与发展,越来越多的新技术与新设备已广泛应用于中药粉碎及超细研磨的研究中。对于原生粉入药的制剂,中药材必须经过粉碎达一定粒径并混合均匀后方能进行下一步生产。粉碎后的药粉有利于有效成分的溶出和吸收,且能提高药物的生物利用度和制剂稳定性。

  

  为贯彻落实国家“十三五”规划纲要和《中国制造2025》,工业和信息化部研究编制了《医药工业发展规划指南》(以下简称《指南》)。《指南》中提到,“与2015年相比,2020年规模以上企业单位工业增加值能耗要下降18%”“要提高制药设备的集成化、连续化、自动化、信息化、智能化水平”。目前,我国中成药生产面临转型升级,为实现《指南》“绿色发展”“智能制造”等目标,中药行业应当借鉴与探索新的制药设备与工艺。